CO2非混相驅微觀孔喉波及特征研究

李夢越 劉穎 王力

摘 ? ? ?要：為明確CO2非混相驅波及特征與其影響因素，采用實驗與數值模擬相結合的方式，對低滲巖心取樣并進行CT掃描構建其二維微觀孔喉模型。在此基礎上，借助Comsol流體軟件進行有限元計算，從微觀角度對比了CO2驅和水驅的波及特征與區別，并對不同巖石潤濕性下的CO2驅進行研究。結果表明：微觀孔喉內水驅形成單一流通通道，油水界面分明并以活塞式驅油的方式流動，而CO2驅則形成多個流通通道，油氣界面存在明顯過渡段并以頂替原油的方式流動;不同的孔喉壁面潤濕性會對油相流動效果產生顯著影響，巖石由親油向中間潤濕性轉變后油相流動效果變好，親油巖石向疏油性轉變后油相流動效果變差。

關 ?鍵 ?詞：非混相驅;微觀孔喉;潤濕性;數值模擬

中圖分類號：TE19 ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? 文章編號： 1671-0460（2020）04-0509-05

Abstract： In order to clarify the sweep characteristics and influencing factors of CO2 immiscible flooding， a two-dimensional microscopic pore-throat model was constructed by sampling the low-permeability core and performing CT scanning through experiments and numerical simulation. On this basis， the finite element calculation was carried out with Comsol fluid software. The sweep characteristics and differences of CO2 flooding and water flooding were compared from the microscopic point of view， and the CO2 flooding under different rock wettability was studied. The results showed that the water flooding in the micro-hole throat formed a single circulation channel， the oil-water interface was distinct and flowed in the form of piston-type oil displacement， while the CO2 flooding formed multiple circulation channels， and there was a significant transition section at the oil-gas interface and flowed in the form of displacement of crude oil. Different wettability of the pore throat wall had significant influence on the oil phase flow effect. The oil phase flow effect was better after the transition from oleophilic wettability to intermediate wettability， and the oil phase flow effect was worse after the transition from the lipophilicity to oleophobicity.

Key words： Immiscible flooding; Microscopic pores throat; Wettability; Numerical simulation

近年來，國內多個注水開發的低滲油藏嘗試轉變為注CO2開發，取得一定成效。但由于CO2與原油的微觀作用機制尚不明確，限制了該技術優點的進一步提升。針對我國現有油藏情況，大多數低滲油藏和復雜油藏都可進行二氧化碳驅油，但因地層多年開采會導致國內多數油田地層壓力處于低于混相壓力情況，所以非混相注氣研究十分具有意義。現國內多個研究者借助刻蝕微觀模型對CO2驅油兩相進行了實驗研究[1，2]。但進行微觀可視化實驗前的準備工作過于繁瑣，實驗模型參數變化范圍較廣，模型制作周期相對較長，且擁有高成本制作等缺點。所以，通過微觀可視化實驗來研究二氧化碳驅油并不是理想之選。與此同時，很少有研究者使用計算模型來模擬CO2/油兩相的非混相運移特性。所以，應用CT技術掃描真實巖心來模擬微觀孔喉內的CO2波及特征對油田現場CO2驅油具有現實意義。

1 ?基于CT技術二維孔喉模型的構建

1.1 ?CT成像原理

CO2非混相驅油數值模擬是在CT掃描真實巖心構建的二維微觀孔喉模型基礎上進行的。CT機由X射線發射裝置、接收器及載物臺三部分組裝而成。X射線穿過巖心會發生相應的物理變化，如光電效應、康普頓效應等其他物理過程[3]。

接收器識別到減弱后的X射線并呈現為可投影圖像。通過180°或360°旋轉載物臺獲得不同角度的巖心照片。圖1為CT掃描原理示意圖。圖2為Micro-CT掃描儀器。

1.2 ?掃描流程與結果

1.2.1 ?樣品制備

掃描樣品來自吉林油田。通過對巖心薄片資料分析，該油層巖性主要以細砂巖、粉砂巖為主，伴有少量泥質粉砂巖、鈣質粉砂巖和巖屑粉砂質細砂巖等[5]。填隙物成分主要有三種，分別是灰質、高嶺石和泥質。圖3為巖心示意圖。

1.2.2 ?CT掃描實驗步驟

應用Phoenix-nanotom-s（菲尼克斯納米級）CT機進行掃描。圖4為該機器圖片。實驗步驟具體如下[6]：

（1）巖樣放置在65 ℃的干燥恒溫箱內干燥40 h，再將巖樣牢固放置于載物臺上，確保實驗時不會發生晃動、傾斜和傾倒等問題。

（2）將研究區域置于樣品臺中心，調整巖樣、探測器和X射線之間距離。

（3）調整載物臺，令巖樣與探測器處于適宜距離。

（4）用4X鏡頭進行拍照。

（5）用10X鏡頭進行拍照，精確目標點位置。

（6）背景圖像修正。

（7）通過工作參數范圍確定不同角度的透射圖像。

（8）灰度圖像重建。

1.2.3 ?CT掃描結果

圖5為CT掃描結果圖像。藍色方框內為截取部分來作為模型基礎。圖中深色部位代表孔隙，淺色部位代表基質，高亮部位代表密度值偏大區域。掃描分辨率為1.25 ?m×11.29 ?m×16.02 ?m。像素為2 223×2 214×1 516二維灰度切片圖。

1.3 ?圖像處理及孔喉網格模型構建

圖像處理是建立二維微觀孔喉模型的關鍵一步。一般CT掃描獲得的圖像都存在不同種類的噪聲。去除噪點常使用濾波技術。常用的濾波算法有高斯濾波、中值濾波、均值濾波[7]。本文應用中值濾波去除噪點，相關的濾波公式為：

2.2 ?數值模擬及分析

2.2.1 ?邊界設置

圖7為模型邊界條件設置。CO2/水分別由右邊紅色邊界注入，設置為速度入口，模型左邊綠色邊界設置為壓力出口，出口壓力設置為0，注氣驅替和注水驅替方向均為由右向左。模型中藍色邊界設置成無滑移潤濕壁，黃色邊界設置成對稱邊界。

模型初始條件為飽和油狀態，地層油溫度為313.15K，環境壓力為8 atm，接觸角為90°。采用SIMPLE壓力修正項，求解器應用PARDISO[9]，模擬所用物性參數見表1所示。

2.2.2 ?水驅油數值模擬及分析

圖8為不同階段下的油水分布圖。紅色為油相，藍為水相。可知水驅中因油水不互溶的特性使得油水界面分明。隨著注入時間增加，注入水整體成指型以活塞注入的形式向前驅替，孔喉內的原油驅替較為徹底。水驅一旦形成優勢通道后，水不再波及周圍區域，盲端內剩余油動用較少。剩余油主要存在于壓力未能波及到的死油區。

2.2.3 ?CO2驅油數值模擬及分析

圖9為不同階段下的油氣分布圖。紅色為油相，藍為CO2相。可知CO2與油間存在過渡界面。當通過細喉道時，CO2前端受喉道毛管力阻礙作用會產生液滴分離。注入的CO2以頂替原油的方式進行驅油且會形成多個流動連通通道。CO2驅形成優勢通道后因CO2較低的黏度造就了自身很好的流動性，所以CO2驅的波及面積更大，剩余地層油更少。CO2驅剩余油多為氣體擴散后壓力所波及未至的區域及盲端內剩余油。

圖10為原油體積分數變化曲線。由曲線可知，水驅一旦形成優勢通道，注入水再向周邊波及的能力幾乎為零。再看CO2驅油曲線，前期CO2向前頂替原油，剩余油體積分數急劇下降，后期由于CO2良好的擴散性，剩余油體積分數曲線緩慢下降。

2.2.4 ?潤濕性對CO2驅油流動特性

分別將接觸角設置為30、90、150°進行CO2非混相驅油模擬。

圖11為不同潤濕性穩定流動下的油氣分布圖。由圖可知，接觸角為30°時，油氣界面始終凹向氣體一側，驅替期間因壁面的強濕特性，使得CO2包裹地層油形成油滴懸浮于氣相內且不易被后注入的氣體攜帶出;接觸角為90°時，界面曲率趨近于無限大，毛管力近乎于零，所以在喉道和孔隙內CO2進入的距離相差無幾;接觸角為150°時，CO2驅替前緣呈圓滑凸液面，注氣后期喉道內易發生CO2倒吸現象。

圖12為不同潤濕性下孔喉內原油體積分數變化曲線。由曲線可知，潤濕性對CO2驅油效果影響重大。壁面接觸角90°時，剩余油體積分數最小;接觸角為30°時，次之;接觸角為150°時，剩余油體積分數最大。不同巖石潤濕性模擬后的剩余油飽和度和驅替效率見表2。

3 ?結論

（1）中性巖石壁面微觀孔喉內水驅以活塞式驅油的方式流動，而CO2驅以頂替原油的方式流動;水驅只形成單一流通通道且油水界面分明，而CO2驅則形成多個流通通道且油氣界面存在明顯過渡段;水驅在形成流動連通后水不再向四周波及，剩余油體積分數趨于穩定，而CO2驅構成連通后在擴散的作用下出口會持續出油，直到驅動壓力波及不出剩余油時體積分數才趨于穩定。

（2）隨潤濕壁接觸角的增大，油氣相態接觸界面逐漸由凹向CO2相轉變凹向剩余油相，流動模式從活塞式驅油轉變為頂替原油驅油方式。隨接觸角的增大，CO2相中懸浮的油滴減少，剩余油分布中卡斷剩余油增多。可知接觸角為90°時驅油效果最好。

參考文獻：

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