低滲透油藏中CO2與原油的相互作用*

劉家軍，李立峰，高 苗

（1.中國石化江蘇油田采油二廠，江蘇金湖 211600；2.中國石油大學（華東）石油工程學院，山東青島 266580）

目前，江蘇油田低滲透油藏動用儲量9700 萬噸，占全油田地質儲量的48%，提高低滲透油藏采收率是油田穩產的關鍵。研究表明，注CO2是提高低滲透油藏采收率的有效方法［1］。但在江蘇油田實踐中，注CO2提高采收率未能達到預期效果，限制了這項技術的規模應用［2］。其主要原因是對油藏狀態下CO2與原油間的相互作用缺少認識，提高采收率機理不明確，導致選井缺少針對性。研究表明，油藏狀態下CO2一方面能萃取原油中的輕質組分［3-5］，另一方面能溶解于原油，促使原油體積膨脹、黏度降低［6-10］。當前關于CO2萃取原油、對原油的溶解膨脹與降黏等已有較多的研究［10-16］，但對這兩種作用的具體表現及對采收率的影響機制仍沒有統一的認識，這也是限制現場技術應用的主要瓶頸。因此，本文首先通過CO2萃取和溶解實驗，分析CO2與原油相互作用的規律，然后開展CO2驅油實驗研究CO2驅油過程中低滲基質原油的動用特征，探索CO2與原油相互作用對提高采收率的影響。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

江蘇油田輕質原油，地面密度為843.4 kg/m3（20 ℃，0.101 MPa），黏度為5.2 mPa·s（60 ℃，0.101 MPa）；CO2，純度為99.99%；驅油實驗用巖心模型尺寸為φ2.5 cm×6.0 cm，滲透率為13.5×10-3μm2，孔隙度20.2%。

MesoMR23-060H-I 型核磁共振分析儀，上海紐邁電子科技有限公司；Agilent 7890A 型氣相色譜儀，美國安捷倫公司；萃取與溶解膨脹實驗裝置（見圖1），自制；CO2采油實驗裝置（見圖2），自制。

圖1 萃取與溶解膨脹實驗裝置示意圖

圖2 CO2采油實驗裝置示意圖

1.2 實驗方法

（1）CO2萃取原油實驗

通過高壓反應釜中的CO2萃取實驗，考察了不同壓力（7.0～40.0 MPa）下，CO2對原油的萃取效果。萃取實驗流程如圖3 所示。其中，為了定量表征CO2對原油的萃取能力，定義萃取率為：萃取出的原油體積/原油初始體積×100%。實驗步驟如下：①首先將100 mL原油加入反應釜中，通過中間柱塞的調整，排出上部空氣（步驟E1）；②將反應釜和CO2氣體（存儲在高壓容器中）加熱到實驗溫度60 ℃；③打開反應釜上部閥門，向釜內泵入400 mL CO2，同時打開反應釜下部閥門排出400 mL水，加壓至實驗壓力，關閉閥門（步驟E2）；④高溫高壓條件下，CO2與原油接觸，發生萃取；為了保證CO2與原油的充分接觸、傳質，連續轉動反應釜，使CO2與原油形成對流接觸；⑤待反應器內壓力趨于穩定時視為達到相平衡，萃取結束（約3 h）；⑥將回壓閥設置到實驗壓力，打開反應釜上部閥門，通過柱塞泵將反應釜上部富化CO2全部排出至分離器中，實現萃取油-CO2的分離，同時收集記錄出油體積（步驟E3）；⑦為了實現充分萃取，將CO2再次注入反應釜中，重復步驟③—⑥，直到分離器中無明顯的萃取油出現。最后，根據總的萃取出油量計算萃取率。

圖3 萃取與溶解膨脹實驗步驟

（2）CO2膨脹原油實驗

膨脹系數（FS）是表征CO2溶解膨脹原油能力的主要指標。通過溶解膨脹實驗，測試了不同壓力下，CO2對江蘇油田輕質原油的膨脹系數。實驗步驟如下：①將Voo=100 mL 的原油加入反應釜中，加熱至60 ℃后，注入400 mL CO2，加壓至實驗壓力（步驟S1）；②高溫高壓條件下CO2與原油相互作用，同時不斷轉動反應器使氣體與原油充分接觸；③排出反應釜上部CO2氣體（步驟S2）；④將CO2再次注入反應器中，重復步驟②與③，直至分離器中無明顯萃取油為止，說明達到了萃取極限，同時CO2也在原油中充分溶解；⑤最后排出CO2氣體（步驟S3），反應器中剩余原油體積可以直接讀出為Vos，則原油體積膨脹系數為：FS=Vos/Voo。

（3）CO2吞吐采油實驗

在巖心夾持器右側設置了一個φ2.1 cm×0.03 cm 的模擬裂縫（見圖2），在同端注采過程中，從入口注入的CO2可以在模擬油藏內與原油形成充分的面接觸，實現CO2向原油中的溶解和對原油的萃取作用，以模擬油藏中CO2動用巖心中原油的過程。實驗流程如下：①巖心準備。巖心抽真空后飽和蒸餾水，計算孔隙體積；將飽和水的巖心置于常規巖心夾持器中，通過水驅巖心測定其水相滲透率；然后加熱至60 ℃，通過油驅水的方式飽和原油。②CO2吞吐采油。取出飽和油的巖心，放入圖2 所示改進型巖心加持器中，組裝成裂縫-基質模型，升溫至60 ℃；利用回壓閥設定出口端壓力為25.0 MPa，將CO2連續注入模擬裂縫中，直至縫內壓力升至25.0 MPa，同時保持夾持器圍壓始終高于其內部壓力2～3 MPa；開啟出口閥門，恒速0.1 mL/min 注入CO2，原油從出口端產出，每2 h記錄出口端產油量，直至沒有原油產出時，停止注氣；整個實驗過程中裂縫內CO2壓力始終保持在25.0 MPa，以實現CO2與原油的多次接觸混相（MCM）接觸狀態。③根據出油量與巖心初始飽和油量，計算原油采收率；利用核磁共振分析儀對CO2-MCM吞吐前后巖心進行核磁共振（NMR）掃描，以判斷剩余油分布狀態；此外，通過氣相色譜儀測定產出原油的組成，以分析低滲基質原油的動用機制。

2 結果與討論

2.1 CO2-原油傳質作用

2.1.1 CO2對原油的萃取能力

不同壓力下測得CO2對原油的萃取率如圖4所示。在不同壓力條件下，隨萃取次數增加，萃取率呈現增長趨勢且具有相似性。相同萃取次數條件下，萃取率隨壓力升高而升高；萃取次數達5 次后，萃取率趨于穩定，不再隨萃取次數增加而增大，且壓力越高萃取率穩定值越高。由圖4（b）不同壓力下CO2對原油的穩定萃取率可將CO2對原油的萃取分為兩個強度不同的壓力區間：當壓力小于10.0 MPa時，萃取率較低（7.0 MPa、0.6%；10.0 MPa、2.8%），CO2對原油的萃取能力較弱；在壓力大于10.0 MPa 的第二區間，萃取率隨壓力的升高顯著增大，壓力達到40.0 MPa 時的萃取率可達85.2%。因此，將CO2開始顯著萃取原油中輕質組分的壓力定義為萃取開始壓力（pext），即10 MPa。CO2密度是影響不同壓力下CO2萃取能力的主要因素之一［13］，CO2的溶劑化能力正比于其密度；壓力越高，CO2的密度越大，單位空間體積內作用于原油分子上的CO2分子越多，與原油分子間的相互作用也越強。此外，文獻［14］報道的超臨界CO2密度隨壓力的變化趨勢與本文得到的萃取率變化趨勢接近，表明兩者之間具有潛在的正相關性。

圖4 CO2對原油的萃取率隨萃取次數（a）和壓力（b）的變化

CO2對于原油的萃取作用，一方面能使低滲基質原油直接進入裂縫內的CO2相中隨之采出，提高采收率；另一方面，萃取是CO2驅油過程中實現多次接觸混相的關鍵。實際驅油過程中，CO2與原油通常難以實現一次接觸混相，而是在兩者反復接觸的過程中，通過CO2對原油的萃取作用不斷富化，最終達到多次接觸混相（或者動態混相）的狀態。因此，根據萃取率隨壓力變化的實驗數據可以判斷：當油藏壓力小于等于10.0 MPa 時，CO2對原油的萃取能力較弱，萃取作用可以忽略，CO2很難快速富化，多次接觸混相難以實現；當壓力超過該值后，由于萃取作用的顯著增強，多次接觸混相能較容易實現。

2.1.2 CO2對原油的膨脹特征

不同壓力條件下測得CO2對原油的膨脹系數（FS）如圖5所示。隨壓力升高，FS先升高至1.25（萃取開始壓力pext=10.0 MPa），之后開始降低。當壓力達到原油收縮壓力pshr=13.0 MPa 時，FS降至1.0 以下，說明原油體積收縮；壓力達到40.0 MPa時，FS為0.3。當壓力在0～pshr之間時，CO2對原油的萃取作用相對較弱或者剛開始增強（見圖4（b）），因此，CO2在原油中的溶解為主要傳質形式，原油表現為CO2溶解導致的體積膨脹，FS大于1.0。當壓力大于pshr時，CO2對原油的萃取顯著增強，由于輕質組分的減少，原油表現為體積收縮，FS小于1.0。

圖5 CO2對原油的膨脹系數隨壓力的變化

當壓力大于pext時，由于強烈的萃取作用，CO2和原油的組成都會發生明顯的變化：由于原油中輕質組分進入氣相，一方面有利于油藏采收率提高；另一方面，CO2逐漸富化，更易達到多次接觸混相。但同時，剩余油中重質組分的富集會導致原油變重。這種原油重質組分含量的升高又會帶來一些不利影響：（1）淺層基質原油變“重”會阻礙CO2與深層原油的接觸、傳質；（2）原油黏度顯著升高，不利于淺層殘余繞流原油的進一步挖潛；（3）強萃取作用容易引起膠質和瀝青質沉積，導致低滲基質區域外部滲透率的降低，不利于原油的采出。

2.2 CO2對巖心中原油的動用特征

2.2.1 采收率與剩余油分布

利用設計的物理模型開展CO2驅油實驗，根據采出油量計算基質原油采收率，同時為了更加直觀地判斷模型中原油的動用情況，對驅替前后巖心模型中的原油分布狀態進行NMR掃描，結果如圖6所示。其中，NMR圖像氫原子信號強度代表巖心中含油飽和度的高低：信號強度越大，含油飽和度越高；反之，含油飽和度越低。圖像的右側對應巖心夾持器的右端，即與裂縫中CO2接觸的端面。從巖心與CO2接觸的右側端面向左，定義為基質原油的深度。在前10 h范圍內，采收率隨時間的延長快速增大，對應單位時間內的采收率增量較高（1.1%/h～3.7%/h）；浸泡時間為10 h 時，累計采收率為19.0%。超過10 h后，采收率增長速度減緩，單位時間內的采收率增量明顯減小（0.2%/h～1.0%/h）。這說明，采油初期時出油較快，但短時間內采油速度即明顯降低。盡管如此，在大于10 h的低速采油階段，仍能采出較多的原油，對應采收率上升明顯，10—62 h 的采收率增幅可達29.0%。當累計達到62 h時，單位時間內的采收率增量基本可以忽略，最終采收率為48.0%。這說明，對于低滲基質巖心長度為6.0 cm 的情況，52—72 h 即可顯著動用低滲基質原油，達到較高的采收率。

圖6 CO2吞吐過程中基質原油采收率及分布特征

NMR結果表明，注CO2之前，巖心的NMR圖像氫原子信號強度較高（約4000），說明原油飽和較充分、均勻。經CO2吞吐采油后，有48.0%的原油被采出。從剩余油分布上看，巖心區域的淺層部位（0—3 cm）注CO2后，氫原子信號強度明顯減弱至1000～2000，含油飽和度明顯降低。而深度大于3.0 cm 范圍后，氫原子信號強度僅略微降低至3000～4000，但整體變化不顯著，表明該部分原油未能得到明顯動用。這說明裂縫性油藏中，縫內CO2通過與基質原油的MCM 接觸，在基質原油中的動用深度約為3.0cm。

2.2.2 基質原油動用機制

在CO2吞吐實驗過程中，觀察到原油顏色、透明度等物理性質發生了明顯的變化。用氣相色譜儀對不同CO2注入時間產出的原油組分進行了測試，同時與初始原油及萃取實驗中得到的萃取原油組成進行了對比，結果如圖7 所示。實驗初期（10 h）產出的原油呈現黑色、不透明狀態，與初始原油狀態相似；從飽和烴組成上看，產出原油與初始原油組成較為接近。CO2在原油中的溶解不會造成產出原油組成的變化，而CO2對原油的萃取作用往往會導致產出原油輕質組分增加，因此，CO2在基質原油中的溶解膨脹是這一階段的主要采油機理。并且該CO2注入時間內，具有產油速度高的特點。隨著時間的延長，產出原油逐漸變為橙黃色、半透明或透明狀（如26 h和36 h產出原油）。浸泡26 h和36 h采出原油組成的變化進一步說明了CO2注入采油機理的變化。例如，浸泡26 h采出原油較初始原油明顯變輕（采出油：C10—C19=60.0%，C20+=40.0%；初始原油：C10—C19=46.0%，C20+=53.4%），36 h 產出原油也顯著變輕（C10—C19=60.6%，C20+=37.8%）。采出原油組成逐漸變輕，并與萃取實驗中得到的萃取油組成越發接近（C10—C19=62.6%，C20+=36.9%）。這說明隨著時間的延長，CO2-MCM 注入采油機理逐漸由CO2溶解膨脹過渡到萃取機理。當萃取成為主要采油機理時，采油速度明顯較低（26、36 h 對應的單位時間驅油效率增量僅為0.71%/h 和0.54%/h），但采收率仍有明顯的增長（CO2注入10—62 h 的采收率增幅為29.0%）。

圖7 不同時間產出原油的組成

2.3 應用探討

總結近兩年江蘇油田低滲透油藏CO2吞吐實踐，發現一個現象：注入壓力較高，最終效果往往較差。按增油量與注入CO2的比值（t/t）計算CO2吞吐換油率。5個實例油藏類型相近，均為低滲透油藏，滲透率分布為（15～36）×10-3μm2。原油均為輕質低黏度油，均首次實施CO2吞吐，注CO2前生產不含水。隨著油藏壓力升高，CO2吞吐換油率降低，注CO2效果變差。效果較好的Q7P1、H76-1 井注CO2后的油藏壓力分別為9.3、12.1 MPa，放噴初期即是油氣混出，放噴過程中井口壓力下降速度慢，停止自噴轉抽后產液量明顯高于注CO2吞吐前，增液增油效果比較明顯，換油率分別為0.67和0.46，經濟效益較好。效果較差的SH10、Q17-1及Q3P1 3口井注CO2后的油藏壓力分別為18.4、18.6、24.0 MPa，換油率分別為0.10、0.05、0.14。放噴初期產出全氣無油，壓力快速下降，停噴轉抽后產液量變化不大，增油效果不明顯。分析認為，Q7P1、H76-1井在注CO2過程中（吞）壓力較低，以CO2在原油中溶解膨脹為主，原油體積膨脹后油藏能量得到有效補充，生產過程中（吐）油藏能量得到發揮，產液量較注氣前明顯上升，CO2吞吐效果好。SH10、Q17-1 及Q3P1 井在注CO2過程中壓力較高，以CO2萃取原油中輕質組分為主，較強的萃取抽提作用一方面不利于原油膨脹增能，另一方面有助于油氣混相、抑制氣竄。注入CO2將原油驅離近井地帶，最終生產過程中（吐）產液量變化不明顯甚至下降，CO2吞吐效果差。這3口井轉為CO2驅可取得更好的注氣提高采收率效果。因此，在現場應用注CO2提高采收率中，應基于與原油相互作用機理，結合油藏壓力、溫度條件，分析溶解與萃取作用主導關系，優選CO2吞吐與CO2驅類型，以提高技術應用效果。按照現場應用實例，江蘇油田低滲透油藏中，壓力低于15 MPa 的油藏應優先考慮CO2吞吐，高于15 MPa的油藏應優先考慮CO2驅。

3 結論

CO2對原油的萃取表現為以pext=10.0 MPa 為界的兩個強度不同的壓力區間：當壓力小于pext時，萃取率較低，CO2對原油的萃取能力較弱；壓力大于pext時，萃取率隨壓力的升高顯著增大，40.0 MPa 時的萃取率可達85.2%。

原油體積變化的臨界壓力pshr=13.0 MPa。壓力為0～pshr時，CO2對原油的萃取能力弱或剛開始增強，CO2在原油中的溶解主要為傳質形式，原油表現為體積膨脹；壓力大于pshr時，CO2對原油的萃取顯著增強，原油表現為體積收縮。

對于長度為6.0 cm 的低滲巖心，CO2驅替62 h后的原油采收率基本達到穩定。在驅替初期主要增產機理為CO2在原油中溶解膨脹，此階段內產油速度較高；驅替后期主要增產機理為CO2萃取原油中的輕質組分，此階段內產油速度變緩。在江蘇油田應用CO2采油技術時，需充分考慮油藏條件對CO2與原油作用的影響，壓力低于15 MPa的油藏應優先考慮CO2吞吐，高于15 MPa的油藏應優先考慮CO2驅。