基于干法壓裂的CO2與致密儲(chǔ)層置換規(guī)律的研究

陳祉娉 王長(zhǎng)權(quán) 位予瑄 夏玉磊

(1.長(zhǎng)江大學(xué) 石油工程學(xué)院,武漢430100;2.油氣鉆采湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(長(zhǎng)江大學(xué)),湖北 荊州434023;3.中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司長(zhǎng)慶井下技術(shù)作業(yè)公司,西安710018)

0 引言

早在20世紀(jì)80年代,北美就提出了CO2干法壓裂技術(shù)并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。CO2干法壓裂技術(shù)能夠使產(chǎn)量增加3～5 倍,增產(chǎn)效率在50%以上[1-2]。近年來(lái),國(guó)內(nèi)也開始大量研究CO2干法壓裂技術(shù),且在吉林油田等進(jìn)行了前置CO2壓裂液和凍膠壓裂液復(fù)合壓裂工藝,獲得成功[3-5]。

CO2干法壓裂技術(shù)不僅具有改善儲(chǔ)層滲流能力,還具有高返排、對(duì)儲(chǔ)集層傷害小的優(yōu)點(diǎn)[6-8]。由于CO2的流動(dòng)性和擴(kuò)散性強(qiáng),在原油中的溶解度高[9-11],可有效降低原油黏度,提高原油的膨脹能力,從而有效置換油氣以提高采收率[12-15]。雖然CO2干法壓裂技術(shù)已日漸成熟,但少見對(duì)CO2干法壓裂后裂縫中的CO2與儲(chǔ)層流體之間的置換規(guī)律的研究。通過(guò)使用相同或不同物性致密巖心,開展不同燜井時(shí)間的CO2與基質(zhì)原油置換實(shí)驗(yàn),借助SEM、色譜實(shí)驗(yàn)技術(shù)以及CT掃描技術(shù),明確CO2置換前后油藏巖心的孔隙形貌特征以及CO2與原油的置換效率。

1 實(shí)驗(yàn)研究

1.1 實(shí)驗(yàn)原理及標(biāo)準(zhǔn)

干法壓裂后CO2進(jìn)入裂縫,同時(shí)向基質(zhì)孔隙中擴(kuò)散并溶解于原油中,最終將原油從基質(zhì)孔隙置換到裂縫中去。置換出的油氣在降壓返排過(guò)程中依靠膨脹作用產(chǎn)出,由于降壓結(jié)束后在裂縫中仍然會(huì)存在置換出的原油,因此采用反驅(qū)的方式將剩余在裂縫中的置換原油采出,以計(jì)算置換效率。通過(guò)明確不同燜井時(shí)間的置換效率,找出CO2壓裂后合理的燜井時(shí)間;對(duì)不同燜井時(shí)間下的油樣進(jìn)行氣相色譜儀分析,對(duì)置換前后的巖心進(jìn)行掃描電鏡(SEM)實(shí)驗(yàn)(參考GB/T 16594—1996 微米級(jí)長(zhǎng)度的掃描電鏡測(cè)量方法)和CT 掃描實(shí)驗(yàn)(參考GB/T 29172—2012 巖心分析方法),分析CO2置換前后巖心孔隙形貌的變化規(guī)律。

1.2 準(zhǔn)備階段

巖心物性數(shù)據(jù)如表1所示,表中所述的巖心滲透率均小于0.1 mD,屬于典型的致密巖石。

表1 實(shí)驗(yàn)巖心基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)Table 1 Basic physical property data of experimental cores

實(shí)驗(yàn)水樣取自鄂爾多斯盆地長(zhǎng)7油藏的經(jīng)過(guò)濾處理的水樣。實(shí)驗(yàn)油樣取自現(xiàn)場(chǎng)井口落地油樣,在實(shí)驗(yàn)室用高溫高壓配樣器進(jìn)行油水分離所得。注入氣樣品為工業(yè)純CO2氣體。巖心樣品為位于鄂爾多斯盆地一級(jí)構(gòu)造單元陜北斜坡西部的長(zhǎng)7 巖石,該油藏儲(chǔ)層物性差,非均質(zhì)性強(qiáng)。

1.3 實(shí)驗(yàn)流程和實(shí)驗(yàn)步驟

CO2置換效率實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。實(shí)驗(yàn)步驟如下:

圖1 CO2 置換效率實(shí)驗(yàn)流程圖Fig.1 Flow chart of CO2 replacement efficiency experiment

1)對(duì)選取的巖心進(jìn)行飽和地層水和建立束縛水飽和度的預(yù)處理,通過(guò)稱量前后的巖心質(zhì)量計(jì)算束縛水飽和度;建立完畢,飽和地層原油備用。

2)取出巖心,人工劈縫處理模擬壓裂過(guò)程。

3)將巖心先進(jìn)行SEM 和CT 實(shí)驗(yàn),然后裝入巖心夾持器中,以較小流速進(jìn)行CO2驅(qū),驅(qū)出裂縫中的原油后關(guān)閉出口端;繼續(xù)注入CO2,當(dāng)入口壓力達(dá)到地層壓力后停止注入,關(guān)閉入口端閥門進(jìn)行燜井。

4)燜井完畢后開井,返排流體后反注CO2,收集并記錄采出的油和氣,并對(duì)收集的油樣和氣樣進(jìn)行油氣色譜分析,計(jì)算置換效率;實(shí)驗(yàn)結(jié)束將巖心取出,再次進(jìn)行SEM 和CT 實(shí)驗(yàn),分析置換前后孔隙結(jié)構(gòu)變化規(guī)律。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 燜井時(shí)間及滲透率對(duì)原油置換效率的影響

C7油藏儲(chǔ)層CO2與原油置換規(guī)律實(shí)驗(yàn)主要選取3塊不同滲透率巖心進(jìn)行了CO2置換實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2～圖4所示。圖2～圖4表明,降壓返排的變化規(guī)律為逐漸增長(zhǎng),后期變化比較小,注氣反驅(qū)的影響較小。降壓反排是置換過(guò)程中最主要的方式。當(dāng)燜井時(shí)間為6 h,12 h,24 h,48 h時(shí),C7-2巖石的采出程度分別為16.77%,17.80%,18.76%,19.01%;C7-4 巖石的采出程度分別為15.55%,16.85%,17.97%,18.21%;C7-6巖石的采出程度分別為14.09%,15.38%,16.21%,16.39%。燜井時(shí)間為24 h時(shí)采出程度的增幅達(dá)到最大,置換效果最好。圖5所示為C7油藏儲(chǔ)層不同滲透率巖心在不同燜井時(shí)間下的采出程度。

圖2 C7-2隨燜井時(shí)間的置換效率Fig.2 C7-2 Displacement efficiency with soak time

圖3 C7-4隨燜井時(shí)間的置換效率Fig.3 C7-4 Displacement efficiency with soak time

圖4 C7-6隨燜井時(shí)間的置換效率Fig.4 C7-6 Displacement efficiency with soak time

圖5 C7-2,C7-4,C7-6號(hào)巖心不同燜井時(shí)間下的采出程度Fig.5 Recovery degree of No.C7-2,C7-4 and C7-6 cores under different soaking time

從圖5結(jié)果中可以看出:

1)巖心滲透率相同時(shí),CO2干法壓裂后裂縫中的CO2與原油的置換效率隨燜井時(shí)間的增加而增加,以C7-2為例,燜井時(shí)間為6～12 h,置換效率增幅為1.03%,12～24 h置換效率增幅為0.96%,增幅逐漸變小,當(dāng)燜井時(shí)間達(dá)到24 h 后增幅為0.25%,達(dá)到最小值,說(shuō)明CO2與原油的置換效率存在最佳燜井時(shí)間,3種滲透率巖心中均表現(xiàn)出實(shí)驗(yàn)室最佳燜井時(shí)間為24 h。

2)巖心滲透率不同時(shí),滲透率越大的巖心,CO2干法壓裂后裂縫中CO2與原油的置換效率越大,主要因?yàn)闈B透率越大,孔隙連通性越好,CO2的擴(kuò)散作用越強(qiáng),CO2與基質(zhì)原油的接觸量越大,溶解膨脹能力越強(qiáng),從而置換效果越顯著。

2.2 燜井時(shí)間對(duì)CO2 置換原油組分的影響

由于燜井時(shí)間及不同滲透率巖石的置換效率不同,導(dǎo)致產(chǎn)出油的組分差異有很大差別。開展置換實(shí)驗(yàn)時(shí)需先進(jìn)行油驅(qū)水,建立束縛水后進(jìn)行劈縫處理,劈縫后無(wú)法再飽和活油,而采用死油進(jìn)行置換實(shí)驗(yàn),因此,進(jìn)行置換后產(chǎn)出的氣體中無(wú)甲烷含量;CO2置換后輕質(zhì)烴含量減少,抽提出原油中的一些輕質(zhì)組分,導(dǎo)致原油的黏度增大,重質(zhì)烴含量增加,進(jìn)行色譜分析時(shí)無(wú)法直接用色譜專用注射器抽取原油,因此,進(jìn)行油樣色譜分析時(shí)先用正己烷進(jìn)行稀釋,故實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理時(shí)將輕烴組分全部去掉,只保留C8及以上組分進(jìn)行分析。不同燜井時(shí)間下CO2置換出的原油組成結(jié)果如圖6所示。從圖6中可以看出,燜井時(shí)間越長(zhǎng),置換出重質(zhì)組分比例越大。與燜井6 h相比,燜井12 h后,置換出的原油中C13～C32之間的重質(zhì)烴組分含量增大;當(dāng)燜井時(shí)間為24 h 后,置換出的原油中C18～C34之間的重質(zhì)烴組分含量增大。說(shuō)明燜井時(shí)間越長(zhǎng),置換出的重質(zhì)烴含量越高,CO2在原油中的溶解越充分,因此置換效果也越好。

圖6 不同燜井時(shí)間下CO2 置換原油后置換產(chǎn)出油的組成變化圖Fig.6 Composition changes of oil produced after CO2 replacement of crude oil under different soaking time

2.3 CO2 置換前后巖心孔隙形貌對(duì)比(SEM 實(shí)驗(yàn))

由前述可知,不同燜井時(shí)間下置換出的原油及其組分都有所不同,置換前后巖心的孔隙形貌有所差異,且由于巖心多孔介質(zhì)中往往都存在原生水,當(dāng)進(jìn)行CO2壓裂時(shí),CO2在裂縫中與孔隙中的水反應(yīng)生成弱酸性的碳酸氫根,并進(jìn)一步與孔隙巖石成分發(fā)生反應(yīng),使得孔隙形貌發(fā)生變化。為了明確CO2壓裂后裂縫中CO2與孔隙中油氣置換過(guò)程中巖心孔隙形貌變化情況,通過(guò)開展掃描電鏡(SEM)實(shí)驗(yàn),分析CO2置換前后巖心孔隙形貌的變化規(guī)律,如圖7所示。

圖7 C7-2油層巖心CO2 置換原油前后的孔隙形貌分析結(jié)果(×3 000)Fig.7 Analysis results of pore morphology before and after CO2 replacement of crude oil in C7-2 reservoir core(×3 000)

從圖7可以看出:

1)CO2置換前,巖石顆粒表面比較干凈,顆粒輪廓清晰,孔隙清晰,孔隙內(nèi)雜基含量少,且雜基不具有蝕變現(xiàn)象。

2)隨著CO2置換反應(yīng)時(shí)間的增長(zhǎng),巖心顆粒表面受CO2與地層水形成的碳酸水的蝕變作用更加嚴(yán)重,孔隙變大,孔隙上及孔隙中都存在很多的新生成礦物。

3)隨著置換時(shí)間的推移,巖石孔隙的滲透率不斷增加,對(duì)應(yīng)CO2的置換效率也隨之增長(zhǎng)。

2.4 CO2 置換前后孔隙流體分布變化

CT 圖像中灰白色圖像代表巖石,顏色越淺,巖石密度越大;黑色圖像代表裂縫和孔隙。CO2置換前后CT 掃描結(jié)果如圖8 所示。該掃描圖比例為(2 024×13.257)μm,巖心總直徑為25 mm。在CT掃描后的巖心中選取3 mm 見方的進(jìn)行孔隙結(jié)構(gòu)分析,CO2置換前后孔隙網(wǎng)絡(luò)模型分別如圖9所示,對(duì)圖9的孔隙結(jié)構(gòu)分布進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果如圖10所示。

圖8 CO2 置換前后巖心截面CT 掃描圖Fig.8 Core cross section CT scan before and after CO2 replacement

圖9 置換前后距裂縫不同部位構(gòu)建的孔隙網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)比圖Fig.9 Comparison diagram of pore net work models constructed at different parts of the fracture before and after replacement

圖10 置換前后距裂縫不同部位孔隙結(jié)構(gòu)特征變化對(duì)比圖Fig.10 Comparison of changes in pore structure characteristics at different parts of the fracture before and after replacement

從置換結(jié)果可以看出:

1)距裂縫不同位置處,CO2置換后對(duì)基質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)的影響主要表現(xiàn)為10μm 以下孔喉分布頻率均有所下降,大于10μm 的孔喉分布頻率均有所上升,說(shuō)明原油置換過(guò)程中CO2與地層水溶解形成的碳酸可有效溶蝕巖石,導(dǎo)致孔隙中大孔道的孔隙體積增大,提高了流體流動(dòng)能力;距裂縫越遠(yuǎn),孔喉分布頻率變化越小,說(shuō)明CO2從裂縫向基質(zhì)擴(kuò)散、溶解過(guò)程中對(duì)近裂縫區(qū)域的影響更大,而距裂縫較遠(yuǎn)處的區(qū)域CO2主要以溶解膨脹原油為主,進(jìn)入量少,溶蝕效果差。因此,在返排過(guò)程中,近裂縫區(qū)域提供了更大的流動(dòng)通道,為CO2置換原油提供了返排通道。

2)距離裂縫越遠(yuǎn),溶解CO2后的原油在降壓返排過(guò)程中原油膨脹并不斷向裂縫中運(yùn)移,當(dāng)壓力達(dá)到飽和壓力后,原油脫氣,由于氣液相流速存在差異,使得距裂縫越遠(yuǎn)的流體向裂縫中流動(dòng)的作用距離越長(zhǎng),部分原油存留在近裂縫區(qū)域,導(dǎo)致距裂縫適中區(qū)域中存留的CO2較多。從孔隙網(wǎng)絡(luò)模型中看出,距裂縫適中距離的CT可見孔隙增多,距裂縫較近或較遠(yuǎn)的CT可見孔隙數(shù)量少,孔隙度增大不多。

3 結(jié)論

1)CO2干法壓裂后裂縫中CO2與原油置換效率隨燜井時(shí)間增加而增大,最佳燜井時(shí)間為24 h,該燜井時(shí)間條件下的一次置換效率達(dá)到16.21%以上。

2)滲透率越大,CO2干法壓裂后裂縫中CO2與原油置換效率越大,在最佳燜井時(shí)間24 h條件下,置換效率為18.76%以上。

3)CO2置換效果與裂縫中CO2的作用半徑有關(guān)。與裂縫作用半徑越近,CO2驅(qū)動(dòng)原油導(dǎo)致CO2飽和度增大;與裂縫作用半徑越遠(yuǎn),CO2擴(kuò)散效果差,導(dǎo)致與原油接觸溶解量少。只有在作用半徑適中時(shí)CO2置換效率最好。