裂縫對低滲透油藏CO2驅油影響的可視化實驗研究

趙博文

(西安石油大學，西安 710065)

0 引言

低滲透油藏通常由于天然能量不足，儲層物性差及非均質性嚴重等特征，一次采收率普遍偏低，而注水開發(fā)又面臨“注不進、采不出、水淹水竄突出”等諸多難題，開發(fā)效果不盡如人意[1-3]。CO2以其良好的注入性、和原油的互溶性以及易混相等特點，可以有效降低原油黏度和界面張力，補充地層能量，有效提高原油采收率，被公認為是低滲透油藏最有效的提高采收率技術之一[4-6]。然而由于低滲透油藏普遍發(fā)育裂縫和微裂縫，加上前期水力壓裂造成的人工縫，鉤織了復雜的縫網系統，造成無論是水驅還是氣驅都會出現不同程度的竄流，使開發(fā)效果變差。因此研究裂縫對驅油過程的影響和作用，探索有效的針對措施改善開發(fā)效果將具有重要現實意義。目前關于CO2驅油的實驗研究眾多，主要涉及流體物性的變化，驅替對儲層物性的影響，驅油方式及注采參數等對驅油效果的影響等方面[7-18]。整體以宏觀居多，微觀為少。且目前在微觀研究方面多以玻璃刻蝕薄片進行模擬實驗[19-20]，鮮見通過天然巖心進行的微觀可視化實驗研究，造成目前關于裂縫對低滲透油藏CO2驅油過程的真實影響不夠清楚，同時對如何改善裂縫影響下的驅油效果缺乏關注和研究。鑒于此，該研究通過對鄂爾多斯盆地長6油藏天然巖心進行加工和刻畫，制作了帶有裂縫的真實巖心薄片，結合高清顯微鏡和高清錄像系統，采用高溫高壓驅替系統開展了CO2驅油微觀可視化實驗研究，以期弄清裂縫對CO2驅的影響規(guī)律，并探索有效改善開發(fā)效果的具體方式。

1 實驗

該研究實驗設計，嚴格按照SY/T 6424—2014《復合驅油體系性能測試方法》和GB/T 29172—2012《巖心分析方法》等標準開展實驗研究。

1.1 實驗方法及內容

實驗采用LDY-150驅替流動儀，通過回壓控制實驗壓力。微觀可視化模型結合尼康SMZ1500高清顯微鏡、微量泵和高清錄像系統，對不同壓力驅油過程中CO2相態(tài)的變化以及CO2流體和原油在孔隙介質中的相態(tài)動態(tài)變化特征進行詳細記錄，實驗流程示意圖如圖1所示。

圖1 微觀可視化驅替裝置實驗流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental proscess of micro visualization displacement device

為了觀察和分析裂縫性低滲透油藏CO2驅和CO2吞吐的微觀特征和區(qū)別，明確最佳的提高采收率實施方式，實驗分為驅替和吞吐2大部分。在驅替時，重點考察不同注入壓力下驅油的變化。對于注入壓力的設置，依據CO2臨界壓力(7.38 MPa)及其與實驗原油的最小混相壓力(17.6 MPa)，分別設置3個壓力點，即低于臨界壓力的點4 MPa、高于臨界壓力而小于最小混相壓力的點8 MPa以及高于最小混相壓力的點18 MPa，重點觀測CO2流體在臨界壓力和最小混相壓力處相態(tài)的變化和驅油效率。在吞吐時，為了探索更佳注采方式，從充分擴大CO2的波及范圍和發(fā)揮CO2的增油作用出發(fā)，依照區(qū)塊整體“吞吐”的理念，設計注采不同端的方式，即注入端注入后進行燜井，燜井結束后從生產端開采。對于燜井時間的設計，根據巖心尺寸和CO2運移擴散速度及以往實驗經驗，分別設計燜井10 h，20 h，30 h和40 h這4組實驗。

1.2 實驗材料

1)流體樣品：油、水樣均來自鄂爾多斯盆地長6油藏；

2)巖心片：采用長6油藏天然巖心進行切割打磨制成巖心片，然后對巖心片沿中軸線刻一條縫；

3)CO2氣體：采用市場上售賣的CO2氣體，純度99.9%。

1.3 實驗步驟

1)用苯和乙醇3∶1的比例對巖心進行深度洗油操作，清洗完成后將巖心置于恒溫箱內進行烘干；

2)清洗結束后對巖心樣品進行物性參數分析等測試，然后在80 ℃下對巖樣進行烘干24 h；

3)將巖心切割打磨，制成薄片，然后對巖心片沿中軸線刻縫；

4)將實驗巖心片放入可視化巖心加持器中飽和地層水，使可視化薄片建立原始地層水分布，當出液量達到4～5 PV時認為已完全建立好原始地層水分布；

5)將油樣以0.05 ml/min的速度進行驅替直至出口產出液的含油量為100%，原始地層的油水分布模型建立完成；

6)在44 ℃條件下，設置不同CO2注入壓力進行驅替實驗，實時在線拍攝可視化薄片中剩余油分布，測試中在壓力值穩(wěn)定且流動平衡的條件下計算模型的殘余油飽和度，并進行驅替效率計算；

7)在實驗驅替過程中巖心夾持器出口端增加氣液分離裝置，氣液分離裝置后接氣體流量計以計量實驗過程的出氣量。

2 實驗結果及分析

2.1 不同壓力下CO2驅微觀可視化實驗

壓力是影響CO2驅油動態(tài)及效果的最重要因素之一。為了觀察不同壓力下CO2驅油過程中氣體沿裂縫竄逸規(guī)律，了解氣體在基質中波及范圍和采出程度，觀察裂縫及裂縫周邊流體滲流及分布規(guī)律，在建立完原始油水分布關系后進行不同注入壓力下的CO2驅替實驗。

2.1.1 注入壓力為4 MPa

為了觀察非超臨界狀態(tài)下的驅油特征及其在裂縫和基質中的滲流規(guī)律，進行了4 MPa及44 ℃條件下的驅替實驗，結果如圖2所示。

圖2 注入壓力為4 MPa時的驅替實驗Fig.2 Displacement experiment at injection pressure of 4 MPa

圖2是通過尼康SMZ1500高清顯微鏡觀察拍攝到的驅替過程。圖2a所示為注入壓力為4 MPa時CO2驅替前期(即驅替5 h)，可以看到此時可視化薄片中大部分區(qū)域都顯示紅色，沿著裂縫紅色顯示比較淺而且呈現斑點狀，表明CO2驅替過程中氣體優(yōu)先進入裂縫并沿著裂縫滲流，同時將裂縫周邊的原油置換出來。但是由于氣體優(yōu)先沿裂縫滲流，離裂縫遠處的原油難以被波及，此時驅油效率較低，只有3%。圖2b所示為4 MPa壓力CO2驅替中期(即驅替20 h)，從圖2b中可以看出紅色顯示相比驅替前期有所減少，遠離裂縫的區(qū)域紅色顯示也漸漸減少。表明隨著氣體的繼續(xù)注入，開始慢慢波及到遠離裂縫的區(qū)域。同時可以看到紅色顯示為斷塊狀，是因為注入的氣體沿著較大孔喉流動，將大孔喉中原油置換出來，因此呈現出這種不連續(xù)的紅色顯示，該階段驅油效率達到5%。圖2c所示為驅替后期(即驅替30 h)，此時圖2c中紅色顯示繼續(xù)減少，沿著裂縫周邊紅色顯示最少，從注入端到出口端呈現出漸變紅色顯示，即注入端紅色顯示深，出口端紅色顯示淺。在驅替后期驅油效率達到了6%。圖2d所示為驅替40 h即驅替結束時的狀態(tài)，從圖2d中可以看到此時紅色顯示是最少的，且紅色部分不連續(xù)。沿著裂縫周圍基本沒有紅色顯示。表明注入的氣體沿著裂縫流動，有效地將裂縫及其周邊的原油置換出來，最終驅油效率達到8%。

2.1.2 注入壓力為8 MPa

當壓力大于7.38 MPa、溫度高于31.06 ℃時，CO2變?yōu)槌R界狀態(tài)。超臨界狀態(tài)CO2具有類似液相的密度和類似氣相的黏度，一方面可以改善不利的超覆驅替狀態(tài)，提高波及效率，另一方面擴散性和萃取原油輕質組分的能力增強，提高了與原油的混相能力，可以更好地降低界面張力。為了對比CO2在非超臨界狀態(tài)和超臨界狀態(tài)下的驅油特征及差別，進行了注入壓力為8 MPa的驅替實驗，結果如圖3所示。

圖3 注入壓力為8 MPa時的驅替實驗Fig.3 Displacement experiment at injection pressure of 8 MPa

圖3a所示為注入壓力為8 MPa時CO2驅替前期(即驅替5 h)，可以看到此時可視化薄片中大部分區(qū)域同樣都顯示紅色，沿著裂縫紅色顯示比較淺且呈現斑點狀，表明該階段CO2驅替過程與非超臨界狀態(tài)的驅替基本相同，即氣體同樣優(yōu)先進入裂縫并沿裂縫滲流，同時將裂縫周邊的原油置換出來，驅油效率較低，也只有3%。圖3b所示為驅替中期(即驅替20 h)，從圖3b中可以看出紅色顯示相比驅替前期有所減少，遠離裂縫的區(qū)域紅色顯示也逐漸減少，與4 MPa時相比，該階段驅油效率略有提高，達到了6%。圖3c所示為驅替后期(即驅替30 h)，沿著裂縫周邊紅色顯示繼續(xù)減少，超臨界CO2更好的進入基質，并由于其特殊的性質動用了更大面積的原油，但注入的氣體仍主要沿著裂縫竄逸，該階段驅油效率也只達到了8%。圖3d所示為驅替40 h即驅替結束時的照片，從圖3d中可以看出此時紅色顯示部分達到了最少，且紅色部分不連續(xù)，整體狀態(tài)類似非超臨界狀態(tài)驅替，但波及范圍和驅油效率均有所提高，最終驅油效率為10%。由實驗結果可知，超臨界狀態(tài)CO2驅油效果比非超臨界狀態(tài)要好，但由于裂縫的存在，驅油效率提升的幅度有限。

2.1.3 注入壓力為18 MPa

從理論上來說，CO2與原油混相后兩相界面消失，變?yōu)橐幌嗔黧w，界面張力將為0，驅油效率可以達到100%。為了進一步觀察和對比CO2在不同狀態(tài)下的驅油和滲流特征，進行了注入壓力為18 MPa的驅替實驗，結果如圖4所示。

圖4 注入壓力為18 MPa時的驅替實驗Fig.4 Displacement experiment at injection pressure of 18 MPa

圖4a所示為注入壓力為18 MPa時CO2驅替前期的照片(即驅替5 h)，可以看出可視化區(qū)域內大部分為紅色顯示，沿著裂縫周邊紅色最深。當注入氣體開始進入可視化薄片，氣體仍主要沿著裂縫流動，難以波及到遠離裂縫的區(qū)域，此時驅油效率較低，也僅有6%。但相比于非超臨界狀態(tài)和超臨界狀態(tài)，該壓力點下驅油效率有所提高。圖4b所示為驅替中期(即驅替20 h)，從圖片中可以看出紅色顯示相比驅替前期有所減少，遠離裂縫的區(qū)域紅色顯示開始有所變化，但是整個可視化薄片上主要以紅色為主，在薄片中還有大量的剩余油。表明隨著氣體的繼續(xù)注入，開始慢慢波及到遠離裂縫的區(qū)域，該階段驅油效率達到了9%。圖4c所示為驅替后期(即驅替30 h)，此時可視化薄片中紅色顯示部分仍然還較多，但是相比驅替前期已經明顯減少，驅油效率也達到了12%。圖4d所示為驅替40 h即驅替結束時的照片，隨著驅替過程的不斷進行，圖4d中紅色部分繼續(xù)減少，此時從圖4d中可以看出紅色顯示是最少的，且紅色部分仍不連續(xù)。沿著裂縫區(qū)域主要為白色，表明注入氣體主要將裂縫中的原油置換出來。在遠離裂縫的區(qū)域還有部分塊狀的紅色顯示，表明驅替完成后還有部分剩余油難以被置換出來。最終驅油效率為14%。

由實驗現象發(fā)現，由于儲層裂縫的存在，CO2以不同壓力條件注入時，由于CO2相態(tài)的變化使得CO2驅油效率有小幅提升，但大量的CO2依然沿高滲或大通道竄逸，CO2利用率很低。延長油田大多儲層為低滲低壓油藏，且長6儲層天然裂縫及人工裂縫交織，從實踐中同樣證明了連續(xù)CO2驅替在短時間內出現了見氣甚至氣竄的現象，因此改變CO2開發(fā)方式具有重要現實意義。

2.2 CO2吞吐微觀可視化實驗

區(qū)塊整體吞吐是該文探索的一種旨在提高低滲低壓儲層能量，提高CO2驅采收率的方法，即在CO2連續(xù)氣驅前對油井關井，注入井按照方案設計進行連續(xù)注入，到一定時機再開井生產的方法。

按照上述理念，為了和驅替實驗進行對比,設計在溫度為44 ℃的條件下,利用平流泵以18 MPa的壓力向巖心中注CO2,然后關閉入口端，燜井48 h,觀測整個吞吐期間的可視化巖心的采出程度。實驗過程及結果如圖5所示。

圖5 CO2吞吐微觀可視化實驗Fig.5 Microscopic visualization experiment of CO2 huff and puff

由圖5可知,整個可視化區(qū)域為紅色顯示,沿著裂縫紅色顯示最深,裂縫周圍有部分驅油顏色變淡，表明部分原油流動到裂縫中,由于燜井作用,CO2向基質中擴散,動用和萃取基質中的原油,并向裂縫中運移。隨著注入端CO2不斷進入,實驗薄片中CO2逐漸向裂縫周圍基質擴散,更多的原油被動用,表現為視野中紅色變淡的區(qū)域增加,燜井48 h后驅油效率達到20%,說明CO2不斷注入,采出端進行不同程度燜井,對低滲低壓油藏提高CO2驅油效率有明顯的作用,是實際油藏CO2開發(fā)過程中可以采取的一種有效手段。

3 結論

1)低滲透油藏儲層裂縫發(fā)育，CO2容易進入儲層，且會沿著儲層裂縫大量竄逸，雖然注入壓力的提高會改變CO2相態(tài)，有助于顯現其萃取作用，但效果甚微，基質中的原油難以動用，造成CO2驅替效率低，最終采出程度低。

2)對于低滲透、裂縫發(fā)育的儲層，前期可以采用“只注不采”的方式，增加CO2動用基質原油，提高CO2驅油效率。

3)建議在類似油藏進行CO2驅替前，做好儲層縫網刻畫，提前進行竄逸通道治理，防止CO2無效驅替的發(fā)生，造成驅油效果差的同時為后續(xù)氣竄治理帶來困難，增加開發(fā)成本和環(huán)境污染風險。