二氧化碳驅動用儲層微觀界限研究

鄧瑞健，田 巍，李中超，趙良金，戴厚柱

(中國石化中原油田分公司，河南 濮陽 457001)

0 引 言

近年來，CO2驅技術被認為是老油田效益開發的有效手段，越來越受到國內外研究者的重視，大量的室內實驗和礦場試驗積累了豐富的經驗[1-6]，成為三次采油中提高采收率最重要的技術之一。目前，對于CO2驅的開采機理已基本清楚，相關的配套技術也基本完善[7-8]，但由于之前科技手段的限制，仍有一些技術問題認識不清，如CO2發生氣竄后還有沒有效果、CO2作用最小孔喉界限是多少等問題。隨著科技的發展，一些先進的實驗手段和交叉學科技術被引入到油氣行業[9-17]，為油氣田的開發和研究帶來了新的生機，為此，以中原油田某儲層為例，深入研究CO2驅的驅替作用特征和微觀作用孔喉界限，進一步明確注入地下的CO2的作用效果及作用的微觀孔喉界限，為老油田的效益開發提供重要參考。

1 實驗材料與方法

1.1 微觀可視化實驗

為進一步明確CO2在非均質條件下能動用的孔喉區間，設計了微觀可視化旁通模型。該模型為并聯的2個小孔道，2個孔道孔徑不同(存在一定級差)，其中，小孔道和大孔道直徑分別為100、300 μm，采用合注合采的方式進行CO2驅。實驗用原油為中原油田某儲層的地層原油，地層原油密度為0.768 8 g/cm3，地層原油黏度為1.82 mPa·s，最小混相壓力為18.19 MPa。實驗模型在飽和油后，分別在注入壓力為15、20、25 MPa條件下開展CO2驅實驗，研究非混相與混相條件下CO2的驅替規律及微觀作用特征。

1.2 巖心驅替T2譜測試

將充分飽和地層流體的多孔介質置于核磁共振儀器的靜電場中，多孔介質中的流體質子即被極化，若此時在磁場垂直方向上加一射頻脈沖，則會產生核磁共振信號，通過采集該信號，并經過數學計算，即得到巖心內孔隙流體的T2弛豫時間譜數據。實驗樣品取自中原油田濮城某儲層具有代表性的巖心，巖心夾持器為特制陶瓷結構夾持器，在不泄壓情況下可置于核磁共振儀中，耐壓為45 MPa，耐溫為100 ℃，實驗完全模擬實際地層條件，CO2驅實現混相驅。采用與微觀可視化實驗相同物性的原油，按照巖心驅替實驗的流程開展實驗，實驗按照先飽和水，再飽和油，之后水驅至含水為98%，再改注CO2，直至不出油為止，結束實驗。分別測定充分飽和油后、水驅至含水為98%時、氣驅結束時的巖心的T2譜數據，之后將T2譜數據轉化為巖心的喉道半徑，進而確定CO2驅的微觀作用界限。

2 結果與分析

2.1 微觀可視化實驗結果與分析

圖1為采用該旁通模型在不同驅替壓力下的實驗結果。其中，圖1a—c為非混相驅結果。該驅動過程分為2個階段：第1階段以溶解和驅替作用為主，注入的CO2首先作用于大孔道，一部分CO2溶解在原油中，還有一部分CO2以分散相氣泡的形式存在于孔道中，同時在一定驅動壓力下，推動原油向出口端移動，直到大孔道中氣體突破，氣體在大孔道形成連續相，大孔道只剩余油膜和盲端殘余油，而小孔道剩余油較多(圖1b)，且存在較多分散的CO2氣泡；第2階段以溶解和抽提為主，小孔道中的剩余油形成柱狀剩余油，相當于一個大的盲端中的剩余油，只是盲端體積較大，與氣體接觸面較小，因此，小孔道中該部分剩余油兼具柱狀剩余油與盲端剩余油的特性。作為盲端剩余油，與氣體接觸的剩余油存在氣體溶解，溶解過程中伴隨著原油體積膨脹和黏度降低，在小孔道中存在不連續的氣體，導致膨脹出小孔道的原油被大孔隙中或末端的氣流攜帶產出，同時在氣、油接觸面存在氣液傳質作用及抽提作用，導致小孔道中該部分原油溶解CO2后黏度降低，黏滯阻力減小，在較低驅動壓差下柱狀剩余油被動用，并最終被驅替產出(圖1c)，之后小孔道中剩余油的蒸發和萃取占主導作用，而大孔道中的剩余油一直和CO2充分接觸，被充分蒸發和萃取，因此，大、小孔道最終殘余油輕質組分較少。

圖1 不同驅替壓力下CO2與原油作用過程

圖1d—i為2個驅動壓力混相條件下的實驗結果。驅替過程分為2個階段：第1階段以溶解和驅替為主，抽提作用為輔，注入的CO2首先溶解到原油中，在注入量較大時伴隨著抽提作用，并在一定驅動壓差下推動大孔道中的原油向出口移動，CO2在孔道中呈分散相，直至在大孔道突破形成連續相，大孔徑內剩余油以油膜的形成附著在模型壁表面，小孔道剩余油較多(圖1e)；第2階段以溶解和抽提為主，作用過程同非混相驅第2階段，但由于是混相狀態，溶解能力更強，膨脹體積更大，抽提作用也更明顯，最終的殘余油為重質組分或瀝青質(圖1f、i)。

對比20、25 MPa下的實驗結果可以發現，在高于混相壓力后，CO2與原油作用機理相同，但25 MPa比20 MPa下抽提作用更劇烈。第1階段在大孔道形成油膜的成分偏重質組分，在第2階段，特別是油氣接觸面處輕質組分被抽提出，剩余油偏重質組分，吸附力較大，該截面在驅替向前推進過程中會粘附在邊壁上。因此，小孔道驅替突破后，殘余的油膜仍以重質組分為主，通常情況下，壓力越高，抽提作用越明顯，導致在25 MPa下殘余油更多(圖1i)，組分也更重。因此，驅替壓力并非高于混相壓力的數值越多越好，在高于最小混相壓力附近氣體作用效果更佳(圖1f)。

綜上分析可知，根據該實驗模型，無論是混相還是非混相，CO2驅均沒有出現大孔道氣竄后而小孔隙作用不到的情況。可見，存在一定滲透率級差的情況下，氣竄后對CO2的驅油效果影響并不明顯，CO2仍可發揮其良好的驅油特性，即CO2仍可作用到更低級別孔道中的原油，并將其中的原油驅出。由于旁通模型是類似于巖心孔隙網絡結構的簡化模型，制作更小級別孔徑的模型難度較大，因此，要詳細確定CO2能作用到的具體儲層微觀孔喉空間，仍需采用天然巖心在嚴格模擬油藏條件下的氣驅實驗來完成。

2.2 巖心驅替T2譜測試結果與分析

按照設定實驗步驟分別進行巖心實驗和T2譜測試，并將T2譜數據轉化為喉道半徑數據[16-21]，測試結果見圖2。

圖2 不同驅替介質下的剩余油分布

由圖2可知：飽和油后的曲線面積為區域a、b、c、d 4部分面積之和，即為總含油，亦即飽和油后喉道半徑分布曲線(以下簡稱曲線1)與橫坐標軸所圍區域的面積；水驅后的喉道剩余油分布曲線(以下簡稱曲線2)與曲線1飽和油后喉道半徑分布曲線在10-1μm之前幾乎重合，在10-1μm之后2條曲線分開，曲線重合表示對應孔道中的流體無變化，即孔隙中的原油沒有被動用，曲線2水驅后的喉道剩余油分布曲線與橫坐標軸所圍面積為水驅后的剩余油分布狀況，而區域a為曲線1飽和油后喉道半徑分布曲線所圍面積與曲線2水驅后的喉道剩余油分布曲線所圍面積的重疊部分，即為水驅原油被動用的部分，水驅動用了喉道半徑在10-1μm以上的孔隙中的原油，而10-1μm以下孔隙中的原油沒有發生變化；CO2驅后的喉道剩余油分布曲線(以下簡稱曲線3)與曲線1飽和油后喉道半徑分布曲線、曲線2水驅后的喉道剩余油分布曲線在10-2μm以下幾乎都是重合的，而在10-2μm以上曲線3 CO2驅后的喉道剩余油分布曲線與上述2條曲線分開，亦即CO2驅動用了10-2μm以上所有孔隙中的剩余油，曲線3CO2驅后的喉道剩余油分布曲線與橫坐標軸所圍面積為氣驅后的殘余油狀況，若直接采用CO2混相驅開發，則可動用10-2μm以上所有孔隙中的原油，可動用區域為a、b、c面積的總和。因此，CO2驅和水驅相比，進一步動用了10-2～10-1μm孔道中的原油，區域b和c即為在水驅基礎上提高采收率的產量，區域d為氣驅開發后的剩余油分布狀況，可見CO2驅開發可在水驅基礎上進一步提高采收率。

根據圖2的結果，按照面積比例計算了水驅和CO2驅可動流體分布狀況(表1)。由表1可知：水驅后，可動流體百分比降低36.83個百分點，不可動流體百分比僅降低6.28個百分點；實施CO2驅后，可動流體百分比相較于水驅降低46.38個百分點，而不可動流體百分比相較于水驅降低39.49個百分點。可見，水驅基本未動用不可動流體飽和度，而CO2驅大幅度降低了可動流體和不可動流體百分比，表明在水驅后實施CO2驅起到了較好的驅油效果。

表1 水驅和CO2驅后巖心中的流體分布

綜合核磁共振結果和剩余油分布特征[22-25]分析表明：實施水驅能采出大量的大、中孔隙中的原油，微小孔隙和小孔隙中的原油動用較少；在水驅后進行CO2驅，能采出大量被注入水大量沖刷的大、中孔隙中的原油，同時能采出水驅無法波及到的小孔隙和微小孔隙中的原油，即CO2驅能提高水驅波及區域的驅油效率，擴大微觀波及效率，動用水驅無法動用的區域。該研究進一步明確了CO2驅可動用巖石的微觀界限，采用CO2驅將巖石中原來不可動的儲量轉化為可動儲量，提高了原油采收率。

3 在預測新增可動用儲量中的應用

CO2驅可動用的微觀孔隙界限為10-2μm以上，而水驅可動用的微觀孔隙界限為10-1μm以上，則在水驅基礎上CO2驅可動用的孔喉區間為10-2～10-1μm，這相當于新增了可動用儲量空間。通過壓汞曲線的喉道分布曲線，可進一步確定不同滲透率級別的油藏CO2驅能增加的可動用儲量范圍，同時由于水驅大孔道中的剩余油也能被部分動用，實際增加可采儲量要高于該值。

圖3為不同滲透率級別儲層的喉道分布曲線。由圖3可知，曲線上喉道半徑為10-2～10-1μm的部分所占據體積為水驅基礎上新增可動用儲量儲集空間，按照壓汞曲線可求得在該區間上不同滲透率級別的儲層新增可動用儲量的百分點。研究表明，致密儲層、超低滲儲層、特低滲儲層、低滲儲層在水驅后采用CO2驅新增可動用儲量分別為36.64、36.33、41.35、22.37個百分點，因此，對于不同滲透率級別的儲層，CO2驅是水驅后的油藏經濟開發的有效途徑，對于緩解國內石油供需的矛盾具有一定積極作用。

圖3 不同滲透率級別儲層的喉道分布

4 結 論

(1) CO2具有較高的驅油效率和洗油能力，可將原來不可動的盲端、壁面油膜及柱狀剩余油通過溶解、膨脹、降黏和抽提作用轉化為可動油，擴大了波及體積。

(2) 水驅后的儲層采用CO2驅可進一步提高采收率，水驅能動用的微觀孔喉空間為10-1μm以上，而CO2驅能動用孔喉為10-2μm以上的微觀儲集空間。

(3) 采用CO2驅新增可動用儲量為20.00個百分點以上，滲透率越低，水驅后采用CO2驅新增可動用儲量越多。