基于气驱提高页岩原油采收率技术分析
张刚 王维钊 闫建伟
摘要：页岩油藏的低采收率和巨大的頁岩油储量激发了我们努力研究增强油采方法在页岩油藏中的应用。最近的数值研究表明，循环注气可以是提高页岩油储层采收率的有效方法，可以缓解气窜现象。本文介绍了我们的实验验证和量化方法，以通过页岩油藏中的循环注气提高采收率。使用了Barnett，Marcos和Eagle Ford页岩的岩心塞。所使用的油是矿物油（Soltrol 130），采用氮气作为驱气。实验中使用未破裂的岩心。研究了循环时间和注入压力对油采收率的影响，以及其他参数。我们的结果还表明，取决于注入压力和页岩岩心类型，循环气注入可将采收率从10%提高到50%。这项研究表明，循环气体注入的重要机制之一是在生产阶段引起大压降的压力效应。循环注气为改善页岩储层中的油采收率提供了有效而实用的方法，因为所需的气体可在富含液体的页岩层中获得。
关键词：页岩原油;采收率;循环注气;气体驱动
中图分类号：TE341
文献标识码：A
文章编号：1001-5922（2020）12-0127-05
0 引言
利用传统工业方法从油层中开采石油的效果在世界范围内被认为是不令人满意的，而石油产品的消费量每年都在增长。因此，应用提高采收率技术，可以大幅度提高已开发油藏的采收率，随着技术的进步、非常规资源油气产量的下降和燃料需求的增加，我们将研发重点转向非常规资源，如果不进行大规模增产处理或实施强化采油工艺，非常规油藏就无法以经济流量生产以及先进的技术。大规模的增产措施是从这些储层中有效开采石油的主要解决方案。
为了研究在页岩油气藏上采用提高采收率方法的可行性，进行了实验研究，探索了在页岩油气藏上实施huff-n-puff方法的可能性，并探讨了关键参数对该技术成败的影响。通过室内实验研究了循环各种气体的初始生产潜力。
1 常规IOR和EOR方法
常规IOR和EOR方法是指为提高或提高常规油藏的采收率而开发的方法，包括二次和三次采油方法。一般而言，在二次水驱或气驱（即限制ior方法）后，常规油藏的RFs可从约20%提高到约35%-45%。三次采油或提高采收率方法是指利用物理、化学、生物技术从成熟油田经济地回收碳氢化合物的方法，包括—致性控制、化学驱油、二氧化碳提高采收率以及目前大多数采用纳米粒子的技术。一般来说，采用三次提高采收率方法，常规油田的采收率可进一步提高5-20%。
1.1 水驱法
一次采油后，通常注入水以补充储层能量和驱替剩余油。研究了水驱的波及效率和驱替效率。扫描效率很大程度上取决于迁移率：
其中v是间隙速度，μ是流体动力粘度，σ是界面张力（IFT）。原油采收率随Ca的增加而增加，建议动员原油时Ca应大于10-5。假设流速为10-6m/s，水粘度为10-3pa/s，IFT为25mN/m，Ca为4×10-8，此时孔隙中的油几乎是不流动的。如果注入表面活性剂溶液，例如石油磺酸盐，可以将IFT降低到10-2，那么Ca可以降低到10-4，然后大约一半的油可以被回收。
宏观上，由于注入水比一般油藏油重、粘度小，水驱存在重力分异和指进问题，导致早期突破。储层的非均质性和天然裂缝可能进一步降低波及效率，使水通过储层的高渗透部分并形成以水为主的通道。
1.2 气驱法
注气作为美国一种主要的提高采收率方法，通常采用CO2、N2或天然气在im混相或混相条件下驱油。与水驱相比，注气具有更高的驱油效率，适用范围更广，特别适用于低渗透稠油油藏。不混相注气的主要采油机理是补充储层压力，使油向生产井方向驱油，使气溶于油相，使其轻而不粘。对于混相过程，除上述机理外，注入气与油之间的界面张力显著降低甚至消除，从而显著提高微观驱油效率。
混相注气要求井下压力高于最小混相压力（MMP），最小混相压力可通过小管试验或上升气泡试验确定。除极高压储层外，注入气在与储层流体初次接触时不能达到混相，而是在流动过程中逐渐从油相中抽出较轻组分，经过多次接触后最终与油混相。在多接触过程中，由于注入井和混相带之间存在两相区，仍有相当多的油被捕获。
由于天然气与原位烃的配伍性，在较低的压力下可以实现混相。一种有效的天然气注入技术是回收采出的天然气以保持储层压力。在注入之前，从表面产生的气体中除去重组分（C3+）和水。
混相驱虽然可以消除孔隙尺度的毛管力，但混相驱仍不能达到理想的波及效果。宏观尺度上的储层非均质性可诱导成象和成网，使低粘混相在高渗透层中形成较好的流动通道。通过建立三相组分模型，研究非均质性对混相气驱的影响，发现即使是微非均质性气藏，也会出现明显的成象现象。一旦混相通道穿过高渗透带，就会留下一定数量的原地流体。
1.3 水气交替驱动法
另一种有效的注入气流度控制方法是水气交替，即先注气后注水。这个替代序列可以重复几次。注入气段塞与前缘油气藏形成混相带，而水段塞则改变了气藏的注入剖面，阻止了气藏的指进和窜出。水气交替驱动已成为提高气驱波及效率的有效技术。韩和顾在Bakken致密岩心上实验优化了CO2-水交替注入段塞尺寸和注入比例。
低盐度水也被用于水气交替，称为低盐度水CO2驱气交替驱动，通过一系列进行了数值模拟和实验研究，验证了低盐度水CO2驱气交替驱动的可行性和性能。本质上，低盐度水CO2驱气交替驱动结合了低盐度水驱和CO2气驱的优点。低盐度水提高了微观效率，CO2气驱提高了宏观效率。
2 实验部分
2.1 实验材料
在我们的研究中使用了3种不同的页岩岩芯：Bamett、Marcos和Engle Ford，直径为1.5英寸，长度为2英寸。使用矿物油溶剂130。在对每个芯进行每个实验之前，对芯进行命名和干燥称重，然后抽真空3d。之后，他们被溶剂130浸透。堆芯在2000psig高压下饱和48h。图1显示了饱和过程中使用的设置。用饱和重量与干重之差除以溶剂130的密度，计算每个岩心中的饱和油体积。在整个实验过程中，温度保持在35℃。在岩心饱和并记录湿重后，将其放人岩心夹持器中，并开始huff-n-puff程序。
循环CO2已经引起了人们的广泛关注，然而，在大多数情况下，CO2的购买和注入成本太高，工艺不经济，或者由于某些领域缺乏管道设备系统而无法输送CO2。因此，我们在研究中使用了氮，因为它的成本和有效性都很低。但是，在今后的工作中将进行CO2循环注入实验，并将实验结果与现有工作进行比较。
2.2 岩心驱油装置
实验装置的原理图如图2所示，主要组成如下：三个高压不锈钢芯子夹持器、二通和三通阀、页岩芯子、氮气和二氧化碳钢瓶、一个压力调节器和一个控制温度的大烘箱。三个压力计，直接连接到核心保持架的顶部，用于记录每个实验中核心周围的压力。它们还用于观察浸泡或关井后的压力损耗。
2.3 Huff-n-puff程序
本研究所进行的实验旨在模拟典型的喷气过程中发生的序列。在注气阶段，从三个岩心保持器（包括饱和岩心）的增压开始进行吞吐操作。浸泡一段时间后，气体可以溶解到油中。最后，在背压罩控制的生产阶段（吹气阶段），堆芯保持器发生减压。所有步骤均在35℃恒温下进行。所研究的压力范围包括不混溶（低压）和接近混溶条件（高压）。为了研究操作压力对最终回收率的影响，采用了1000Psi、2000Psi、3000Psi、3500Psi的均热压力。同时，研究了不同浸泡时间对浸泡时间的影响。
3 结果与讨论
为了评价页岩气循环注入的可行性，研究了操作压力对页岩气吞吐采气工艺性能的影响。将低压注氮（即不混溶条件）与近混溶情况进行了比较。
3.1 工作压力的影响
表1和表2包括不同工作压力下Bamett和Marcos页岩岩芯氮气吞吐工艺的回收系数。堆芯在IOOOPsi、2000Psi、3000Psi和3500Psi压力下与氮气接触，ld的关井期，然后是生产期。在相同压力下重复该工艺，但关井周期改为2d和3d，以考察关井周期对循环过程操作压力性能的影响。不同压力下的采收率比较清楚地表明，当操作压力从lOOOPsi（即不混相条件）改变为我们认为在3000Psi操作压力下几乎可混相时，石油产量急剧增加。
结果表明，巴内特页岩岩芯的采收率由1000psi时的6.5%提高到3000psi时的14.91%，由1000psi时的7.53%提高到了20.65%。此外，使用Marcos页岩岩芯的结果表明，使用1d关闭期，回收率从1000psig时的约8.38%增加到3000psi时的约13.5%，使用3d关闭期，从1000psi时的9%增加到3000psi时的19.59%。图3和图4中的曲线表明，在接近混相条件的压力下注入氮气对最终采收率有很大影响。然而，从这些数据来看，不同压力下的采收率差异似乎更为明显。这些数据表明，再增压是氮气吞吐过程中的重要采油机理。这一观察结果与我们研究小组的模拟研究得出的一个结论相一致。
3.2 浸泡時间的影响（关井时间）
为了研究关井时间对吞吐过程的影响，将岩心置于不同的操作压力下，固定压力，改变关井时间。表3说明了浸泡期对回收率的影响结果。在1000psig的不混溶条件下，即使浸泡时间从2d变为3d或4d，浸泡时间也不会影响回收率。当压力达到接近混相状态时，关井期的影响较小。3000psig浸泡时间由1d改为3d时，回收率提高到5%左右。同时R.F也从停产一天的13.5%上升到停产五天后的22.46%。这意味着，当操作压力达到需要更多关井时间的混相条件时，均热期确实会影响采收率。结果还表明，在接近混相的条件下，关井5d后，采收率趋于稳定。用Bamett和Marcos页岩岩心观察到了类似的结果。
3.3 循环次数的影响
图4在2000Psig的工作压力下，生产峰值在第一个循环中为11.23%，并在每个循环中以平均3%的速度增加，直到在第七个循环后以平均32.5%的速度达到平衡。图5在接近可混相条件3500Psig的压力下，采油高峰出现在第一和第二个循环，第二个循环后开始略微增加2%或更少，直到第六个循环后稳定下来，平均值分别为32.15%、56.26%和71.2%，如表5所示。工作压力对采出油量的影响也影响到提取最高油量所需的循环次数。
4 结语
1）氮气循环注气工艺可作为提高页岩裂缝性油藏采收率的有效手段。
2）当注入压力接近氮气混相条件时，室内平均采收率较高。
3）在接近混相的条件下，原油采收率在第一和第二个循环时达到峰值，第二个循环后略有上升2%或更低，直到第六个循环后趋于稳定。
4）在页岩油气藏的吞吐过程中，再增压是一种重要的采油机理。
5）与Bamett和Marcos页岩岩芯相比，Eagle ford页岩岩芯的采收率较高，这很好地表明了Eagle ford页岩油藏氮气吞吐过程的高潜力。
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