致密油藏氣驅最小混相壓力預測

王玉霞尚慶華

(1.西北大學 地質學系,西安 710069;2.陜西延長石油(集團)有限責任公司研究院,西安 710065)

1 研究背景

已有研究表明,致密油藏微觀孔喉結構中流體的臨界性質及相態變化規律等均不同于常規油藏[1-3]。在孔喉中,流體臨界性質及相態與范德華力和毛細管力及孔喉結構等因素相關[4-5]。致密儲層中微觀孔喉半徑越小,其驅替相與被驅替相之間的毛細管壓力比越大,對相平衡的影響也越大。當孔喉半徑小到一定程度時,流體分子與孔壁之間的相互作用增強到不可忽略,進而改變流體的臨界壓力、臨界溫度和表面張力等物理性質[6-7]。對于氣體驅油來說,其還將直接影響混合體系的最小混相壓力,進而影響驅油效率和原油采收率[8]。最小混相壓力是氣驅項目必須確定的一個關鍵技術參數。目前的確定方法主要有數值模擬法、細管實驗法及界面張力法等[9-17],然而這些方法都忽視了微觀孔隙結構產生的影響,即不論儲層孔隙度和滲透率在何種范圍,均采用同一標準下的細管模型進行測定,或者不考慮介質直接通過界面張力儀測定臨界面張力時的流體混相壓力?；诖?該研究以延長油田吳起油溝致密油藏為研究對象,對其微觀孔喉結構特征及流體在其中的相態行為開展了系統研究,探索合適的氣驅最小混相壓力預測方法,以期為同類油藏的研究和應用提供理論基礎。

2 致密孔中流體的相態行為

研究表明,流體在致密油藏中的臨界性質及相態主要受孔喉禁限效應的影響,影響程度主要取決于孔喉半徑和Lennard-Jones尺寸參數。根據Kuz等人的研究結果和范德瓦爾斯理論[18],可以得到臨界溫度偏移、臨界壓力偏移分別與σLJ/rp關聯的二次方計算模型,即:

式中:rp為孔喉半徑,nm;ΔT*c為相對臨界溫度偏移,無因次;Tcb為bulk臨界溫度;Tcp為孔隙臨界溫度;σLJ為Lennard-Jones尺寸參數,nm;ΔP*c為相對臨界壓力偏移,無因次;Pcb為bulk臨界壓力;Pcp為孔隙臨界壓力。

吳起油溝油藏長4+5油層組微觀孔喉結構研究結果表明,納米孔占比27.2%,微米孔占比51.7%,如圖1所示,屬于典型的致密油藏。

圖1 研究區孔喉半徑分布圖Fig.1 Pore throat radius distribution

該區在前期進行了充分的室內研究,并開展了CO2驅油礦場先導性試驗,具備相態理論計算的參數基礎,其原油和注入氣的組成、性質及狀態方程參數詳見參考文獻[19]。利用上述臨界參數偏移計算模型對研究區流體參數進行計算,得到其臨界參數偏移的變化如圖2和圖3所示。

圖2 流體臨界參數偏移隨σLJ/rp變化曲線Fig.2 Fluid critical parameter migration curve withσLJ/rp

圖3 孔喉半徑對流體各組分臨界參數的影響Fig.3 Theinfluence of hole radius on the critical parameters of oil and gas fluids

由圖2可以看出,流體臨界參數偏移變化曲線主要表現出以下特點:1)CO2臨界參數偏移與輕組分Cl+N2一致;2)相同孔喉半徑中,重質組分較輕質組分的臨界參數偏移幅度更大;3)臨界參數偏移隨孔喉半徑的減小而增大;4)微米級以上的孔喉中不再存在流體臨界參數偏移,孔喉結構不再對相態產生影響。

由圖3可以看出,流體臨界參數的變化主要呈現以下特點:各組分的臨界溫度和臨界壓力均隨孔喉半徑的減小而降低,且重質組分臨界溫度和輕質組分臨界壓力受影響較大,輕質組分臨界溫度和重質組分臨界壓力受影響相對較小。

為了更加直觀地表現孔喉半徑對流體臨界性質的影響,根據臨界參數計算模型分別計算了研究區不同孔喉半徑下流體的相圖,如圖4所示。

圖4 不同孔喉半徑下研究區原油的相圖偏移Fig.4 Phase diagramof crude oil with different hole radius

從圖4可以明顯看出,當孔喉半徑從5 nm變到30 nm時,流體相圖發生了幅度非常大的右偏移;當孔喉半徑大于30 nm時,偏移幅度逐漸變小;當孔喉半徑大于50 nm后,流體相圖已基本接近常規儲層的相圖。說明流體相態受孔喉半徑影響的上限基本為50 nm,且孔喉半徑越小,流體相態受影響的程度越大。

3 考慮孔喉對流體相態影響的最小混相壓力預測

大量研究表明,細管實驗得到的最小混相壓力普遍低于界面張力法測得的最小混相壓力,如圖5所示。同時結合上述研究結論,流體的臨界性質及相態受致密儲層納米級孔喉的重要影響。因此氣驅油的微觀機理不再同于常規油藏,產生混相的條件和環境也大有不同,預測致密儲層氣驅最小混相壓力必須考慮孔喉對流體相態的影響。

圖5 不同實驗方法最小混相壓力測試結果Fig.5 Minimum miscible pressure test results using different experi mental methods

3.1 聯立狀態方程法

PR狀態方程在計算混合物臨界點方面具有較高的精度,聯立上述臨界參數偏移計算模型便可用于致密儲層流體相態的計算,具體形式如下[20]:

由式(1)～式(3)臨界溫度偏移和臨界壓力偏移計算模型和PR狀態方程聯立即構成致密油藏考慮孔喉影響的最小混相壓力計算模型。計算時,首先通過臨界參數偏移計算模型計算得到流體在特定孔喉中的臨界參數,然后利用PR 狀態方程和混相函數[21]迭代計算得到混合流體的最小混相壓力,具體計算方法和步驟參考文獻[20],這里不再贅述。

3.2 聯立J-P經驗公式法

聯立狀態方程法考慮因素全面,理論完善,是完全符合致密儲層最小混相壓力計算需要的模型。其缺點是計算處理過程相對復雜,不像經驗法計算簡便。為了某些工作的簡便需要,這里給出一種半經驗公式法,即由臨界參數偏移計算模型聯立經驗公式的計算方法。目前預測最小混相壓力的經驗公式多達十幾種[22-23],但只有Johnson和Pollin創立的J-P關聯式將最小混相壓力與流體的臨界性質關聯在一起,且其計算誤差也相對較低,具體形式如下:

由臨界參數計算模型式(1)～式(3)聯立J-P關聯式即構成致密儲層考慮孔喉影響的最小混相壓力半經驗計算模型。計算時,首先通過臨界參數偏移計算模型計算得到流體在特定孔喉中的臨界參數,然后代入到J-P關聯式,即可計算得到特定儲層中混合流體的最小混相壓力。

3.3 實例計算與分析

細管實驗測得研究區延長組長4+5油層組CO2與原油最小混相壓力為17.8 MPa。為了明確致密儲層微觀孔喉結構對最小混相壓力的影響程度,應用上述2種方法分別對該區原油與CO2在儲層中的最小混相壓力進行計算,并與細管實驗結果進行對比。

根據上述計算模型和方法,由聯立狀態方程法和聯立經驗公式法計算出研究區流體在納米孔喉中的最小混相壓力分別為13.7 MPa和14.4 MPa,在常規孔喉(微米級以上)中的最小混相壓力分別為18.1 MPa和15.7 MPa。研究區納米孔所占比例為27.2%,如果按照比例進行加權平均計算,則由2種方法確定的CO2驅最小混相壓力分別為16.9 MPa和15.3 MPa。實際上,對于該研究區來說,當壓力超過13.7 MPa時,部分CO2已經開始實現混相驅油。

由計算結果可以看出,在不考慮孔喉結構影響時,PR狀態方程法計算的最小混相壓力非常接近細管實驗法的測定值,說明該方法是可靠的。進一步,說明將臨界參數偏移計算模型和PR 狀態方程法結合計算致密儲層中流體的最小混相壓力也是可行的,其計算結果具有信服力。另外可以發現,無論計算納米孔喉中的最小混相壓力還是加權平均計算,聯立經驗公式法相比聯立狀態方程法的誤差還是比較小的,對于項目前期CO2選區要求精度不高時,可以采用該方法。

4 結論

1)納米級孔喉會對流體的臨界性質及相態產生重要影響?？缀戆霃皆叫?影響程度越大,且流體臨界溫度和臨界壓力均隨孔喉半徑的減小而降低,相圖區域隨孔喉半徑的減小而向左縮小。

2)孔喉半徑對重質組分的臨界溫度影響較大,對臨界壓力的影響較小,而其對輕質組分的影響則相反。

3)最小混相壓力除了受驅替相和被驅替相性質參數的影響外,還受微觀孔喉尺寸的影響。致密孔喉尤其是納米級孔喉可以明顯降低氣驅的最小混相壓力。

4)由流體臨界參數偏移計算模型聯立PR狀態方程可以預測致密儲層氣驅最小混相壓力,計算結果具有信服力。