二氧化碳驅(qū)動用儲層微觀界限研究

鄧瑞健，田 巍，李中超，趙良金，戴厚柱

(中國石化中原油田分公司，河南 濮陽 457001)

0 引 言

近年來，CO2驅(qū)技術(shù)被認為是老油田效益開發(fā)的有效手段，越來越受到國內(nèi)外研究者的重視，大量的室內(nèi)實驗和礦場試驗積累了豐富的經(jīng)驗[1-6]，成為三次采油中提高采收率最重要的技術(shù)之一。目前，對于CO2驅(qū)的開采機理已基本清楚，相關(guān)的配套技術(shù)也基本完善[7-8]，但由于之前科技手段的限制，仍有一些技術(shù)問題認識不清，如CO2發(fā)生氣竄后還有沒有效果、CO2作用最小孔喉界限是多少等問題。隨著科技的發(fā)展，一些先進的實驗手段和交叉學(xué)科技術(shù)被引入到油氣行業(yè)[9-17]，為油氣田的開發(fā)和研究帶來了新的生機，為此，以中原油田某儲層為例，深入研究CO2驅(qū)的驅(qū)替作用特征和微觀作用孔喉界限，進一步明確注入地下的CO2的作用效果及作用的微觀孔喉界限，為老油田的效益開發(fā)提供重要參考。

1 實驗材料與方法

1.1 微觀可視化實驗

為進一步明確CO2在非均質(zhì)條件下能動用的孔喉區(qū)間，設(shè)計了微觀可視化旁通模型。該模型為并聯(lián)的2個小孔道，2個孔道孔徑不同(存在一定級差)，其中，小孔道和大孔道直徑分別為100、300 μm，采用合注合采的方式進行CO2驅(qū)。實驗用原油為中原油田某儲層的地層原油，地層原油密度為0.768 8 g/cm3，地層原油黏度為1.82 mPa·s，最小混相壓力為18.19 MPa。實驗?zāi)Ｐ驮陲柡陀秃?，分別在注入壓力為15、20、25 MPa條件下開展CO2驅(qū)實驗，研究非混相與混相條件下CO2的驅(qū)替規(guī)律及微觀作用特征。

1.2 巖心驅(qū)替T2譜測試

將充分飽和地層流體的多孔介質(zhì)置于核磁共振儀器的靜電場中，多孔介質(zhì)中的流體質(zhì)子即被極化，若此時在磁場垂直方向上加一射頻脈沖，則會產(chǎn)生核磁共振信號，通過采集該信號，并經(jīng)過數(shù)學(xué)計算，即得到巖心內(nèi)孔隙流體的T2弛豫時間譜數(shù)據(jù)。實驗樣品取自中原油田濮城某儲層具有代表性的巖心，巖心夾持器為特制陶瓷結(jié)構(gòu)夾持器，在不泄壓情況下可置于核磁共振儀中，耐壓為45 MPa，耐溫為100 ℃，實驗完全模擬實際地層條件，CO2驅(qū)實現(xiàn)混相驅(qū)。采用與微觀可視化實驗相同物性的原油，按照巖心驅(qū)替實驗的流程開展實驗，實驗按照先飽和水，再飽和油，之后水驅(qū)至含水為98%，再改注CO2，直至不出油為止，結(jié)束實驗。分別測定充分飽和油后、水驅(qū)至含水為98%時、氣驅(qū)結(jié)束時的巖心的T2譜數(shù)據(jù)，之后將T2譜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為巖心的喉道半徑，進而確定CO2驅(qū)的微觀作用界限。

2 結(jié)果與分析

2.1 微觀可視化實驗結(jié)果與分析

圖1為采用該旁通模型在不同驅(qū)替壓力下的實驗結(jié)果。其中，圖1a—c為非混相驅(qū)結(jié)果。該驅(qū)動過程分為2個階段：第1階段以溶解和驅(qū)替作用為主，注入的CO2首先作用于大孔道，一部分CO2溶解在原油中，還有一部分CO2以分散相氣泡的形式存在于孔道中，同時在一定驅(qū)動壓力下，推動原油向出口端移動，直到大孔道中氣體突破，氣體在大孔道形成連續(xù)相，大孔道只剩余油膜和盲端殘余油，而小孔道剩余油較多(圖1b)，且存在較多分散的CO2氣泡；第2階段以溶解和抽提為主，小孔道中的剩余油形成柱狀剩余油，相當于一個大的盲端中的剩余油，只是盲端體積較大，與氣體接觸面較小，因此，小孔道中該部分剩余油兼具柱狀剩余油與盲端剩余油的特性。作為盲端剩余油，與氣體接觸的剩余油存在氣體溶解，溶解過程中伴隨著原油體積膨脹和黏度降低，在小孔道中存在不連續(xù)的氣體，導(dǎo)致膨脹出小孔道的原油被大孔隙中或末端的氣流攜帶產(chǎn)出，同時在氣、油接觸面存在氣液傳質(zhì)作用及抽提作用，導(dǎo)致小孔道中該部分原油溶解CO2后黏度降低，黏滯阻力減小，在較低驅(qū)動壓差下柱狀剩余油被動用，并最終被驅(qū)替產(chǎn)出(圖1c)，之后小孔道中剩余油的蒸發(fā)和萃取占主導(dǎo)作用，而大孔道中的剩余油一直和CO2充分接觸，被充分蒸發(fā)和萃取，因此，大、小孔道最終殘余油輕質(zhì)組分較少。

圖1 不同驅(qū)替壓力下CO2與原油作用過程

圖1d—i為2個驅(qū)動壓力混相條件下的實驗結(jié)果。驅(qū)替過程分為2個階段：第1階段以溶解和驅(qū)替為主，抽提作用為輔，注入的CO2首先溶解到原油中，在注入量較大時伴隨著抽提作用，并在一定驅(qū)動壓差下推動大孔道中的原油向出口移動，CO2在孔道中呈分散相，直至在大孔道突破形成連續(xù)相，大孔徑內(nèi)剩余油以油膜的形成附著在模型壁表面，小孔道剩余油較多(圖1e)；第2階段以溶解和抽提為主，作用過程同非混相驅(qū)第2階段，但由于是混相狀態(tài)，溶解能力更強，膨脹體積更大，抽提作用也更明顯，最終的殘余油為重質(zhì)組分或瀝青質(zhì)(圖1f、i)。

對比20、25 MPa下的實驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在高于混相壓力后，CO2與原油作用機理相同，但25 MPa比20 MPa下抽提作用更劇烈。第1階段在大孔道形成油膜的成分偏重質(zhì)組分，在第2階段，特別是油氣接觸面處輕質(zhì)組分被抽提出，剩余油偏重質(zhì)組分，吸附力較大，該截面在驅(qū)替向前推進過程中會粘附在邊壁上。因此，小孔道驅(qū)替突破后，殘余的油膜仍以重質(zhì)組分為主，通常情況下，壓力越高，抽提作用越明顯，導(dǎo)致在25 MPa下殘余油更多(圖1i)，組分也更重。因此，驅(qū)替壓力并非高于混相壓力的數(shù)值越多越好，在高于最小混相壓力附近氣體作用效果更佳(圖1f)。

綜上分析可知，根據(jù)該實驗?zāi)Ｐ?，無論是混相還是非混相，CO2驅(qū)均沒有出現(xiàn)大孔道氣竄后而小孔隙作用不到的情況?？梢姡嬖谝欢B透率級差的情況下，氣竄后對CO2的驅(qū)油效果影響并不明顯，CO2仍可發(fā)揮其良好的驅(qū)油特性，即CO2仍可作用到更低級別孔道中的原油，并將其中的原油驅(qū)出。由于旁通模型是類似于巖心孔隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的簡化模型，制作更小級別孔徑的模型難度較大，因此，要詳細確定CO2能作用到的具體儲層微觀孔喉空間，仍需采用天然巖心在嚴格模擬油藏條件下的氣驅(qū)實驗來完成。

2.2 巖心驅(qū)替T2譜測試結(jié)果與分析

按照設(shè)定實驗步驟分別進行巖心實驗和T2譜測試，并將T2譜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為喉道半徑數(shù)據(jù)[16-21]，測試結(jié)果見圖2。

圖2 不同驅(qū)替介質(zhì)下的剩余油分布

由圖2可知：飽和油后的曲線面積為區(qū)域a、b、c、d 4部分面積之和，即為總含油，亦即飽和油后喉道半徑分布曲線(以下簡稱曲線1)與橫坐標軸所圍區(qū)域的面積；水驅(qū)后的喉道剩余油分布曲線(以下簡稱曲線2)與曲線1飽和油后喉道半徑分布曲線在10-1μm之前幾乎重合，在10-1μm之后2條曲線分開，曲線重合表示對應(yīng)孔道中的流體無變化，即孔隙中的原油沒有被動用，曲線2水驅(qū)后的喉道剩余油分布曲線與橫坐標軸所圍面積為水驅(qū)后的剩余油分布狀況，而區(qū)域a為曲線1飽和油后喉道半徑分布曲線所圍面積與曲線2水驅(qū)后的喉道剩余油分布曲線所圍面積的重疊部分，即為水驅(qū)原油被動用的部分，水驅(qū)動用了喉道半徑在10-1μm以上的孔隙中的原油，而10-1μm以下孔隙中的原油沒有發(fā)生變化；CO2驅(qū)后的喉道剩余油分布曲線(以下簡稱曲線3)與曲線1飽和油后喉道半徑分布曲線、曲線2水驅(qū)后的喉道剩余油分布曲線在10-2μm以下幾乎都是重合的，而在10-2μm以上曲線3 CO2驅(qū)后的喉道剩余油分布曲線與上述2條曲線分開，亦即CO2驅(qū)動用了10-2μm以上所有孔隙中的剩余油，曲線3CO2驅(qū)后的喉道剩余油分布曲線與橫坐標軸所圍面積為氣驅(qū)后的殘余油狀況，若直接采用CO2混相驅(qū)開發(fā)，則可動用10-2μm以上所有孔隙中的原油，可動用區(qū)域為a、b、c面積的總和。因此，CO2驅(qū)和水驅(qū)相比，進一步動用了10-2～10-1μm孔道中的原油，區(qū)域b和c即為在水驅(qū)基礎(chǔ)上提高采收率的產(chǎn)量，區(qū)域d為氣驅(qū)開發(fā)后的剩余油分布狀況，可見CO2驅(qū)開發(fā)可在水驅(qū)基礎(chǔ)上進一步提高采收率。

根據(jù)圖2的結(jié)果，按照面積比例計算了水驅(qū)和CO2驅(qū)可動流體分布狀況(表1)。由表1可知：水驅(qū)后，可動流體百分比降低36.83個百分點，不可動流體百分比僅降低6.28個百分點；實施CO2驅(qū)后，可動流體百分比相較于水驅(qū)降低46.38個百分點，而不可動流體百分比相較于水驅(qū)降低39.49個百分點。可見，水驅(qū)基本未動用不可動流體飽和度，而CO2驅(qū)大幅度降低了可動流體和不可動流體百分比，表明在水驅(qū)后實施CO2驅(qū)起到了較好的驅(qū)油效果。

表1 水驅(qū)和CO2驅(qū)后巖心中的流體分布

綜合核磁共振結(jié)果和剩余油分布特征[22-25]分析表明：實施水驅(qū)能采出大量的大、中孔隙中的原油，微小孔隙和小孔隙中的原油動用較少；在水驅(qū)后進行CO2驅(qū)，能采出大量被注入水大量沖刷的大、中孔隙中的原油，同時能采出水驅(qū)無法波及到的小孔隙和微小孔隙中的原油，即CO2驅(qū)能提高水驅(qū)波及區(qū)域的驅(qū)油效率，擴大微觀波及效率，動用水驅(qū)無法動用的區(qū)域。該研究進一步明確了CO2驅(qū)可動用巖石的微觀界限，采用CO2驅(qū)將巖石中原來不可動的儲量轉(zhuǎn)化為可動儲量，提高了原油采收率。

3 在預(yù)測新增可動用儲量中的應(yīng)用

CO2驅(qū)可動用的微觀孔隙界限為10-2μm以上，而水驅(qū)可動用的微觀孔隙界限為10-1μm以上，則在水驅(qū)基礎(chǔ)上CO2驅(qū)可動用的孔喉區(qū)間為10-2～10-1μm，這相當于新增了可動用儲量空間。通過壓汞曲線的喉道分布曲線，可進一步確定不同滲透率級別的油藏CO2驅(qū)能增加的可動用儲量范圍，同時由于水驅(qū)大孔道中的剩余油也能被部分動用，實際增加可采儲量要高于該值。

圖3為不同滲透率級別儲層的喉道分布曲線。由圖3可知，曲線上喉道半徑為10-2～10-1μm的部分所占據(jù)體積為水驅(qū)基礎(chǔ)上新增可動用儲量儲集空間，按照壓汞曲線可求得在該區(qū)間上不同滲透率級別的儲層新增可動用儲量的百分點。研究表明，致密儲層、超低滲儲層、特低滲儲層、低滲儲層在水驅(qū)后采用CO2驅(qū)新增可動用儲量分別為36.64、36.33、41.35、22.37個百分點，因此，對于不同滲透率級別的儲層，CO2驅(qū)是水驅(qū)后的油藏經(jīng)濟開發(fā)的有效途徑，對于緩解國內(nèi)石油供需的矛盾具有一定積極作用。

圖3 不同滲透率級別儲層的喉道分布

4 結(jié) 論

(1) CO2具有較高的驅(qū)油效率和洗油能力，可將原來不可動的盲端、壁面油膜及柱狀剩余油通過溶解、膨脹、降黏和抽提作用轉(zhuǎn)化為可動油，擴大了波及體積。

(2) 水驅(qū)后的儲層采用CO2驅(qū)可進一步提高采收率，水驅(qū)能動用的微觀孔喉空間為10-1μm以上，而CO2驅(qū)能動用孔喉為10-2μm以上的微觀儲集空間。

(3) 采用CO2驅(qū)新增可動用儲量為20.00個百分點以上，滲透率越低，水驅(qū)后采用CO2驅(qū)新增可動用儲量越多。