砂礫巖致密油藏超臨界二氧化碳吞吐適應性分析

施雷庭,張玉龍*,戶海勝,張 景,高 陽,張 恒,王 路

(1.油氣藏地質與開發工程國家重點實驗室，成都 610500；2.中國石油新疆油田分公司勘探開發研究院，克拉瑪依 834000)

隨著中國經濟的迅速發展，能源需求持續增加。特別是石油資源消耗巨大，對外依存度不斷增高給國家能源安全帶來了潛在的威脅[1-3]。近年來，在中國新疆地區發現石油資源近50×108t，對中國油氣資源可持續發展具有重要意義[4-5]。研究發現該油藏為砂礫巖油藏，由于其滲透率低(0.08～19.4 mD)、儲層孔隙極小的特性，常規注水開發難以實現油藏的高效開發，迫切需要更有效的方法提高油藏開發效果。研究發現氣驅是提高致密油藏采收率最有前景的方法，其中CO2吞吐開發具有投資少、見效快等優點，在中外各油田已得到廣泛應用，并取得了良好的效果[6-11]。在CO2吞吐開發過程中，由于CO2氣體活性較強極易溶于水和原油并與之作用，當CO2與水作用較強會消耗大部分CO2降低CO2在采油過程中的利用率，因此有必要研究地層水存在對超臨界CO2吞吐采油效果的影響。為解決該問題，設計模擬地層條件下超臨界CO2吞吐飽和油巖心以及含束縛水飽和油巖心實驗，通過研究不同燜井時間下兩種巖心中采出油量、采出油組分變化、吞吐前后油相滲透率變化等。并重點探討CO2在地層水和原油中作用的強弱關系，為砂礫巖致密油藏超臨界CO2吞吐提高采收率提供相應的技術支持[12-18]。

1 實驗部分

1.1 實驗材料和儀器

實驗材料：砂礫巖致密油藏現場巖心、脫氣脫水原油(常溫常壓下黏度為3.2 mPa·s，密度為0.833 g/cm3)、模擬地層水(離子組成如表1所示)、CO2氣瓶(純度99%)。

實驗儀器：超臨界CO2高溫高壓反應裝置如圖1所示，該裝置流程圖如圖2所示；原油組分測試儀(圖3)、ISCO泵、壓力傳感器、中間容器、圍壓泵、巖心夾持器、采集系統等。

圖1 超臨界CO2高溫高壓反應裝置Fig.1 Supercritical CO2 high temperature and high pressure reactor

圖2 超臨界CO2高溫高壓反應裝置流程圖Fig.2 Supercritical CO2 high temperature and high pressure reaction device flow chart

圖3 原油組分測試儀Fig.3 Crude oil component tester

1.2 實驗方法

1.2.1 實驗條件

實驗溫度為70 ℃，壓力30 MPa，燜井時間為2、5、10、15 d。

1.2.2 實驗步驟

(1)巖心飽和油:每組實驗選取巖心參數相近的3塊巖心(多組實驗避免偶然現象)在溫度70 ℃條件下注入原油，注入速度為0.05 mL/min，待出口端出油后持續4 h后取出飽和油巖心放置在70 ℃恒溫箱中水平放置老化2 d。同理制備含束縛水飽和油巖心，先抽真空飽和地層水，再按上述操作步驟飽和原油并記錄飽和油以及束縛水量。

(2)巖心油相滲透率測試:選取步驟(1)飽和油后巖心以0.05 mL/min流速注入原油，待進油管線出口端出液平穩后記錄此時初始壓力，然后將管線接入巖心夾持器入口處水平閥并打開夾持器兩端閥門以0.05 mL/min的流速進行注入原油，直至壓力穩定記錄最終壓力數據，飽和油及油相滲透率測試流程如圖4所示。

圖4 飽和油及油相滲透率測試流程圖Fig.4 Saturated oil and oil phase permeability test flow chart

(3)巖心CO2吞吐：將3塊飽和油巖心放入反應釜巖心杯中并用高密鐵絲網封住端面，燜井2、5、10、15 d后觀測反應釜內壓力不在變化，停止對飽和油后巖心進行CO2吞吐實驗。從反應容器中取出巖心，用電子天平稱取巖心飽和前后質量，采集反應釜內巖心杯中原油以備下一步組分測試。

(4)吞吐后巖心油相滲透率測試及采出油組分測試：重復步驟(2)測試吞吐后巖心油相滲透率，并用油組分測試儀測試不同燜井時間兩種巖心采出油原油組分。

2 實驗結果及分析

2.1 超臨界CO2吞吐飽和油巖心

2.1.1 不同燜井天數下采收率及油相滲透率變化

吞吐前各巖心參數如表2所示，利用吞吐前后飽和油壓力計算巖心油相滲透率(表3)。由表3可知，燜井2 d后，3塊巖心有兩塊油相滲透率降低，1塊增加；燜井5 d后3塊巖心油相滲透率均有所增加；燜井10 d后1塊巖心油相滲透率增加，2塊降低；燜井15 d后1塊巖心油相滲透率增加，2塊降低。超臨界CO2吞吐飽和油巖心油相滲透率出現部分增加部分降低無明顯規律。

根據表3在同樣燜井時間下3塊巖心采收率變化不大，選取3組實驗平均值作為對應燜井時間下超臨界CO2吞吐原油采收率得出：燜井2、5、10、15 d采收率別為35.72%，46.76%，55.74%，51.02%。隨著燜井時間增加采收率逐漸增加在10 d后達到平穩。

表2 吞吐前各飽和油巖心基本參數Table 2 Basic parameters of saturated oil core before throughput

表3 吞吐前后飽和油巖心油相滲透率及采收率Table 3 Permeability and recovery factor of saturated oil core oil phase before and after handling

2.1.2 不同燜井天數下采出油組分變化

不同燜井天數下飽和油巖心采出油組分如圖5所示。根據飽和油巖心采出油組分隨燜井時間變化曲線(圖6)可知，隨著燜井時間的增加采出原油組分中C12以上的質量分數逐漸增加，其中C12～C21區間增加較為明顯，燜井2、5 d的采出油組分隨燜井天數變化曲線有明顯的向右偏移現象,燜井5 d后變化不大，在這段時間CO2的萃取作用較為明顯。

圖5 不同燜井天數下飽和油巖心采出油組分Fig.5 Oil recovery from saturated oil cores under different well days

圖6 飽和油巖心采出油組分隨燜井天數變化曲線Fig.6 Curve of oil component produced by saturated oil core with the number of days in the well

2.2 超臨界CO2吞吐含束縛水飽和油巖心

2.2.1 不同燜井天數下采收率及油相滲透率變化

吞吐前各巖心參數如表4所示，利用吞吐前后飽和油壓力計算巖心油相滲透率如表5所示。燜井2、5、10、15 d后所有巖心油相滲透率均降低，且在燜井15 d后油相滲透率測試壓力曲線一直緩慢波動上升無法平穩，表明巖心內部出現堵塞現象。超臨界CO2吞吐含束縛水飽和油巖心使得巖心油相滲透率降低巖心物性變差。

根據實驗得出飽和油水量，采出油水總量，采出油量以及原油采收率如表5所示。通過計算得出超臨界CO2吞吐含束縛水巖心產出液量占總量百分比對應不同燜井時間(2、5、10、15 d)分別為40.37%、49.82%、59.43%、57.08%，其中原油采收率分別為17.57%、25.85%、34.84%、34.34%。

表4 吞吐前各含束縛水飽和油巖心基本參數Table 4 Basic parameters of each core containing irreducible water saturated oil before puffing

表5 吞吐前后含束縛水飽和油巖心油相滲透率及采收率Table 5 Oil-phase permeability and recovery factor of bound oil-saturated oil before and after handling

2.2.2 不同燜井天數下采出油組分變化

含束縛水飽和油巖心超臨界CO2吞吐隨著燜井天數增加采出油組分如圖7所示。根據采出油隨燜井時間變化曲線(圖8)可以看出隨著燜井時間的增加，采出原油組分中C13以上的質量分數逐漸增加，其中C13～C18增加較為明顯，燜井2、5 d采出油組分隨燜井天數變化曲線表現出向右上輕微偏移現象，而5 d后變化不大，在這段時間CO2的萃取作用較為明顯。

圖7 不同燜井天數下含束縛水飽和油巖心采出油組分Fig.7 Oil-bearing oil fractions containing bound water-saturated oil cores under different well days

圖8 含束縛水飽和油巖心采出油組分隨燜井天數變化曲線Fig.8 Curve of the oil composition of the core containing the irreducible water saturated oil with the number of days of the well

3 討論

通過超臨界CO2吞吐飽和油巖心與含束縛水飽和油巖心實驗可知在飽和油巖心中采出流體為原油，在飽和束縛水巖心中吞吐采出流體為地層水和原油。對比采出液體量和原油采收率(圖9)可得在飽和油巖心中采出流體量小于含束縛水飽和油巖心中采出流體量，但在含束縛水飽和油巖心中吞吐原油采收率遠小于飽和油巖心中原油采收率。

圖9 超臨界CO2吞吐兩種飽和油巖心液體采出率隨燜井時間變化曲線Fig.9 Fluid recovery curves of two kinds of saturated oil cores during supercritical CO2 huff and puff with soaking time

由圖9可知，在飽和油巖心超臨界CO2吞吐后巖心油相滲透率有部分增加，部分降低并無明顯規律。有束縛水存在時巖心吞吐后油相滲透率均降低且燜井達到10 d以后巖心油相滲透率測試壓力曲線波動上升無法達到平穩，巖心內部出現堵塞現象，表明CO2在含束縛水飽和油巖心中與水和地層水中的離子作用較強。

隨著燜井時間的增加兩種情況下采出油輕質組分含量逐漸降低重質組分含量逐漸增加。束縛水存在時采出油組分中輕質組分含量比只飽和油巖心采出油中輕質組分要高，地層水存在減弱了CO2對原油的萃取能力，使得采出油組分變輕(表6)。

表6 超臨界CO2吞吐飽和油/含束縛水飽和油巖心采出原油組分Table 6 Components of crude oil produced from saturated oil/saturated oil cores containing irreducible water by supercritical CO2 huff and puff

4 結論

(1)束縛水存在增加了超臨界CO2吞吐采出流體量但降低了原油的采收率，采收率隨燜井時間增加而增加在10 d后達到平穩。

(2)隨著燜井時間的增加采出油輕質組分含量逐漸降低重質組分含量逐漸增加。束縛水存在時采出油組分中輕質組分含量比只飽和油巖心采出油中輕質組分要高，地層水存在減弱了CO2對原油的萃取能力，使得采出油組分變輕，CO2萃取原油組分區間為C12～C21。

(3)束縛術存在下CO2與地層水中Ca2+作用產生沉淀現象是導致吞吐后巖心油相滲透率下降的主要原因。CO2與水作用強度大于與原油作用強度。

(4)砂礫巖致密油藏注CO2吞吐能夠提高原油采收率，但隨著開采時間的增加油藏含油飽和度逐漸降低，CO2與原油作用效果會逐漸減弱，在油藏開采初期直接進行CO2吞吐最好。