油藏论文

气体混相驱机理及影响因素分析

【摘要】气体混相驱是提高油藏采收率的重要方法之一，本文首先介绍了混相驱的基本概念，详细调研了混相驱的混相机理，对比分析各种混相机理的优缺点，系统总结了影响混相驱的因素，分析了混相驱的优化设计的方法。

【关键字】混相驱 机理 影响因素 优化设计

1.混相驱的基本概念

当两种流体以任意比例混合，且混合物均为单相，就形成混相流体。混相驱的目的就是消除界面张力作用，即毛细管数趋于无线大。混相驱分为一次接触混相和多次接触混相。对于溶剂的一次接触混相而言，驱替压力必须高于p-X相图的临界凝析压力。当注入流体与原油之间的组分就地传质形成过渡带，流体组成介于原油和注入流体之间，其中所有组分都是接触混相的。在流动过程中，靠注入流体和原油的反复接触来引起组分的就地传质的混相过程称为多次接触混相。

多次接触混相根据混相机理的不同分为：蒸发式多次接触混相驱和凝析式多次接触混相驱。汽化气驱是注入气从原油中抽提轻质和中间烃类组分，改变注入气组成；凝析气驱是注入气中轻质和中间烃类组分凝析到原油中，改变原油的组成。

近10年来，混相驱已经广泛的使用在了油气田开发中，提高油藏采收率，满足能源需求。表1为近10年来混相驱的开发案例。

908070605040302010019861988199019921994199619982000200220042006图1 近10年混相驱的开发案例数

烃类混相驱二氧化碳混相驱 图中可知：烃类混相驱每年的开发数大致不变，实施CO2混相驱的油田日渐增加。研究混相机理和影响具有重要作用。

2.注气混相原理

根据注入气体以及原油系统的特性，混相可以分为：一次接触混相和多次接触混相两种方式。气体混相驱按照注气气体类型分类如图2：

LPG段塞驱

一次接触混相驱

丙烷段塞驱

气体混相驱 二氧化碳驱

氮气（烟道气）

多次接触混相驱 干气驱 富气驱

图2 气体混相驱分类图

2.1一次接触混相过程

达到最简单和高效的方法就是注入按任何比例都能与原油完全混合的容积，以便使所有的混合物为单相。中等分子烃类常用来进行一次接触混相驱的注入溶剂。为在溶剂与原油之间达到一次接触混相，驱替压力必须高于P-X图临界凝析压力，因为溶剂与原油混合物在这一压力之上为单相，一次接触混相驱拟三元相图为图3。

液化天然气是与油藏流体发生初次接触混相的溶剂，现场常采用液化天然气溶剂和溶剂段塞。理想的情况就是采用混相驱方案后，溶剂混相驱替油藏原油，驱动气驱混相驱替溶剂，推动小的溶剂段塞通过油藏。

对于一次接触混相过程，中间分子量的烃注入溶剂将从沥青基原油中沉淀出一些沥青质，并且随着烃类溶剂分子量的增加而减弱。严重的沥青质沉淀可以降低渗透率，影响井的注入能力和产能，严重时引起生产井中引起堵塞。

图3 一次接触混相驱拟三元相图

2.2多次接触混相过程

由于存在相间传质作用，形成一个驱替相过渡带，流体组成由原油组成变化过渡为注入流体组成。在多次接触混相中，存在向前接触和向后接触。向前接触是指平衡的气相与新鲜的原油相相互接触，通过蒸发或抽提作用进行相间传质。向后传质是指平衡液相与新鲜的注入气之间不断进行相间传质。这两种驱替同时发生在不同地点。

2.2.1凝析气驱

烃类富气驱含C2-C6中间组分，该组分不能与原油油藏发生初次接触混相，但是在适当的压力下可与油藏原油达到烃类气驱动态混相。注富气混相驱是多次接触混相过程，通过注入富气中的中间组分不断凝析到原油中，原油逐渐变富，在注入气的后端与原油性质达到相同，从而实现混相，图4为凝析气驱拟三元相图。通常必须注入相当多的富气才能使混相前缘的混相得以保持，一般采用的富气段塞为10%到20%的孔隙体积。

2.2.2蒸发气驱

依靠就地蒸发作用，让中间分子量烃从油藏原油中蒸发并注入气。用天然气、二氧化碳、烟道气或者氮气作为注入气可以达到混相。根据蒸发气驱机理，只有当油藏原油组成位于极限系线上或者右侧，注入气组成位于极限左侧才能达到混相，图5为蒸发气驱拟三元相图。

图4 凝析气驱油拟三元相图 图5蒸发气驱拟三元相图

表1 三种混相过程优缺点对比

优点 缺点 一次接触混相 驱替效率高、混相压力低 溶剂需求量大，成本高 蒸发气驱 干气多次接触混相的采收率高，混相带的再生能力强，产出的干气可以回注 凝析气驱 混相条件灵活，驱替成本低，混相压力较低 注入压力高，可能存在重力分异现象，流度比不利，受多种因素影波及效率比注水低 响 3混相驱的影响因素

3.1混相驱替中的流态

流度比是混相驱替设计中最重要的参数之一。混相驱中流度比往往要大于1，这对驱替时不利的。Crane等人通过二维剖面均质模型的流动实验发现四种流态，它们取决于粘滞力和重力比。粘滞力/重力比定义为：

L?u?o?L?R?/g?R1()???(h) h?Kg?p??式中：u为达西速度，L为井距，μ o为原油粘度，g为重力加速度，△ρ为原油与溶剂的密度差。

流度比越大，混相驱从单一的超覆原油的重力舌进过度到粘性指进控制的流态所要求的粘滞力/重力比值越大。

3.2流体的分散混合

由于注入溶剂与原油之间发生了混合作用，使得在最理想的混相驱替状态下，也可以看到出口端的流出物组分成一个S型曲线。在非均质地层中，这种分散混合的表现会更加显著。分散混合减小了溶剂与原油之间的粘度和密度差别。这种粘度的减小，有时足以改变混相驱替的流态，在注溶剂的混相驱中，混合作用可能将混相段塞的组分稀释到位于两相区的程度。

混相流体的混合作用有三种机理：分子扩散作用，微观对流弥散作用和宏观对流弥散作用。其中分子扩散作用使分子随机热运动的结果，微观对流弥散作用使由于岩石的微观非均质造成流度不均衡而形成的，宏观弥散作用是由于地层宏观非均质性引起的。

3.2.1分子扩散作用和微观对流弥散作用

两种混相流体由于分子扩散作用而发生的混合作用可用菲克定律表示：

?CdGt??DoiAt dt?t式中：Gt界面处的物质扩散流动量，mol，Doi为分子扩散系数，A扩散面积，Ci为浓度，X为距离。

通过孔隙介质流动的驱动流体和被驱动流体的总迁移和混合，用考虑分子扩散和微观对流弥散作用的下式表示：

??C??(K?C)?~~?C ?t式中：?为拉普拉斯算子，?为孔隙间流速，K为扩散系数张量式，K=D+C，D 为分子扩散系数，E为对流弥散系数。

分散系数取决于流体混合物的组成和岩石孔隙结构。

3.2.2宏观弥散作用

宏观弥散作用的大小与渗透率的非均质程度和渗透率分布函数有关，高非均质地层的宏观弥散混合比仅根据分子扩散和微观对流弥散预计的结果要大得多。在非均质等厚油层中，更多的注入流体进入高渗层，造成驱替前缘参差不齐，事驱替流体与地面原油大面积的接触垂向上发生更重要的混合。

3.3界面张力

界面张力降低可使得气体进入那些高界面张力下完全隔离的孔道，提高扫油效率。由于油和注入气之间毛管力下降，可以提高波及效率并减小残余油饱和度。混相与非混相时，界面张力应下降到何种程度才能最大限度的采出油量主要取决于地层的实际情况，实际研究给出了如下结论：

①如果孔隙吼道很小且分布较为均匀，为了达到混相，优化界面张力非常重要。 ②如果孔隙分布不均匀，孔隙尺寸变化大，就要考虑粘度的影响。

③对孔隙尺寸较大的体系，由于存在气体的溶解，降低原油粘度比降低界面张力更为重要。

④实验室测试应该考虑粘度、界面张力、孔隙尺寸分布之间的相互影响，即界面张力降低的程度与孔隙中流度比变化的相互作用关系。

⑤低界面张力是有效开采油藏的必要条件，除在岩石为油湿且孔隙分布非常密集的情况下，其他均不用界面张力达到零。

实验表明，混相驱对每种油藏并非都使用，对高含水油藏，混相驱并不一定能极大的提高采收率。对重质油藏，一般采用非混相驱。

3.4润湿相影响

混相驱容易产生粘性指进现象。为了控制流度以减少粘性指进，通常在混相驱中使用水气交替注入。注水时注意控制注水量，水量过多会造成水锁现象。含水饱和度上升，捕获的油量增加，这一现象与岩石的润湿性有较大关系。对水湿岩石，捕获的油显然大于混合润湿相或油湿显然大于混合润湿或者油湿岩心捕获的油；对混合润湿或油湿岩心，加大水/溶剂注入后，被水困住的油量减少，岩石中呈树枝状被困油通过扩散作用被采出。

3.5.重力影响

3.5.1水平井油藏重力的影响

在混相驱中，虽然原油和水被溶剂从油藏中驱替出来，但波及效率较低，实际采出的油量较低。根据调研，当驱替压力受重力控制强烈时，溶剂舌进所驱替出的大部分原油被推到

了横剖面的中心部位，在三次油带突破后的较短时间里，溶剂突破发生。

影响垂向驱替效率，一是密度差引起溶剂超覆原油和水产生流动；二是在注入水与溶剂前缘后面的烃类之间发生重力对流分离。如果重力舍进主要是由于对流分离引起的，油藏厚度的增加将导致波及状况的改善。

3.5.2倾斜油藏中重力的影响

在某些倾斜油藏中，利用重力来改善波及效率和原油采收率。把溶剂注到构造的上倾部位，并保持低速生产，使重力足以保持密度较小的溶剂与原油分离，抑制指进现象。当驱替速度超过了临界流速之后，重力分异在改善驱替效率方面的有效性迅速减小。在低渗透和低倾角的油藏中，由于临界流速过低，重力分异将失去意义。 3水锁的影响

水锁会造成微观上的捕集油，水溶的CO2通过扩散抽提再采出部分原油。Thomas Miller等人对混相驱的水锁进行了实验研究认为：CO2通过水膜作用以及液膜膨胀影响了捕集油饱和度。在计算CO2驱中捕集油含量时需要考虑水饱和度的影响和CO2接触时间或流速的影响。

Philip Wylie等人在研究中对近混相条件下水饱和度的影响后得到以下结论：在含水条件下，垂向相同传质随着溶剂富化度的增加而增加；水平方向上相同传质降低，但随着毛管压力效应增加，降低程度减小；垂向和水平方向上的采收率都是富化度的单调函数。

近混相驱似乎并不受含水饱和度的影响。目前对一些高含水油田进行二氧化碳驱取得了成功，但是如何把混相驱的实验理论应用到现场开采中尚是一个为解决的课题。

3.6粘性指进

注入低界面张力气体，产生不利的流度比，发生不稳定驱替过程。混相驱的流度比往往大于1，这种不利的流度比使溶剂前缘出现不稳定现象，使得气体以不规则的方式穿入原油。粘性指进会使得溶剂过早的突破而造成溶剂的消耗量增加，导致溶剂突破后原油的采收率降低。根据室内实验和数学描述，认为粘性指进造成的原因是渗透率的非均质性。流度比增加，粘度的不稳定性增加，指进的增长速度增加。流体的弥散作用可使较小的指进合并汇集成较大的指进，随着驱替过程的进行，指进在规模上会越来越大，数量上越来越少，最终减少到一个或两个大的指进，从而使驱替能够稳定的进行。

二维面积模型指进带长度计算公式：

?1???L???H?Xm ???H??式中的μ为有效粘度比。

???o???0.78?0.22?????s?????0.25?? ??4式中：μo、μs分别为原油和注入驱替溶剂（气）的粘度，H用以描述给定岩样非均质性的非均质系数，Xm为平均驱替距离。

3.7压裂和裂缝

岩石中的高角度裂缝在混相驱替中作用不同于水平裂缝。高角度裂缝发育的油层极大的增加油层垂向渗透率，尤其在高压注入井周围和压裂井周围。高角度裂缝使油层非均质段之间，层与层之间沟通，其结果使注气井顶部溶剂和气体超覆，在油井井底较早形成水体的锥进，从而降低扫油波及体积。

4混相驱的优化设计

4.1段塞大小的优化

研究发现：随段塞尺寸增加，开始采收率成直线增加,但段塞尺寸超过某一值时，采收率增加缓慢\因此在气水交替注入时,必须选择一个合理的段塞大小，选择合理段塞大小可以这样来理解:当过量注入溶剂，则将在溶剂一水带与三次油带尾部之间形成高溶剂浓度带,此时溶剂一原油带前缘上的流度比恰好是溶剂与原油之间的正常粘度比，溶剂就指状进入原油;如果过量注入水，则水将侵入三次采油带的尾部，形成更高的水饱和度，并且这些可动水有可能在油带的尾部圈闭住某些石油。

4.2井的优化

井的优化主要包括井网优化!井距优化和井的位置优化三种。

在气水交替注入时，不同井网类型对原油采收率的影响也不一样，它与排驱水与段塞溶剂的流度比、段塞尺寸等有关。实验研究发现：不同流度比下，采用不同井网得到的采收率不一样。一般来说，根据相同的流度比对比，低流度比以9点井网和线型排驱为好，而在高流度比下，5点井网优于其它井网排驱。

在一系列模拟井中发现,不同井距的生产井和注入井在注气时对应着有不同的采收率曲线。为了确定获得最大采收率，必须对井距进行优化。为了减小气油流度比，一般来说在倾角大的厚油层中采用顶部注气；而水平薄油层进行混相驱时，在不同位置进行布井也会有不同的采收率，这也是需要优化的一个方面。

4.3注入气体优化

对于不同组成的溶剂组成，其混相机理和混相条件都不同。LPG能实现初接触混相,但

溶剂成本太高；富气驱替能实现凝析气驱混相，其要求的成本也很高；干气、CO2、N2虽然原料低廉，但混相压力要求比较高,特别是干气和N2驱替,通过多级接触要求的混相压力，一般油藏都很难达到。可以考虑使用几种气体进行混合驱替，即可在一般压力下实现混相驱，又能降低溶剂成本。优化混合气体组成提高采收率是注气提高采收率的一个技术发展方向。 总结

混相驱是采收率较高的采油方法, 特别是烟道气驱和二氧化碳驱, 具有广阔的发展前景。

目前我国陆上已探明难动用储量中, 特低渗油藏的储量占了较大比例。这部分特低渗油藏若靠注水开发, 难度较大；靠天然能量开采, 采收率低, 一般不超过20% 。混相驱, 特别是氮气、烟道气、二氧化碳驱, 将为这部分储量的动用开辟一条有效途径。 参考文献：

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