低渗油藏氮气驱油影响因素分析

李海峰，鞠 野，杨劲舟，李建晔，凌 卿，张文喜

（中海油田服务股份有限公司油田生产事业部，天津 300459）

由于低渗透储层物性差，敏感性较强从而导致注水开发难度大，采出程度低，低渗油藏的高效开发正在受到越来越广泛的关注[1-5]。氮气驱可以克服低渗透油藏“注不进、采不出”的问题，有效补充地层压力而受到各大油田关注[6-8]。但是对于低渗油藏氮气驱的研究往往只是对于氮气注入性的研究[9，10]，对氮气的驱油效率研究较少。低渗油藏条件的形成往往伴随着非常复杂的情况[11]，由于地层非均质性以及裂缝发育的影响使得气体在地层中流动时非常不稳定，氮气黏度低、密度小的特性会导致氮气沿着高渗管或裂缝快速前进从而过早形成气窜通道从而影响原油的采出[12-14]，通过模拟实验研究氮气在低渗地层中的流动特征，分析非均质性及裂缝等因素对于氮气驱油特征的影响，从而加深低渗油藏复杂条件下氮气驱过程中的油气运移规律。

1 实验部分

1.1 实验材料

低渗岩心渗透率在0.1×10-3μm2～50×10-3μm2，参数（见表1）；裂缝岩心模型（见图1），基质渗透率范围0.1×10-3μm2～50×10-3μm2；实验模拟水矿化度15 000 mg/L，实验室复配模拟油70 ℃状态下其黏度为3 mPa·s；注入气体为氮气，纯度99.99%。

表1 天然岩心参数

1.2 实验装置

氮气驱实验装置主要由氮气注入系统、温度控制系统、压力采集系统、岩心模拟装置、油气采集系统组成，实验仪器包括柱塞泵、气体流量计、压力传感器、油气采集等设备，实验装置流程（见图2）。

图2 非均质双管并联岩心/裂缝实验流程图

氮气注入系统主要由氮气储气瓶、气体流量计组成，目的是在实验过程中确保氮气以恒定速度在系统内流动，确保氮气的注入；岩心装置用来模拟研究非均质以及裂缝存在条件对氮气流动的影响；油气采集系统通过观察产油产气时机以及产气量与产油量来研究氮气驱特征。

1.3 实验流程

（1）岩心清洗烘干称重、饱和原油并在原油中做浸泡三天处理；（2）实验时岩心称湿重，按照一定的渗透率级差将岩心装入夹持器中；（3）连接好整个氮气驱系统，使系统处于氮气环境中、烘箱温度稳定在70 ℃后开始进行氮气驱实验，氮气注入速度为0.1 mL/min（标况下）；（4）氮气注入过程中记录压力变化趋势，高、低渗管岩心中的产油产气时刻、产油产气速度、产油产气状态、各自采收率变化；（5）将并联岩心模型更换为带裂缝岩心，其他岩心处理条件不变，观察裂缝存在条件下氮气驱过程中的产油产气特征；（6）实验结束后整洁实验台，检查设备使用情况。

2 实验结果分析

2.1 非均质性影响模拟实验

实验过程中，模拟地层的非均质程度由岩心的渗透率级差来表示（见表2），在双管并联岩心实验中通过固定低渗岩心渗透率以及改变高渗岩心渗透率来反映地层的非均质程度，实验设定了渗透率级差为2.0、5.8、7.7、12.3 来反映地层的非均质性系数。岩心渗透率范围在0.1×10-3μm2～50×10-3μm2，在不同的渗透率级差条件下通过注入相同速度的气体来观察高、低渗岩心的产油产气特征。

表2 渗透率级差参数设定

不同渗透率级差条件下双管并联岩心实验中高、低渗岩心产油产气速度曲线（见图3），由于气驱启动压力梯度的存在，原油不会马上被采出，当注入压力超过启动压力后原油开始在多孔介质中流动，随着氮气的注入，采油速度快速上升，当岩心出口端开始产气时采油速度达到最大，后续产气速度逐渐增大并趋于稳定氮气气窜现象产生，产油速度逐渐降低并减小至0 mL/min。

图3 不同渗透率级差下高、低渗岩心的产油产气速度

高、低渗管岩心的产油产气特征在不同的级差条件下存在较大的差异。随着渗透率级差的增加，低渗岩心的产油速度发生了明显的降低。当渗透率级差增加到12.3，高渗岩心流动优势明显，低渗岩心几乎观察不到原油的产出，气窜时的产气速度比增大到了9:1。另外，当渗透率级差较高时，高渗管岩心气体流动能力增强导致岩心见油时刻提前，低渗管岩心气体分流量的减小使得低渗管岩心的产油时刻出现了严重的滞后从而导致原油产出越来越困难。高、低渗管产油产气差异随着非均质程度的增加愈发明显。

原油采收率的关系图（见图4），对比单管岩心采收率发现，非均质条件下的并联岩心气驱平均采收率较均质岩心情况下的采收率明显降低，随着渗透率级差的增大，并联岩心管的气驱平均采收率降低幅度减小并逐渐稳定在23%左右。采收率的下降主要是源于低渗管岩心驱油效率的下降，在注入氮气后，气体主要在高渗岩心中流动并很快形成气体流动通道从而导致气窜，造成低渗岩心中气体流量小、流动慢的状况，导致采收率下降。

图4 非均质程度对原油采收率的影响

上述实验条件下的产油产气差异主要体现在低渗管岩心上，考虑到设定的低渗岩心渗透率处于压力梯度敏感区域对氮气的流动能力影响较大，下面实验设定了在一定渗透率级差条件下通过改变低渗岩心的渗透率来观察非均质条件下氮气驱原油采收率的变化，设定实验参数（见表3）。

表3 固定渗透率级差下低、高渗管岩心渗透率参数

促使流体流动的最小压力称为启动压力，实验过程中通过气泡法来测量氮气注入过程中的启动压力。随着气体的注入，当岩心产油端鼓出第一滴气泡时的注入压差即为气驱油的启动压力。根据启动压力计算出不同岩心渗透率条件下气驱油的启动压力梯度变化（见图5），当岩心渗透率低于2×10-3μm2时，随着渗透率的减小，岩心孔喉半径变小，边界层厚度所占比例升高使得流体流动更加困难，启动压力梯度迅速升高。在岩心渗透率高于2×10-3μm2后，边界层作用减小使得启动压力梯度随渗透率增加变化趋缓，启动压力慢慢趋于稳定。

图5 不同渗透率条件下的启动压力梯度变化曲线

非均质条件下不同低渗岩心渗透率对于产油产气效果的影响曲线（见图6），在渗透率级差不变的条件下，随着双管并联岩心实验中低渗管岩心渗透率的增高，虽然高、低渗岩心间的气体流量差距依然存在，但是这种差距在慢慢减小，当低渗岩心渗透率为1.659×10-3μm2时，高、低渗岩心间的气体流量比高达7:3，而当低渗岩心渗透率变为3.245×10-3μm2时，高、低渗岩心间气体流量比值降到了6.5:3.5，随着低渗岩心渗透率的增加，比值慢慢减小，当低渗岩心渗透率增加到6.258×10-3μm2时，高、低渗管岩心间的气体流量比降到了5.8:4.2。由于低渗岩心渗透率的增加，当渗透率离开启动压力梯度敏感区间后，气体在岩心中的流动能力快速提升，气体在高、低渗岩心间的流动差距慢慢减小。

图6 双管岩心实验中变化低渗管岩心渗透率下产油产气曲线

驱油采收率曲线图（见图7），气驱后高渗管岩心的采收率始终保持在35%左右，随着低渗管岩心渗透率的增加，虽然低渗管岩心采收率较低，但是一直呈现出增长的趋势，当低渗管岩心渗透率从1.659×10-3μm2增加到6.258×10-3μm2时，低渗管岩心原油采收率从16.18%提高到了23.42%，计算得出的并联实验综合采收率也从24.72%提高到了30.45%。非均质条件虽然影响着气驱油的采收效率，但随着低渗管岩心氮气驱启动压力梯度的提高，氮气在低渗管岩心中的流动性能提高，原油采收率得到一定提高。

图7 双管岩心实验中低渗岩心渗透率变化下的原油采收率

2.2 裂缝影响模拟实验

存在裂缝时采油采气量的变化曲线（见图8），裂缝条件下氮气驱采油采气数据（见表4），从图8、表4中可以看出当存在裂缝时，氮气会很快进入岩心中，产油量随着氮气的注入快速增加，当出口端见气后产油量增幅放缓并逐渐趋于稳定，由于气体主流通道的形成，岩心出口端见气快且产气速度与氮气注入速度基本持平且整个氮气注入过程中采气量上升平稳；裂缝对于原油采收率影响的曲线（见图9），由于裂缝的存在，各岩心渗透率下的驱油效率差别不是很大，各渗透率岩心在裂缝条件下的原油采收率都在10%左右，当气体主流通道形成后，氮气在将裂缝中的原油驱出后很难将其余部位的油驱出，产油量上升缓慢，通过表4中出口端见气时原油采出程度与总采收率的比较可以发现，产出油量中35%左右的原油被氮气在裂缝之外的基质中携带出来，此时原油的采收率受裂缝影响较大而与岩心基质渗透率关系不大。

表4 裂缝条件下氮气驱采油采气数据

图8 裂缝存在条件下采油采气量随氮气注入变化曲线

图9 裂缝对于原油采收率影响曲线

3 结论

（1）非均质性对于氮气驱油效果存在着明显的影响，在双管并联岩心实验中，当渗透率级差从2.0 增大到12.3 时，大部分氮气沿着高渗管岩心流动，高、低渗管岩心产气比从3:2 增加到9:1，双管岩心实验综合采收率从29.98%减小到22.92%。

（2）低渗管岩心处于启动压力梯度敏感区间内时，较高的启动压力梯度阻碍氮气在低渗岩心内的流动，当低渗管岩心渗透率超过2×10-3μm2时，高、低渗管岩心产气比减小，当低渗管岩心渗透率由1.659×10-3μm2增加到6.258×10-3μm2时，双管岩心实验综合采收率从24.72%提高到了30.45%。

（3）当裂缝存在条件下，注气时气窜现象严重，形成气体主流通道，基质渗透率变化对于氮气驱最终采收率并没有很大影响，产出油中大部分为氮气在裂缝中流动所携带出来，基质中所驱替出来的原油约占总产油量的35%。