新疆吉木薩爾凹陷致密油藏最小混相壓力實(shí)驗(yàn)研究

馬銓?shí)?，楊勝?lái)，王敉邦，陳建勛，王夢(mèng)雨

（中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249）

新疆吉木薩爾凹陷蘆草溝組致密油藏儲(chǔ)量豐富，但由于儲(chǔ)集層滲透率低、孔隙度小、孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜、裂縫不發(fā)育、原油黏度高、流動(dòng)性差，具有中等偏強(qiáng)的水敏性，導(dǎo)致常規(guī)注水開(kāi)發(fā)難度大、效果差，且容易對(duì)地層造成不可逆的傷害。CO2溶解于原油后，具有顯著改善原油物性、降低原油黏度、提高原油流動(dòng)能力等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還能萃取和汽化原油中的輕質(zhì)烴，形成CO2和輕質(zhì)烴混合油帶，進(jìn)而大幅度降低原油滲流阻力，提高驅(qū)油效率，對(duì)油田注氣提高采出程度方案的制定具有重要作用。在常規(guī)低滲、特低滲等油藏增產(chǎn)方式中，應(yīng)用比較廣泛。因此，注CO2是提高致密油藏采出程度的一種有潛力的方法。而最小混相壓力是油藏注CO2開(kāi)發(fā)時(shí)的重要參數(shù)，為了確定油藏的最小混相壓力，進(jìn)行了大量的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究。黃偉等[1]采用細(xì)管實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)華北低滲透油藏?zé)N氣驅(qū)過(guò)程中最小混相壓力進(jìn)行研究，認(rèn)為該區(qū)烴氣驅(qū)最小混相壓力高于油藏原始地層壓力，在現(xiàn)有油藏條件下，烴氣驅(qū)不能實(shí)現(xiàn)混相驅(qū)。趙鳳蘭等[2]通過(guò)采用均質(zhì)和非均質(zhì)長(zhǎng)方形巖心進(jìn)行室內(nèi)物理模擬實(shí)驗(yàn)，測(cè)得延長(zhǎng)低滲透油藏CO2與原油最小混相壓力為18.5 MPa，并建立了測(cè)定延長(zhǎng)油田最小混相壓力的巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)方法。孫麗麗等[3]針對(duì)鄂爾多斯盆地超低滲油藏進(jìn)行室內(nèi)CO2驅(qū)細(xì)管實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明最小混相壓力小于油藏地層壓力，該區(qū)塊CO2驅(qū)替方式主要為非混相驅(qū)。孫雷等[4]考慮揮發(fā)組分、中間烴、重質(zhì)組分的相對(duì)分子質(zhì)量、密度以及溫度的影響，建立了基于遺傳算法參數(shù)尋優(yōu)的支持向量回歸機(jī)模型，并根據(jù)測(cè)試樣品數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)出相應(yīng)的結(jié)果。李康寧等[5]通過(guò)數(shù)值模擬方法研究了N2對(duì)CO2與原油最小混相壓力的影響，并建立了表征N2存在情況下CO2與原油混相壓力表達(dá)式。A.Abedini等[6]采用界面張力消失法測(cè)量了輕質(zhì)油藏CO2與原油的最小混相壓力為9.18 MPa。祝浪濤等[7]采用數(shù)值模擬方法對(duì)異常高壓和含烴較高的油藏混相壓力影響因素進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)N2、CH4和煙道氣均能增大原油與烴氣的最小混相壓力，且N2對(duì)最小混相壓力的影響最大。湯勇等[8]通過(guò)模擬軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相態(tài)計(jì)算，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)油藏CO2與原油最小混相壓力值與原油中輕組分含量呈反比，與重質(zhì)組分和N2的含量成正比。

不同類(lèi)型油藏最小混相壓力的研究，主要采用細(xì)管實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法在宏觀上針對(duì)常規(guī)中低滲、特低滲透油藏以及稠油油藏進(jìn)行研究[9-14]，對(duì)致密油藏原油最小混相壓力研究較少，尤其是新疆吉木薩爾異常高溫高壓油藏。因此，本文采用細(xì)管實(shí)驗(yàn)與界面張力法相結(jié)合的方法，對(duì)新疆吉木薩爾蘆草溝組致密油藏原油與CO2最小混相壓力進(jìn)行研究，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，同時(shí)通過(guò)界面張力實(shí)驗(yàn)分析了原油與CO2之間相互作用的微觀機(jī)理，為該致密油藏衰竭開(kāi)發(fā)后，注CO2提高油藏采出程度開(kāi)發(fā)方案的制定提供理論支撐。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑

模擬油采用新疆吉木薩爾蘆草溝組脫氣原油與天然氣按照一定比例配置而成，溶解氣油比為17∶1，密度約為0.862 g/mL，地層溫度81℃下黏度為4.82 mPa·s；CO2，純度為 99.99%，北京千禧京城氣體有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

SYS-Ⅲ多級(jí)高溫高壓兩相驅(qū)替系統(tǒng)、恒溫箱，南通華興石油儀器有限公司；ISCO-26 D流壓泵、回壓泵，美國(guó)Teledyne Isco公司；可視化界面張力測(cè)試儀，北京世紀(jì)森朗實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；細(xì)管、精密壓力表、六通閥，海安華達(dá)石油儀器有限公司；氣液分離裝置以及MC氣量計(jì)，金志業(yè)儀器設(shè)備有限公司。

1.3 細(xì)管實(shí)驗(yàn)

細(xì)管實(shí)驗(yàn)按石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6573-2003《最低混相壓力細(xì)管實(shí)驗(yàn)測(cè)定法》進(jìn)行，細(xì)管實(shí)驗(yàn)原理圖如圖1所示。在地層溫度81℃條件下，將配置好的模擬油，以恒定的泵速注入經(jīng)過(guò)石油醚清洗的細(xì)管模型中，在注入3.0 PV模擬油時(shí)停止進(jìn)泵，確保細(xì)管內(nèi)充滿(mǎn)模擬油；實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)控制回壓確定驅(qū)替壓力，在不同恒定壓力下進(jìn)行CO2驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的注氣壓力、產(chǎn)油量、產(chǎn)氣量等數(shù)值。

圖1 細(xì)管實(shí)驗(yàn)原理圖

1.4 原油與CO2界面張力實(shí)驗(yàn)

原油與CO2界面張力測(cè)試系統(tǒng)原理圖如圖2所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)先清洗實(shí)驗(yàn)裝置，將可視化高壓界面張力測(cè)試室的油藏溫度加熱到81℃，在預(yù)先設(shè)定的壓力下注入CO2，當(dāng)系統(tǒng)壓力達(dá)到平衡后，將模擬油通過(guò)不銹鋼注射器針頭注入界面張力測(cè)試室，當(dāng)針頭處形成一個(gè)完整的液滴后，通過(guò)顯微相機(jī)獲得液滴的動(dòng)態(tài)圖像，最后通過(guò)軸對(duì)稱(chēng)滴形分析法分析液滴的形狀，測(cè)定原油與CO2的動(dòng)態(tài)界面張力。

圖2 原油與CO2界面張力測(cè)試系統(tǒng)原理圖

2 結(jié)果與分析

2.1 細(xì)管實(shí)驗(yàn)法

通過(guò)室內(nèi)細(xì)管實(shí)驗(yàn)法測(cè)得采收率隨CO2注入體積倍數(shù)的變化關(guān)系，結(jié)果如圖3所示。

圖3 采收率隨CO2注入體積倍數(shù)的變化關(guān)系

從圖3可以看出，在CO2驅(qū)油突破前，隨著CO2注入體積倍數(shù)的增加，采收率近似呈線(xiàn)性增加，且驅(qū)替壓力越低，氣體突破越早，最終采收率越低。驅(qū)替壓力越大，氣體突破時(shí)間越晚，采收率越大。這是因?yàn)轵?qū)替壓力越高，CO2與原油越接近混相狀態(tài)，CO2與原油混合越充分，驅(qū)替效率越高。

采收率隨驅(qū)替壓力的變化曲線(xiàn)如圖4所示。從圖4可以看出，隨著驅(qū)替壓力的增大，采收率擬合曲線(xiàn)斜率的變化分為兩個(gè)區(qū)域：區(qū)域（Ⅰ）驅(qū)替壓力為16.00～18.70 MPa，原油與CO2處于非混相狀態(tài)，隨著驅(qū)替壓力的增大，CO2對(duì)原油中輕質(zhì)組分的萃取能力增強(qiáng)，采收率增加幅度較大；區(qū)域（Ⅱ）驅(qū)替壓力大于19.00 MPa時(shí)，原油與CO2處于混相狀態(tài)，界面張力消失，但由于CO2對(duì)原油中重質(zhì)組分萃取能力較弱，隨著驅(qū)替壓力的增加，原油采收率增加變緩。兩條擬合曲線(xiàn)交點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的壓力即為該油田原油與CO2的最小混相壓力，約為18.70 MPa。

圖4 采收率隨驅(qū)替壓力的變化曲線(xiàn)

2.2 界面張力法

由于細(xì)管實(shí)驗(yàn)法測(cè)試周期長(zhǎng)、工作量大，且不能獲得CO2與原油相互作用的微觀機(jī)理及注氣過(guò)程中二者界面張力的變化過(guò)程，因此本文通過(guò)可視化界面張力法獲得原油與CO2的最小混相壓力，并對(duì)其微觀相互作用機(jī)理進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。系統(tǒng)溫度81℃時(shí)，不同平衡壓力下原油與CO2系統(tǒng)界面張力測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同平衡壓力下原油與CO2系統(tǒng)界面張力測(cè)試結(jié)果

從圖5可以看出，隨著平衡壓力的增加，原油與CO2之間界面張力的變化分為兩個(gè)區(qū)域，且均呈直線(xiàn)下降趨勢(shì)。平衡壓力為0.73～13.33 MPa時(shí)，CO2在油相中的溶解度大小占主導(dǎo)作用，隨著壓力增大，CO2在油相的溶解度逐漸增大，導(dǎo)致界面平衡張力逐漸減小；平衡壓力為15.84～28.46 MPa時(shí)，CO2對(duì)原油中的輕質(zhì)組分的萃取占主導(dǎo)作用，且CO2對(duì)原油中輕質(zhì)組分萃取能力較強(qiáng)，對(duì)重質(zhì)組分萃取能力較弱，因此區(qū)域（I）界面張力下降幅度較快；隨著平衡壓力的增大，原油中輕質(zhì)組分含量越來(lái)越少，重質(zhì)組分含量相對(duì)增多，所以區(qū)域（II）界面張力下降變緩。當(dāng)平衡壓力從0.73 MPa增大到28.46 MPa時(shí)，原油與CO2之間界面張力值由22.62 mJ/m2降到1.83 mJ/m2。

將圖5區(qū)域（I）中的擬合曲線(xiàn)外推到界面張力為0時(shí)，對(duì)應(yīng)的平衡壓力即為最小混相壓力，約為18.44 MPa。區(qū)域（II）中擬合曲線(xiàn)外推到界面張力為0時(shí)，與平衡壓力軸相交于35.55 MPa，由于在這個(gè)壓力下，幾乎所有的原油組分都與CO2處于混相狀態(tài)，所以認(rèn)為該點(diǎn)壓力為CO2與原油的一次接觸混相壓力。兩條曲線(xiàn)相交于13.67 MPa處，該點(diǎn)為原油與CO2的相互作用機(jī)制由CO2溶解于原油向CO2萃取原油中輕質(zhì)組分轉(zhuǎn)變的壓力。

由于原油與CO2處于混相狀態(tài)時(shí)，二者之間界面張力為0，對(duì)兩個(gè)區(qū)域內(nèi)的界面張力與平衡壓力曲線(xiàn)進(jìn)行線(xiàn)性回歸，結(jié)果如表1所示。

表1 界面張力與平衡壓力線(xiàn)性回歸結(jié)果

對(duì)兩種方法測(cè)得結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)細(xì)管實(shí)驗(yàn)測(cè)試最小混相壓力略大于界面張力法測(cè)得最小混相壓力，二者相差1.4%，結(jié)果表明界面張力法同樣適合測(cè)量致密油藏原油與CO2系統(tǒng)的最小混相壓力，而且界面張力法還能得到不同平衡壓力下二者之間的界面張力值和最小混相壓力以及原油與CO2一次接觸混相壓力，有利于確定油田注氣壓力、原油與CO2之間的相互作用機(jī)理及轉(zhuǎn)化時(shí)機(jī)。因此，與傳統(tǒng)的細(xì)管實(shí)驗(yàn)方法相比，界面張力法更具有優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié) 論

（1）細(xì)管實(shí)驗(yàn)法測(cè)得新疆吉木薩爾蘆草溝組致密油藏最小混相壓力為18.70 MPa時(shí)，略大于界面張力法測(cè)得該油藏最小混相壓力18.44 MPa，二者相差1.4%，表明界面張力法測(cè)量致密油藏原油與CO2最小混相壓力具有良好的準(zhǔn)確性。

（2）通過(guò)界面張力法可知，當(dāng)系統(tǒng)平衡壓力從0.73 MPa增大到28.46 MPa時(shí)，原油與CO2之間界面張力值由22.62 mJ/m2降低到1.83 mJ/m2。

（3）通過(guò)界面張力法可以獲得原油與CO2相互作用的微觀機(jī)理，當(dāng)平衡壓力為0.73～13.33 MPa時(shí)，CO2在油相中的溶解占主導(dǎo)作用；當(dāng)平衡壓力為15.84～28.46 MPa時(shí)，CO2對(duì)原油中輕質(zhì)組分的萃取占主導(dǎo)作用；原油與CO2相互作用的微觀機(jī)理由CO2在油相中的溶解向CO2對(duì)原油中輕質(zhì)組分的萃取轉(zhuǎn)換時(shí)的壓力約為13.67 MPa。當(dāng)平衡壓力大于18.44 MPa時(shí)，隨著平衡壓力升高，界面張力下降幅度較低，而CO2注氣量增大較多，注氣難度增大、成本較高。因此，在油田開(kāi)采時(shí)，注氣壓力不宜過(guò)高。