尚宝兵， 廖新维， 李俊飞， 卢 宁， 苏宪科

(1.中国石油大学(北京) 石油工程教育部重点实验室， 北京 102249； 2.中国石油大学(北京) 地球科学学院， 北京 102249； 3.大庆头台油田开发有限责任公司，黑龙江 大庆 166500)

0 引言

CO2驱是一种重要且有效的提高采收率技术[1].矿场应用中，CO2的气源主要包括天然二氧化碳气藏、碳捕捉得到的气体以及矿场CO2驱的产出气.但通过不同方式得到的CO2气体中大多会含有一些杂质气体，如N2和CH4[2,3].杂质气体的存在对CO2驱提高驱油效率、提高最终采收率等作用均会产生不同程度的影响[4-8].所以，为制定更加合理有效的开发方案，有必要研究注入CO2中含有的杂质气体对CO2驱油的影响，以不影响CO2驱采收率为原则，确定注入气中杂质气体的临界含量，从而为矿场CO2驱提高采收率提供技术支持.

1 研究区块概况

1.1 目标区块地质和流体特征

安塞油田处于陕北斜坡中部，为一平缓的西倾单斜.主要生产层长6埋深1 100～1 300 m，平均有效厚度13.3 m，地层温度45 ℃.油层平均有效孔隙度11%～15%，渗透率1×10-3～3×10-3μm2，属典型的特低渗透岩性储层，原始含油饱和度56%.目前地层压力约为12 MPa，地层原油粘度1.96～2.80 mPa·s，饱和压力6.19 MPa，地面原油密度为840.3 kg/m3.

经过20余年的注水开发，目前安塞等部分长6油藏已进入中高含水期(60%左右)，注水开发矛盾突出，进一步提高水驱采收率难度加大.而利用CO2驱更易于实现注采平衡，保持地层压力，更大幅度的提高原油采收率.

1.2 研究区域的确定

图1 研究井组井位示意图

以长6油藏内的5个注采井组(如图1所示)作为注气试验区，其中油井31口，注气井5口(M1、M2、M3、M4和M5).研究井组为反九点井网，井距约为300 m.试验区外围仍采用常规注水开发.

1.3 纯CO2气体最小混相压力确定

通过模拟细管实验法确定该区原油与CO2的最小混相压力(MMP)为14.2 MPa(如图2所示)，因此在目前的地层压力条件下，无法混相，只能实现CO2非混相驱.

图2 驱油效率与驱替压力的关系

2 杂质气体对CO2驱影响分析

2.1 纯CO2气体注气参数优化

针对研究的目标井组，经过模拟计算得到了纯CO2气体的注气参数.其中，注气方式为水气交替注入，关井气油比为1 000 m3/m3，水气段塞比为1∶1，并通过调节注气速度使得地层压力保持在目前地层压力水平附近.在此条件下，注气开发10年时，目标井组的采收率可达37.73%.

2.2 杂质气体对最小混相压力的影响

为研究杂质气体对CO2驱最小混相压力的影响，此处利用模拟细管实验方法，分别确定CO2中含不同摩尔分数的N2与CH4时，混合气体的最小混相压力，结果如表1和图3所示.

表1 不同气体的最小混相压力

图3 不同气体的最小混相压力

从以上结果可知，随着杂质气体含量的增加，混合气体的最小混相压力都有逐渐增大的趋势.与CH4相比，N2对最小混相压力的影响更大.当地层压力低于纯CO2气体的最小混相压力时，注CO2驱属于非混相驱替过程.此时，若CO2中混入N2或CH4杂质气体，将导致注入气与原油的混相程度进一步降低，从而使注入气的驱油效率降低.

2.3 杂质气体对驱油效果影响分析

为研究N2和CH4对CO2非混相驱油的影响，在已优化的CO2驱注气参数基础上，改变注入气组分，分别研究当注入CO2中含不同摩尔分数的N2或CH4时，对驱油效果的影响.并通过体积波及系数、驱油效率、油井见气时间、采收率等指标分析了杂质气体对CO2非混相驱的影响.最终通过采收率指标确定了杂质气体的临界含量.

2.3.1 对体积波及系数的影响

从这个意义上而言，希望我们这支庞大的写作队伍，尤其是基层的作家们，能多一些来自生活本身的朴素表达，发挥在民间的优势，少一点“文艺腔”的陈词滥调。

体积波及系数指驱替剂波及到的油藏体积与油藏总体积的比值.较高的体积波及系数可以保证注入气体在油藏中实现较广的波及范围，对于提高最终采收率具有重要意义[9].当杂质气体摩尔含量分别为0、10%、30%时，不同注入气在油藏中最终的波及系数如表2和图4所示.

与纯CO2气体相比，注入气中混入N2或CH4有助于提高气体的体积波及系数.N2或CH4的摩尔分数越高，注入气的体积波及系数将越高.且当杂质气体的摩尔分数相同时，含N2气体的体积波及系数较CH4要高.这可能是由于混入杂质气体后，由于注入气的混相程度进一步降低，原油中溶解的气体量减小，地层中未溶解的气量增加，使得注入气在地层中更容易波及到更大的范围，有利于增大其波及体积.

表2 不同注入气的体积波及系数

图4 不同注入气的体积波及系数

2.3.2 对驱油效率的影响

驱油效率指注入剂驱替出的原油占驱替范围内原油含量的百分数.当杂质气体的摩尔分数越高时，注入气体与原油的混相程度越低，导致注入气的驱油效率降低.而且，由于N2对注入气最小混相压力的影响比CH4更显著，因此在CO2含量相同的情况下，含N2气体与原油的混相程度更低，驱油效率也更低.

表3 不同注入气的驱油效率

图5 不同注入气的驱油效率

2.3.3 对油井见气时间的影响

在地层条件下，CO2、N2、CH4均以超临界状态存在，但三者的密度、粘度等性质均不相同.其中，CO2的粘度和密度最大，N2次之，CH4最小[10-12].较低的密度和粘度将导致注入气在地层中形成更严重的重力超覆和粘性指进，从而使得油井见气时间缩短，气油比迅速升高，导致油井关井时间提前.下面是两口典型井在不同注入气条件下的见气时间.

表4 不同注入气下P17井见气时间

表5 不同注入气下P20井见气时间

图6 不同注入气下P17井气油比变化趋势

图7 不同注入气下P20井气油比变化趋势

通过以上两口井在不同注入气下不同时间的生产气油比对比可知：在相同的条件下，不同的注入气到达生产井的时间不同.杂质气体的含量越高，则生产井见气时间越短，说明注入气在地层中的粘性指进越严重；且杂质气体的含量越高，生产井的气油比增加越快.通过对同一口井不同注入气分析可知，N2对见气时间、气油比的影响比CH4更大.

2.3.4 对CO2驱采收率的影响

在其它条件相同的情况下，不同注入气体驱替10年后的采收率结果如表6和图8所示.相对于纯CO2气体而言，CH4与N2的存在对驱油效果有不同程度的影响.根据注入气中杂质气体的摩尔含量与最终采收率的统计结果表明，从尽量提高原油采收率的角度来考虑，注入气中N2的临界摩尔含量应处于5%～10%之间，而CH4的临界摩尔含量应处于10%～15%之间.

与CH4相比，N2对CO2驱提高采收率的影响更大.其中，当CO2的摩尔含量为70%时，混CH4的混合气体比纯CO2气体驱油采收率降低0.5%，而混N2的混合气体驱油采收率降低3.34%.说明随着注入气中N2摩尔分数含量的增加，注入气的驱油效果将迅速变差.

表6 不同注入气的采收率结果(1)

图8 不同注入气采收率结果(1)

2.4 杂质气体临界含量的确定

在2.3.4研究的基础上，为了准确确定N2与CH4的临界含量，分别针对N2和CH4两种杂质气体，研究了注入气中N2的摩尔含量为5%～10%，CH4的摩尔含量为10%～15%时的采收率，结果分别如表7和图9所示.

表7 不同注入气下采收率结果(2)

图9 不同注入气下采收率结果(2)

由以上结果可知，注入气中N2、CH4的摩尔含量均存在临界值，超过此临界值，则混合气体的驱油效果将比纯CO2气体的驱油效果差.其中，注入CO2中N2的临界含量为5%，CH4的临界含量为14%.因此，对于研究的目标区域，在矿场实际应用中，应尽量提纯注入气体，使得杂质气体的含量不要超过其临界值，从而可以保证杂质气体的存在不会影响最终采收率.

3 结论与建议

(1)纯CO2气体与原油的最小混相压力最低，N2与CH4两种杂质气体的存在均会使注入气与原油的最小混相压力升高，且N2的影响较CH4显著.由于该研究区块地层压力较低，注入气无法与原油形成混相，因此杂质气体的存在将进一步降低注入气与原油的混相程度.

(2)两种杂质气体的存在均会不同程度的影响CO2的驱油效果.杂质气体的存在对CO2非混相驱体积波及系数、驱油效率、油井见气时间等均会产生影响.其中，杂质气体含量越高，注入气的体积波及系数越高，驱油效率降低，油井见气时间缩短.

(3)对于研究的目标区块，根据油藏数值模拟的结果，从尽量提高原油采收率的角度来考虑，注入气中N2的摩尔分数含量不应超过5%，CH4的摩尔分数含量不应超过14%.

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