五點法井網CO2-N2驅前置CO2段塞尺寸優化

陳濤平，畢佳琪，孫 文，張國芳，王福平

（1.東北石油大學提高油氣采收率教育部重點實驗室，黑龍江大慶 163318；2.哈爾濱石油學院石油工程系，黑龍江哈爾濱 150028）

二氧化碳驅油技術在全球應用較廣泛，國內外許多學者對CO2驅油做了大量研究。吉林油田于2008年建成國內首個CO2驅國家示范工程，國內其它油田也相繼進行了CO2驅先導試驗，但因CO2氣源有限，目前尚未在礦場廣泛應用。

氮氣氣源豐富，但它與原油的最小混相壓力較高、驅油效率較低。為此，人們考慮用N2部分替代CO2進行低滲油層開發。劉曉軍[1]開展了CO2/N2組合段塞改善驅油效率實驗，結果顯示該方式能有效發揮CO2和N2驅油的優勢。孫楊[2]、陳濤平[3-4]的研究均指出，利用N2作為前置CO2段塞的頂替介質有助于提高采收率，但CO2段塞需一定的長度，以免N2突破CO2段塞氣竄。趙斌[5]利用細管數模和巖芯實驗研究了CO2-N2驅中前置CO2段塞的合理尺寸，但實際油田中注采井都是以井網的形式存在，與室內細管模型或巖芯實驗有較大區別。正如趙鳳蘭等[6]所指的那樣，CO2在實際油層的驅油過程中，將歷經混相、近混相和非混相幾個階段，其驅油效率遠低于實驗室完全混相驅條件下的驅油效率；于此同時，井網單元中的注采總壓差比實驗條件下大得多，能使后續N2的彈性膨脹作用得以充分發揮。因此，探索多種因素綜合作用下，低滲、特低滲透油層五點法井網CO2-N2驅的最優前置CO2段塞尺寸具有實際意義。

1 低滲透油層

類比YS油田的實際情況，用CMG油藏數值模擬軟件計算了五點法井網油層滲透率30×10-3μm2、井距300m時CO2-N2驅的生產動態。研究所用模型與文獻[7]的相同，原油飽和壓力4.704MPa下的氣油比22.3m3/m3，原油粘度3.756mPa·s，二氧化碳—原油的最小混相壓力25.9MPa。現按照極限氣油比和極限日產油量兩種約束條件分別計算采收率等相關指標。

1.1 極限氣油比約束條件

在極限氣油比1500m3/m3的約束條件下，低滲透油層不同驅替方案采收率與CO2段塞尺寸關系曲線如圖1所示。由圖1可知，隨著CO2段塞尺寸的增加，CO2-N2驅的采收率不斷增大，且始終高于全CO2驅的采收率，當CO2段塞達到0.4PV（Pore Volume，PV）后，采收率開始趨于平穩并接近全CO2驅的采收率。表明在CO2-N2驅中，N2補充了地層能量，驅動了被CO2混相的原油，進而提高了采收率；相同采收率下，CO2-N2驅所需CO2的量少于全CO2驅的量。

為了從技術和經濟角度優選CO2段塞的最優尺寸，計算了注不同尺寸CO2段塞時的CO2-N2驅與CO2驅的噸油氣體成本，其中，標況下N2價格取1.47元/m3，CO2價格取0.87元/m3，結果如圖2所示。由圖2可以看出，隨著CO2段塞尺寸的增加，CO2-N2驅的噸油氣體成本曲線呈“W”狀，且在CO2段塞尺寸為0.4PV時，獲得最小值。

綜合分析圖1、圖2可知，與0.6PV的CO2段塞相比，雖然0.4PV的CO2段塞的采收率降低了3.35%，但卻減少0.2PV（三分之一）的CO2注入量。因此，低滲透油層極限氣油比約束條件下CO2-N2驅的前置CO2段塞最優尺寸為0.4PV，此時采收率為58.19%。

圖1 低滲油層采收率曲線

圖2 低滲油層噸油氣體成本曲線

1.2 極限日產油量約束條件

按照極限單井日產油量17m3/d約束條件，計算不同驅替方案的采收率，并將極限氣油比和極限日產油量兩種約束條件下的采收率與CO2段塞尺寸關系曲線繪制在同一圖中，結果如圖3所示。

由圖3可以看出，因日產油量約束條件會在氣油比約束條件后繼續注氣，其總注入PV數比氣油比約束條件的大，其采收率自然高于氣油比約束條件的采收率，0.4PV CO2段塞時，其采收率高6.56%。

圖3 低滲油層不同約束條件下采收率曲線

極限氣油比和極限日產油量兩種約束條件下低滲透油層的噸油氣體成本曲線如圖4所示。

圖4 低滲油層不同約束條件下噸油氣體成本曲線

結合生產動態數據分析圖3、圖4可知，相對于極限氣油比約束條件，極限日產油量約束條件下后續注入的N2較多，而采收率提高幅度較小，故其噸油氣體成本較高。但值得注意的是：注0.4PV前置CO2段塞時，極限日產油量約束條件的采收率為64.75%，比極限氣油比約束條件的采收率58.19%高6.56%，且噸油氣體成本比極限氣油比約束條件的噸油氣體成本低35.18元，此為最優的CO2段塞注入量及生產方式。

1.3 衰竭期開采動態

低滲透油層0.4PV前置CO2段塞的CO2-N2驅生產至極限約束條件后，停注轉入衰竭期開采，此后僅靠油層中剩余氣體彈性膨脹能驅替至單井日產氣量小于100m3/d時，關井結束生產。低滲透油層五點法井網CO2-N2驅衰竭期原油采收率等技術指標數據見表1。

由表1可知，低滲透油層0.4PV前置CO2段塞CO2-N2驅極限氣油比約束條件下衰竭生產期的階段原油采收率為5.53%，注入氣回采率76.10%，不僅提高原油采收率，同時也回采注入氣超過總注入氣量的四分之三，貢獻較大；極限日產油量約束條件下，雖然衰竭生產期的階段采收率極低(0.56%)，但回采注入氣也超過總注入氣量的三分之一（36.20%），這些回采注入氣經處理后仍可回注油層提高采收率。

表1 低滲油層CO2-N2驅衰竭期技術指標

2 特低滲透油層

特低滲透油層五點法井網單元模型滲透率3×10-3μm2，其余參數同低滲油層五點法井網單元模型。

2.1 極限氣油比約束條件

在極限氣油比1500m3/m3的約束條件下，特低滲透油層不同驅替方案的采收率與CO2段塞尺寸關系曲線如圖5所示。由圖5可知，隨著CO2段塞尺寸的增加，CO2-N2驅的采收率不斷增大，當前置CO2段塞達到0.4PV時，采收率開始趨于平穩，且始終高于全CO2驅的采收率；同一采收率下，CO2-N2氣驅所需CO2的量低于全CO2驅的量。

圖5 特低滲油層采收率曲線

為了從技術和經濟角度優選CO2段塞最優尺寸，計算了注不同尺寸CO2段塞時CO2-N2驅與CO2驅的噸油氣體成本。結果如圖6所示。由圖6可以看出，隨著CO2段塞PV數的增加，CO2-N2驅的噸油氣體成本曲線呈“W”狀，且在CO2段塞為0.4PV時，獲得最小值。

綜合分析圖5、圖6可知，特低滲透油層極限氣油比約束條件下CO2-N2驅中最優前置CO2段塞尺寸應為0.4PV，此時采收率為62.98%。

圖6 特低滲油層噸油氣體成本曲線

2.2 極限日產油量約束條件

按照極限單井日產油量2m3/d的約束條件，計算不同驅替方案的采收率數，并將極限氣油比和極限日產油量約束條件下的采收率與CO2段塞尺寸關系曲線繪制在同一圖中，結果如圖7所示。

圖7 特低滲油層不同約束條件下采收率曲線

由圖7以看出，由于極限日產油量約束條件的總注入氣量比極限氣油比約束條件的大，其采收率也較高，注0.4PV CO2段塞時，其采收率高4.36%。

極限氣油比和極限日產油量兩種約束條件下特低滲透油層的噸油氣體成本曲線如圖8所示。

圖8 特低滲油層不同約束條件下噸油氣體成本曲線

結合生產動態數據分析圖8可知，相對于氣油比約束條件，日產油量約束條件下后續注N2較多、采收率提高幅度較小，因而噸油氣體成本較高。但注0.4PV的CO2段塞時，日產油量約束條件的噸油氣體成本比氣油比約束條件的噸油氣體成本低21.64元。

一般而言，相對于極限氣油比約束條件，極限日產油量約束條件下的CO2-N2驅可獲得更高的采收率，但后期需要注入大量的氣體且采收率提高幅度較小，故其氣驅效益一般較低。因此，若想獲得較好的氣驅效益，可選擇氣油比約束條件來結束采油生產；若想獲得較高的采收率，可選擇日產油量約束條件來結束采油生產。但值得注意的是，低滲或特低滲透油層0.4PV前置CO2段塞的CO2-N2驅時，按照日產油量約束條件結束采油生產不僅可以獲得較高的采收率，而且其噸油氣體成本也最低，是最佳的生產方式。

2.3 衰竭期開采動態

特低滲透油層五點法井網CO2-N2驅衰竭期原油采收率等技術指標數據見表2。

表2 特低滲油層CO2-N2驅衰竭期技術指標

由表2可知，特低滲透油層0.4PV前置CO2段塞CO2-N2驅極限氣油比約束條件下衰竭生產期的階段原油采收率為4.70%，注入氣回采率66.65%，回采注入氣超過總注入氣量的三分之二；極限單井日產油量約束條件下，雖然衰竭生產期的階段采收率很低(1.15%)，但回采注入氣接近總注入氣量的一半（45.81%）。

3 結論

（1）在低滲、特低滲五點法井網中，CO2-N2驅中前置CO2段塞尺寸均以0.4PV為宜，按照日產油量約束條件結束采油生產不僅可以獲得較高的采收率，且其噸油氣體成本也最低，是最佳的生產方式。

（2）在按日產油量約束條件結束采油生產后的衰竭期，原油采收率增幅很小（0.56%～1.15%），但注入氣回采率較大（36.2%～45.8%），回收注入氣是該階段的主要貢獻，且所回采的注入氣經處理后仍可繼續注入油層提高采收率。