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提高采收率技术与方法 石油大学 华东 张艳玉 通常油田在经过了一次和二次采油后 仍有占地质储量约三分之二的原油留在地层中 近年来的勘探工作表明新增的石油储量十分有限 发现大型油田的可能性正在逐年降低 在此情况下 为了最大程度地开发利用现有的资源 人们发展了多种三次采油技术以提高石油的采收率 传统上将一次和二次采油之后的原油开采方法称为 三次采油 但是由于有些技术 如CO2驱 既可用于二次也可用于三次采油方法 而有的技术则对于二次采油比对三采更为有效 因此后来一般将这些技术统称为 强化采油技术 EnhancedOilRecovery 简称EOR 或称提高采收率技术 提高或改善采收率 EOR或IOR 研究是油气田开发永恒的主题之一 自20世纪以来 人们一直致力于提高采收率的探索和研究工作 发展到目前常用的提高采收率方法可以分为三大类 即热力采油 化学驱和注气混相 非混相驱 常用的EOR方法可以分为三大类 热力采油化学驱注气混相 非混相驱 此外 还有一些其他的方法如微生物采油等 即我们常说的 三气 N2 烟道气 驱 CO2驱 烃类气体多次接触混相驱 蒸发气驱 凝析气驱 和一次接触混相驱 三水 胶束 聚合物 碱 表面活性剂 聚合物驱 聚合物驱或凝胶处理 三热力 火烧油层 蒸汽或热水驱 地面坑道采矿 常用的提高采收率方法 热力采油方法 化学驱方法 火烧油层法注醇类混相溶剂注热水和蒸汽胶束 聚合物驱注热水三元复合驱蒸汽驱胶束 聚合物 表面活性剂电加热油层法碱水驱聚合物驱泡沫驱注气 或溶剂 方法 注氮气其他方法 注CO2微生物采油注烟道气磁场强化采油注烃类气体 和液体 超声波辅助采油高压干气驱 蒸发气驱 核能采油富化气驱 凝析气驱 混相溶剂 从原理上来看 这些方法的主要驱油机理有三点 1 通过两相传质以达到混相 2 降低界面张力 3 改变原油或驱替剂的粘度 对于某种方法来说 可能存在多种机理同时发生作用 如对于注气混相驱技术 在达到混相的同时界面张力也降低到零 非混相驱注气驱混相驱一次接触混相多次接触混相蒸发气驱混相凝析气驱混相 一 注气驱发展现状二 注气提高采收率机理三 注气过程中有关物理化学现象及影响因素四 注气驱物理模拟技术五 注气驱数值模拟技术六 注气提高采收率技术 注气提高采收率技术与方法 一 注气驱发展现状 注气驱始于二十世纪50年代 蒸发混相驱 始于1950年 美国Texas 德克萨斯州 Block31油田 被世界公认为世界第一个高压蒸发混相驱 至今仍在进行 凝析气驱 水平状油藏 始于1953年 垂直重力稳定驱油藏 始于1965年 一次接触混相驱 始于1950年 CO2驱 始于1950年 初次工业性试验始于1960年 但失败了 一系列先导试验始于1970年 目前在国外 注气已成为除热采之外发展较快的提高采收率的方法 将1992年与1990年的数据作比较 近几年采用热采的数量基本稳定 采用化学驱的数量下降了44 0 而注气数量则增加36 其中烃和非烃混相驱增加5l 迄今为止 有3 的世界原油产量由注气提高采收率 EOR 获得 而加拿大的EOR增产则为原油总产量的20 美国的EOR增产为10 1994年美国 加拿大提高采收率项目见表l 1986年后 由于国际油价下滑 在美国实施的提高采收率项目明显减少 1986年为512项 而CO2驱为38项 而1994年则仅为226项 1992年前烃类非混相驱一直稳定在24 2项 1994年为15项 1986年CO2为38项 而1994年却增加到54项 仅有CO2项目在该年度增加了42 1994年初与1986年相比 CO2项目增加的产量提高了6倍 表1美国 加拿大1984年提高采收率项目和原油产量 以CO2溶剂为主导 而在加拿大则主要使用烃类溶剂 其主要原因是 在加拿大 烃类气体来源广泛 方便且便宜 制备烃类溶剂所需的气体和液态烃可从油田附近的气田或管道中得到 同时 由其它途径 如发电厂 得到的CO2十分昂贵 由于CO2气田远离油田 需花费大量的资金去解决开采 处理和注入设备等方面的问题 我国注气提高采收率技术发展简状 在我国东部主要产油区 天然气气源供不应求 发现的CO2气源较少 目前还没有充裕的气源用来注气 再加上该地区油田原油含蜡多 粘度和密度都比较高 注气后由于不利的流度比 气窜和重力差异比较严重 波及系数不高 难以产生混相 所以 在该地区注气混相驱和非混相驱一直未能很好地开展起来 尽管如此 注非烃气体混相和非混相驱的研究和现场先导试验一直没有停止过 CO2驱在我国60年代初就受到重视 1963年首先在大庆油田将此作为提高采收率的方法进行研究 1965年该油田专门开辟了小井距提高采收率试验区 对此进行了先导性试验 提高采收率10 左右 1969年3月 1970年6月大庆油田又在小井距试验区葡Il 2层注入CO2进行轻质油段塞提高采收率矿场试验 结果比水驱提高采收率8 但是 现场效果不如室内实验结果理想 大概有二个方面的原因 一是注入量比较小 仅为孔隙体积的2 6 没有达到设计要求用量 二是注入剂粘度低 导致平面上波及系数低 影响了采收率的提高 到70年代 由于受CO2气源的限制 注气的研究基本都停止了 只有胜利油田在室内还进行了一些最低混相压力的测定和混相机理研究 后来 在苏北黄桥 吉林万金塔 大港等地区相继发现了一些天然CO2气源 为此 自1985年开始 气体混相驱和非混相驱工作又重新开展起来 中原 大庆 华北等油田开展了试验 其中 大庆油田与法国合作 利用大庆炼油厂加氢车间的尾气 在萨南油田进行了CO2非混相驱矿场试验 并还在北一区断东和北二区东部开展了两个矿场试验 实行水气交替注入 华北油田与法国合作 在雁翎油田开展注N2非混相驱矿场试验 中原油田也与加拿大合作 进行了注烃或CO2混相驱可行性研究 1994年以后 吉林油田利用万金塔CO2气田的液态CO2开展了CO2吞吐和CO2泡沫压裂等工艺措施 到1998年为止 并对144口井实施了CO2吞吐实验 平均1吨CO2产3 3t原油 共对119口井开展了CO2泡沫压裂 平均1吨CO2增油8 6t 1996年江苏富民油田对48口井开展了CO2吞吐试验 累计增油1500t 目前试验的7口井由于见效显著 又开展了驱替试验 我国西部油田的情况与东部大不相同 例如 塔里木油田和吐哈油田的原油密度小 粘度低 大多数属挥发油 或弱挥发油 或凝析油 即使是黑油 其油质也比较轻 并且埋藏深 储层物性差 这种情况为注气湿相驱提供了十分有利的地质条件 西部的天然气资源非常丰富 那里人口稀少 地域广阔 煤资源丰富 工业基础薄弱 天然气需求量少 为注气提供了必要的气源保证 因此 注气混相驱在我国的西部地区将有很好的发展前景 目前吐哈葡北油田注气混相驱设计已正式实施两年多 这是我国第一个油田规模的二次采油水气交替注烃混相驱实践 不仅对吐哈油田 乃至对西部油田 甚至对全国的油田开发都有重要的指导意义 从目前的情况来看 该油田已获得了很好的注气效果 能保持油层压力在混相压力以上 另外 大港大张坨凝析气田和塔西南柯克亚凝析气田注气的成功 实现了我国用注气开发凝析气田零的突破 塔里木油田牙哈凝析气田高压干气回注的成功 不仅为富含凝析油的凝析气田保持压力开发提供了宝贵的经验 也打破了注气的神秘感 为注气提高原油采收率开辟了新的途径 二 注气提高采收率机理 1 注气的相态 1 用三角相图表示三组分相态通常油藏流体是复杂的多组分混合物 表示其相态的一种近似方法是三角 或称三元 相图 图1 1 2 用拟三角相图表示多组分的相态为了表示多组分油藏流体 可把流体组分划分成三种拟组分 并在三角相图上近似地表示出来 称 拟三元相图 一种常用的划分方法将其分为 挥发拟组分 N2十CH4 中间拟组分 C2 C6 相对不挥发组分 C7 图1三组分三元相图 2 混相原理根据不同注入气体与原油系统的特性 混相驱分为 一次接触混相驱 多次接触混相驱 多次接触混相驱替又可细分为凝析气驱 富气驱 和蒸发气驱 贫气驱 两种方式 图2溶剂段塞的一次接触混相 1 一次接触混相驱达到混相驱替最简单和最直接的方法是注入按任何比例都能与原油完全混合的溶剂 以便使所有的混合物为单相 中等分子量烃 如丙烷 丁烷或液化天然气是常用来进行一次接触混相驱的注入溶剂 图2为一次接触混相的相态要求 液化天然气溶剂用拟组分C2 C6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 为在溶剂与原油之间达到一次接触混相 驱替压力必须位于p一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 液化天然气是与油藏流体发生初接触混相的溶剂 如果连续注入它 费用显然太高 现场中采用的替代办法是 交替注入一定体积的成本较低的液化天然气溶剂和溶剂段塞 采用混相驱方案后 溶剂混相驱替油藏原油 驱动气混相驱替溶剂 最后推动小的溶剂段塞通过油藏 对于一次接触混相驱来说 中间分子量的烃注入溶剂将从沥青基原油中沉淀出一些沥青质 并且这种趋势会随着烃溶剂分子量的增加而减弱 严重的沥青质沉淀可降低渗透率 并影响井的注人能力和产能 甚至在生产井中引起堵塞 2 多次接触混相注入气体后 油藏原油与注入气之间就地出现组分传质作用 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并靠组分就地传质作用达到混相的过程 称作多次接触混相或动态混相 在多级接触混相驱中 需用到两个概念 即向前接触和向后接触 向前接触是指平衡的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的相间传质 这两种驱替在不同地点发生 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 多次接触混相分为凝析气驱 富气驱 和蒸发气驱 贫气驱 a 凝析气驱混相富烃气富含C2 C6的中间组分 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 使原油逐渐加富 直至与注入气混相 图3凝析气驱混相 油藏原油与富气起初并不混相 但当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 原油加富 油藏流体组成变为M1 其相应的平衡气液分别为G1 L1 随后 再注入富气推动可移动的平衡气体G1向前进入油藏 留下平衡液体L1供注入气接触 并发生混合 在这一位置上形成一新的混合物M2 其平衡气液为G2 L2 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 油气不存在相界 完全达到混相 图3说明了富气凝析气驱混相的机理 图中示出油藏原油及注入富气 B 的组成 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 原油逐渐变富 在注入气的后端与原油性质达到相同 从而实现混相 通常必须注入相当多的富气才能使混相前缘的混相得以保持 一般采用的富气段塞为10 20 的孔隙体积 b 蒸发气驱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 让中间分子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混相 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一使注入气富化 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C2 C5 CO2也能达到动态混相 主要用于抽提更大分子量的烃 即C2 C30 图4说明了富气蒸发气驱混相的机理 图4蒸发气驱混相 油藏原油A含有较多的中间分子量烃 并且它的组成位于通过临界点的极限系线的延长段上 注入初期 注入气体和油藏原油是不混相的 注入气体由井眼向外非源相地驱替原油 并在气前缘的后面留下一些未驱替走的原油 此时 注入气体和初次接触后未驱替走的原油的总组成为M1 油藏中平衡的液 气相组成为L1 Gl 继后 注入气体推动平衡气体G1更深入地进入油藏 平衡气接触到新鲜的油藏原油 液体L1则残留在后面 通过第二次接触 油藏达到一个新的总组成M2 其相应的平衡气 液体组成分别为G2 L2 再进一步地注人气体 使气体G2向前流动并接触新鲜的油藏原油 重复以上过程 使驱替前缘的气体组成沿露点曲线逐渐改变 直到它达到临界点的组成 临界点流体直接与油藏原油混相 在注气过程中 随着油藏原油的中间分子量烃浓度的减少 为达到混相 要求更高的注入压力 增加压力可以增加蒸发作用 使中间分子量烃蒸发进入蒸气相 从而减少两相区并改变连接线的斜率 对许多原油而言 注入甲烷 天然气 N2 烟道气需要较高的混相压力 但在油藏注入工程中却往往达不到此要求 3 混相压力的测定与计算在注气混相驱中 注入气与油藏原油的最小混相压力 MMP 是一个关键的筛选指标 由于在混相条件下可以取得很高的采收率 因此最小混相压力值是油田工作者在选择三采方案时必须考虑的因素 研究表明 当驱替压力低于最小混相压力时 随着压力的降低 原油采收率下降很快 因此最小混相压力就成为注气项目进行筛选的主要标准之一 如果最小混相压力过高 超过油藏压力时将使混相难以实现 目前确定MMP的方法主要有实验测定法 细管模拟方法和计算方法 1 最小混相压力 MMP 的实验测定方法 a 细管驱替 SlimTubeDisplacement 这是当前应用最广泛的MMP确定方法 为了防止驱替溶剂的粘性指进影响 在细管驱替实验中依靠横向分散作用将指进的增长限制在一小段流管长度内 由于可以使流管的直径足够小和长度足够大 从而抑制了指进的形成和发展 一般常用的细管长度从10到40米 直径在0 5 1 0厘米之间 管子内填充细砂或细玻璃珠 管中充满油藏原油 在一定的温度和出口压力下注入气体 在不同压力下进行一系列的实验 通过采收率对压力的变化曲线来确定MMP 细管驱替实验能给出具有重复性的精确结果 一般认为是应该优先采用的确定混相压力的方法 但是它并不能模拟油藏混相驱的许多方面 而且其最终采收率水平不应认为是在油藏岩石中可望达到的单位驱替效率 细管驱替的主要缺点是需要进行多个不同压力下的试验 工作量相当大 确定一个MMP数据可能需要一两周甚至一个月的时间 b 上升气泡仪RBA RisingBubbleApparatus 这种方法是在一根透明的管子中充满油藏原油样品 保持一定的压力 从管子的底部注入驱替气体的气泡 通过可以垂直运动的摄像机来跟踪记录气泡的变化过程 当系统压力远低于混相压力时 气泡上升到管子顶部时仍保持球形 但由于气体向油中扩散而体积逐渐变小 当压力接近或等于混相压力时 气泡的顶部仍保持球形 但底部出现了一条 尾巴 油气界面变得模糊 气泡下部呈扁平状 说明此时注入气与油达到了多次接触混相 当压力远高于混相压力时 由于气体会很快地溶解到油中 气泡在上升过程中消失 上升气泡法的优点是比较直观 并且测定速度较快 所需时间只是细管驱替的十分之一 可以在一天之内确定出一种原油的最小混相压力 并且实验结果与细管驱替的结果符合也较好 但是实验所需的高压透明设备较为昂贵 对实验者的素质要求也较高 RBA方法最主要的缺点是当原油的颜色较深时 由于透光率较小使得气泡的形状看不清楚 这会大大影响实验结果的判断 c 界面张力法这是一种间接确定最小混相压力的方法 其原理是基于当注入气与原油达到混相时 相互之间的界面消失 界面张力等于零 根据这一原理 在油藏温度下测量不同压力时注入气与油藏原油之间的界面张力 然后用测得的界面张力对系统压力作图 外推至界面张力为零时的压力即为最小混相压力 由于界面张力的测定实验也是较为复杂和昂贵的 故此其应用受到了很大的限制 另外 由于该方法不能直接得出最小混相压力 根据有限的实验数据外推所得的结果不一定绝对正确 2 最小混相压力 MMP 的理论计算方法预测最小混相压力最简便的方法是采用经验关联式来计算 用经验关联式来计算MMP比较简单 方便 但其理论基础不强 并且这些关联式大多只考虑了油藏流体中轻组分和中间组分对达到混相所起的作用 而没有将较重组分的物性特征考虑进去 3 最小混相压力 MMP 细管模拟方法 三 注气过程中有关物理化学现象及影响因素 1 混相驱替中的流态流度比是混相驱替设计中最重要的参数之一 混相驱中流度比往往大于1 这对驱替是不利的 在二维剖面均质模型的流动试验中有四种流态 图5 它们取决干粘滞力 重力比 图5混相驱中的四种流态 使一种流态过渡到另一种流态的粘滞力 重力比值取决于驱替流体和油藏的流度比 流度比越大 混相驱替从单一的超覆原油的重力舌进 流态 过渡到粘性指进控制的流态 流态IV 所要求的粘滞力 重力比值越大 2 流体的弥散 分散 dispersion 混合流体的混合作用有三种机理 分子扩散作用 微观对流弥散作用和宏观对流弥散作用 其中 分子扩散是分子随机热运动的结果 微观对流是由于岩石的微观非均质性导致流动的不均衡而引起的 宏观对流是由地层的宏观非均质性所引起的 在严重非均质的地层中 宏观对流的作用比前两种大 宏观弥散作用的大小与渗透率的非均质程度和渗透率分布函数有关 高度非均质地层中发生的宏观弥散混合比仅根据分子扩散和微观对流弥散预计的结果要大得多 在非均质厚油层中 更多的注入流体进人高渗透层 造成驱替前缘参差不齐 使驱动流体与地层原油大面积的接触 垂向上发生更重要的混合 3 界面张力界面张力在混相驱中是非常重要的 界面张力的下降可使气体进入那些在高界面张力下完全隔离的孔道 从而增加驱油面积 由于油和注入气之间毛管力下降 可提高波及系数并减小残余油饱和度 为了显著降低残余油饱和度 通常需降低界面张力 但降到何种程度要视实际地层情况而定 若孔喉很小 且均匀 应力求达到混相 优化界面张力非常重要 若孔隙分布不均匀 孔隙尺寸变化大 那么应主要考虑粘度影响 混相与否可不必过多考虑 对孔隙尺寸较大的体系 由于气体的溶解可使原油粘度降低 增大气体的溶解就显得比降低界面张力更为重要 低界面张力是有效开采的必要条件 单在许多情况下 零界面张力却是不必要的 除非孔隙分布非常致密 且岩石又是油湿的 实验室测试应考虑粘度 界面张力 孔隙尺寸分布之间相互作用的影响 对于岩石为水湿的高含水油藏 混相驱不一定能极大程度地提高采收率 4 粘性指进注入低界面张力气时 由于流度比不利 常造成溶剂前缘不稳定 它以不规则的指进方式穿人原油 使溶剂过早突破 增大了消耗量 导致原油产量和采收率降低 并且随着驱替过程的进行 指进在数量上越来越少 但规模却越来越大 将注气与注水两种开发方式作比较 注气开发最大的优点是它可以降低气与原油的界面张力 甚至可使界面张力达到零 但是 最大的缺点是它的气油粘度比比水油粘度比小得多极易造成粘性指进 因此 对一个具体的油藏 究竟应采用界面张力主控还是流度主控 需要通过深入的理论研究来确定 如果随界面张力下降原油产量有极大变化 而粘度的变化对其影响很小 就可认为系统在微观规模上不属流度主控 此时有必要采用有效的方法去降低界面张力 相反 如果属于流度主控 就不必花大力气去降低界面张力 5 孔隙分布图6和图7示出随着孔隙大小分布的变化 界面张力是如何影响采收率的 采收率的大小同时还与接触波及到的孔隙喉道有关 如图6所示 在10 50 m的孔隙喉道大小分布范围内 当孔隙喉道直径大于图6中箭头所指处的孔隙喉道直径时 注入液能进人孔隙并驱替其间的原油 如果喉道直径范围更小 在0 30 m时 上述所能达到的界面张力也同样只能使注入流体波及到那些直径约大于15 m的喉道 如图7所示 图6细管孔隙大小分布图7实际油藏孔隙除大小分布因此 对同样大小的界面张力 由于孔隙分布的不同 采收率可由图6的95 降到图7的50 6 水锁影响 水锁的影响主要是 它可溶解CO2 减少了与油作用的CO2量 这个影响随着压力和含水量的上升而增加 随着含盐量的增加而减小 水锁造成了微观上的捕集油 水溶的CO2可通过扩散抽提再采出部分原油 但是该现象在油田开发实际中却几乎看不到 有人研究了近混相条件下水饱和度的影响 提出如下认识 A 在含水情况下 垂直方向相间传质随溶剂富化程度的增加而增加 B 含水情况下 水平方向相间传质降低 C 在含水情况下 垂直方向和水平方向采收率都是富化度的单调函数 7 润湿性影响混相驱中的一大缺点就是粘性指进 为了控制流度以减少粘性指进 通常在混相驱中使用水气交替注入 但是 使用该方法 显然会使油藏中的水量增多 从而使岩石中发生大量水锁现象成为可能 含水饱和度上升 捕获油量增加 这一现象与岩石的润湿性有较大的关系 对水湿岩心而言 捕获的油显然大于混合润湿或油湿岩心捕获的油 对混合润湿或油湿岩心 加大水 溶剂注入后 被水困住的油量减小 其原因是岩石中呈树枝状的被困油通过扩散作用被采出 8 重力影响 重力对水平油藏的影响体现在两个方面 密度差引起溶剂超覆原油和水流动 见图5 在注入水与溶剂前缘后面 烃相之间发生重力对流分离 在这种情况下 油藏厚度增加对驱替影响不利 倾斜油藏中重力可作为优点加以利用 四 注气驱物理模拟技术 1 流体相态研究相态对于混相驱替过程是相当重要的 当存在多相流动时 油气体系间会产生相间的传质和热 当有气体注入时 流体的物理化学性质 如粘度 密度 体积系数 界面张力 气液相组分和成 均会发生变化 对相态的研究是研究混相驱驱替方式 驱替机理的重要依据 将高温高压下地层流体发生的变化称为高压物性 在体系组成确定以后 流体的主要相特征受地层压力 温度和体积的控制 因此又称之为PVT特性 它的研究对油气田开发中的储量计算 流体类型划分 开发方式选择 油气田地面工程集输设计 开发方案的数值模拟 油气田动分析等都有极其重要的意义 常规地层流体相态研究有井流物组成 饱和压力 露点 泡点压力 恒组成膨胀 CCE 定容衰竭 CVD 多级脱气 DLT 分离试验等 1 恒组成膨胀 油气藏流体的恒组成膨胀试验是在地层温度和体系组成不变的情况下 当油气体系地层压力开始逐步下降 饱和压力和流体的相对体积发生变化时 对流体的膨胀能力以及饱和压力以上流体物性参数的变化情况的测定 对于原油 一般PV关系的压力和相对体积曲线为直线 可通过拐点来确定流体的泡点压力 其测试的流程见图8 图8恒组成膨胀 2 定容衰竭试验 DVD 定容衰竭试验是在地层温度和饱和压力 露点压力 下 记录此时的体积 并逐渐退泵降压使体积膨胀 继后在此恒定压力下恢复到饱和压力下的体积 并记录每次压力下产出的气量 油量 进行色谱分析 如此反复直到压力降到废弃压力 试验的目的是确定定容衰竭采出气的气油比 油采收率 气采收率 液相饱和度 体积系数等参数的变化 此试验一般作为模拟凝析气藏衰竭式开发的主要方法 可给出开发凝析气藏的主要指标 同时 对挥发性油藏 也推荐采取此试验进行分析 下图是凝析气相应的测定过程 图3 2凝析气藏定容衰竭试验 3 多级脱气试验 差异凝析DLT 多级脱气试验是在地层温度下 从泡点压力起 退泵降低一定压力 在此压力下排除平衡的气相 记录下此时的油相体积和采出气的量 再进一步退泵降压 并恒压放掉平衡气 直到压力降到大气压力下为止 试验研究的目的是在脱气过程中不同压力下原油的体积系数 密度 粘度以及溶解气油比等的变化 是原油的基本物性试验 图10是测定的过程 图10地层原油多级脱气试验 4 分离试验分离试验的主要工作是分析和优化地层流体的分离条件 以便在今后的操作中多回收气中的油 其过程是 取一定的地层流体样品 测定不同分离条件下地层原油的体积系数 气油比以及分离出的气组成和油品质等 除以上常规PVT测试外 还有一些现代测试方法 如连续向平衡装置 超临界流体色谱法 振动管法 激光测试 超声波测试 微波测试 射线测试等 2 注入气流体相行为研究 对地层流体和注入气相态行为主要有三方面的研究内容 一种是基于流体膨胀 一次接触混相 和饱和压力升高的膨胀试验 二是描述气和油接触的试验又称多次接触试验 三是基于物性测试的PVT全分析试验 注气后流体的PVT测试内容如图11所示 图11注入气后流体的相态行为研究 3 注气驱最小混相压力的确定 1 细管实验法 图12MMP的细管试验流程图图3 55细管试验采收率与驱替压力的关系 2 升泡法测定最小混相压力用升泡仪 RBA 测MMP是由Christiansen和Kim于1986年提出的 这种方法的特点是测定周期短 一个油气系统的MMP测定可在一天内完成 而且实验结果可靠 Hycal公司Thomas等人的研究认为 升泡法比细管法测定MMP更合理 更可靠 图13升泡仪实验装置示意图 4 长岩心驱替试验 长岩心驱替不能像细管驱替那样排除重力分层 粘性指进 湿润性及非均质性等造成的影响 且更难以解释 但它更接近于地层的实际情况 同时 对检验数值模拟方法也有较大的作用 长岩心驱替试验可解决以下问题 在比细管试验更接近于现场驱替的条件下 注入气能否用于三次采油 什么样的注气方式会更有利于提高采收率 在气体驱替过的油层中 残余油饱和度是多少 气体驱替原油发生沥青沉降或溶解矿物质时对油层渗透率的影响 图3 65长岩心驱替实验流程 五 注气驱数值模拟技术 注气驱数值模拟的主要任务是在对油气藏地质模型 注气过程中地层油与注入气之间的相态变化以及油藏工程研究的基础上 运用三维三相多组分模型对所涉及的注气开发方案进行注采动态及开发指标进行预测 其主要目的是对不同的开发层系 开发方式 开发井网 开发速度等 给出各种躯体方案的宏观开发指标及微观 组份 开发指标 即在油气藏现有生产历史拟合的基础上 论证不同驱替方式 注采井网 井数 注采速度等对开发指标 开发效果的影响 从而对注气提高采收率方案的可行性及开发经济效益进行预评估 为油气藏开发决策提供依据 指导油气藏进行合理 科学 高效益开发 1 注气驱数值模拟研究基础 1 油藏地质建模技术综合运用层序地层学 三维地震 测井地质学 结合钻井和岩心分析 试验资料 地震测试 测井信息 在计算机技术的支持下 运用分形 克立金储层随机建模技术 建立三维定量化砂体空间分布地质模型 正确再现储层地质参数分布 核实地质储量及可采地质储量 2 油藏流体相态模拟技术在注气驱方案实施之前 准确评价油气藏地层流体相态特征以及注入气与地层流体之间抽提 溶解传质过程中的相态特征变化 是确定油气藏诸其适应性 注气开采机理及运用多相多组分油藏数值模拟技术正确预测油气田注气开采动态的基础 因此 必须了解和掌握地层原油 地层水 注入气及其多相混合物相态特征描述方法和相态模拟计算技术 3 多组分模型油藏模拟技术 加拿大CMG公司推出的GEM组分模型 美国SSI公司推出的COMP组分模型 GEM组分模型可进行以下过程的开发动态模拟 1 凝析气藏衰竭式 注气保持压力 注气混相驱开采 2 挥发油藏衰竭式 注气混相或非混相驱开采 3 注二氧化碳和烃类气体混相或非混相驱开采 4 蒸汽吞吐或循环注气开采 5 气水交替驱开采 2 状态方程的选择 运用多相多组分相态模拟技术研究注气驱过程液两相PVT 油气烃类体系多相相态问题的关键是要正确选择出可同时描述平衡气 液两相PVT相态特征的状态方程 以便使相态模拟计算满足数值模拟计算要求 3 地层流体相态拟合油气烃类体系是由多组分物质构成的混合物 在研究注气驱过程气 液间溶解 抽提相平衡问题时 必须知道油气体系中各组份的组成分布及其相应的热力学性质 并通过相态实验数据的拟合对其中C7 重馏分的热力学参数进行合理的调整 以便使流体相态实验数据 状态方程模型 流体热力学参数之间满足热力学相容性 从而使状态方程相态模拟的结果复合油气藏流体实际相态变化过程 为油气藏模拟提供合理的流体PVT参数场 运用油气藏流体相态模拟软件处理上述问题 实现流体相态实验数据 状态方程模型 流体热力学参数之间满足热力学相容性 必须进行以下工作 1 重馏分的特征化预测 即C7 重馏分的热力学参数 2 相态拟合及热力学参数场拟合以地层流体相态实验数据为基础进行相态拟合计算 优选状态方程 确定油气体系重馏分的热力学参数场 即相态实验拟合 或PVT拟合 a 局部相图 不同温度下的露点和泡点压力 b 单次闪蒸 原始体积系数 GOR 地面油密度和分子量等 c 等组成膨胀 相对体积 气相的压缩因子等 d 定容衰竭 反凝析饱和度 井流物采出程度 凝析油采出程度等 e 多次脱气 地层油压缩系数和粘度 GOR 体积系数 密度等 f 膨胀试验 饱和压力 体积膨胀系数等 g 多次接触 油气组成 体积系数 混相压力等 六 注气提高采收率技术 1 注烃类气体作为最古老的EOR方法 早在人们了解混相驱的概念之前就己开始实施注烃类气体了 当某些油田的低分子量的烃类气体过剩时 常将这些气体注入油藏保持压力以提高采收率 混相烃驱油的过程包括注入可以完全溶解油层原油的流体 消除引起原油滞留于岩石的力 以及将溶剂 原油混合物驱替到生产井 这种溶剂可以是醇类 精制烃 凝析的碳氢化合物气体 液化石油气或废气 首先注入溶剂段塞 与油层原油混相 接着注入流体和气体将溶剂 原油的混合物驱替到生产井 有三个不同的混相烃驱油法可以用于提高原油采收率 第一个方法就是混相段塞法 这个方法包括注入一定的液体碳氢化合物段塞 然后注入天然气 或气体和水 以便推动段塞通过油层 第二个方法是注富气 即先注入富化天然气段塞 接着注入干气 或干气和水 段塞尺寸通常是孔隙体积的10 20 主要由乙烷至己烷 C2 C6 组成 第三个方法是高压注干气法 它包括在高压下注入干气 引起原油的蒸发并在注入气和原油之间形成由C2 C6组成的混相带 因此 富气法和高压干气法之间的差别在于 采用富气法时 注入的C2 C6成分由气体转变成为液态 而采用高压干气法时 原油中的C2 C6则由液态转变成为气体 后来逐渐发展了包括高压气驱 富化气驱 混相溶剂 液化石油气或丙烷 驱替等的多种驱替类型 由于烷烃气体具有油藏油的某些特性 在注入时不会损伤油层 这是很有利的 烷烃气体可以是甲烷 湿气 富气以及液化石油气或丙烷等 这些气体在相对低的压力下就可以达到混相 或者在驱替过程中发展成混相 因此是很有吸引力的 从达到混相需要的压力来看 丙烷或液化气需要的混相压力最低 而且由于与原油性质较接近 可以获得的驱替效率也最高 但注入溶剂的高成本使这种方法难以推广 其他气体如干气和富气的混相压力介于氮气和CO2之间 视油藏条件和原油的组成而不同 当油藏较浅时 要求溶剂的混相压力也必须较低 因此在经济效益允许的情况下 可以通过对干气的富化 通常是加入C2 C4组分 来降低其混相压力 这种方法主要在加拿大应用较多 因为当地CO2资源短缺 而烃类气体则易得 2 注CO2 在原油驱替过程中 CO2有以下作用 使原油膨胀 降低原油粘度 改变原油密度 对岩石起酸化作用 将原油中的轻质馏份汽化和抽取 在适宜的温度 压力条件下达到混相 CO2和油之间形成混相的原理与烃类混相驱中高压注干气的机理类似 虽然CO2与地层原油一次接触时并不能形成混相 但在合适的压力 温度和原油组分的条件下经过多次接触 富CO2相可以形成混相前缘 在适当条件下气体将从原油中抽出较重的碳氢化合物 并不断使驱替前缘的气体浓缩 于是 CO2和原油就变成混相的液体 形成单一液相 从而可以有效地将地层原油驱替到生产井 由于在地层中产生与地层油的多次接触 CO2驱和高压干气驱是相似的 驱替机理的主要差别在于烃从原油中汽化或萃取的程度不同 高压干气驱主要适用在地层油中含有大量的C2 C6组分的情况 而CO2驱则可以萃取C5 C30的组分 CO2具有与烃混相溶剂相同的低粘度 而且其混相驱的体积驱扫效率和烃混相驱一样受不利的粘度比的影响 CO2的混相压力较低 因而在许多油藏中都可以达到动态混相 当CO2溶解于原油时 原油粘度显著下降 降低程度取决于压力 温度和原油的粘度大小 一般原始原油粘度越高 降低的百分比越大 自从三十多年前开始进行注CO2实践以来 它是唯一不断增长的EOR方法 在美国 注CO2比其它方法更受重视 因为八十年代初CO2的可靠供应成为现实 其成本比甲烷要低 这使得CO2的应用有了显著的增长 CO2的来源主要有 天然的CO2气藏 天然气加工厂或其他工业工厂 如发电厂等 的废气 由于混相驱需要的CO2供应量和供应速度可能很大 例如一个CO2驱工程项目可能要耗用CO2数亿到数十亿立方米 并不是每一个油田都能找到合适的气源 这就限制了它更广泛的应用 注CO2存在的一些弊端 CO2与水接触形成的酸性环境会对设备和管线造成严重的腐蚀 这就要增加额外的防腐费用 在CO2驱中可能出现的最麻烦的问题是原油与CO2接触时会产生沥青质沉淀 因此在筛选时需要考虑原油中的沥青质含量及其对渗透率的影响 3 注情性气体常用的惰性气体有氮气和烟道气 这是除了压缩空气外最廉价的注入气体 由于烃类溶剂的高价格和CO2资源的限制 注氮气 烟道气技术得以发展 在1980年以前有少数油田开始注烟道气直接进行混相驱 或以烟道气推动CO2混相段塞 但进入八十年代后 注氮混相驱己成为注气EOR的新动向 1981年前氮气多用于推动CO2混相驱段塞 之后有了直接注氮混相驱的工程实践 考虑到氮气的来源广泛 不受地域的限制 且价格相对低廉 因而有着很好的发展前景 较早的研究指出 在高压下注氮与原油达到混相时 可以取得很高的采收率 90 与注甲烷的驱替效率接近 氮气与原油经多次接触才能达到混相状态 在此过程中 氮气逐渐抽提原油中的轻烃组分 在驱替前缘氮气被逐渐富化 最后形成混相 与油藏流体中的烃类相比 氮的分子量很小 临界温度也很低 因此它的相态行为与油藏流体有较大差别 例如 凝析气藏中注入氮气会显著提高其露点压力 从而在与氮气接触处会引起反冷凝现象 对于黑油油藏 注入氮气会逐渐将油中的轻组分及中间组分抽出 其结果是降低了原油的地层体积系数和溶解气油比 氮气驱后的残余油密度和粘度都将增大 使其更不易采出 在压力大于最小混相压力的情况下 注氮和注甲烷的差别随着扩散水平的减小而减小 但在非理想的条件下 注甲烷的驱替效率比注氮高 这是因为甲烷 挥发油体系的相行为较之氮 挥发油体系更有利 注氮的主要缺点是达到混相所需的压力比CO2高得多 使其应用只限于较轻质的挥发油和凝析气藏 保压用 但