超低滲透油藏CO2驅(qū)最小混相壓力實(shí)驗(yàn)

代 波，王磊飛，莊 建，袁維彬，王學(xué)生

（中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第一采油廠，陜西延安 716000）

0 引言

我國(guó)超低滲、致密油藏等非常規(guī)油氣資源儲(chǔ)量豐富。近年來，隨著科技的發(fā)展和開采工藝技術(shù)的不斷提高，超低滲以及致密油藏的開發(fā)所占比例不斷提高，但是，由于超低滲、致密油藏儲(chǔ)層物性差，非均質(zhì)性強(qiáng)，孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜等，導(dǎo)致注水開發(fā)難度大、效果差、單井產(chǎn)量低。CO2能充分溶解到原油中，使原油體積膨脹、黏度降低，具有降低界面張力、提高原油流動(dòng)能力等優(yōu)勢(shì)。當(dāng)CO2與原油達(dá)到混相狀態(tài)時(shí)，界面張力消失，滲流阻力大幅度降低，有效改善了驅(qū)油效率。因此，CO2吞吐和CO2驅(qū)是提高超低滲透油藏采收率的有效方法。最小混相壓力是注CO2提高油藏采收率的重要參數(shù)。為了研究油藏原油與CO2的最小混相壓力，王欣等［1］、孫麗麗等［2］分別針對(duì)大慶J 區(qū)塊低滲油藏和鄂爾多斯盆地超低滲油藏進(jìn)行室內(nèi)細(xì)管實(shí)驗(yàn)，得到最小混相壓力低于油藏地層壓力，表明大慶J 區(qū)塊和鄂爾多斯盆地超低滲油藏利用CO2驅(qū)提高油藏采收率時(shí)CO2與原油均可達(dá)到混相狀態(tài)；郭茂雷等［3］采用延長(zhǎng)油田致密儲(chǔ)層原油進(jìn)行室內(nèi)長(zhǎng)細(xì)管驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，測(cè)得最小混相壓力高于油藏目前壓力，CO2驅(qū)替以非混相驅(qū)為主；趙鳳蘭等［4］、商琳琳［5］采用五點(diǎn)法研究了烴類氣體與原油的最小混相壓力；鄭永旺［6］采用細(xì)管驅(qū)替實(shí)驗(yàn)法，并選取代表性的最小混相壓力，在前人的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出適用于蘇北低滲油藏埋藏深、地層溫度高、油質(zhì)重等特點(diǎn)的最小混相壓力理論計(jì)算公式。李孟濤等［7］、郝永卯等［8］、許瀚元等［9］、肖嘯等［10］選取飽和壓力且用以上的實(shí)驗(yàn)研究了CO2與原油的最小混相壓力。

雖然前人通過實(shí)驗(yàn)對(duì)不同類型油藏的最小混相壓力進(jìn)行了大量研究，但主要采用的是細(xì)管實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)高、低滲及稠油油藏進(jìn)行研究［11-20］，對(duì)于超低滲油藏最小混相壓力研究較少，尤其是杏河超低滲區(qū)塊最小混相壓力研究處于空白。因此，采用可視化界面張力測(cè)試法（IFT）對(duì)杏河超低滲油藏CO2-原油最小混相壓力進(jìn)行研究，以期為杏河油藏注CO2增能方式提高油藏采收率提供理論支撐。

1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用油為杏河油藏地層原油組分，采用PVT高壓實(shí)驗(yàn)儀器，依據(jù)中國(guó)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［21］配置模擬油，其密度約為0.56 g/mL，黏度為2.82 mPa·s，實(shí)驗(yàn)溫度為地層溫度59 ℃。實(shí)驗(yàn)氣體是純度為99.99%的CO2氣體。

由于細(xì)管實(shí)驗(yàn)法測(cè)得油藏CO2-原油最小混相壓力的可靠性較高，因此，首先采用常規(guī)細(xì)管實(shí)驗(yàn)方法對(duì)杏河油藏CO2-原油最小混相壓力進(jìn)行測(cè)量，然后與界面張力法測(cè)得的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，為驗(yàn)證界面張力法測(cè)油藏最小混相壓力的準(zhǔn)確性提供了依據(jù)。

2 細(xì)管實(shí)驗(yàn)

細(xì)管實(shí)驗(yàn)嚴(yán)格按照石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［22］進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過細(xì)管模型進(jìn)行不同驅(qū)替壓力條件下的CO2驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，當(dāng)注入1.2 PV CO2后，原油采收率達(dá)到90% 時(shí)所對(duì)應(yīng)的驅(qū)替壓力即為該油藏CO2-原油的最小混相壓力。實(shí)驗(yàn)儀器主要包括長(zhǎng)度約為10 m 內(nèi)徑約為3.8 mm 且內(nèi)部填充約0.125 mm的石英砂細(xì)管和ISCO 高精度驅(qū)替泵，中間容器、恒溫箱、壓力表、氣液分離裝置，以及氣液計(jì)量計(jì)等；實(shí)驗(yàn)溫度為地層溫度59 ℃。具體實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。

當(dāng)注入壓力分別為16 MPa，18 MPa，20 MPa，22 MPa，24 MPa，26 MPa，28 MPa時(shí)，對(duì)應(yīng)采收率分別 為 54.6%，64.32%，76.47%，88.51%，91.22%，93.17%，94.38%。通過對(duì)細(xì)管實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，繪制出相應(yīng)曲線（圖2）。

從圖2 可以看出，隨著壓力的增高，采收率變化分為2 個(gè)階段：①當(dāng)驅(qū)替壓力小于22 MPa 時(shí)，CO2與原油處于非混相狀態(tài)。在一定范圍內(nèi)，隨著壓力增加，單位體積原油中溶解的CO2量增加，從原油中萃取出的輕質(zhì)組分含量也相應(yīng)增加，因此采收率增長(zhǎng)較快；②當(dāng)驅(qū)替壓力大于24 MPa 時(shí)，由于CO2與原油達(dá)到混相，界面張力消失，滲流阻力降到最低。隨著壓力增加，由于體積壓縮導(dǎo)致單位體積原油中的CO2含量相對(duì)增大，從原油中萃取輕質(zhì)組分的量也逐漸增大，但由于單位體積CO2相對(duì)含量的增大幅度小于非混相狀態(tài)下CO2相對(duì)含量的增大幅度，因此采收率提高幅度減小，曲線斜率減小。圖2 中對(duì)2 條曲線進(jìn)行線性擬合并延長(zhǎng)，交點(diǎn)處即為最小混相壓力。因此，由細(xì)管實(shí)驗(yàn)法測(cè)得杏河油藏CO2與原油的最小混相壓力為22.3 MPa。

圖1 細(xì)管實(shí)驗(yàn)流程Fig.1 Schematic diagram of slim tube experiment

圖2 采收率隨驅(qū)替壓力變化的關(guān)系曲線Fig.2 Oil recovery factor of crude oil-CO2system at various displacement pressure

3 界面張力實(shí)驗(yàn)

細(xì)管實(shí)驗(yàn)雖然能測(cè)定CO2-原油的最小混相壓力值，但存在工作量大，測(cè)試周期長(zhǎng)等問題，而可視化界面張力測(cè)試法通過可視化裝置觀察CO2與原油之間界面張力的變化來確定最小混相壓力，不僅能觀測(cè)到CO2與原油的混相狀態(tài)，而且能大大縮短實(shí)驗(yàn)周期，減少工作量。實(shí)驗(yàn)儀器主要包括可視化界面張力測(cè)試室、注射器針頭、顯微鏡、溫度控制系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)、中間容器，以及ISCO 驅(qū)替泵等。具體實(shí)驗(yàn)流程如圖3 所示。

圖3 CO2-原油系統(tǒng)界面張力測(cè)試原理Fig.3 Schematic diagram of the experimental apparatus used for measuring interfacial tension of crude oil CO2-crude oilsystem

實(shí)驗(yàn)步驟：①先用石油醚清洗實(shí)驗(yàn)裝置，然后用熱空氣吹干，清除殘留的石油醚，避免石油醚對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成影響；②對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)抽真空，然后對(duì)可視化界面張力測(cè)試室進(jìn)行加熱，直到系統(tǒng)溫度達(dá)到杏河油藏溫度59 ℃；③在設(shè)定的壓力下將加熱后的CO2注入可視化界面張力測(cè)試室，當(dāng)系統(tǒng)壓力達(dá)到平衡后，將模擬油通過注射器針頭注入可視化測(cè)試室；④當(dāng)模擬油在針頭處形成一個(gè)完整的油滴后，通過顯微鏡和攝像頭可以獲得不同時(shí)間的油滴圖片，然后采用軸對(duì)稱滴形分析法對(duì)油滴形狀進(jìn)行分析，從而計(jì)算出CO2與原油的動(dòng)態(tài)界面張力；⑤改變實(shí)驗(yàn)壓力，重復(fù)實(shí)驗(yàn)步驟③和④。

對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，畫出相應(yīng)曲線，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 不同平衡壓力下CO2-原油系統(tǒng)界面張力及最小混相壓力Fig.4 Interfacial tension and minimum miscibility pressure of CO2-crude oilsystem at various equilibrium pressure

由圖4 可以看出：隨著平衡壓力的增大，2 個(gè)階段內(nèi)的界面張力均呈線性遞減的趨勢(shì)。在階段Ⅰ，平衡壓力為4.00～18.45 MPa 時(shí)，CO2不斷溶解到原油中，導(dǎo)致界面張力呈線性遞減的趨勢(shì)，此階段線性回歸方程與平衡壓力軸相交于22.5 MPa 處，即為杏河油藏最小混相壓力；在階段Ⅱ，平衡壓力為20.56～27.60 MPa 時(shí)，由于CO2對(duì)原油中輕質(zhì)組分的萃取，導(dǎo)致界面張力呈線性遞減的趨勢(shì)，此階段線性回歸方程與壓力軸交于36.2 MPa 處，由于在該壓力下原油中的重質(zhì)組分和輕質(zhì)組分都與CO2處于混相狀態(tài)，因此認(rèn)為該點(diǎn)壓力為CO2與原油的一次接觸混相壓力。這2 條線性擬合曲線相交于18.76 MPa處，該壓力值是CO2與原油相互作用并由CO2溶解于原油向CO2萃取原油中的輕質(zhì)組分轉(zhuǎn)變時(shí)的壓力。當(dāng)平衡壓力從4 MPa 增加到28 MPa時(shí)，CO2-原油之間的界面張力由17.72 mN/m 降到1.56 mN/m。

對(duì)比分析細(xì)管實(shí)驗(yàn)與界面張力實(shí)驗(yàn)測(cè)得的最小混相壓力值，發(fā)現(xiàn)二者相差僅0.9%，表明界面張力法在測(cè)量超低滲油藏CO2-原油系統(tǒng)的最小混相壓力時(shí)也具有較好的準(zhǔn)確性，但是與細(xì)管實(shí)驗(yàn)法相比，界面張力測(cè)試法不僅能簡(jiǎn)單、快速地測(cè)定油藏的最小混相壓力，而且還能觀測(cè)到CO2-原油形成混相的狀態(tài)和確定二者一次接觸的混相壓力值，有利于CO2-原油相互作用機(jī)理的研究，可為油田合理注氣壓力的確定提供依據(jù)。

4 結(jié)論

（1）從界面張力法實(shí)驗(yàn)可以得出，當(dāng)平衡壓力為4.00～18.45 MPa 時(shí)，由于CO2在油相中的溶解導(dǎo)致界面張力呈線性遞減趨勢(shì)；當(dāng)平衡壓力為20.56～27.60 MPa 時(shí)，由于CO2對(duì)原油中輕質(zhì)組分的不斷萃取導(dǎo)致界面張力呈線性遞減趨勢(shì)，二者開始轉(zhuǎn)換時(shí)的壓力約為18.76 MPa。

（2）界面張力法測(cè)得最小混相壓力為22.5 MPa，細(xì)管實(shí)驗(yàn)法測(cè)得杏河超低滲油藏最小混相壓力為22.3 MPa，二者僅相差0.9%，表明界面張力法測(cè)量能準(zhǔn)確地測(cè)得目標(biāo)超低滲油藏CO2-原油最小混相壓力。

（3）界面張力法不僅能直接觀測(cè)到CO2與原油的混相狀態(tài)，而且具有測(cè)試周期短，工作量小等優(yōu)勢(shì)。因此，杏河油藏在測(cè)CO2與原油最小混相壓力時(shí)應(yīng)采取界面張力法。由于杏河油藏最小混相壓力大于目前油藏壓力（17.5 MPa），注氣驅(qū)替以非混相驅(qū)為主。