稠油油藏注CO2提高采收率影響因素研究

孫煥泉，王海濤，吳光煥，王一平

(1.中國石油化工股份有限公司，北京 100728；2.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；3.中國石化 勝利油田分公司，山東 東營 257015)

將CO2注入油藏一方面可以提高油藏的采收率，另一方面也可以實現(xiàn)CO2的地質(zhì)封存，一定程度上可以改善環(huán)境污染及氣候變化。目前注CO2提高采收率技術(shù)主要應用于稀油油藏，主要發(fā)揮CO2與原油混相的優(yōu)勢，大幅度提高采收率；同時注CO2提高采收率技術(shù)也已應用到國內(nèi)外許多稠油油藏[1-4]。與稀油油藏不同，CO2注入稠油油藏之后，并不能與稠油實現(xiàn)混相。近年來，筆者團隊提出了熱化學復合采油方法，通過在注蒸汽過程中輔助加入CO2，充分發(fā)揮CO2與蒸汽復合后的隔熱、降黏、增能等協(xié)同作用，有效改善了稠油注蒸汽開發(fā)效果。為了進一步明確熱化學復合采油過程中注入CO2對不同類型稠油油藏的適應性，需要考察不同影響因素對稠油油藏注CO2最終采收率的影響[5]，比如溫度、壓力、滲透率、原油黏度等。目前，國內(nèi)外很多學者已經(jīng)就各個因素對稠油注CO2開發(fā)效果的影響進行了單因素分析[6-10]，但當運用這種方法進行多因素全面實驗時，工作量很大，且往往因?qū)嶒灄l件的限制而難于實施，同時，單因素分析法不能反映各影響因素對開發(fā)效果的影響程度。為此，本文采用正交實驗方法，分析了稠油注CO2過程中不同影響因素對最終采收率的影響，考察因素包括：原油黏度、溫度、壓力和巖心滲透率。

1 實驗

1.1 實驗材料與儀器

實驗所用原油為勝利油田稠油，為了確保實驗的代表性，選取了3種不同類型的稠油，實驗所用CO2由北京華元氣體有限公司生產(chǎn)，純度為99.995%。實驗所用巖心為天然露頭巖心，巖心長度為7.6 cm，直徑為2.54 cm。CO2驅(qū)替稠油實驗采用巖心驅(qū)替實驗流程，其中夾持器采用鈦合金材料制作，在保證實驗安全的條件下，盡可能減輕夾持器及其配套閥門和管線的總重，以保證裝有巖心的夾持器稱重時，內(nèi)部流體準確計量。

1.2 正交實驗設計

影響稠油注CO2采收率的因素主要包括：溫度、壓力、滲透率、油樣類型(不同黏度)。為了研究4種因素對采收率的影響程度，設計了正交實驗，找出其中的主要因素，獲得稠油油藏注CO2提高采收率的最佳適用條件。表1為設計的正交實驗數(shù)據(jù)表，此表為L9(3×4)四因素三水平正交實驗表，通過9次實驗獲得稠油油藏注CO2提高采收率的最佳適用條件。

1.3 實驗步驟

(1)將選定滲透率的巖心烘干，然后將其裝入套筒，并固定在巖心夾持器內(nèi)，加圍壓檢驗夾持器的密封性；

(2)將裝有巖心的夾持器放入恒溫箱內(nèi)，待溫度恒定后設定圍壓，然后通過真空泵將巖心抽真空24h，確保巖心抽空完全，關(guān)閉兩端閥門，用天平對裝有巖心的夾持器進行稱重；

表1 稠油油藏注CO2提高采收率最佳適用條件的四因素正交實驗數(shù)據(jù)Table 1 Four-factor orthogonal experiment data for the best conditions for CO2 injection in heavy oil reservoirs to enhance oil recovery

(3)將巖心出口端關(guān)閉，通過恒壓法飽和原油，緩慢增大巖心入口壓力，記錄壓力平衡時泵入原油的體積，計算飽和原油體積，飽和結(jié)束后稱重。如果實驗溫度較低，原油黏度較大，流動困難，采用升高溫度飽和、降低溫度實驗的方法，確保稠油飽和順利完成；

(4)將CO2壓力調(diào)整到驅(qū)替壓力后，用恒速法將CO2注入到巖心中，進行驅(qū)油實驗，驅(qū)替速度為0.1 mL/min，直至驅(qū)替到?jīng)]有油流出為止。在此過程中記錄驅(qū)替壓差，計量驅(qū)出油和氣體體積及累計注入氣體體積，實驗結(jié)束后對包含巖心的夾持器進行稱重；

(5)用溶劑清洗整個驅(qū)替系統(tǒng)，夾持器內(nèi)裝入下一塊巖心，重復上述步驟依次完成設計的實驗。

1.4 數(shù)據(jù)計算與分析

實驗結(jié)束后，采收率計算采用2種方法：(1)通過稱重法計算采收率，利用驅(qū)替前后包含巖心的夾持器的質(zhì)量變化，通過流體密度換算為體積，求出CO2驅(qū)替稠油采收率；(2)通過體積計量法計算采收率，利用驅(qū)替流程產(chǎn)出端收集原油的體積與飽和原油體積的比例，計算采收率。本文以稱重法為主，輔以體積計量法，以確保實驗結(jié)果的準確性。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 油樣物性分析

2.1.1 油樣黏溫關(guān)系

表2為3種類型稠油黏溫關(guān)系表。40 ℃時，3種稠油黏度由大到小依次為：3#、2#、1#；隨著溫度的升高，3種類型稠油黏度大幅度下降，均表現(xiàn)出了極強的溫度敏感性。

2.1.2 油樣四組分分析

表3為3種類型稠油四組分分析表。膠質(zhì)和瀝青質(zhì)含量由大到小依次為3#、2#、1#，3種油樣的膠質(zhì)和瀝青質(zhì)含量均超過了65%，其中3#稠油的膠質(zhì)和瀝青質(zhì)含量達到了67.68%。3種油樣中，隨著黏度的增加，膠質(zhì)和瀝青質(zhì)含量增加，飽和分和芳香分呈現(xiàn)無序變化，表明對于高含膠質(zhì)和瀝青質(zhì)原油，其黏度控制主要取決于瀝青質(zhì)含量[11]。正是由于3種油樣中的高膠質(zhì)和瀝青質(zhì)含量，導致了3種類型稠油的高黏度。由于膠質(zhì)和瀝青質(zhì)特殊的物理化學結(jié)構(gòu)，使得膠質(zhì)和瀝青質(zhì)對溫度極其敏感；溫度升高，會破壞其物理化學結(jié)構(gòu)，所以3種類型稠油具有極強的溫度敏感性。

表2 CO2驅(qū)替稠油實驗中3種類型稠油黏度與溫度的關(guān)系Table 2 Relationship between viscosity and temperature of three types of heavy oil in CO2 flooding experiment

表3 CO2驅(qū)替稠油實驗中3種類型稠油四組分分析Table 3 Four-component analysis of three types of heavy oil in CO2 flooding experiment

2.1.3 油樣紅外光譜分析

圖1為3種稠油的紅外光譜圖。3種稠油的膠質(zhì)瀝青質(zhì)中含有可形成氫鍵的羥基、胺基、羧基、羰基等官能團，因此稠油中膠質(zhì)分子之間、瀝青質(zhì)分子之間及二者相互之間有強烈的氫鍵作用，在紅外譜圖上，膠質(zhì)、瀝青質(zhì)在3 000～4 000 cm-1之間均顯示出土丘狀峰，這是締合狀態(tài)(即形成了氫鍵的羥基或胺基)的吸收峰[12-13]，從紅外譜圖可以發(fā)現(xiàn)，3#油樣處于締合狀態(tài)的膠質(zhì)、瀝青質(zhì)分子的相對數(shù)量明顯增加，而這正是導致該油樣黏度高的主要原因。

2.2 實驗壓力變化曲線

按照正交實驗的要求進行9次實驗，在每次實驗過程中，固定注入速度，實時記錄驅(qū)替壓差，可以獲得注入量(PV)和驅(qū)替壓差之間的關(guān)系。

從9組實驗的驅(qū)替壓差與注入PV數(shù)之間的關(guān)系(圖2)可以看出：整個驅(qū)替過程壓差變化分為3個階段：壓差快速上升階段、壓差快速下降階段和壓差穩(wěn)定階段。壓差快速上升階段為CO2與原油兩相流動區(qū)域，由于毛管力和兩相流動阻力，導致壓差快速增加，當壓差增加到一定值之后，出現(xiàn)了壓差快速下降現(xiàn)象。導致這種現(xiàn)象的原因有2種：(1)CO2溶解于原油，造成壓差緩慢下降[14]；(2)CO2突破，由于氣相流動阻力遠遠小于油相流動阻力，使得壓差快速下降。壓差穩(wěn)定階段即氣體完全突破，此時壓差主要是來源于氣相流動阻力，所以壓差較小、較穩(wěn)定[15-16]。與CO2驅(qū)替稀油相比，CO2驅(qū)替稠油壓差變化更加劇烈，部分曲線呈現(xiàn)斷崖式下降，這些特征給予了很好的啟示：CO2突破之后，會形成CO2的竄流通道，由于稠油的黏度高，與CO2的流度差異大，CO2難以有效擴大波及系數(shù)，所以在進行油藏工程設計時，要充分考慮CO2與稠油的流度差異。

圖1 CO2驅(qū)替稠油實驗中3種類型稠油紅外光譜圖Fig.1 Infrared spectra of three types of heavy oilin CO2 flooding experiment

2.3 正交實驗結(jié)果與分析

通過對CO2驅(qū)替前后的巖心夾持器在同等條件下稱重，輔以飽和稠油和產(chǎn)出稠油體積計量，可以獲得稠油注CO2驅(qū)油效率。按照正交實驗結(jié)果分析方法，分別進行實驗結(jié)果極差分析、繪制效應曲線圖和進行實驗結(jié)果方差分析。

2.3.1 實驗結(jié)果極差分析

表4為實驗結(jié)果極差分析。從結(jié)果分析可以看出：溫度是對驅(qū)油效率影響最大的因素，其他因素由大到小依次為：滲透率、壓力、油樣類型，但從分析結(jié)果看，滲透率、壓力和油樣類型對驅(qū)油效率的影響差別較小。在本正交實驗的條件下，滲透率為936×10-3μm2、溫度為80 ℃、壓力為12 MPa和1#油樣時可以獲得最高的驅(qū)油效率。

2.3.2 效應曲線

圖3為滲透率、溫度、壓力、油樣類型四因素對驅(qū)油效率影響的效應曲線圖，從圖中可以看出：(1)滲透率增加，驅(qū)油效率增加；(2)溫度升高，驅(qū)油效率增加；(3)壓力升高，驅(qū)油效率減小，這主要是因為高壓條件下，CO2與稠油的相互作用導致稠油中瀝青質(zhì)組分析出，影響了稠油的有效流動[13]；(4)油樣黏度增加，驅(qū)油效率減小。

圖2 稠油注CO2驅(qū)替壓差變化曲線Fig.2 Pressure difference variationof CO2 flooding in heavy oil

表4 正交實驗結(jié)果極差分析Table 4 Range analysis of orthogonal experiment results

圖3 不同因素對驅(qū)油效率影響的效應曲線Fig.3 Effect curves of different factorson oil displacement efficiency

2.3.3 實驗結(jié)果方差分析

從實驗結(jié)果分析可以看出，影響因素中溫度顯著，滲透率、壓力、油樣類型不顯著，影響因素主次順序為溫度、滲透率、壓力、油樣類型(表5)。

2.3.4 正交實驗結(jié)果討論

與稀油油藏注CO2相似，稠油油藏注CO2的主要作用機理也包括降低界面張力、降低原油黏度，這些機理綜合起來影響驅(qū)油效率。從正交實驗極差分析和方差分析結(jié)果來看，溫度是對CO2驅(qū)替稠油驅(qū)油效率影響最大的因素，這主要是因為稠油對溫度非常敏感(表2)，隨著溫度的增加，稠油黏度大幅度下降，此時處于締合狀態(tài)的膠質(zhì)、瀝青質(zhì)分子會分散、解聚，再加上CO2的溶解降黏、降低界面張力作用，導致稠油的流動性大幅度改善。較高溫度和注入CO2有效解決了稠油“流得動、流得遠和流得快”的問題。從驅(qū)油效率的結(jié)果來看，最高驅(qū)油效率為39.780%，最低驅(qū)油效率為6.265%，差別非常大，這就需要在稠油油藏注CO2油藏工程設計時要抓住溫度這個主要因素，進行系統(tǒng)優(yōu)化，優(yōu)選目標區(qū)塊。

表5 正交實驗結(jié)果方差分析Table 5 Variance analysis of orthogonal experiment results

3 礦場應用

根據(jù)實驗結(jié)論及認識，綜合考慮地層溫度、油藏滲透率等因素，在勝利油田篩選某區(qū)塊開展了稠油油藏注CO2吞吐提高采收率現(xiàn)場試驗，優(yōu)選了區(qū)塊內(nèi)地層溫度相對較高、油藏滲透率相對較高的7口井，實施注CO2吞吐開發(fā)，平均單井CO2注入量90 t，稠油油藏注CO2吞吐井相關(guān)參數(shù)見表6。從表中可以看出，實施注CO2吞吐開發(fā)后，單井產(chǎn)油由注CO2吞吐開發(fā)前的0.84 t/d提高至注CO2吞吐開發(fā)后的1.76 t/d，并且取得了較好的增油效果。

進一步分析不同影響因素對礦場注CO2吞吐增油效果的影響(圖4)，隨著油藏溫度的增加，注CO2吞吐增油倍數(shù)逐漸增加；隨著油藏滲透率的增加，注CO2吞吐增油倍數(shù)逐漸增加。從礦場實際生產(chǎn)結(jié)果來看，油藏溫度增加以及油藏滲透率提高，能夠增加稠油的流動性，有效提高了油井產(chǎn)量，都有利于注CO2吞吐開發(fā)，這些結(jié)果與室內(nèi)實驗結(jié)果一致，有效地驗證了室內(nèi)實驗結(jié)論。

4 結(jié)論

(1)CO2驅(qū)替稠油實驗中的3種稠油黏度均較高，同時表現(xiàn)出了極強的溫度敏感性，這主要是由于3種油樣的膠質(zhì)和瀝青質(zhì)含量均超過了65%，而膠質(zhì)和瀝青質(zhì)分子之間可以通過氫鍵形成締合狀態(tài)，這種締合狀態(tài)對溫度非常敏感。溫度升高，可以破壞該締合狀態(tài)，從而引起稠油黏度降低。

表6 稠油油藏注CO2吞吐井相關(guān)參數(shù)Table 6 Well parameters of CO2 huff and puff process in heavy oil reservoirs

圖4 溫度和滲透率對注CO2吞吐井增油倍數(shù)的影響Fig.4 Effect of temperature and permeability on oil increment multiple of CO2 huff and puff process

(2)稠油注CO2實驗過程中，驅(qū)替壓差變化過程可以分為3個階段：壓差快速上升階段、壓差快速下降階段和壓差穩(wěn)定階段；溫度是對采收率影響最大的因素，其他因素由大到小依次為：滲透率、壓力、油樣類型。

(3)稠油油藏注CO2吞吐提高采收率礦場試驗過程中，油藏溫度增加以及油藏滲透率提高，能夠增加稠油的流動性，有效提高油井產(chǎn)量，都有利于注CO2吞吐開發(fā)。進行稠油油藏注CO2選區(qū)、選井時，優(yōu)先考慮蒸汽吞吐開發(fā)的稠油區(qū)塊或井；或者在注蒸汽過程中添加CO2輔助熱采，充分發(fā)揮CO2的作用，達到較好的開發(fā)效果。