海上砂岩油藏注自生 CO2体系实验及提高采收率机理.pdf
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1、大庆石油地质与开发 Petroleum Geology Oilfield Development in Daqing2023 年 8 月 第 42 卷第 4 期Aug.,2023Vol.42 No.4DOI:10.19597/J.ISSN.1000-3754.202203059海上砂岩油藏注自生CO2体系实验及提高采收率机理郑玉飞1,2 李翔1,2 刘文辉1,2 冯轩1,2 宫汝祥1,2 王硕1,2(1.中海油田服务股份有限公司油田生产事业部,天津300459;2.海洋石油高效开发国家重点实验室,天津300459)摘要:针对自生CO2技术增产功能多元化、提高采收率机理认识不清的问题,综合利用理
2、化性能评价、岩心驱替及结构表征实验,通过研究体系配方、界面张力、原油黏度、提高采收率效果及岩心孔喉结构的变化,明确了自生CO2技术的主要增产机理。实验结果表明:自生CO2体系中最佳的生气剂与释气剂物质的量浓度比为12,最佳体系质量分数为21.5%,此时的CO2生气效率接近最大值。自生CO2体系在均质和非均质岩心中均具有良好的驱替效率,注入自生CO2体系提高原油采收率(EOR)的机理主要包括:体系中的生气剂(碱性)可以降低原油与体系间的界面张力(IFT);在地层中产生的CO2会使原油膨胀、降低原油黏度;生气剂与释气剂反应放热可溶解有机物并提高采收率,CO2生成过程和清除堵塞引起的压力波动也有助于
3、改变驱油路径、提高采收率。研究成果为自生CO2的技术优化和矿场实践提供了依据。关键词:自生CO2;EOR;海上油田;机理研究中图分类号:TE357.46 文献标识码:A 文章编号:1000-3754(2023)04-0113-09Insitu CO2 generation system injection experiment and EOR mechanism for offshore sandstone reservoirsZHENG Yufei1,2,LI Xiang1,2,LIU Wenhui1,2,FENG Xuan1,2,GONG Ruxiang1,2,WANG Shuo1,2(1
4、.Production Optimization Business Division of China Oilfield Service Limited,Tianjin 300459,China;2.State Key Laboratory of Offshore Oil Exploitation,Tianjin 300459,China)Abstract:Facing the problem of unclear mechanism of enhanced oil recovery due to diversified stimulation functions of insitu CO2
5、generation technology,the main stimulation mechanisms are determined comprehensively by physicochemical properties evaluation,core displacement and structural characterization experiments,and by study on system formula,interfacial tension,oil viscosity,enhanced recovery effect and changes of core po
6、re throats structure.The results show that the optimum amountofsubstance concentration ratio of gasgenerating agent to gasreleasing agent is 1 2 and the optimum system mass fraction is 21.5%,with gas generation efficiency close to the maximum value.Insitu CO2 generation system has high displacement
7、efficiency in both homogeneous and heterogeneous cores.The EOR mechanism of insitu CO2 generation system injection mainly includes:gasgenerating agent(alkaline)reduces the interfacial tension between oil and system(IFT);the CO2 produced in the formation expands the oil and reduces oil viscosity;the
8、heat released by reaction of gasgenerating agent and gasreleasing agent dissolves organic matter and increases recovery.The 收稿日期:2022-03-24 改回日期:2022-11-13基金项目:中海油田服务股份有限公司科技项目“N+1轮层内生成CO2调驱效果优化研究与应用”(YSB19YF019);中海油田服务股份有限公司科技项目“海上陆相砂岩油藏均衡驱油技术研究与应用”(YSB20YF001)。第一作者:郑玉飞,男,1986年生,硕士,高级工程师,从事海上油田提高采收
9、率技术研究。E-mail:2023 年大庆石油地质与开发pressure fluctuations in the process of CO2 generation and clogs removing also help changing the displacement path.The research results provide basis for optimization and field application of insitu CO2 generation technology.Key words:insitu CO2 generation;EOR;offshore oi
10、lfield;mechanism study0引言CO2驱是最常用的提高采收率技术之一12,其主要作用机理包括高压条件下CO2能很好地溶于原油使之膨胀降黏、CO2萃取原油轻烃组分及在非混相驱中增加原油驱动力等35。但目前CO2驱仍存在诸多局限性。CO2的黏度低、流动性强、极易在储层中窜进的特点导致波及体积很小 6;油田附近普遍缺乏CO2气源,而CO2储存和运输都需要较高的成本 7;另外,还存在设备腐蚀和气体泄漏等安全问题。以上问题均限制了该技术在海上及偏远地区的应用811。自生 CO2技术(ISCGT)克服了 CO2驱气源不足的问题,并大大降低了 CO2驱的成本,使由于输送气源成本高而无法开展
11、 CO2驱的油田也可以得到商业化应用1213。在国外,K.K.Gumersky 等14从1999年起就开展了ISCGT研究并在Samotlor油田和NovoPokursky油田开展了矿场试验。2010年,B.J.B.Shiau等15研究了氨基甲酸铵和氨基甲酸甲酯等可在储层自生 CO2的化学体系及调驱效果。在中国,从 2002年开始,ISCGT 先后应用于中原油田、大港油田、江苏油田和渤海油田,均取得了较好的稳油控水和降压增注效果1620。目前,国内外油田常用的自生 CO2体系有单液法体系和双液法体系 2种2122。单液法是将一种药剂溶液注入储层,在地层条件下分解为 CO2,由于适用温度范围小和
12、气体生成效率低等问题,该方法的应用受到了较大的限制23。双液法体系由 2 种药剂组成,分为生气剂(GF,如 Na2CO3、NaHCO3或 NH4HCO3)和释气剂(GY,如 HCl 或 CH3COOH等),将 2 种药剂分段塞注入储层,二者在地层接触后通过放热反应原位生成 CO2,并通过原油溶胀、降黏和解堵等多种作用来提高采收率24。O.Coskun 等25针对 ISCGT 提高采收率机理的研究主要集中于 GF 与 GY 生气效率提升及影响因素评价,而未考虑 GF(碱性)的乳化作用机制及 GY(酸性)的解堵作用机制等,因此对于 ISCGT 提高采收率机理还需要进一步开展系统的研究。本文设计了带
13、有温度和压力传感器的填砂管模型用于评估GF和GY在多孔介质中的生气效率,并对生气配方进行了优化。通过驱替试验和结构表征系统研究了ISCGT针对渤海砂岩油藏的提高采收率机理,为该项技术在海上油田的进一步应用奠定了基础。1实验材料和方法1.1实验材料自生 CO2体系由 GF、GY 和隔离液(SF)组成,其中 GF 为特定浓度的碳酸钠溶液,GY 为特定浓度的无机酸或有机酸和一定量的缓蚀剂组成的混合物,SF 为聚合物溶液或注入水,以上药剂均来自国药集团化学试剂有限公司。实验中将 GY 和GF 各分为 4 个交替注入段塞,每段塞体积均为0.125 PV,中间用0.012 5 PV的SF隔离开;注入水取自
14、渤海某油田,组成成分如表1所示。实验用油样取自渤海某油田,原油性质如表2所示。实验用人造岩心分为均质岩心(渗透率为1 00010-3和2 50010-3 m2)和非均质人造岩心(渗透率为 20010-3/1 00010-3/2 00010-3和 50010-3/2 50010-3/5 00010-3 m2),使用80%的石英砂和20%表1注入水离子组成Table 1 Composition of injected water ions试样类型注入水样阳离子组分质量浓度/(mgL-1)Na+3 801K+25.6Mg2+45Ca2+103阴离子组分质量浓度/(mgL-1)F-Cl-4 059NO
15、3-2.5SO42-23.1表2地层原油性质(65)Table 2 Properties of formation oil(65)地层原油密度/(gcm-3)0.8440.964地层原油黏度/(mPas)9.100944.000体积系数1.0431.142溶解气油比/(m3m-3)1548地层压力/MPa9.48014.480饱和压力/MPa6.81013.720114第 42 卷 第 4 期郑玉飞 等:海上砂岩油藏注自生CO2体系实验及提高采收率机理的黏土压制而成。1.2自生CO2配方优化实验为了确定自生 CO2体系的最佳配方浓度,选择生气量和生气效率作为2个最重要的评价指标。本文选择了2种
16、实验方法对体系生气量和生气效率进行了比较研究,一种方法是通过玻璃反应釜进行,实验结构见图 1,在该方法中将 50 mL 的 GF 溶液放在 65 C 的试剂瓶中水浴,然后使用滴定管以一定的速度将 50 mL 的 GY 溶液逐滴加入试剂瓶,与GF 反应并产生 CO2气体,测得生气体积。气体生成效率为实际生气量占理论生气量的百分比。另一种方法是在模拟多孔介质(填砂管)中进行,如图2所示。用石英砂(100200目)填充填砂管,渗透率约为1 00010-3 m2,在填砂管分别设置5个测压点和测温点。首先用注入水将填砂管饱和,然后在 65 C 条件下按照图 2 中段塞组合注入自生CO2体系,每隔一段时间
17、测量生气量、压力和温度。1.3理化性质表征和测量1.3.1界面张力体系界面张力(IFT)使用旋转滴视频张力仪进行测量。具体方法为用不同浓度的 GF 溶液填充向毛细管,然后加入一滴新鲜原油并以 5 000 r/min的速度旋转。记录IFT值直到建立油水平衡。1.3.2原油黏度使用旋转黏度计测量不同条件下的原油黏度,用来评价原油黏度的降低程度。具体方法参考中华人民共和国石油天然气行业标准 SY/T 05202008原油黏度测定旋转黏度计平衡法26。1.3.3驱替实验岩心驱替实验装置如图3所示,详细实验步骤如下:(1)设置回压为 10 MPa,设置密封压力比注入压力高3 MPa,设置实验温度为65
18、C;(2)首先将岩心抽真空,然后用注入水饱和,岩心孔隙度等于注入水饱和体积与岩心体积之比;(3)以0.3 mL/min的驱替速率向岩心注水以获得渗透率,然后以0.2 mL/min的速度饱和原油,初始含油饱和度等于注入原油体积与孔隙体积之比;(4)将注入水以 1.0 mL/min 的速率注入岩心,直到含水率达到98%,采出液收集到按编号排列的试管中并做好记录;(5)注入1 PV的自生CO2体系后接着水驱,直到含水率达到98%,注入速率为1.0 mL/min,实验过程中对注入压力、采出油和产出水体积做好记录,注入自生CO2体系驱替实验装置如图3所示。1.3.4孔喉结构使用环境 ESEM Quant
19、a 200 F 扫描电子显微镜考察自生 CO2驱前后岩心孔隙和喉道的微观结构。将岩心样品切成薄片,并用液氮预冷冻干燥,然后把薄片放在铜制圆筒表面,粘上导电胶并镀金,以增强其导电性。2实验结果分析2.1体系浓度对产气量和产气效率的影响2.1.1体系浓度配比分别使用玻璃反应釜(图1)和填砂管(图2)图1玻璃反应釜法示意Fig.1 Schematic diagram of glass reactor method图2模拟多孔介质反应装置示意Fig.2 Schematic diagram of simulating porous media reaction equipment图3驱替实验装置示意Fi
20、g.3 Schematic diagram of displacement experiment equipment1152023 年大庆石油地质与开发作为实验装置,评价自生 CO2体系的生气量和生气效率。固定 GF 溶液的物质的量浓度为 1.2 mol/L,GY溶液的物质的量浓度分别为1.2、1.8、2.4、3.0和3.6 mol/L,实验结果见图4。随着 GY 溶液物质的量浓度的增加,玻璃反应釜中产生的 CO2显著增加,如图 4 所示。当 GY 系统的物质的量浓度从 1.2 mol/L 增加到 3.6 mol/L 时,生气量从 347.2 mL增加到 1 632.5 mL,生气效率则从 4
21、1.73%提高到 98.12%。这主要是因为 GF 和 GY溶液之间的反应是强烈的酸碱反应,GY 物质的量浓度越高,容器中的 H+越多,反应速度越快。该方法操作简单,已被广泛应用于实验研究。但在现场条件下,GF 和 GY 溶液的接触充分程度远低于实验条件下的接触程度,因此,该实验无法模拟多孔介质中的真实情况,基于此种原因,自行设计了一套带温度和压力测量装置的填砂管实验模型用于模拟自生CO2体系在多孔介质中的反应过程。填砂管中产生的气体量在图 4 中用红线标注。当 GY 物质的量浓度为 1.22.4 mol/L 时,产气量从288.5 mL 快速增加到 603.3 mL,CO2生成效率从18.2
22、6%提高到 19.09%。由于自生 CO2体系以交替注入段塞的形式注入填砂管中,GY 与 GF 接触程度远低于玻璃反应釜,因此生气量及生气效率偏低,但更好地模拟了油田中的实际施工过程。当GY 物质的量浓度高于 2.4 mol/L 时,生气量仅从603.3 mL 增加到 716.2 mL,生成效率几乎没有增加。这主要是因为 GY与 GF交替注入多孔介质中,两者的接触程度有限,再提高 GY 物质的量浓度已无法有效提高反应程度,这与在玻璃反应釜中获得的结果截然不同。基于上述实验结果,在接下来的实验中确定GF 与 GY 的物质的量浓度比为 12。对比 2 种方法所获得的实验结果,填砂管法优势更为明显,
23、原因如下:(1)采用多孔介质作为 GY 与 GF 反应装置,更接近于现场实际;(2)填砂管法可以模拟交替注入过程,与现场施工过程一致;(3)可获得实时结果(生气效率、压力、温度),以便更好地进行理论分析。2.1.2体系质量分数体系质量分数也是影响自生 CO2体系生气量和反应效率的重要因素之一。固定 GF 和 GY 的物质的量浓度比为12,调整自生CO2体系的总质量分数范围为17.9%至28.6%,实验结果如图5所示。随着质量分数的增加,玻璃反应釜法的生气量显著增加(从922.3到1 642.3 mL),这是因为H+质量浓度随着体系质量分数的增加而增加,而 CO32质量浓度也随之增加,因而生气效
24、率和生气量也相应增加。使用填砂管法时,生气量显著增加(从469.4 到 959.3 mL),但生气效率仅略有提高(从17.82%提高到 22.76%),因为在填砂管中 GF 和GY 之间的接触程度有限。因此,自生 CO2体系的最佳质量分数选择为21.5%,即GF和GY的物质的量浓度分别为1.2和2.4 mol/L。2.2驱油实验实验中采用 2 块均质岩心和 2 块非均质岩心(每块均为 3 层)对自生 CO2体系的驱替效率进行了评价,实验参数及结果如表3所示。图5生气量及生气效率随自生CO2质量分数的变化Fig.5 Variation of gas generation amount and e
25、fficiency with in-situ generated CO2 concentration图4生气量及生气效率随GY物质的量浓度的变化Fig.4 Variation of gas generation amount and efficiency with GY amountofsubstance concentration116第 42 卷 第 4 期郑玉飞 等:海上砂岩油藏注自生CO2体系实验及提高采收率机理2 块均质岩心的渗透率分别为 1 00010-3和2 50010-3 m2。图 6 展示了 2 块均质岩心自生 CO2体系的动态驱油过程。图 6(a)为渗透率 1 00010-
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