气水交替注入提高采收率机理研究进展.docx
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气水交替注入提高采收率机理研究进展
文章编号:
1000-2634（200702-0022-05
气水交替注入提高采收率机理研究进展3李振泉1,殷勇2,王其伟1,罗玉琼2,王娟2
（1.胜利油田公司地质科学研究院,山东东营257342;2.“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室,西南石油大学
摘要:
气水交替注入综合了气驱和水驱各自特点,,已广泛应用于油田生产实践。
区分了根据混相状态的分类、注入气体的分类及其它分类等,提出了气水交替注入技术的今后研究方向,。
关键词:
;;
文献标识码:
A
1 历史回顾
文献记载气水交替注入技术最早应用于1957年的加拿大阿尔伯塔省（Alberta的北帕木宾纳（NorthPembina油田[1],另一重要的早期研究成果是1958年Caudle和Dyes通过实验研究提出:
通过气水同时注入来提高驱替流体的流动能力[2]。
1962年Seelington第一个将气水同时注入应用于矿场实践[3]。
Christensen在文献[4]中总结了从1957年到1996年近60起气水交替注入技术应用实例。
试验油田包括了陆上及海上油田,注入气体包括烃气及非烃气体。
气水交替注入技术的应用主要集中在美国（63%、加拿大（15%以及前苏联。
其中大部分为陆上油田（约占88%且油藏类型非常丰富,包括从碳酸岩到细砂岩的各种类型油藏。
中国的气水交替注入驱替技术研究起步较晚,但随着近年来中国发现的低渗透油藏储量比例增大,注气已成为开发低渗透油藏的一个重要手段,气水交替注入作为一种重要的优化注气方式已先后在吐哈、胜利及吉林油田等展开了研究。
2 气水交替注入技术的分类
2.1 混相状态
根据混相状态是对气水交替注入技术进行分类的最普遍方式,可分为气水交替混相驱和气水交替非混相驱。
气水交替注入过程中很难区分混相与否。
大多数情况下可实现油气多级接触混相,但在真实的驱替过程中仍然存在很多的不确定性。
由于驱油过程中的组分作用不容忽视,大多数文献报道的均为混相驱替。
气水交替混相驱主要集中在陆上油田且早期主要采用非常昂贵的溶剂作为驱替剂（如丙烷。
混相驱过程均需采取增压措施使油藏压力高于最低的混相压力（MMP而实现混相,然而通常情况下由于未能保持足够的压力而无法达到完全混相,故实际注入过程将在混相与非混相之间摇摆。
大多数气水交替注入混相驱应用于密井网,但目前也有少量研究将之应用于海上油田稀疏井网。
气水交替非混相驱替主要用于改善驱替前缘稳定性以及提高波及效率。
由于气源匮乏或油藏性质（低倾角或强的非均质性等原因而无法实施重力稳定气驱的油藏可采用此项技术。
对于气水交替非混相驱替,由于液体饱和度循环改变引起的三相流动及相对渗透率的变化将大大降低残余油饱和度。
有些时候由于第一段气体段塞部分溶解于油中将引起原油膨胀以及萃取作用,有利于改善驱替前缘油气粘度及密度关系而使驱替达到近混相,故除了宏观波及效率外气水交替注入后的微观驱油效率也有所提高。
第29卷 第2期 西南石油大学学报 Vol.29 No.2 2007年 4月 JournalofSouthwestPetroleumUniversity Apr 2007 3收稿日期:
2006-12-25
基金项目:
中国石化股份公司项目（P05025。
作者简介:
李振泉（1964-,男（汉族,山东东营人,教授级高级工程师,博士,主要从事三次采油和油田开发规划管理工作。
2.2 注入气体
目前气水交替注入气体可主要分为三大类:
CO2、烃类气体以及非烃气体（CO2除外。
CO2多用于混相驱替。
由于具有丰富的气源,
美国大部分的气水交替注入工程均采用CO2或CO2
与其它气体的混合物。
由于要与原油实现混相需很高压力,N
2
多用于气水交替非混相驱替。
过去由于成本及资源的限
制,N
2
水交替注入的应用较少。
进入20世纪80年
代以后,由于制氮工艺的不断进步,N
2
价格不断下
降加之其无腐蚀、无污染等独特优越性,
2,
。
2.3
根据注入时机不同气水交替注入可分为二次气水交替注入（二次采油和三次气水交替注入（水驱后三次采油。
文献[5]对上述两种方法进行了深入的研究,并且对比分析表明:
二次气水交替注入比三次气水交替注入具有更高初始生产速度和最终采收率。
含水曲线分析还表明在含水率循环改变过程中二次交替注入的最低含水率远低于三次气水交替注入。
上述分析表明注入时机宜越早越好。
气水交替注入根据注入方式不同还可分为气水交替注入（WAG、气水同时注入（SWAG、混合气水交替注入（HWAG以及蒸汽水交替注入（WASP。
3 提高采收率机理研究
气水交替注入可有效提高油田二次或三次采油采收率。
然而由于气水交替过程受到诸多因素的影响,有效模拟气水交替过程中的三相流动是一个十分复杂的过程。
目前为止学者们对气水交替注入提高采收率机理已进行了大量的实验和理论研究,但认识还不够透彻。
3.1 气水交替注入微观驱油
3.1.1 微观刻蚀模型实验研究
气水交替注入流体流动微观机理非常复杂,主要表现在以下几方面:
（1孔隙空间的地质特征无法直接观察,只有通过连通性,迂曲度等特征参数进行描述,而特征参数通常难于测量。
（2诸如润湿性或表面化学等孔隙的理化性质很难表征。
（3流体与孔隙介质以及流体本身可能存在复杂的相互作用。
有效模拟气水交替注入三相流动是一个极其复杂的过程。
核磁共振（NMR以及X射线成相技术可用于直接或间接观察不同流体在玻璃珠人造岩芯或真实岩芯中的三维流动,
。
其中一块（通常为玻璃、树脂或硅,另一块为盖板（通常为透明玻璃。
对于多相流不同流体系统可通过加入不同颜色的染色剂加以区分并应用显微镜和摄像机来观察流体微观流动过程。
刻蚀玻璃模型由于便于直接观察流体界面运动而广泛应用于研究孔隙范围内的多相流体流动微观机理。
早在1960年就有人将之应用于岩芯驱替实验。
而早期研究主要应用于单相或两相流体驱替实验,对于气水交替注入三相流动的研究较少。
Larsen[6]报道了一些可视微观模型应用于研究气水交替注入过程的实例,但其中并未涉及实验过程、不同时刻流体分布图像及采收率的变化等具体内容。
MSohrabi等[7,8]使用高压玻璃微观模型进行了一系列的气水交替注入实验,实验对象包括从水湿到油湿的各种类型油藏。
实验通过高质量的成相技术记录整个驱油过程并测量不同时刻饱和度的变化来研究流体的微观分布及流动机理。
结果表明:
在任何润湿条件下,气水交替注入后的采收率高于单独水驱和气驱采收率。
油湿模型采收率最高,混合润湿条件次之,水湿最低。
只要有足够多的驱替次数混合润湿条件下的采收率可接近油湿微观模型。
对于水湿微观模型,气水交替过程中水的拐角线状流（cornerfilamentflow对于采油过程十分重要。
水驱后残余油主要集中于孔隙中央并为水膜所包围,随后的气水交替过程按照某一方式重新分布剩余油,部分通过单独水驱无法采出的残余油将重新流动而被采出。
油湿微观模型中流体流动采用活塞式驱替,残余油主要存在于孔隙表面的油膜、拐角处线状油以及被小孔喉包围的孔隙中。
水驱后注气过程由于气/油表面张力远远低于气/水表面张力,气趋于进入含油孔隙。
混合润湿条件模型包含从强水湿到中等润湿再到强油湿条件的各种孔隙,其中32
第2期 李振泉等:
气水交替注入提高采收率机理研究进展
的微观驱替驱油过程为强油湿和强水湿条件下的综合。
Qing2xianFeng等[9]应用微观刻蚀模型进行了一系列的水驱、气驱以及WAG驱替实验,并通过对比分析研究了气水交替注入区别于水驱及单独气驱的微观流动机理。
结果表明:
多孔介质内气水交替注入的流动机理与两相流（气水或水油截然不同。
对于水驱,小孔隙内主要发生活塞式驱替而非活塞式驱替主要发生在大孔隙。
对于气驱油,只要粘性力能够克服毛管力,孔隙中均产生活塞式驱替。
对于三相流动,油为中间相,
据大孔隙
大孔隙中气的聚集和膨胀不断将油驱向下游,油段塞越变越小最后形成油膜。
实验表明:
气水交替注入后的平均残余油饱和度小于20%的原始地质储量。
同时,还指出气水交替注入过程中的阻断效应（snapoff对于将油段塞切割成为油珠和形成气泡起到了很大的作用。
油珠主要被捕集于小孔隙、孔隙拐角处以及死孔隙。
气水交替后的残余油饱和度还受到孔隙几何形状及驱替次数的影响。
刻蚀模型广泛应用于研究多相流微观渗流机理,大部分模型均刻蚀在玻璃上且为二维构造。
先前的刻蚀模型主要局限于孔隙内流体驱替行为的描述,润湿性的作用以及液膜的形成与破坏等定性的研究,与速度场相关的定量研究报道得较少。
文献[10]介绍了一种新的名为微粒成相速度测试（PIV的技术,其可用于大多数流体流动机理实验研究。
此技术应用于微观刻蚀模型被称作微观微粒成相速度测试技术（μ-PIV,可测出微观模型内任何位置处的速度场。
通过将之应用于水和非牛顿流体在微毛管中的流动实验以及砂岩微观刻蚀模型,发现此项技术对于研究多孔介质中的复杂流动亦很有价值。
3.1.2 孔隙网络模型
气水交替注入过程的流动机理非常复杂,其伴随着孔隙中的三相流动及流体饱和度的循环改变。
通常有效预测气水交替注入过程的流动行为需要确定相对渗透率、流体饱和次序及毛管压力。
通过实验直接测量这些与饱和度相关的关系式难度很大且耗时,人们通常利用两相流动实验数据通过一些经验模型进行估算,然而大量用于描述三相渗流的经验模型存在着很多缺陷,预测结果存在很大差异而无法准确预测三相流动行为。
基于上述原因人们采用了一种名为孔隙网格模拟的方法来模拟流体多相流动,预测不同驱替过程的相对渗透率、饱和路径和毛管压力,并通过与微观驱替实验结果的对比分析来研究三相流动的微观机理。
其主要
（Percolation
理机制来研究孔隙介质中的渗流规律。
早期由于对三相流动机理的认识不够全面,网络模型应用于三相流动的研究较少。
随着大量的微观物理模型实验研究及理论分析,人们对于三相流动驱替机理的认识逐渐深入,随之建立了一系列描述三相流动的孔隙网格模型。
OrenP2E和BillioteJ[11]针对强水湿条件下的三相流动建立了基于逾渗理论的微观网络模型,评价了微观驱油机理对于提高非混相气驱采收率的作用。
模拟得到的油采收率和驱替特征与微观刻蚀模型实验得到的结果基本一致。
微观模型驱替实验和网络模拟的对比分析表明:
三相流动油气水三相分布受到润湿性,毛管力以及流体扩散系数的影响;微观驱油机理包括两相机理（气驱水以及三相双重驱替机理（气驱油和油驱水。
流体进入孔隙的顺序由孔隙临界毛管压力确定;修正后的简化渗入理论可用于精确描述微观刻蚀模型中观察到的复杂三相驱替行为。
早期的网格模型主要针对强水湿条件,而Mun2HongHui[12]分析了混合润湿条件下的单个孔隙中的流体流动特征,应用孔隙网格模型模拟了首次驱替后岩石表面润湿性的改变,研究了不同接触角情况下的水驱后的气驱过程。
通过计算不同驱替过程的毛管压力并找到不同流态稳定条件下的毛管压力范围,最终获得流体饱和度和传导率的表达式。
模型还计算了不同驱替过程的相对渗透率,并指出对于不同的润湿条件,油、气和水可作为不同的润湿相。
对于混合润湿条件下的各相相对渗透率不仅与自身饱和度有关且与初始含油饱和度有关。
SvirskyDS[13]首先尝试通过孔隙网络模型预测前人实验测得的三相渗透率数据,其先根据两相相
42西南石油大学学报 2007年
对渗透率和毛管压力数据并使用简单参数拟合方法来对复杂的三相网络模型进行校正,然后将校正后的简化模型所预测的三相相对渗透率数据与实验结果,以及先前的理论模型的模拟结果进行比较。
结果证实:
相对简化的网格模型通过两相流动实验数据校正,同样能够较精确的预测三相相对渗透率。
vanDijkeMIJ和SorbieKS[14]
系统总结了混合润湿条件毛管力统治的三相流动的三维网络模型,并通过对气水交替过程的实际模拟,指出:
相连续性的减弱要求模型必须考虑非连续相流动的多次驱替机理。
另外,,一致。
3.2 砂岩的不同渗透率油藏,故进行方案设计时需针对不同油藏考虑各种参数。
气水交替注入首先要考虑混相问题,主要受气源、经济性和现场增压能力等因素的影响。
其它设计参数还包括油藏特征及非均质性、岩石和流体性质、注入气组分、注入井网、气水比及段塞尺寸等。
3.2.1 油藏非均质性和分层作用
[15,16]
油藏非均质性和分层作用严重影响气水交替注入过程的采收率。
高垂向渗透率油藏将在垂直于主流方向产生交叉流,主要受到粘性力、毛管力、重力和扩散力的影响。
交叉流有利于增加垂向波及效率,但由于重力分异和驱替速度降低等作用将对采收率产生负面影响。
油藏非均质性控制了驱替过程的注入及波及方式,不同kv/kh（垂向渗透率与水平渗透率之比的油藏模拟表明kv/kh越高将不利于气水交替注入原油的采出。
由于渗透率和流度比的影响,非均质分层作用将引起物理扩散,减少气体沿高渗层的气窜现象并延迟气体突破时间。
上述作用仅针对具体油藏,综合作用还需考虑诸如渗透率、孔隙度、油藏压力、毛管力、和流度比等参数。
3.2.2 岩石和流体性质
[15]
流体性质主要包括黑油或组分的PVT性质。
目前技术已可准确确定地层流体性质,然而流体与岩石的相互作用也将影响流体在油藏中的流动,例如:
吸附、扩散和润湿性等。
相对渗透率为联系流体相态和传质特征的纽带,其为重要的油层物理参数和混相驱替模拟时的主要输入参数。
3.2.3 注入方式
不同油田将针对不同情况采用相应的注入方
式。
气水交替注入方式包括注入井网、气水比、段塞尺寸等内容。
文献[4]指出由于可更好的控制驱替前缘,陆上油田通常选择小井距五点井网,而DUWAG油田及Shell和Unocal公司的烃气水交替注入则采用的是反九点井网。
1∶1。
对,而对于油湿油藏宜采用1∶1的
气水交替注入[17]
。
气水交替注入采收率还是段塞尺寸的正函数,文献[17]研究表明,0.6PV的段塞尺寸可达到最大采收率,而0.2~0.4PV段塞尺寸
经济性最优。
ShedidSA[18]
通过实验研究指出:
随着段塞尺寸的增加,CO2混相驱替采收率越高。
然而由于大溶剂段塞相较小段塞而言提高采收率程度不大,通常认为0.15HCPV为最优的段塞尺寸。
另外,目前矿场试验已普遍采用驱替过程中不断减小气水比的方式来优化气水交替注入过程。
可更好的控制气体流度以及气窜导致的早期气体突破。
对于注入气昂贵且需要循环使用的情况此项技
术尤为重要[4]
。
4 结论与认识
（1大量研究表明:
各种气水交替注入技术（无论是混相或非混相、二次或三次注入均可有效
提高原油采收率。
（2学者们针对气水交替注入提高采收率机理开展了大量的实验及理论研究,应用微观刻蚀模型、孔隙网络模型以及经验模型有效模拟了岩芯内的气水交替注入过程,对其微观驱油机理已取得比较全面的认识。
（3通过岩芯驱替实验以及数值模拟,研究了气水交替注入参数优化问题,气水交替注入设计参数包括油藏岩石及流体特征、注入气体性质、注入方式、三相渗透率作用以及流动扩散等。
（4气水交替注入微观驱油机理仍待更加深入的认识,特别对于气水交替混相驱替过程中伴随着的相间传质和相平衡问题的有效模拟是今后研究的重点。
5
2第2期 李振泉等:
气水交替注入提高采收率机理研究进展
（5前人对于气水交替注入微观驱油机理的研究,主要在实验室岩芯范围内进行,如何将取得的认识正确应用到油藏范围还有待于进一步研究。
（6核磁共振（NMR、X射线扫描、伽玛射线衰竭以及电镜扫描等先进实验技术的应用将有助于气水交替注入驱油机理的研究。
（7为进一步提高气水交替注入采收率,我们应发展其相应的配套技术,如智能井气水交替注入、注贫气降粘气水交替注入（VR2WAG以及裂缝性油藏的注凝胶气水交替注入等。
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