页岩油注空气提高采收率在线物理模拟方法.pdf
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1、 石 油 勘 探 与 开 发 2023 年 8 月 PETROLEUM EXPLORATION AND DEVELOPMENT Vol.50 No.4 795 文章编号:1000-0747(2023)04-0795-13 DOI:10.11698/PED.20220577 页岩油注空气提高采收率在线物理模拟方法 杜猛1,2,3,吕伟峰2,3,杨正明1,2,3,贾宁洪3,4,张记刚3,4,牛中坤1,2,李雯2,3,陈信良2,姚兰兰2,常艺琳2,4,江思睿2,黄千慧1,2(1.中国科学院大学,北京 100049;2.中国科学院渗流流体力学研究所,河北廊坊 065007;3.中国石油勘探开发 研究院
2、,北京 100083;4.提高油气采收率全国重点实验室,北京 100083)基金项目:中国石油重大科技攻关课题“典型低品位油藏渗流规律及提高采收率新方法研究”(2021DJ1102);中国石油科技重大专项“页岩油开发机理和开发技术研究”(2022kt1001)摘要:为探索页岩油注空气驱油机理,建立了基于 CT 扫描和核磁共振技术的页岩油注空气提高采收率在线物理模拟方法,研究了不同衰竭压力下页岩油空气驱开发效果、不同大小孔喉微观动用特征和页岩油空气驱采油机制,分析了空气含氧量、渗透率、注入压力、裂缝对页岩注空气驱油效果和不同大小孔隙原油采出量的影响。研究表明,页岩储集层衰竭开采后注入空气可大幅提
3、高页岩油采收率,但不同注入时机下驱油效率和不同级别孔喉动用程度存在一定差异。空气含氧量越高,低温氧化作用越强,不同大小孔隙动用程度越高,采收率越大。渗透率越高,孔喉连通性越好,流体流动能力越强,采收率越高。注入压力升高,孔喉动用下限减小,但易产生气窜现象导致突破提前,采收率先增大后减小。裂缝能加大气体与原油的接触面积,通过基质向裂缝供油提高空气波及系数和基质泄油面积,在合理生产压差下,注空气前进行适当的压裂改造有助于提高空气驱效果。关键词:页岩油;空气驱;CT 扫描;核磁共振;提高采收率;物理模拟 中图分类号:TE345 文献标识码:A An online physical simulatio
4、n method for enhanced oil recovery by air injection in shale oil DU Meng1,2,3,LYU Weifeng2,3,YANG Zhengming1,2,3,JIA Ninghong3,4,ZHANG Jigang3,4,NIU Zhongkun1,2,LI Wen2,3,CHEN Xinliang2,YAO Lanlan2,CHANG Yilin2,4,JIANG Sirui2,HUANG Qianhui1,2(1.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 10004
5、9,China;2.Institute of Porous Flow&Fluid Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Langfang 065007,China;3.Research Institute of Petroleum Exploration&Development,PetroChina,Beijing 100083,China;4.State Key Laboratory of Enhanced Oil and Gas Recovery,Beijing 100083,China)Abstract:In order to understand
6、the mechanism of air flooding shale oil,an online physical simulation method for enhanced shale oil recovery by air injection was established by integrating CT scanning and nuclear magnetic resonance(NMR).The development effect of shale oil by air flooding under different depletion pressures,the mic
7、ro-production characteristics of pore throats with different sizes and the mechanism of shale oil recovery by air flooding were analyzed.The effects of air oxygen content,permeability,gas injection pressure,and fractures on the air flooding effect in shale and crude oil production in pores with diff
8、erent sizes were analyzed.The recovery of shale oil can be greatly improved by injecting air into the depleted shale reservoir,but the oil displacement efficiency and the production degree of different levels of pore throats vary with the injection timing.The higher the air oxygen content and the st
9、ronger the low-temperature oxidation,the higher the production degree of pores with different sizes and the higher the shale oil recovery.The higher the permeability and the better the pore throat connectivity,the stronger the fluid flow capacity and the higher the shale oil recovery.As the injectio
10、n pressure increases,the lower limit of the production degree of pore throats decreases,but gas channeling may occur to cause a premature breakthrough;as a result,the recovery increases and then decreases.Fractures can effectively increase the contact area between gas and crude oil,and increase the
11、air sweep coefficient and matrix oil drainage area by supplying oil to fractures through the matrix,which means that a proper fracturing before air injection can help to improve the oil displacement effect under a reasonable production pressure difference.Key words:shale oil;air flooding;CT scanning
12、;nuclear magnetic resonance;EOR;physics simulation 引用:杜猛,吕伟峰,杨正明,等.页岩油注空气提高采收率在线物理模拟方法J.石油勘探与开发,2023,50(4):795-807.DU Meng,LYU Weifeng,YANG Zhengming,et al.An online physical simulation method for enhanced oil recovery by air injection in shale oilJ.Petroleum Exploration and Development,2023,50(4):7
13、95-807.796 石油勘探与开发油气田开发 Vol.50 No.4 0 引言 页岩油通常是指在富有机质页岩层段中富集生成的石油资源1-2。目前页岩油主要以“水平井+体积压裂”衰竭式开发为主,由于页岩储集层微纳米级孔喉比较发育,常规注水补充能量难,导致页岩油初期产量递减快,大量基质内原油未得到有效动用,亟需探索先进的开采方式3-4。研究表明注气(如 CO2、N2和空气)可有效提高页岩油开发效果5-6,其中,空气因具备成本低廉、气源广及低温氧化(LTO)等特点而备受关注7。国内外学者对空气驱/减氧空气驱原油氧化机制及氧化模型8-9、空气驱适用油藏类型及全温度域氧化动力学特征10-13等方面进行
14、了系列研究。但上述研究多采用常规驱替装置或静态氧化管等设备,由于页岩岩性致密,常规实验研究受实验条件和人为操作影响较大,计量误差较大,部分学者采用数值模拟和微流控系统对页岩油动用机制进行了基础性研究14-17。总体而言,目前大部分研究主要集中于原油静态氧化机理和注入参数优化,鲜有文献从页岩孔喉流体动用及波及区域方面来研究空气驱油机制及影响因素,尤其对空气驱过程中的流体动用特征及驱替开发机理缺乏可视化及定量化研究。为此,本文综合利用高温高压 CT 扫描和核磁共振两套大型在线物理模拟实验系统,提出页岩油注空气提高采收率在线物理模拟实验方法,通过实时监测含油饱和度沿程分布状况和原油动用过程,探索页岩
15、油注空气驱油机理,并分析空气含氧量、压力、渗透率、裂缝发育程度等因素对注空气提高采收率的影响,为注空气开发页岩油提供理论支持。1 页岩油注空气提高采收率在线物理模拟实验方法 常规物理模拟实验装置仅能测量进出口端流体情况,通过采集夹持器两端的数据计算宏观参数评价驱油效果,然而岩心内部流体流动过程是个“黑匣子”,对流体动用特征认识不清制约了对岩石内部流体饱和度分布和运移机制的深入分析。本文综合利用高温高压CT 扫描和核磁共振两套大型在线物理模拟实验系统,研究空气在页岩岩心中的驱油过程及孔喉动用状况。通过开展注空气驱油在线 CT 扫描实验,获得不同时刻岩心内流体饱和度沿程分布及驱替前缘波及区域,实现
16、流体波及区域的可视化对比,从而可对页岩油注空气提高采收率宏观机理进行解释。但 CT 扫描实验不能对岩心中不同孔喉的流体动用状况进行定量分析,借助注空气驱油在线核磁共振实验平台,通过对比不同驱替量下核磁共振 T2谱信号幅值变化特征,得到孔隙原油动用定量数据及剩余油在不同孔隙中的残留位置,可定量分析页岩油空气驱孔喉中流体运移规律及提高采收率影响因素。此外,页岩油空气驱在线物理模拟实验过程中岩心一直放置在夹持器内,即整个实验在岩心全封闭情况下开展,可避免由于岩心取出时应力改变、放置位置改变等引起的测试误差。1.1 页岩油空气驱在线 CT 扫描实验方法 使用 CT 扫描技术时,由于不同物质对应不同的C
17、T 值,可对岩心内不同流体饱和度进行识别。岩心含油饱和度计算公式为:drywaterwaterxairowetdryoil100%CTCTCTCTSCTCTCTCT(1)本文采用自主研发的在线 CT 扫描岩心驱替实验系统(见图 1),扫描设备为美国通用电气公司的LIGHTSPEED 8 层螺旋 CT 扫描仪,每个球管最大发射功率为 53.2 kW。采用中国石油勘探开发研究院自主研发的 CT 图像分析软件(CCTAS)进行数据处理。采用特制岩心夹持器,外壳由聚醚醚酮(PEEK)材料制成,使得 X 射线能穿透岩心并可减小射线硬化效应导致的扫描误差,可对空气驱替过程进行在线 CT 扫描。采用 QUZ
18、IE5200 泵作为注入泵,采用 ISCO 泵精确控制围压。图 1 页岩油空气驱在线 CT 扫描实验系统示意图 选取准噶尔盆地吉木萨尔凹陷二叠系芦草沟组 3块平行页岩样品开展页岩油空气驱在线 CT 扫描实验,模拟页岩油在不同衰竭压力下(28,21,13 MPa)转空气驱的开发效果,岩心基础物性参数如表 1 所示。实验步骤为:岩样干扫。将岩心用有机溶剂洗油洗盐后烘干,设定的扫描参数为管电压 120 kV,管 2023 年 8 月 杜猛 等:页岩油注空气提高采收率在线物理模拟方法 797 表 1 页岩油空气驱在线 CT 扫描实验样品物性参数 编 号 直径/cm 长度/cm 孔隙度/%渗透率/103
19、 m2 注入时机 J1 2.493 7.107 16.4 0.019 衰竭至 28 MPa 转气驱J2 2.506 7.312 10.1 0.021 衰竭至 21 MPa 转气驱J3 2.498 7.127 11.6 0.020 衰竭至 13 MPa 转气驱 电流 130 mA,进行干岩心 CT 扫描。岩样湿扫。采用研究区块原油与白油配制成地层条件下黏度 10.4 mPas 的模拟油,用该模拟油作为实验用油。升高实验温度至 85,对页岩岩心进行抽真空、加压饱和油及老化处理,按照干扫的参数设定对饱和油的岩心(即湿岩心)进行 CT 扫描。衰竭开发模拟。将回压设定为 28 MPa 进行衰竭开发,记录
20、衰竭阶段出油量,计算衰竭阶段采出程度。气驱模拟。衰竭开发后转气驱,采用高压驱替泵将空气注入岩样中,每 5 min 对岩心进行 1 次在线 CT 扫描测试,记录相关实验数据,不再产油时结束实验。CT 图像处理。将 CT 扫描图像导入CT 专用图像处理软件,选取区域设置参数,得到空气驱替全过程的饱和度图像。采用另外两块岩样,衰竭压力分别设置为 21,13 MPa,重复步骤。1.2 页岩油空气驱在线核磁共振实验方法 已从数学上证明与孔隙尺寸相关的衰减曲线为单指数函数,衰减系数与孔隙尺寸成正比,大孔隙内部流体受到的分子表面作用力较小,T2值大,小孔隙受到的分子表面作用力较大,T2值小,T2值可表示不同
21、尺寸大小的孔隙占总孔隙的比例18-19。孔径与 T2值的关系可表示为(2)式。此外,已有大量学者证明压汞实验测量的孔喉分布与核磁共振测量的孔喉分布具有较好相关性,因此本文基于页岩岩样高压压汞实验结果确定(2)式中的转换系数(C)。首先,从实验岩心上切割一小块岩样开展高压压汞实验,实验结果(见图 2a)表明该区页岩储集层孔喉半径呈现典型双峰分布特征,可划分为纳米、亚微米、微米、中孔及大孔 4个数量级,孔喉半径主要分布在 0.0110.00 m,发育大量纳米级孔喉,对渗透率发挥主要贡献的是亚微米孔微米孔,孔喉半径集中在 0.151.75 m。然后,对饱和原油的页岩样品进行核磁共振测试,经计算转换系
22、数为 0.02 m/ms,由此可得到图 2b 所示的核磁共振孔径转换结果。2rCT(2)图 2 页岩样品高压压汞实验结果(a)与核磁共振孔径转换结果(b)将岩心高温高压驱替物理模拟系统和核磁共振技术结合研发页岩油空气驱在线核磁共振实验系统(见图 3)。该系统主要由 3 个部分构成:恒温油浴加热循环控制系统。采用氟油在岩心夹持器周围循环流动,从而控制实验温度,通过使用特制高温高压岩心夹持器及测温探头,实验装置耐温可达 90,耐压可达 50 MPa。流体驱替物理模拟系统。由恒速恒压泵、岩心装置、气液分离装置等构成。在线核磁实验系统,型号为 MacroMR12,共振频率 12.798 MHz,磁体强
23、度 0.3 T,该设备最短回波时间为 0.1 ms,可捕捉页岩岩样纳米级孔喉中流体信号,同时可精确观察到不同驱替时刻岩心孔喉中流体信号量的变化。每次实验前首先进行核磁 T2谱参数调试,根据样品情况进行中心频率校准、电子匀场和硬脉冲幅度调节。选取吉木萨尔凹陷芦草沟组 10块页岩开展页岩油空气驱在线核磁共振实验,分析空气驱影响因素。岩心基础物性参数如表 2 所示。实验步骤为:检查实验系统气密性,系统压力保持在 37 MPa,24 h 内压力变化小于 5%。用有机溶剂抽提式泡洗页岩样品后烘干,称量干重,测试原始干岩心 T2谱曲线。升高实验温度至 85,对页岩岩心抽真空、加压饱和油及老化处理。将饱和油
24、的岩 798 石油勘探与开发油气田开发 Vol.50 No.4 图 3 页岩油空气驱在线核磁共振实验系统示意图 表 2 页岩油空气驱在线核磁共振实验样品物性参数 编 号 直径/cm 长度/cm 孔隙度/%渗透率/103 m2注入空气 含氧量/%注入压力/MPa 岩心类型J4 2.487 7.127 14.3 0.315 5 36 基质型J5 2.507 6.915 14.1 0.301 8 36 基质型J6 2.496 6.843 14.2 0.31521 36 基质型J7 2.503 6.637 15.8 0.07421 36 基质型J8 2.493 6.581 16.6 0.91921 3
25、6 基质型J9 2.493 6.782 17.1 0.33121 34 基质型J10 2.487 6.825 17.2 0.31221 36 基质型J11 2.501 6.791 17.2 0.31121 38 基质型J12 2.496 6.377 14.1 0.30721 36 基质型J13 2.507 6.829 16.4 0.79421 36 裂缝型 心放入夹持器中,测试饱和油状态下 T2谱曲线,利用称重法和核磁法计算饱和油体积及孔隙度。采用高压泵将空气注入岩样中,保持实验温度和压力不变,在不同注入量下(0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,1.2 PV,PV 为孔隙体积倍数)进行核磁
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