低滲透油藏巖心注CO2驅油效率物理模擬

王世璐，王玉霞，賈凱鋒

(西北大學地質學系，陜西西安 710069)

國內低滲透油藏在開發中暴露了很多像自然產能低、地層能量不足和地質條件受限等導致采收率降低的問題[1]。CO2提高采收率技術是近年來發展起來的有效地提高低滲透油藏的采收率技術之一，并取得了良好的經濟效益[2]。CO2提高采收率可結合CO2封存，提高原油產量，保護全球生態環境，為提高石油資源開發效益、保證可持續發展提供理論及實踐依據[3]。

CO2巖心驅替試驗是評價不同的CO2注入方案并確定最優注入方案組合的有效試驗途徑。與細管試驗相比，重力分層、黏性指進、濕潤性及非均質性等會對巖心驅替試驗結果造成一定程度的影響，但它更接近于地層的實際情況。巖心尺度上驅油效率的測定是評價CO2驅油效果的基本方法。影響驅油效率因素的研究主要集中在巖石固有性質、流動介質和動力條件等方面，具體參數有：滲透率、壓力、注入速度、注入方式等。

有非混相驅、近混相驅[4]及混相驅為CO2氣驅驅替的主要類型。CO2非混相驅主要通過溶解于原油中的CO2使原油體積膨脹，降低原油黏度，在一定壓力下可抽提原油中的輕質組分或使其汽化減小界面張力，從而提高驅油效率[5-7]。CO2混相驅過程中主要利用在等于或高于最小混相壓力條件下的CO2的抽提作用，通過降低界面張力來實現混相，進而提高驅油效率。混相驅由于其較高的驅油效率備受青睞，且對水驅效果較差的低滲透油藏開發來說，具有明顯優勢[8-10]。

李劍等[11]通過巖心物理模擬試驗，研究了儲層非均質性、注入方式、注入時機等對水驅后注CO2采出程度的影響。本文則采用CO2氣體連續驅替的巖心物理模擬試驗探討不同因素(包括滲透率、注入速度、注入壓力)對最終驅油效率的影響，并通過敏感性分析判斷不同因素對驅油效率的影響程度。

1 巖心驅替試驗

1.1 試驗流體與巖心

試驗用流體主要包括地層水、原油、CO2。試驗用地層水為模擬地層水，礦化度為80 063 mg/L(表1)；試驗用油樣為復配原油，模擬地層原油的組分見表2，由于研究區原油黏度、密度等物性在含氣和脫氣狀態下的變化幅度較小，試驗均采用脫氣油；試驗用CO2為純度99.99%的氣體。試驗所用巖心的參數見表3。

1.2 溫度、壓力及最小混相壓力

試驗在60 ℃下進行，地層壓力為12.6 MPa。依據細管驅替試驗數據并結合最小混相壓力確定方法[12]，得知CO2與試驗區地層原油的最小混相壓力為17.8 MPa。

表1 地層水礦物組成Table 1 Mineral composition of formation water

表2 模擬地層原油組分Table 2 Components of simulated formation crude oil

表3 巖心參數Table 3 Core parameters

1.3 試驗設備

恒溫箱1個，驅替泵1個，環壓自動跟蹤泵1個，1 000 mL哈氏合金高壓容器3個，六通閥1個，哈氏合金巖心夾持器1個，回壓泵1個，油氣水自動計量裝置1個，壓力監測及控制系統1個，傳感器及計算機設備，管線若干，試驗裝置如圖1所示。

1.4 試驗步驟

(1)保證儲液容器、各種泵內液體充足，避免驅替試驗中斷。

圖1 試驗裝置示意Fig.1 Schematic diagram of the experimental device

(2)抽真空48 h，隨后飽和地層水。

(3)加環壓密封巖樣。打開環壓泵開關，加環壓至3 MPa，并在后續試驗中始終保持環壓與進口壓力的壓差為3 MPa。

(4)升溫至地層溫度。打開恒溫箱加熱開關，升溫至60 ℃。

(5)地層水驅替，確保巖心被地層水飽和。

(6)油驅水建立束縛水飽和度。施加回壓的情況下，注入原油，至出口處無地層水進入油氣水自動計量系統，出口處原油連續不間斷達到4～5 PV，關閉六通閥入口端閥門，進行巖心老化12 h。

(7)CO2驅油。進行不同滲透率、不同壓力和不同注入速度下的CO2驅油試驗，記錄各個時刻的壓力、產氣、產油量，直至試驗結束。

(8)數據整理及結果處理。油氣水自動計量系統在大氣條件下運行，需要按一定原則將其修正到巖心壓力下，利用修正的數據對結果進行分析研究。

2 CO2驅油試驗結果及敏感性分析

2.1 CO2驅油試驗結果

試驗使用編號1～9巖心(表3)，進行了不同滲透率(5 mD、1.5 mD、0.5 mD)、不同壓力(10 MPa、18 MPa、20 MPa)、不同注入速度(0.5 mL/min、0.8 mL/min、1 mL/min)的三因素三水平9組CO2驅油試驗。試驗動態變化如圖2所示，試驗結果見表4。

由試驗1～9的動態變化曲線可知，注入CO2后隨著試驗時間的推移，原油開始被驅替出來，產油量及產出油氣比大幅度上升，隨后逐漸趨于穩定，進入平穩階段，在此過程中采出程度隨試驗時間的推移逐漸上升。在平穩階段，產油量可能會產生一定波動(試驗1、4、7、8現象較明顯)，是因為CO2逐漸進入細小孔隙，使細小孔隙中不易被驅替的原油黏度降低，從而孔隙對其阻力減小；當原油流動動力大于孔隙對其阻力時，原油便會從孔隙中被驅替出來，此時便會使產油量有一定幅度的上升，因此產油量在平穩階段可能會有一定波動。平穩階段末期，產油量及產出油氣比急劇下降，此時表示CO2氣體發生突破，還會有少量原油被氣體攜帶而出，因此在產油量急劇下降后，在整個驅油過程末期產油量會緩慢趨近于0，此過程中采出程度隨試驗時間的推移增長緩慢，逐漸趨近于最大值，即最終驅油效率(采出程度)。具體數值見表4。

表4 K、p、v對驅油效率的影響正交試驗結果Table 4 Orthogonal experimental results of the effects of K, p and v on oil displacement efficiency

注：滲透率括號內表示實際巖心的滲透率數值，括號外的數字表示試驗需要的滲透率數值。

2.2 試驗數據敏感性分析

敏感性分析中S1、S2、S3與滲透率對應的參數分別為5 mD、1.5 mD、0.5 mD，與壓力對應的參數分別為10 MPa、18 MPa、20 MPa，與注入速度對應的參數分別為0.5 mL/min、0.8 mL/min、1 mL/min。滲透率、壓力、注入速度三因素敏感性分析結果見表5。

圖2 CO2驅油試驗動態變化曲線Fig.2 Dynamic curves of CO2 flooding experiment

注：S1、S2、S3所對應的滲透率、壓力、注入速度的數值是由3個因素的某一設定水平參數對應的3組試驗得到的驅油效率(表3)相加求和得到。即滲透率S1=試驗1驅油效率+試驗2驅油效率+試驗3驅油效率，壓力S1=試驗1驅油效率+試驗4驅油效率+試驗7驅油效率，注入速度S1=試驗1驅油效率+試驗6驅油效率+試驗8驅油效率。其他數值可同理求得。

通過分析可知，滲透率、壓力、注氣速度對應的極差分別是1.01、15.63、1.28。說明在設定的3個影響因素中，對驅油效率影響最大的是壓力，其次依次為注入速度、滲透率。同時通過優水平分析，滲透率最優為0.5 mD，壓力最優為20 MPa，注入速度為1 mL/min，此結果與上述正交試驗結果分析得到的結論一致。

根據試驗敏感性分析所得數據，可進一步分析滲透率、驅替壓力、注入速度對驅油效率的影響，并討論3種因素影響驅油效率的具體原因。

2.3 滲透率對驅油效率的影響

CO2驅油效率隨滲透率的變化趨勢如圖3所示。結果顯示，滲透率為5 mD、1.5 mD、0.5 mD時對應的驅油效率分別為71.19%、72.09%、72.20%。隨滲透率的降低，CO2的驅油效率增加。造成此現象的因素主要有兩個：流速和壓差。低滲透率巖心中的低速流體一方面有利于CO2和原油充分接觸，使原油有充足的時間溶解更多的CO2，以更好地改善原油物性并增加其膨脹系數，使原油黏度降低，更易流動，從而提高CO2的驅油效率；另一方面，低速流體可使CO2更易驅替細小孔隙中的原油，從而降低儲層中的殘余油飽和度并進一步提高驅油效率。驅替過程中，低滲透率巖心的驅替壓差大于高滲透率巖心，因此在相同的回壓條件下，低滲透率巖心具有較高的注入壓力。高注入壓力可在一定程度上提高原油中CO2的溶解度。此外，地層原油的物性得到了更好的改善。因此低滲透率巖心的CO2驅油效率更高。

圖3 不同滲透率下的驅油效率變化曲線Fig.3 Curve of oil displacement efficiency at different permeability

2.4 壓力對驅油效率的影響

圖4 不同壓力下的驅油效率變化曲線Fig.4 Curve of oil displacement efficiency at different pressures

CO2驅油效率因壓力的變化會有較大差別。如圖4所示，驅油效率隨著壓力保持水平增加而上升。這種趨勢應該是由于壓力增大，原油中可以溶解更多的CO2，增加了原油的膨脹系數和飽和壓力，減小了原油黏度，原油更易流動，同時細小孔隙中的原油也可溶解更多的CO2，從而易于被驅替。由于原油可以溶解更多的CO2，油氣性質越來越接近，兩相之間的界面張力減小，原油中CO2的指進程度也將降低，因此減少了滯留在驅替前緣后面的原油含量。當系統壓力保持在CO2和地層原油的最小混相壓力水平之上時，油氣兩相之間的界面及界面張力完全消失并在驅替前沿形成混相帶。由于在巖心混相帶中的流體流動具有均質性，CO2驅替效率將會大大提升。研究區致密砂巖儲層原油與CO2的最小混相壓力為17.8 MPa，通過試驗結果可知，驅油效率在壓力保持為20 MPa水平 時可平均高達77.6%。另外，在CO2突破后，儲層中部分滯留的原油會通過CO2的萃取作用被驅替出來，同時CO2的萃取能力會隨系統壓力的提高而增強。因此，壓力保持水平越高，CO2的驅油效率也隨之提高。

2.5 CO2注入速度對驅油效率的影響

圖5 不同注入速度下的驅油效率變化曲線Fig.5 Curve of oil displacement efficiency at different injection speeds

通過試驗結果可發現，CO2注入速度對驅油效率存在一定影響。如圖5所示，在試驗設定的速度變化范圍內，注入速度的增加將在一定程度上提高CO2的驅油效率，但增長較小且驅油效率的增長幅度隨注入速度的提升會有一定程度的降低。并且需要注意，此趨勢并不代表在實際實施過程中應以過高的速度注入氣體，因為驅替試驗所用柱狀巖心在一定程度上可以認為是均質的，并不能真實代表非均質性油藏，尤其是在氣驅過程中，由于非均質性引起的氣竄在實際油藏中是不可避免的，而過高的速度必然引起生產井過早突破并發生氣竄。

3 結論

(1)通過不同滲透率、不同壓力、不同注入速度的三因素三水平CO2驅油試驗結果對比可知：①隨著滲透率的增加，CO2驅油效率下降，但是驅油效率差別較小；②不同壓力下，CO2驅油效率差異較大，隨著壓力保持水平的不斷提高，驅油效率呈上升趨勢；③同時，試驗結果表明，CO2注入速度對驅油效率具有一定影響，CO2驅油效率隨注入速度的增加而有所上升。但在實際油藏條件下，應選擇適當的注入度，因為過高的CO2注入速度會導致生產井過早突破和氣竄。

(2)通過分析滲透率、壓力、注入速度的敏感性可知：①3種因素對驅油效率的影響程度排序為：壓力>注入速度>滲透率；②在設定的滲透率、壓力、注入速度的參數中，最優值分別為0.5 mD、20 MPa、1 mL/min。