裂縫性致密砂巖油藏CO2吞吐微觀孔隙動用特征

劉國華

(中國石油集團長城鉆探工程有限公司 工程技術(shù)研究院，遼寧 盤錦 124010)

引 言

隨著CO2提高采收率技術(shù)(EOR)的不斷進步和完善，使得CO2-EOR技術(shù)逐漸在世界各大油田得到了廣泛的應(yīng)用[1-4]。我國鄂爾多斯盆地具有豐富的致密性油氣資源，開發(fā)潛力巨大，但由于致密儲層孔滲低、非均質(zhì)性嚴(yán)重、微裂縫發(fā)育但微/納孔喉占比高等原因，導(dǎo)致自然衰竭開發(fā)采收率和二次注水開發(fā)采收率低下。CO2-EOR技術(shù)的引入能夠有效降低地層原油黏度，改善流度比，減小界面張力，大幅提高油層的動用程度和驅(qū)油效率。同時，CO2強抽提萃取能力又能將原油的輕烴蒸發(fā)進氣相，進一步提高原油采收率[5-7]。

CO2-EOR技術(shù)主要分為CO2驅(qū)替和CO2吞吐兩種，但在天然裂縫發(fā)育和人工裂縫發(fā)達的致密儲層中，CO2驅(qū)替容易產(chǎn)生氣竄，導(dǎo)致驅(qū)油效率差、波及面積小等問題。而CO2吞吐能夠有效改善氣竄，發(fā)揮擴散作用，增大基質(zhì)動用程度。Torabi等[8]人發(fā)現(xiàn)CO2混相吞吐采收率明顯高于非混相吞吐采收率，但Abedini[9]認(rèn)為即使是在非混相壓力下，CO2吞吐也能明顯提高驅(qū)油效率。馬金華等[10]人通過實驗證明CO2能夠在壓差作用下擴散進入基質(zhì)，原油除在膨脹作用下被擠出基質(zhì)外，還能在原油黏度和濃度差異引發(fā)擴散的作用下流動。錢坤等[11]人提出在裂縫性致密油藏中開展CO2吞吐的次數(shù)不應(yīng)超過3次，燜井時間不宜超過36 h，避免降低采油速度。在以前研究中大部分學(xué)者受到實驗裝置及技術(shù)限制， 研究方向主要聚焦在CO2吞吐參數(shù)優(yōu)化及滲流特征等方面，少有學(xué)者以物理模擬實驗為方法，從微觀尺度描述吞吐過程中基質(zhì)與裂縫之間的流體交換特征。因此，筆者以鄂爾多斯盆地安塞油田長7儲層為對象，基于核磁共振在線掃描的CO2吞吐巖心實驗[12-14]，模擬了CO2吞吐過程中裂縫-基質(zhì)間的滲流過程，從微觀孔隙尺度定量評價了每輪吞吐過程中“吞、燜、吐”3個階段下基質(zhì)原油的動用特征，揭示了裂縫-基質(zhì)間的流體交換特征，為提高安塞油田長7儲層CO2吞吐采收率提供指導(dǎo)和幫助。

1 實驗內(nèi)容

1.1 實驗巖心

實驗所用巖心來自安塞油田長7儲層，取心深度1 725 m。將清洗、烘干后的巖心縱向切割成2塊小巖心，一塊用于測量滲透率和孔隙度等基本參數(shù)(表1)，另一塊用于高壓壓汞測試(最高進汞壓力為200 MPa)。高壓壓汞測試得知實驗巖心的孔隙半徑在0.003 5～0.103 1 μm的孔隙體積占比達到49.2%，說明實驗巖心中納米孔喉占比很高，非均質(zhì)性很強。為模擬裂縫的影響，將巖心柱按總體積的1/3進行橫向切割(圖1)，并將切割后的巖心再次清洗、烘干后放入熱縮套管中，加熱套管至350 ℃，使巖心封存于套管中，以確保實驗過程中裂縫尺寸不發(fā)生變化(裂縫長51.28 mm、寬22.75 mm)。同時，為了聚焦裂縫-基質(zhì)之間的流體交換特征，排除巖心端面驅(qū)替作用的影響，采用環(huán)氧樹脂將巖心端面進行封堵，僅讓CO2從裂縫中進入。

表1 實驗巖心基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of experimental core

圖1 巖心切割示意圖Fig.1 Cutting diagram of experimental core

1.2 實驗流體

根據(jù)PVT流體相態(tài)實驗結(jié)果可知，研究區(qū)目標(biāo)儲層的地層原油溶解氣油比為26.6 m3/m3，泡點壓力僅為4.2 MPa，且實驗巖心含有裂縫，很難用地層原油充分飽和巖心，因此采用脫氣原油作為實驗用油。地層條件下(68 ℃)脫氣原油密度為0.857×103kg/m3，黏度為4.68 mPa·s。實驗中所用CO2氣體的純度為99.9%。根據(jù)前期細管實驗結(jié)果顯示，脫氣原油與CO2在儲層條件(68 ℃)下的最小混相壓力(MMP)為25.5 MPa，當(dāng)前地層壓力為20.7 MPa，說明在目前地層壓力下CO2與地層原油無法達到混相。

1.3 實驗裝置

實驗裝置包括高壓恒速ISCO泵(260D型，精度0.001 mL/min，最大壓力200 MPa)、手搖泵(精度0.1 mL/min，最大壓力100 MPa)、恒溫箱、自制夾持器加熱套和溫控箱(精度±0.1 ℃)、無磁巖心夾持器(內(nèi)腔直徑為30.0 mm，長210.0 mm，最大承壓45 MPa，最高承溫80 ℃)、核磁共振儀(SPEC-RC2型，磁場強度0.23±0.03 T，脈沖發(fā)生器最小間隔為50 ns，氫質(zhì)子共振頻率為10 MHz)、還有高溫模擬蒸餾儀(天美456-GC型)、高壓中間容器、油氣分離器(體積100 mL，精度0.1 mL)等，實驗裝置流程如圖2。

圖2 CO2吞吐實驗流程Fig.2 Flow chart of CO2 huff-puff experiment

1.4 實驗步驟

(1)將實驗巖心裝入高壓無磁巖心夾持器中，加圍壓至2 MPa(為了避免水中氫原子對信號的干擾，采用重水作為加壓介質(zhì))，采用分子真空泵對巖心抽真空48 h后，再對巖心進行核磁共振掃描，以此狀態(tài)下的信號強度作為基礎(chǔ)信號；

(2)調(diào)節(jié)恒溫箱和溫控器溫度分別升溫至68 ℃，然后在40 MPa高壓下用原油飽和巖心4 d，確保巖心充分飽和原油。飽和油結(jié)束后將巖心壓力降至大氣壓力，并對此狀態(tài)下的巖心進行核磁共振掃描；

(3)以恒速0.1 mL/min的速度向巖心中注入CO2氣體，直至巖心壓力升至地層壓力(28.7 MPa)，對此壓力下的巖心進行核磁共振掃描。關(guān)閉入口閥門燜井9.5 h，每隔相同的時間間隔對巖心進行一次核磁共振掃描，當(dāng)連續(xù)3次測量的T2譜不發(fā)生變化時，結(jié)束燜井。打開注入端閥門開始降壓衰竭生產(chǎn)，直至巖心壓力降至大氣壓力，并對衰竭開發(fā)后的巖心再次進行核磁共振掃描。實驗過程中記錄巖心壓力變化、產(chǎn)出油量等數(shù)據(jù)，并采用高溫模擬蒸餾方法分析產(chǎn)出油組分；

(4)重復(fù)步驟3，進行第2輪和第3輪吞吐實驗，實驗結(jié)束后用石油醚將巖心內(nèi)殘余油驅(qū)出，并對殘余油進行組分分析。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 CO2注入及燜井階段基質(zhì)原油動用特征

根據(jù)核磁共振原理，橫向弛豫時間T2值與巖石孔隙半徑呈正比，即弛豫時間越長對應(yīng)的孔隙半徑越大。同時，某一弛豫時間對應(yīng)的振幅可以用來表示其對應(yīng)孔隙半徑的孔隙中原油的賦存量[15-16]，進而計算出該孔隙的含油飽和度，還可以通過對比吞吐前后巖心的T2譜分布來計算某一范圍孔徑孔隙中原油的采出程度，其計算式分別為：

(1)

(2)

式中，So為i類孔徑孔隙中的含油飽和度，%；Tmin、Tmax為i類孔徑孔隙對應(yīng)的最小弛豫時間和最大馳豫時間，ms；Hi,0為巖心在完全飽和油狀態(tài)下T2譜分布的振幅；Hi,d為吞吐過程中不同掃描時間下T2譜分布的振幅；ERi為i類孔徑孔隙中的原油采出程度，%。

由巖心充分飽和原油狀態(tài)下的T2譜分布(圖3(a)黑線)可知，此時的T2譜分布為典型的左峰高于右峰的雙峰形態(tài)，兩峰清晰且連續(xù)，說明小孔徑孔隙占比較高，原油大部分賦存于孔隙半徑較小的孔隙中。大孔隙發(fā)育程度較差，微小孔隙與大孔隙之間具有較好的連通性。由于核磁共振T2譜和孔隙半徑分布曲線都能用于表征巖心內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)分布，結(jié)合不同吞吐輪次下的T2譜分布形態(tài)變化，可以識別出基質(zhì)和裂縫的弛豫時間范圍，即基質(zhì)對應(yīng)的馳豫時間在0.01～400 ms，裂縫對應(yīng)的馳豫時間在400～4 000 ms。此外，根據(jù)T2譜分布中孔隙大小劃分方法，可以進一步將基質(zhì)中的孔隙大小劃分為2類，微小孔隙(對應(yīng)馳豫時間在0.1～22.5 ms)和大孔隙(對應(yīng)馳豫時間在22.5～400 ms)。

2.1.1 第1輪CO2注入及燜井

由圖3可知， 當(dāng)CO2注入后， 大孔隙對應(yīng)振幅下降明顯，其含油飽和度由1.000下降至0.953，降幅為4.7%(圖3(b))，而微小孔隙對應(yīng)振幅基本沒有變化，裂縫對應(yīng)的振幅上升(圖3(a))，說明在CO2注入過程中，CO2能夠動用部分大孔隙內(nèi)的原油。當(dāng)進入燜井階段后，大孔隙對應(yīng)振幅的下降幅度明顯大于微小孔隙，且大孔隙中含油飽和度隨燜井時間的增加而快速降低，微小孔隙中含油飽和度變化較小，說明在燜井初期，CO2便能快速擴散進入大孔隙，與原油產(chǎn)生作用，飽和CO2后的原油黏度降低，流動性變好，在體積膨脹作用下進入裂縫[17-18]。而微小孔隙由于其中原油賦存量小，原油膨脹作用較弱，加之微小孔隙具有較大的毛管壓力，導(dǎo)致原油流動需克服較大的阻力。

圖3 第1輪CO2注入及燜井過程中T2譜分布及含油飽和度變化Fig.3 T2 spectra and oil saturation variation in soaking process after the first cycle of CO2 huff-puff

裂縫對應(yīng)的振幅出現(xiàn)了上下波動的現(xiàn)象，說明在燜井過程中裂縫內(nèi)的原油也在不斷發(fā)生流動，這主要是由于CO2的強抽提萃取能力，能夠?qū)⒃椭械妮p烴和中烴抽提進入氣相，導(dǎo)致基質(zhì)內(nèi)原油與裂縫中原油的濃度產(chǎn)生差異，進而引起擴散性流動。當(dāng)?shù)?輪燜井結(jié)束時，巖心中含油飽和度降至0.915(圖3(b)黃線)，降幅為8.5%。

2.1.2 第2輪CO2注入及燜井

由圖4可知，在第2輪CO2注入后，大孔隙對應(yīng)波峰小幅下降，其含油飽和度由0.704下降至0.656，下降幅度為6.8%，而微小孔隙含油飽和度基本沒有變化。當(dāng)進入燜井階段后，部分微小孔隙和大孔隙對應(yīng)的振幅均小幅降低，裂縫對應(yīng)振幅有小幅上升，大孔隙含油飽和度下降幅度小于第1輪燜井過程中大孔隙含油飽和度的變化。說明在第2輪燜井中，新注入的CO2通過擴散進入基質(zhì)后仍然能夠在膨脹作用下動用大孔隙內(nèi)的原油，但是由于經(jīng)過第1輪吞吐，大孔隙中原油含油飽和度減少，對CO2的溶解能力減弱，造成原油膨脹能力和流動性下降，導(dǎo)致進入裂縫的油量減少。此外，第1輪注入的CO2與大孔隙中原油發(fā)生組分傳質(zhì)后，輕質(zhì)組分原油被抽提產(chǎn)出，而剩余在孔隙內(nèi)的原油組分不斷加重，導(dǎo)致第2輪CO2注入后，抽提效果減弱，產(chǎn)出油中C5—C11輕質(zhì)組分含量降低，這也是第2輪燜井大孔隙動用程度降低的主要原因。微小孔隙含油飽和度由0.972下降至0.955，降幅為1.8%，高于第1輪燜井0.8%。這是因為第2輪新注入的CO2具有很強的抽提能力，雖然微小孔隙中原油在毛管壓力的作用下很難流動，但CO2能夠?qū)⑽⑿】紫渡踔潦撬揽紫秲?nèi)原油抽提、萃取出來，提高了微小孔隙動用程度。

圖4 第2輪CO2注入及燜井過程中T2譜分布及含油飽和度變化Fig.4 T2 spectra and oil saturation variation in soaking process after the second cycle of CO2 huff-puff

2.1.3 第3輪CO2注入及燜井

圖5 第3輪CO2注入及燜井過程中T2譜分布及含油飽和度變化Fig.5 T2 spectra and oil saturation variation in soaking process after the third cycle of CO2 huff-puff

2.2 不同吞吐輪次原油動用特征

圖6為不同吞吐輪次后巖心T2譜分布，由圖中可以看出，隨著CO2吞吐次數(shù)的增加，微小孔隙和大孔隙對應(yīng)的振幅均有不同程度的下降，但大孔隙下降幅度大于微小孔隙，說明在3次吞吐過程中基質(zhì)內(nèi)不同孔徑孔隙(微小孔隙，馳豫時間0.1～22.5 ms；大孔隙，馳豫時間22.5～400 ms)均有不同程度動用，大孔隙中原油動用程度較高。從裂縫振幅的變化可以看出，每輪衰竭降壓后，裂縫對應(yīng)的振幅變化幅度較小，且并沒有全部降為0，說明衰竭降壓后，裂縫中仍然有殘留的原油，這一部分是裂縫中未被排出的原油，另一部分是由于相比于裂縫，基質(zhì)中壓力下降存在滯后，當(dāng)裂縫壓力降至大氣壓力時，基質(zhì)內(nèi)不同孔徑孔隙在細微壓差和毛管力的作用下，還會有少量原油從基質(zhì)緩慢流向裂縫，導(dǎo)致裂縫內(nèi)原油含量增加，對應(yīng)振幅下降幅度較小。因此，為了提高裂縫中原油流向井筒的能力，應(yīng)在衰竭降壓后實施連續(xù)注氣(水)開發(fā)，增大裂縫導(dǎo)流能力，提高原油產(chǎn)量。

圖6 巖心飽和油及不同吞吐輪次后的T2譜分布Fig.6 T2 spectra of core saturated by oil and after different cycles of CO2 huff-puff

通過對比3次吞吐后不同孔徑孔隙中原油采出程度(圖7)可知，隨著吞吐輪次的增加，大孔隙和所有孔隙原油采出程度不斷降低，而微小孔隙采出程度逐漸增加。3輪吞吐后大孔隙采出程度達到46.4%，巖心總采收率為35.2%，而微小孔隙采出程度僅為8.4%，說明大孔隙對巖心總采收率的貢獻程度最大，達84.4%，大孔隙不但是原油主要賦存部位，也是致密油藏挖潛的主要方向。

圖7 不同吞吐輪次下原油采出程度對比Fig.7 Recovery degree of crude oil under different CO2 huff-puff cycles

2.3 吞吐過程中裂縫-基質(zhì)間流體交換特征

根據(jù)3輪吞吐過程中不同孔徑孔隙采出程度隨時間的變化(圖8)可知，隨著CO2吞吐次數(shù)的增加，不但燜井階段采出程度不斷降低，連衰竭降壓階段采出程度也在不斷減小。每輪吞吐采收率的高低主要由吞吐過程中的3個階段(CO2注入階段、燜井階段和衰竭降壓階段)共同決定，其中，燜井階段和衰竭降壓階段的采出程度對每輪吞吐采收率的影響占到了87%以上。此外，巖心總采收率的變化趨勢與大孔隙采出程度變化趨勢基本一致，但隨著吞吐次數(shù)的增加，大孔隙采收率在總采收率的比重不斷降低，但仍然是巖心總采收率的主要“貢獻者”。因此，提高致密油藏CO2吞吐采收率關(guān)鍵是如何提高燜井階段和衰竭降壓階段大孔隙中原油的動用程度。

圖8 CO2吞吐過程中不同孔徑孔隙 采出程度隨時間的變化Fig.8 Variation of oil recovery degree with time in pores of different size during CO2 huff-puff

為了進一步詳細描述CO2吞吐過程中密閉巖心內(nèi)原油動用特征和流體滲流特征，根據(jù)上述研究中得到的單次吞吐過程中微小及大孔隙動用特征，繪制了CO2吞吐過程中3個階段基質(zhì)與裂縫流體交換的示意圖。圖9(a)中當(dāng)CO2注入巖心后，CO2首先會沿著裂縫流動，由于基質(zhì)中壓力傳導(dǎo)存在滯后現(xiàn)象，CO2會在壓差的作用下優(yōu)先進入阻力較小的大孔隙中，以驅(qū)替方式將原油排入裂縫。驅(qū)替式采油主要發(fā)生在靠近裂縫周邊的大孔隙。

當(dāng)進入燜井階段(圖9(b))后，裂縫和其周圍部分大孔隙中的CO2在擴散作用下進入其他孔隙，大孔隙內(nèi)原油在溶解了CO2后流動性變好，以體積膨脹的方式進入裂縫，這是燜井階段的主要采油方式。由于微小孔隙具有較大毛管壓力，原油流動相對困難，微小孔隙中原油的主要動用方式是依靠CO2抽提和萃取作用[19-20]，但此過程非常緩慢，導(dǎo)致動用程度較差。此外，CO2抽提造成的原油濃度差異擴散和毛管壓力差異也是引起不同孔徑孔隙間原油流動的主要因素，但原油在這兩個作用下的流動非常緩慢，為輔助采油方式。

當(dāng)進入衰竭降壓階段(圖9(c))時，裂縫中的壓力會首先降低，裂縫中大部分原油會在壓差作用下流入井筒。由于基質(zhì)中壓力傳導(dǎo)的滯后現(xiàn)象，導(dǎo)致基質(zhì)中原油在壓差作用下不斷向壓力低的方向流動，同時，隨著壓力不斷降低也會造成飽和CO2原油的體積不斷膨脹，大量的原油會在壓差和膨脹作用下進入裂縫，然后由裂縫排入出口。因此，提高燜井階段大孔隙動用程度的關(guān)鍵是延長燜井時間、提高CO2抽提作用和原油濃度差異擴散作用。

圖9 CO2吞吐過程中不同階段下基質(zhì) 與裂縫流體交換示意圖Fig.9 Fluid exchange between matrix and fracture in different stages of CO2 huff-puff process

3 結(jié) 論

(1)致密油藏注CO2吞吐開發(fā)時，每輪吞吐采收率隨吞吐次數(shù)的增加而降低，其中大孔隙內(nèi)原油動用程度最大，是總采收率的主要“貢獻者”，也是致密油藏未來挖潛的主要方向，而微小孔隙動用程度差。

(2)在首輪燜井階段，CO2快速擴散進入基質(zhì)，大孔隙內(nèi)飽和CO2的原油主要在體積膨脹作用下流入裂縫；在后2輪燜井階段，大孔隙中原油飽和量降低，膨脹作用減弱，由CO2抽提引起的原油濃度差異擴散和毛管壓力作用逐漸成為原油流動的動力。

(3)CO2注入后的燜井和衰竭兩階段的采出程度占總采收率的87%以上，且大孔隙是總采收率的主要“貢獻者”，增大燜井階段和衰竭降壓階段大孔隙中的原油動用程度是提高CO2吞吐開發(fā)的關(guān)鍵。