非纯二氧化碳近混相驱可行性研究

The The Feasibility Study on Near Miscible Flooding by Impure CO2

摘要: CO2近混相驱对地层压力、原油物性和注入气纯度等要求不高，降低其操作成本，更具有应用可行性。本文基于低渗油藏E区块油藏和非纯CO2气性质，采用细管模拟及数值模拟等手段，研究近混相驱界限、CO2纯度下限要求以及应用可行性。研究结果表明，目标油藏最小近混相驱压力(MNMP)为(0.80~0.84) MMP、CO2纯度下限为57.6%；CO2纯度80%下采出程度比CO2纯度40%下提高了12.53%，仅比纯CO2混相驱采出程度降低了3.88%，进一步提高CO2纯度对采收率的提高幅度很有限，说明CO2近混相驱开发效果接近于混相驱。考虑到提纯CO2成本，推荐近混相注入气的合理纯度为80%。CO2近混相驱10年开发期采出程度高达58.28%，比水驱提高了17.67%，目标区块实施非纯CO2近混相驱开发可行性高。研究成果对我国低渗透油藏应用非纯CO2近混相驱开发技术具有重要指导意义。

Abstract: CO2 near miscible flooding has low requirements on formation pressure, crude oil physical proper-ties and injected gas purity, so it is more feasible due to reduce its operation difficulty and cost. In this paper, based on the properties of low permeability reservoir E block and impure CO2 gas, the limit of near miscible flooding, the lower limit of CO2 purity and the application feasibility are stud-ied by means of slim tube simulation and numerical simulation. The results show that the minimum near miscible flooding pressure (MNMP) of the target reservoir is (0.80 - 0.84) MMP, and the lower limit of CO2 purity is 57.6%; the recovery degree under 80% CO2 purity is 12.53% higher than that under 40% CO2 purity, only 3.88% lower than that of pure CO2 miscible flooding. Further improving the purity of CO2 has limited effect on oil recovery, which indicates that the development effect of CO2 near miscible flooding is close to miscible flooding. Considering the cost of CO2 purification, a reasonable purity is 80%. During the 10-year development period of CO2 near miscible flooding, the recovery percent is as high as 58.28%, which is 17.67% higher than that of water flooding. The re-search results have important guiding significance for the application of impure CO2 near miscible flooding technology in low permeability reservoirs in China.

1. 引言

国内外大量研究和矿场应用 [1] [2] 表明，混相驱其驱油效率最高，对混相驱技术的研究与应用比较成功。对于中国大多数油藏属于陆相沉积，其油品和物性较差，还缺乏纯CO₂气源，导致最小混相压力(MMP)较高，难以满足混相条件。与混相驱相比，CO₂近混相驱对地层压力、原油物性和注入气纯度等要求不高，大大提高其应用可行性 [3] [4]。如果将非纯CO₂注入油藏即能提高原油采收率，还能减轻温室气体排放，因此，探索非纯CO₂近混相驱更有技术和环保意义。Dong等人对CO₂近混相驱进行了实验研究 [5] [6]，其驱油效率比混相驱并未明显下降。Parvazdavani采用室内物模到油藏规模模拟手段，研究了近混相驱效果 [7]。尚宝兵、杨胜来等人 [8] [9] [10] 研究了杂质气体对二氧化碳驱最小混相压力和原油物性的影响，得出了回注CO₂伴生气可行性和注入方式，证明其应用。张贤松等 [11] 针对某海上低渗油藏E区块富含CO₂ (24%~90 mol%)，最小混相压力(MMP)高于地层压力，探讨了非纯CO₂近混相驱的控制条件。与混相驱判别不同，近混相驱是介于混相驱和非混相驱之间的区域，如何界定该区域以及对CO₂纯度要求具有应用价值。本文基于E区块5井油气样和油藏性质以及细管实验结果，建立细管模型和典型油藏模型，采用细管模拟及数值模拟等手段，研究了非纯CO₂最小近混相压力及对CO₂纯度的要求，以及应用CO₂近混相驱开发可行性。结果表明，目标油藏近混相驱CO₂纯度区间为下限为57.6%~99%，其下限为57.6%；CO₂纯度80%下近混相驱的采出程度比非混相CO₂ (纯度40%下)提高了12.53%，仅比混相驱(CO₂纯度100%)采出程度下降了3.88%，说明CO₂近混相驱开发效果接近于混相驱。进一步CO₂纯度对采出程度的提高幅度较小，考虑进一步提纯CO₂的成本更高，推荐目标区块近混相驱注入气的CO₂纯度为80%。研究成果对海上低渗油藏气驱高效开发提供技术依据，对陆地低渗油田CO₂提高采收率技术应用也具有指导意义。

2. 最小近混相压力与CO₂纯度下限

E区块油藏富含CO₂伴生气，可作为CO₂驱的气源，回注油藏实施CO₂驱。其油品及气体组成分析见表1。为使非纯CO₂注入气与地层原油达到近混相程度，首先要研究不同纯度CO₂对近混相区间及纯度下限所要求。本文基于细管实验结果 [11]，建立长细管模型，在模型始端和末尾端分别设置一口注入井和油井，细管模型图如图1所示。

Table 1. Main property parameters of crude oil and well fluid

表1. 原油和井流物主要性质参数

Figure 1. Model of thin tube simulation

图1. 细管模拟模型图

在低于MMMP下，即在近混相及非混相段加密压力点，在混相和非混直线段之间，细管模拟得到一条新的直线段即近混相段，其与混相和非混直线段交叉得到两个交点，定义这两点之间的压力区间为近混相区间。以注纯CO₂为例，设定不同压力，注入1.2 PV的纯CO₂，细管模拟计算得到不同压力下对应的驱油效率。作不同压力与其驱油效率关系图，得到明显的三段线性关系，如图2。将中间段线性关系做直线延长，与其前后的直线段交点所对应压力点为近混相压力区间，其中，与非混相直线段交点所对应的压力为近混相压力下限，定义为最小近混相压力(MNMP)，得到E区块纯CO₂最小近混相驱压力为27.05 MPa，近混相压力区间为27.05 MPa~33.64 MPa。

如同注纯CO₂驱一样，通过细管模拟得到某一CO₂纯度下的驱油效率与注入压力关系，获得不同CO₂纯度下对应的MMP和MNMP，见表2。根据不同CO₂纯度下的MNMP和MMP，进一步得到MNMP为(0.8~0.84) MMP。

根据表2数据，绘制MMP和MNMP与 $P_{C{O}_2}$ (CO₂纯度)之间关系曲线，发现MMP和MNMP均与CO₂纯度呈线性关系：

$MMP=-0.1703P_{C{O}_2}+49.86$ (1)

$MNMP=-0.1516P_{C{O}_2}+41.73$ (2)

对纵坐标压力平行于横坐标做直线，与MMP和MNMP线相交，交点所对应的CO₂纯度即为该压力下近混相驱的CO₂纯度上下限，如图3所示。如目标油藏平均地层压力为33 MPa，近混相驱的CO₂纯度区间范围为57.6%~99.0%，其中，CO₂纯度下限57.6%。目标油藏产出气CO₂含量为24%~90%，CO₂近混相驱纯度窗口区间较宽，因此，注入伴生非纯CO₂近混相驱的可行性和潜力较大。

Figure 2. Relationship of displacement efficiency and injection pressure (pure CO₂)

图2. 驱油效率与注入压力关系图(纯CO₂)

Figure 3. CO₂ purity plate of near-miscible flooding

图3. 近混相驱CO₂纯度图版

Table 2. MNMP and MMP with different CO2 purity

表2. 不同CO₂纯度下的MNMP和MMP

根据E区块5井和4井四个井段的资料，得到不同井段近混相CO₂纯度下限稍有差异，分析其原因主要与各个井段所处的油藏条件有关。随井深增加，油藏温度和压力增加，CO₂近混相驱纯度下限也随之增加，见表3。

Table 3. Comparison of reservoir conditions and oil properties

表3. 油藏条件及原油物性对比

3. 不同条件和方式的开发效果

采用Eclipse数值模拟软件，建立典型油藏模型，网格尺寸为10 m × 10 m × 20 m，初始地层压力33 Mpa，初始含油饱和度为60%。纵向上设置三层，模型参数见表4。建立一注一采的布井方式，如图4所示。

Table 4. Permeability and porosity parameters of typical models

表4. 典型模型渗透率和孔隙度参数

Figure 4. Vertical permeability diagram of typical reservoir model

图4. 典型油藏模型垂向渗透率示意图

3.1. 不同混相程度

设计不同CO₂纯度，数值模拟得到CO₂气驱过程中的含油饱和度变化。图5为3种CO₂纯度下(不同混相状态)驱替中同一时刻的含油饱和度变化图，CO₂纯度为40%代表非混相驱，CO₂纯度为80%代表近混相驱，CO₂纯度为100%代表混相驱。可以看出，CO₂近混相驱其驱油效率和波及范围上居中，更接近于混相驱。

① CO₂纯度40% (非混相) ② CO₂纯度80% (近混相) ③ CO₂纯度100%(混相)

Figure 5. Oil saturation of gas flooding with different CO₂ purity

图5. 不同CO₂纯度下气驱含油饱和度图

表5为不同CO₂纯度下气驱采出程度效果对比，当CO₂纯度为40%时，累计采出程度为42.27%，而当CO₂纯度80%下采出程度达到54.8%，是前者的1.29倍；纯CO₂混相驱采出程度为58.68%，比CO₂纯度80%下近混相驱仅提高了3.88%，提高幅度有限，纯度高于80%后，进一步提高纯度对采出程度的提高幅度较小，这说明CO₂近混相驱开发效果接近于混相驱。考虑到CO₂提纯成本，推荐E区块CO₂驱近混相注入气的理想纯度为80%。

Table 5. Simulation results of different CO2 purity flooding schemes

表5. 不同CO₂纯度气驱方案模拟计算结果

3.2. 不同开发方式

根据油藏特征与上述研究结果，采用如下注气参数 [12] [13]：CO₂纯度为80%，注气速度为0.08 HCPV/a，数值模拟计算CO₂近混相驱和水驱两种开发方式10年开发期内的采出程度，计算结果见表6。CO₂近混相驱开发10年期采出程度高达58.28%，比水驱提高了17.67%，表明非纯CO₂近混相驱可获得更好的开发效果。

Table 6. Comparison of effects with different development patterns

表6. 不同开发方式开发效果对比

4. 结论与建议

(1) 近混相驱最小近混相压力为(0.8~0.84) MMP，CO₂纯度在57.6%以上即可达到近混相，目标区块满足CO₂近混相驱潜力空间大。

(2) 高于80%后，继续增大CO₂纯度，其采出程度提高幅度较小，CO₂近混相驱注入气的合理纯度为80%。CO₂纯度80%下近混相驱采出程度比纯度40%下非混相驱提高了12.53%，比纯CO₂混相驱仅下降了3.88%，CO₂近混相驱开发效果接近于混相驱。

(3) 目标区块CO₂近混相驱开发10年期采出程度高达58.28%，比水驱提高了17.67%，非纯CO₂近混相驱具有很高的应用可行性。

基金项目

海洋石油高效开发国家重点实验室开放基金课题“非纯条件下二氧化碳驱最小近混相压力及分项相态机理研究(编号：2015YXKJ001)”部分研究成。