（油气井工程专业论文）co2驱油过程中的相对渗透率研究.pdf

r e l a t i v ep e r m e a b i l i t ys t u d yd u r i n gt h eo i ld i s p l a c e m e n t p r o c e s so fc 0 2i n j e c t i o n w a n gz h e n ( o i l & g a sw e l le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ype ns h a o r a n a b s t r a c t c 0 2i n j e c t i o ni so n e o ft h em o s te f f i c a c i o u se o rm e t h o d so fo i l f i e l dd e v e l o p m e n t i tc a n b ed i v i d e di n t om i s c i b l ed i s p l a c e m e n t , i m m i s c i b l ed i s p l a c e m e n ta n dn e a r - m i s c i b l e d i s p l a c e r n e n t w h e nar e s e r v o i r a n dm p u tg a sa r ed e f i n i t e ，m m pc a l lb ed e t e r m i n e d t h e r e f o r e ，t h e r ew i l lb ed i f f e r e n tm i s c i b l ec h a r a c t e r i s t i c sw i t hd i f f e r e n td i s p l a c e m e n tp r e s s u r e t h ec o r r e l a t i o no fr e l a t i v ep e r m e a b i l i t ya f f e c t sd i s p l a c e m e n te f f i c i e n c y n u m e r i c a ls i m u l a t i o n r e s u l t sw i l lv a r yw i d e l yi fu s e sd i f f e r e n tc o r r e l a t i o n so fr e l a t i v ep e r m e a b i l i t y s oi tn e e d sa t h r e e - p h a s em o d e lt h a ta p p l y st od i s p l a c e m e n ts y s t e mo fc 0 2i n j e c t i o n t h i sp a p e ru s e ss l i mt u b et e s tt od e t e r m i n em 蛐：b a s e do nd i s p l a c e m e n tt e s t , s t u d yt h e i n f l u e n c eo fi n j e c t i o nw a y , p r e s s u r e ，p e r m e a b i l i t ya n do r i g i n a lo i ls a t u r a t i o no nd i s p l a c e m e n t e f f i c i e n c y , a n dr e v e a ld i s p l a c e m e n tm e c h a n i s m t of r e do u tt h er u l eo f r e l a t i v ep e r m e a b i l i t yo f d i f f e r e n tm i s c i b l ef l u i da n dp r o v i d eap r e c i s er e l a t i v ep e r m e a b i l i t ym o d e lf o rr e s e r v o i r m o d e l i n g w ec h o o s et oi m p r o v ec o r e ) , m o d e lb a s e do nl i t e r a t u r ei n v e s t i g a t i o n t h i sp a p e r a d o p t sam e t h o do f t h a ti f tr c l 撕i 培t oas e to ff i c t i t i o u sa n di n t e r f a c i a lr e l a t i v ep e r m e a b i l i t y c u r v e s f i r s tu s et h ep h a s eb e h a v i o rs o f t w a r et oc a l c u l a t eg a s o i li n t e r r a c i a lt e n s i o na n dg e tt h e p r e s s u r ec o r r e s p o n d i n gi n t e r f a c i a lr e l a t i v ep e r m e a b i l i t yc u r v e so fm i s c i b l ea n di m m i s c i b l e s t a t e s b a s e do nc o r e ) , e x p o n e n tc o r r e s p o n d i n gi n t e f f a c i a lr e l a t i v ep e r m e a b i l i t yc u r v e ，g i v e s t h ei n t e r r a c i a lr e l a t i v ep e r m e a b i l i t yc u r v e s e s t a b l i s ha ni m p r o v e dc o r e ym o d e lt h r o u g ha n a s s u m p t i o no fl i n e a rf u n c t i o nr e l a t i o nb e t w e e ne x p o n e n ta n dp r e s s u r e t h r o u g hn u m e r i c a l s i m u l a t i o ns o f t w a r e ，u s et h er e l a t i v ep e r m e a b i l i t yc u r v e sc a l c u l a t e df r o mi m p r o v e dc o r e y m o d e lt om a t c hl a bd i s p l a c e m e n tt e s t s ，t ov e r i f yi ft h em o d e li sc o r r e c t s i m u l a t i o nr e s u l t sa r e s i m i l a rt oe x p e r i m e n t a lv a l u e ，w h i c hs h o w st h a tt h em o d e li sp r a c t i c a b l e ，t h e r e f o r e ，i m p r o v e d c o r e ) , m o d e la p p l y st oo i ld i s p l a c e m e n to fc 0 2i n j e c t i o n k e yw o r d s ：c 0 2 ，d r i v et e s t ，m i s c i b l e ，i m p r o v e dc o r e ym o d e l ，r e l a t i v ep e r m e a b i l i t y 1 1 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：举 嗍叩岁月2 7 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 日期： 日期： 力纠、 奎卜j 椿降 叩叫 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 研究的目的和意义 第一章前言 我国大部分油田的储层属陆相沉积，非均质严重，水驱采收率比较低，而且很多 油田开发已进入中后期，存在油井含水率高、投入产出比大、常规注水技术挖潜困难 等问题。近年来发现的储量又多属低渗透及高粘度等难开采储量，比例呈逐年增加趋 势【l 】，依靠常规开发方法难以较大幅度提高采收率。如何经济有效地开发此类储量，已 成为当前国内各大油田必须研究的课题。 注c 0 2 采油以成本低廉、成效显著、可回收重复利用、无毒环保、与原油有较好的 混溶性而成为具有良好发展前景的提高原油采收率技术。c 0 2 在油藏流体中具有很高的 溶解度，致使原油体积膨胀，显著降低原油粘度和界面张力，形成比较有利的原油流动， 对原油开采和提高采收率十分有利，在低渗透油藏、高含水油藏以及深层油藏中都有良 好的应用前景，并且注c 0 2 气体能够减少空气污染，降低温室效应，有利于环境保护 2 1 。 因此，c 0 2 的混相驱和非混相驱被认为是提高采收率最有效的途径之一。 相对渗透率是反映多相流体在多孔介质中渗流规律的一个重要参数，它可提供油藏 中各相运动情况的基本描述，是评价油藏的一个重要指标。它在油藏工程计算中的应用 十分广泛，在采用精细数值模型拟合、预测及优化油藏动态时，相对渗透率更是必不可 少的基础数据【3 】。相对渗透率曲线是油藏数值模拟工作最基础的资料之一，是影响产油 量和含水率的重要因素。随着开发时间的延长，相对渗透率曲线要发生变化，可能与早 期测试值相差较大。因此，考虑相对渗透率曲线在开采过程中动态变化的特点，获得随 时间变化的相渗曲线是非常重要的问题。 在向油层中注入c 0 2 的采油过程中，地下会出现三相或更多相流动，可能出现多种 驱油机理，且伴随相间组分转移、相变及其它复杂相行为发生 4 1 。根据驱替压力和最小 混相压力的关系，注c 0 2 采油分为混相驱、非混相驱和近混相驱，在不同的混相方式下， 相对渗透率关系式的选择会影响c 0 2 驱替效率。现有的相对渗透率模型并不能很好地拟 合实验数据，在数值模拟中，采用不同的相对渗透率模型，模拟结果会出现很大的偏差， 特别是对c 0 2 驱来说，其相态、流态及油的流动性( 混相影响) 都随温度、压力变化【5 1 。 在三相流动影响显著的情况下，需要一个更合适的相对渗透率模型进行模拟。 本文通过实验研究、模型研究和数值模拟，评价c 0 2 和原油在各种介质条件下的驱 第一章前言 油机理，建立适用于c 0 2 驱油体系的三相相对渗透率模型，在数值模拟中通过拟合实验 数据，验证改进c o r e ) , 相渗模型的正确性，从而揭示不同混相方式下的相对渗透率变化 规律，为油藏工程提供更精细的描述。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 注c 0 2 驱油的研究现状 国外在3 0 年代提出注c 0 2 提高原油采收率，5 0 年代开始室内实验，6 0 年代进行矿场 试验，7 0 年代以后理论研究和生产应用都获得了迅速发展，成为了一种重要的提高采收 率方法。多年的生产实践表明，c 0 2 驱可以延长水驱近衰竭油藏寿命1 5 2 0 年，提高采收 率7 - 2 5 ，是石油开采，特别是轻质油开采的最好e o r 方法之_ 6 - s l 。 目前，注c 0 2 已成为国外一种常用的较成熟的增产技术，增油量仅次于热采。美国 是c 0 2 驱发展最快的国家，由于拥有丰富的天然c 0 2 资源，c 0 2 驱已成为其主要的提高采 收率技术。现在世界上实施地大部分c 0 2 驱项目是混相驱，其中9 0 以上的项目属于美 国。无论是作为二次采油方法，还是作为三次采油方法，其效果都很好，但是大多数大 型c 0 2 驱项目都是在注水多年且已近后期的油藏开展的三次采油。 经过多年的实践，美国已经总结出许多注气的经验和教训，以前人们担心的很多问 题都已逐步得到较好的解决，例如过早气窜问题、注入气体的油藏保持率问题、水堵对 水气交替注入时c 0 2 驱效果的影响等。如：矿场试验表明，注气后虽然会发生气体突破， 但地下保留率仍旧较高，即使在气窜最严重时，气体地下保持率也在6 5 以上。近年来 又提出混含水气交替以及近混相驱方法，使得混相驱效果进一步提高。 我国东部主要产油区c 0 2 气源较少，但注c 0 2 提高采收率技术的研究和现场先导试 验却一直没有停止。注c 0 2 技术在油田的应用越来越多，已在江苏、中原、大庆、胜科 等油田进行了现场试验1 9 1 。1 9 6 3 年首先在大庆油田作为主要提高采收率方法进行研究， 1 9 6 6 、1 9 6 9 、1 9 8 5 、1 9 9 1 、1 9 9 4 年先后开展了注c 0 2 先导试验。吉林油田利用万金塔 c 0 2 气田的液态c 0 2 开展c 0 2 吞吐和c 0 2 泡沫压裂已达1 0 0 井次以上。1 9 9 6 年江苏富 民油田4 8 井进行了c 0 2 吞吐试验，已开展了c 0 2 驱试验 t 0 - t t l 。 江苏油田富1 4 断块在保持最低混相压力的状态下，于1 9 9 8 年末开始了c 0 2 一水交 替( w a g ) 注入试验【引。注入6 周期后水气比由0 8 6 ：1 升至2 ：l ，见到了明显的增油降 水效果，水驱后油层中形成了新的含油富集带。试验区采油速度由0 5 升至1 2 ，综 合含水率由9 3 5 降至6 3 4 。 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 大庆油田非混相c 0 2 驱油先导性矿场试验的研究开始于1 9 8 5 年，在可行性研究( 室 内实验与数模计算研究) 及确定最佳c 0 2 驱油试验方案后，于1 9 9 0 年在葡i2 油层开 始第一次矿场试验【1 2 1 ，之后又于1 9 9 4 年在萨i i1 0 - - 1 4 油层开始第二次试验。两次试验 均采用先前期水驱，后续水、气交替注入方式，c 0 2 气体注入总量均为0 2 p v 左右。矿 场试验所用c 0 2 为大庆炼油厂的副产品，纯度9 6 。结果表明，水油比和水驱剩余油饱 和度降低，采收率提高6 0 o o i p ，每增采i t 原油需注入2 2 0 0 m 3 c 0 2 气体。 1 2 2 三相相对渗透率的研究现状 三相流动发生在含水饱和度高于残余水饱和度、并且油和气又作为流动相而存在的 时候。在诸如注二氧化碳、火烧油层、蒸汽驱、注胶束和注氮气等开采条件下，油藏动 态的详细工程计算需要三相相对渗透率数据。通过掌握油、气、水三相渗透率和流体饱 和度的关系，有助于认识油气水在油层中渗流运动的规律，可以帮助预测油藏的生产动 态以及提供高速生产方式的有关依据。 多孔介质中的油、气、水三相相对渗透率实验研究源于4 0 年代初，到目前为止， 有代表性的国内外学者从不同角度，采用稳态或非稳态实验方法进行测定研究。m 霍 纳波等总结了1 9 8 6 年之前在油藏中进行的相对渗透率研究，并进行分类总结，详细完 整地概况了自1 9 4 1 年相对渗透率实验方面的进展。有两种不同类型的三相相对渗透率 数据：排驱型和吸渗型。排驱指饱和度变化的方向是润湿相饱和度减少，一般在下列情 况使用：水淹油藏中注干气、烟道气、c 0 2 及其它气体；水淹油藏中注液化石油气 l p g 的混相驱过程；从含水饱和度高于束缚水饱和度的油藏中采油。吸渗则指润湿相 饱和度增加，应用在下列情况：自然水驱下开采；注水开采的油藏，及注入含有表 面活性剂、聚合物或其它添加剂的水驱过程开采的油藏；用水推动化学剂或l p g 段 塞开采的油藏。 ( 1 ) 排驱型相对渗透率【1 3 】 l e v e r e t t 和l e w i s 最早在1 9 4 1 年利用稳态法测定了水、油、气三相相对渗透率，忽 略了末端效应和滞后。实验结果发现：水相相对渗透率只与含水饱和度有关，不受孔 隙中是否有气、油或者两相共同存在的影响；气相相对渗透率也仅仅是气相饱和度的 函数，等值线凸向三角图上的1 0 0 s g 的顶点；油相的相对渗透率不仅与油相饱和度 有关，而且受水和气相饱和度的影响。 c o r e y 等【1 4 】在1 9 5 6 年利用贝雷砂岩测定了三相相对渗透率，通过岩心两端的半渗 3 第一章前言 透隔板来减少毛细管末端效应，为避免滞后效应，每次测量都使用单独的岩心，而不是 重新饱和原来的岩心。得出的油相相对渗透率等值线与i 启v e r e t t 和l e w i s 的结果相似， 只是曲率更大。假定水相相对渗透率只是水饱和度的函数，并且水湿系统与油湿系统中 水的渗透率相等，在此假定下计算水相相对渗透率。提出了一种只根据k 得到k 和k 的方法，发现l ( f g 是s 。的函数，而与流体的润湿性无关。 r e i d 在1 9 5 6 年使用与l e v e r c t t 和l e w i s 同样的方法，消除了末端效应，但没有考 虑滞后现象。结果显示出凹的水相相对渗透率等值线、凸的油相相对渗透率等值线和微 凹的气相相对渗透率等值线，这表明每一相的相对渗透率既与本相饱和度有关，也与其 它相的饱和度有关。r e i d 并没有建立三相结果与两相实验结果的关系。 s n e l l 在1 9 6 2 年用稳定法研究三相，考虑了末端效应和滞后，第一个研究了饱和度 历史对三相相对渗透的影响，发现油相相对渗透率只与液相的饱和度历史有关。三角图 上的结果显示，两个非润湿相( 油和气) 的相对渗透率等值线都凸向各自相的顶点，而 润湿相的相对渗透率等值线是直线或凹向1 0 0 润湿相的顶点。 d o n a l d s o n 和d e a n 在1 9 6 6 年使用了推广的w e l g e 二相非稳态流方法来测定三相相 对渗透率。利用大压差、高流速减少末端效应，但没有考虑到滞后效应，提出相对渗透 率等值线是末端饱和度的函数，而不是平均饱和度的函数，因为前者支配了流体流过岩 心的流动。 s a r e m 在1 9 6 6 年使用非稳定法在贝雷岩心上得到了三相数据，实验并没有考虑末 端效应和饱和历史，但考虑了润湿性。假定每一相的相对渗透率只是本相饱和度的函数， 所以相对渗透率等值线与等饱和度线平行。得出初始饱和条件影响k 和k 刑，发现三相 研究中受初始饱和度影响的方式与在两相研究中的相同。这些结果与d o n a l d s o n 和d e a n 的结果不同，尽管使用了同一类砂岩。 s a r a f 在1 9 6 7 年利用核磁共振技术确定液体饱和度，实验使用不同的样品消除滞后 影响，并考虑到末端效应。发现l h 只是s w 本身的函数，k 喧只依赖于总的液体饱和度， 而与相对润湿性无关，油相相对渗透率等值线凸向油的顶点。s a r a f 于1 9 8 2 年又利用稳 定流与非稳定流相结合的方法，但没有考虑滞后影响，得到的结论是油相对渗透率等值 线凹向油的顶点，其他结论一致。 对于水和油的饱和度由排驱过程而不是由吸渗过程确定、优先水湿的系统，w y l l i e 和c a r d n e r 给出了三相相对渗透率方程，使用时必须考虑以下因素：k m 的值是以绝对 渗透率归一化的；计算的k 和l ( f g 的值是以束缚水饱和度下的烃的有效渗透率归一化 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 的；气和油相相对渗透率方程不包括对残余油饱和度的规定。对于完全油湿的三相系 统，其中油是湿相，水是非湿相，气对两者来说都是非湿相，为计算每一相的相对渗透 率，可在方程中用s o 代替s 帅。 o a k t l 5 1 在1 9 8 8 年利用水湿贝雷砂岩提出了关于二相、三相相对渗透率的稳态实验数 据，得到水相和气相的相对渗透率仅依赖于他们各自的饱和度，而且在三相流中其相对 渗透率等同于在两相流中的相对渗透率，这与l e v e r e t t 和l e w i 、c o r e ) 的结论比较一致； 油相的相对渗透率依赖于所有相的饱和度及饱和历史。 b a k e r t l 6 - 1 7 1 ( 1 9 9 5 ) 收集了大量的关于油湿、水湿和中等润湿砂岩的三相相对渗透 率数据，得出忽略滞后现象的润湿相的三相相对渗透率是这一相饱和度的函数，非润湿 相则依赖于这一相的饱和度及饱和历史，中等润湿相如油在水湿或水在油湿中的相对渗 透率，不仅依赖于一种饱和度，滞后的影响也很明显。油相相对渗透率等值线在水湿情 况的形状是凹的，并且随着亲油度的增加，曲率减小，还指出，对于水湿岩心，s t o n e i 模型比饱和度加权内插法更适合，反之，对中等润湿和油湿岩心来说饱和度加权内插 法更适合。 ( 2 ) 吸渗型相对渗透率【1 3 】 c a u d l e 等( 1 9 5 1 ) 利用动力驱替法在固结岩样上得到了三相相对渗透率的等值线。 发现水相相对渗透率与s w 、s g 和s o 有关，认识到三相研究中存在某种形式的滞后，但 忽视了毛细管末端效应，并且当s o 保持在s 眦的数值时，所有的相对渗透率近似地为其 极小值。 n a a r 和w y g a l 发展了一组方程，可作出相对渗透率等值线。其结论不同于其它研 究者的结果，发现在三相流同样的采出程度下，不是s 鲫的函数，而是s 西和润湿 性的函数。此外，在一定采出程度下，含水饱和度是初始含水饱和度和初始含气饱和度 的函数。推导的三相方程假定了直的毛细管随机地相互连通，并考虑了侵入的湿相流体 对非湿相的堵塞作用。 s c h n e i d e r 和o w e n s 进行了稳态和非稳态试验，并发现，水湿系统吸渗过程的油相 相对渗透率在含气饱和度增大时对流动的气相不敏感，主要与含油饱和度有关。三相流 中非湿相相对渗透率一饱和度关系依赖于两个非湿相饱和度的历史，还依赖于两个湿相 饱和度的比值。 s p r o n s o n ( 1 9 8 8 ) 把在两相流动中已经证实了的离心法推广到水湿系统排驱型三相 流动的情况。他测定的油相相对渗透率等值线凹向1 0 0 油的顶点，并讨论了注入非混 5 第一章前言 相的c 0 2 对三相流动的油相相对渗透率等值线形态的不利影响。 在国内，对相对渗透率的研究还比较少，尤其是对三相相对渗透率。林玉保1 1 3 】等利 用实验室测定的不同饱和历程三相相对渗透率曲线，对s t o n e 概率模型的应用条件范 围进行了研究，提出了在油藏工程预测中，s t o n e 仅适用于i d i 饱和历程的见解。 赵明国等【1 9 1 用稳定法研究润湿性对油湿、水湿中i d d 饱和历程的三相相对渗透率 的影响，实验表明，润湿性对相对渗透率没有明显的影响。对于水湿岩石，水的等渗线 为一组直线，油、气的相对渗透率与所有三相饱和度有关，油的等渗线凹向1 0 0 油的 顶点，气的等渗线凸向1 0 0 气的顶点。对于油湿岩石，油、气、水三相相对渗透率与 所有三相饱和度有关，各相等渗线均凸向1 0 0 各自饱和度的顶点。 周显民等【2 0 提出一种利用微波衰减与电子天平相配合的技术来测定柱状油层样品 中油、气、水饱和度的实验方法，即微波一称重法。建立了一套测定三相相对渗透率的 装置和实验方法，结果表明这种方法是可行的，并给出了i d i 饱和历程的油、气、水三 相相对渗透率曲线。水相等渗线平行与其饱和度的分度线，仅是自身饱和度的函数。油 相等渗线凹向含油饱和度1 0 0 ，而气相等渗线凸向含气饱和度1 0 0 。 1 3 本文研究内容 本文从室内驱替实验入手，在不同压力、注入方式、含油饱和度等各种介质条件下 进行c 0 2 驱替的填砂实验，研究c 0 2 一原油的驱油机理及驱油效率的影响因素。通过界 面张力关联虚拟边界相对渗透率曲线，建立改进的c o r e y 相对渗透率模型，适用于c 0 2 驱油体系，揭示不同混相方式下的相渗变化规律。结合数值模拟，利用虚拟相渗曲线线 性插值的方法，对实验数据进行拟合，验证改进相渗模型的正确性及适用性。 1 4 本文主要创新点 ( 1 ) 采用常规油藏数模方法，利用界面张力关联虚拟相对渗透率曲线的方法，建 立适用于c 0 2 驱替的多相相对渗透率模型。 ( 2 ) 利用虚拟相对渗透率曲线线性插值的方法，拟合实验，验证改进相渗模型的 正确性。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第二章二氧化碳驱提高原油采收率机理 本章主要分析了注气提高采收率的机理：一次接触混相、多级接触混相、凝析气驱 混相、蒸发气驱混相，近混相及非混相驱过程。阐述了c 0 2 驱常规的驱油机理，以及气 与原油多级接触过程中的相平衡。 2 1 注气混相驱机理 混相( m i s c i b l e ) 的定义是：当两种或更多种流体按任何比例混合时，没有流体间 的相界面形成，所有的混合物都保持单一均质相时，则称这些流体是混相的。反之，若 有流体相存在，则认为这些流体是不混相的。混相驱替( m i s c i b l ed i s p l a c e m e n t ) 是提高 石油采收率的重要方法之一，它的基本机理是驱替剂( 注入的混相气体) 和被驱剂( 地 层原油) 在油藏条件下形成混相，消除界面，使多孔介质中的毛细管力降至零，从而降 低因毛细管效应产生毛细管滞留所圈闭的石油，原则上可以使微观驱油效率达到百分之 百【2 1 1 。实际上由于地层的非均质性、渗透率分层性、流度比不利、重力舌进、粘性指进 等多种因素，1 0 0 的原油采收率是达不到的，但在适宜条件下，其采收率一般比注水 的采收率高。 到目前为止，可用来混相驱油的气体有烃类气体与非烃类气体。烃类气体有干气( 贫 气) 、富气和液化石油气( l p g ) ；非烃类气体有二氧化碳、氮气、烟道气等。 根据不同注入气体及其与原油系统的特性，混相驱可分为：一次接触混相( f c m ， 也称直接接触混相) 、多级接触混相( m c m ，也称动态混相) 、近混相驱( 凝析蒸发气 驱) 和非混相( m 眦) 几种方式。 2 1 1 一次接触混相过程 达到混相驱替最简单和最直接的方法，注入流体能按任何比例直接与地层原油混 合，并保持单相。最常用的混相剂一般是中等分子量的烷烃( c 2 c 6 ) ，如丙烷、丁烷 或液化石油气阎。 图2 1 说明一次接触混相的相态要求。这个三元图上的液化天然气溶剂用拟组分 c 2 - 圯6 代表。所有的液化天然气和原油的混合物，在这一图上全都位于单相区。为在溶 剂与原油间达到一次接触混相，驱替压力必须位于p - x 图临界凝析压力之上，因为溶剂 一原油混合物在这一压力之上为单相。实际上，在三角相图中，只要注入溶剂和原油之 间的连线没有经过两相区，都认为在该温度和压力条件下是一次接触混相的。 7 第二章二氧化碳驱提高原油采收率机理 c i 图2 1 溶剂段塞的一次接触混相 f i g 2 - 1 f i r s tc o n t a c tm i s c i b i l i t yo fs l u gs o l v e n t 液化天然气是与油藏流体发生初接触混相的溶剂，如果连续注入，费用太高，代替 的办法是注入一定体积的液化天然气溶剂或溶剂段塞，其体积只是油藏孔隙体积的一部 分，并用费用较低的流体如天然气或烟道气混相驱替溶剂段塞。在理想情况下，采用这 样的混相驱方案时，溶剂混相地驱替油藏原油，而驱动气混相地驱替溶剂；推动小的溶 剂段塞通过油藏。当溶剂段塞通过油藏时，它在段塞前缘与原油混合，并在尾部与驱动 气混合。只要段塞中部的溶剂保持不稀释，由原油通过段塞到驱动气的组成剖面就类似 于图2 1 的虚线a 。最终，段塞中部被稀释到它的原始浓度以下，结果组成剖面类似于 虚曲线b 。随着溶剂段塞继续通过油藏，它可能被稀释到组成剖面类似于曲线c ，这条 曲线刚好与两相区相交。在这一点上混相驱替消失，因为随后的混合稀释使段塞进入两 相区，如曲线d 所示。两相区的大小和形状是受温度、压力和流体组成支配的，它们决 定着溶剂段塞在失去混相性以前可能被混合稀释的程度。 对于一次接触混相驱来说，中间相对分子质量的烃注入溶剂将会从沥青基原油中沉 淀出某些沥青。沉淀的趋势随着烃溶剂相对分子质量的增加而减弱。严重的沥青沉淀可 降低渗透率，并影响井的注入能力和产能，还可以在生产井中引起堵塞。 2 1 2 多级接触混相过程 在注入气体后，油藏原油与注入气之间出现就地的组分传质作用，形成一个驱替相 过渡带，其流体组成由原油组成变化过渡为注入流体的组成，这种原油与注入流体在流 动过程中重复接触而靠组分的就地传质作用达到混相的过程，称为多级接触混相或动态 混相1 。 r 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 在多级接触混相驱中，常用到两个概念：即向前接触和向后接触。向前接触是指平 衡气相与新鲜的原油相接触，通过蒸发或抽提作用进行相间传质。而向后接触是指平衡 液相与新鲜注入气之间不断进行相间传质，这两种驱替过程是同时但是在地层中不同地 点发生的。向前接触发生在前缘，而向后接触发生在后缘。根据传质方式的不同，多级 接触混相驱可分为凝析气驱( 富气驱) 及蒸发气驱( 贫气驱) 。 ( 1 ) 凝析气驱( 向后接触混相) 富烃气富含3 0 0 0 5 0 的c z - c 6 中间组分，它不能与油藏原油发生初接触混相，但在 适当的压力下可与油藏原油达到凝析气驱动态混相，即注入的富气与油藏原油发生多次 接触，并发生多次凝析作用，富气中的中间组分不断凝析到油藏原油中，使原油逐渐富 化，直至与注入气混相。 图2 2 说明了富气凝析气驱混相的机理，油藏原油及注入富气b 组成如图所示，可 见油藏原油与富气起初并不混相，富气初接触油藏原油后，由于富气中的中间组分溶于 原油中，因而油藏流体组成变为m 1 ，其相应的平衡气液分别为g l 、l l ，随后再注入富 气推动可移动的平衡气体g l 向前进入油藏，留下平衡液体l l 与注入的新鲜富气b 接触， 并发生混和，在这一位置上形成一新的混合物m 2 ，其平衡气液为g 2 、l 2 ，并且液相k 比初接触留下的l l 更富，继续注入富气，重复上述过程，井眼附近液相组成以相同方 式逐渐沿泡点曲线改变，直至临界点，气液达到平衡，油气不存在相间界面而达到混相。 图2 2 凝析气驱混相 f i g 2 - 2 m i s c i b l ep h a s eo fc o n d e n s a t i o ng a sd r i v e 显然，注富气混相驱是多次接触混相过程，通过注入富气中的中间组分不断凝析到 原油中，原油中富气逐渐变多，从而在注入气的后端与原油性质相同而实现混相。通常 必须注入相当多的富气才使混相前缘的混相得以保持，一般采用的富气段塞为1 0 2 0 9 第二章二氧化碳驱提高原油采收率机理 的孔隙体积。 ( 2 ) 蒸发气驱( 向前接触混相) 达到动态混相驱替的另一机理是依靠就地蒸发( 汽化) 作用，让中间相对分子质量 烃从油藏原油蒸发并进入注入气，这种达到混相的方法称作蒸发气驱过程。用天然气、 二氧化碳、烟道气或氮气作为注入气是可以达到混相的。当油藏原油含有较多中间烃时， 通过注入气与原油多次接触，能蒸发或抽提油藏原油中的烃，使注入气富化，实现蒸发 气驱动态混相。天然气、烟道气和氮气主要用以抽提c z 6 ，二氧化碳也能达到动态混 相，主要用于抽提更大相对分子质量的烃，即c z - c 3 0 。 以甲烷一天然气作为注入溶剂为例，图2 - 3 说明达到汽化气驱混相的机理。在这一 例子中，油藏原油a 含有较多的中间相对分子质量轻，并且它的组成位于通过临界点的 极限系线的延长段上。注入气体和油藏原油在开始是不混相的，因此，注入气体开始从 井眼向外非混相地驱替原油，而在气前缘的后面留下一些未驱替走的原油。假设注入气 体和初次接触后未驱替走原油的总组成为m l ，则平衡的油藏中液体为l l 和气体g l 。随 后注入气体推动平衡气体g l 更深入地进入油藏，平衡气g l 接触新鲜的油藏原油，液体 l l 残留在后面。通过第二次接触，达到一新的总组成m 2 ，其相应的平衡气体和液体为 g 2 和l 2 。进一步的注入气体，使气体g 2 向前流动接触新鲜的油藏原油，并且重复以上 过程。驱替前缘的气体组成沿露点曲线逐渐改变，不断富化，直到它达到临界点的组成 为止，则临界点流体直接与油藏原油混相。 只要油藏原油的组成点位于极限系线上或其右侧，注入气组成位于极限系线左侧， 依靠汽化气驱机理就可能达到混相。如果原油组成位于极限系线的左侧，则气体的富化 仅能发生到位于延长后通过原油组成的系线上的平衡气体的组成。例如，如果图2 3 上 驱替油藏原油b ，则注入气体只能被富化到平衡气体g 2 的组成，但不会富化到超过这 一组成，因为气体g 2 进一步接触油藏原油仅能产生位于通过g 2 系线上的混合物。原油 组成必须位于极限系线右侧的要求意味着，只有欠饱和甲烷的原油能够被甲烷或天然气 混相驱替。因此，图2 3 泡点曲线上的原油组成l 2 与甲烷一天然气不会发展为汽化气驱 混相。 在注气过程中，随着油藏原油的中间相对分子质量烃浓度的减小，为达到混相就要 求更高的压力。增加压力可以增加汽化作用，使中间相对分子质量烃汽化进入蒸气相， 从而减小两相区并改变连接线的斜率。对许多原油来讲，使用甲烷一天然气、n 2 、烟道 气作为注入气来达到混相的目的，所需的压力太高，在油藏注入工程中通常是达不到这 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 么高的压力值的。 图2 - 3 蒸发气驱混相 f i g 2 - 3 m i s c i b l ep h a s eo fs t e a md r i v e 2 1 3 非混相驱过程 从混相原理上可知，随着压力增加，即使是用贫气驱动含中间烃较少的重油，它们 之间也有可能达到混相，但要求的混相压力极高，这在油藏注气方案实施中会明显提升 工程成本而难以实验洲，此时注气只能是非混相驱替。由于烃气在原油中有一定的溶解 度，一定压力下溶解气可以改变原油流动特性，同时非混相的气一液之间存在传质作用， 因此，非混相驱替也会使原油采收率有所提高。 非混相驱采油的主要机理是：有限量的蒸发和抽替；降低原油粘度；使原油 膨胀；降低界面张力。 非混相驱的特征是： ( 1 ) 注入溶剂时，一些溶于油藏流体中，一些保留为上相( u p p e r p h a s e ) ，因此形 成两相体系； ( 2 ) 形成的上相向前运移，与更多的油藏流体接触，从油藏流体中抽提( 萃取) 出一些中间烃组分，或原油从溶剂中抽提一部分中间烃组分，上相抽提的组分不足以在 排驱前缘或后缘达到混相； ( 3 ) 由于高的流度，上相继续在前面流动，其中一小部分溶解于液相( 油藏流体) ， 更多的是从原油中抽提或从上相凝析中间烃组分，但永远达不到单相体系： ( 4 ) 上相流体早期突破，因此原油采收率很低。 这也就提出了采用近混相驱的理论方法，即在降低注入压力的同时，尽可能使驱替 1 】 第二章二氧化碳驱提高原油采收率机理 过程的效果达到与混相驱相同的效果。 2 1 4 近混相驱过程 在过去较长的时间里，理论和实验都认为只存在两种混相类型，即凝析混相和蒸发 混相，统称为传统理论。直到1 9 8 6 年，z i c k 在用富气驱替原油时，首先提出了一种新 的驱替类型即凝析蒸发驱，也称为近混相驱【2 5 1 。在凝析、蒸发的双重作用下，油气两 相的界面张力能达到一个较低点，采收率( 1 2 h c p v ) 能达到9 5 或更高，但气液两相 并未达到严格的、物理化学意义上的混相。 图2 - 4 给出的是某油田注富气混相驱多次接触组成变化的拟三元相图。从图中露点 线和泡点线组成变化趋势可以看出，在多次接触过程中，气、液两相组成先是相互接近， 有一个最接近点，而后又各自远离对方，未能在临界点相会。 e r 闷恸0 吼 图2 4 凝析蒸发混相的拟三元相图 f i g 2 - 4p s e u d o t e r n a r yp h a s ed i a g r a mo fc o n d e n s a t i o n s t e a mm i s c i b l ep h a s e 而分析图2 5 细管试验流动过程中两相特征的变化，则在油气两相带的中部某一位 置出现了两相特性最接近点，该点界面张力最小，液相的中间烃含量高于地层原油，即 显示出液相从富气中凝析了一定数量的中间烃。同时，该点对应的气相的中间烃含量也 高于注入气，说明气相也从液相中蒸发了一定数量的中间烃，整个过程是凝析一蒸发双 重机理混合作用的结果【2 3 1 。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 0 。4 04 0 3 0 界 曩 2 0 春 弓 皋 邑 乞 + l o q o 图2 - 5 凝析，蒸发混相的特征图 f i g 2 - 5 c h a r a c t e r i s t i cc h a r to fc o n d e n s a t i o n s t e a mm i s c i b l ep h a s e 2 1 5 不同驱替机理对比 在近混相驱替中，界面张力未能降低到零，则理论上的驱替效率就不能达到1 0 0 ， 近混相驱与混相驱的采收率理论上应该有明显的差别，但实际上近混相驱能达到与混相 驱相差无几的高采收率，这就是蒸发现象所起的作用。 和注干气蒸发混相相似，在界面张力最小点的上游仍残留着一定数量的液体，如果 注入的气体与这部分液体间没有物质交换，则一部分液体永远也不会被采出( 这部分液 体的数量不会大于油气相渗曲线的残余油饱和度) 。而实际情况却不然，上游来的注入 气虽可能无法迫使这部分液体流动，却可以将液体中的一些组分蒸发抽提并携带前进。 经过气相的多次蒸发抽提，最终留下的只是极少量特别重的组分，注贫气蒸发混相和注 富气凝析混相，一旦形成了界面张力为零的混相点( 或面) 、由该点( 面) 驱扫过的多 孔介质中的残余油饱和度降为零( 理论值) ，也就是说混相驱仅靠驱替就能使采收率达 到很高的值，尽管在形成混相的过程中需要物质交换，但真正起作用的是零界面张力下 的驱替过程。近混相驱与此不同，由于其界面张力最低点也没有达到零，所以仅靠驱替 是不能达到很高的采收率的，正是物质交换( 主要蒸发抽提) 的作用，才使最终的残余 油饱和度降到几乎为零的极小值。也就是近混相过程中凝析蒸发双重机理造成了在两相 流动带中间部位有一个界面张力极小点，较低界面张力下的驱替采出了大部分原油，而 蒸发抽提作用才使得近混相驱的采收率与混相驱相差无几【2 6 】。 1 3 5 o 蓦。 o 誊 3 2 2 &p参量摩巍将移t务 第二章二氧化碳驱提高原油采收率机理 2 2 常规c 0 2 驱油机理 c 0 2 是一种在油和水中溶解度都很高的气体，当它大量溶解于原油中时，可以使原 油体积膨胀，粘度下降，还可以降低油水间的界面张力；c 0 2 溶于水后形成的碳酸还可 以起到酸化作用。它不受井深、温度、压力、地层水矿化度等条件的影响，由于以上各 种作用和广泛的适用条件，注c 0 2 提高采收率的应用范围十分广泛鲫。 人们通过大量的室内实验和现场实验，都证明- c 0 2 是一种有效的驱油剂。c 0 2 之 所以能有效地从多孔介质中驱油主要是由于以下各因素作用的结果： ( 1 ) 膨胀作用 c 0 2 在原油中可以充分溶解，使原油的体积大幅度膨胀，一般可增加1 0 - - 4 0 。 这种膨胀作用对驱油非常重要：第一，水驱后留在油层中的残余油与膨胀系数成反比， 即膨胀越大，油层中残留的油量就越少；第二，溶解的油滴将水挤出孔隙空间，使水湿 系统形成一种排水而不是吸水过程，泄油的相对渗透率曲线高于他们的自动吸油相对渗 透率曲线，形成一种在任何给定饱和度条件下都有利的油流动环境；第三，原油体积膨 胀后一方面可显著增加地层的弹性能量，另一方面膨胀后的剩余油脱离或部分脱离地层 水的束缚，变成可动油【2 羽。 ( 2 ) 降粘作用 当原油中的c 0 2 溶解气饱和后，能够大大降低原油的粘度。在地层条件下，压力越 高，c 0 2 在原油中的溶解度就越高，则原油的粘度降低就越显著。 当c 0 2 溶于原油后，可使其粘度减少1 5 - - , 2 5 倍。一般情况下，原油越粘，其粘度百 分比降得就越多，即c 0 2 溶解在重质原油中引起的粘度下降幅度比溶解在轻质原油中引 起的粘度下降幅度大得多。因此，人们认为c 0 2 可以用来开采重质原油。由于溶解c 0 2 原油粘度下降，流度比得到改善，油相渗透率也会有相应的提高。 ( 3 ) 改善油水流度比、降低油水界面张力 c 0 2 溶于水后，可使水粘度增力1 1 2 0 - 3 0 ，水流度增力1 1 2 3 倍，同时随着原油流 度的降低，油水流度比和油水界面张力将进一步减小，使油更易于流动。 ( 4 ) 提高注入能力和酸化解堵作用 c 0 2 一水的混合物略带酸性并与地层基质相应地发生反应。在页岩中，由于p h 值降 低，碳酸稳定了粘土，原理如下： 生成的碳酸氢盐很容易溶于水，它可以导致碳酸盐的渗透率提高，尤其是井筒周围 1 4 中国石油大学(