頁巖油藏注CO2驅孔隙動用特征研究

張志超，柏明星，杜思宇

（東北石油大學提高采收率教育部重點實驗室，黑龍江大慶 163318）

頁巖油作為一種非常規能源，其資源儲量巨大，正逐漸成為未來保障中國能源有效供給的主要開發模塊。中國頁巖油氣分布主要集中于中新生界陸相沉積盆地，如松遼盆地、鄂爾多斯盆地、渤海灣盆地、四川盆地等，據2019年中國石化對中國頁巖油儲量評價，中國的陸相頁巖油資源的儲量可達372.0×108t，其中可采資源量約有43.9×108t[1-4]。但頁巖油自生自儲的成藏模式、差的油藏物性，導致常規油藏開發技術在頁巖油開發中的不適用[5-7]。而由于CO2與原油間相互作用時表現出良好的驅油性，被認為是可應用于提高頁巖油藏采收率的一項重要技術[8]。CLARK 等、WAN 等[9-10]評估了美國巴肯頁巖油藏壓裂提高采收率的效果，發現水平井多級壓裂開發頁巖油藏的采收率僅7%左右，而通過對該油藏進行注CO2吞吐驅油可提高油藏采收率至22.5%，如果完全混相驅替油藏采收率可達到40%以上。SHENG等[11]則對比了水驅、循環注氣驅替及注氣吞吐對頁巖油藏采收率的影響，發現在頁巖油藏應用注氣吞吐驅油提高油藏采收率的效果更好。注氣吞吐頁巖油藏可避免注入的CO2沿頁理縫或人工裂縫氣竄。同時，注氣吞吐對油藏的補能效果也更好。ALAVIAN 等[12]則通過實驗證實CO2吞吐驅油對存在天然裂縫的頁巖層提高采收率效果要好于沒有天然裂縫的油藏。裂縫存在能使CO2注入吞吐的基質滲流轉變成基質-裂縫兩相流，降低了滲流阻力，提高頁巖油的動用能力。MEHANA 等[13]應用分子模擬的方法對比了CH4、CO2吞吐開采頁巖內2 nm 和5 nm 孔中頁巖油開發效果，發現在注入CH4與高分子碳氫化合物混相能力比CO2強，注入CH4進行吞吐使2 種孔隙內的頁巖油的采收率更高。王強等、張鑫璐[14-15]則基于CO2萃取頁巖巖心中油實驗對CO2與油相間混相難的原因進行了探究，發現CO2與油相間混相是多次接觸傳質過程，被萃取出的組分主要是低分子量（碳分子數小于15）的飽和烴和芳香烴。為提高CO2對頁巖油藏中高分子烴類萃取效果和降低MMP（最小混相壓力），那么，可以將一定量的CH4和CO2混注，提高頁巖油的開采效果。另一方面，桂文宇等、ALLAWZI 等、KOEL 等[16-18]也提出在超臨界CO2中加入助溶劑如（甲醇、乙醇、異丙醇）等，也可以有效降低混相壓力并增加對油中重質烴類分子的萃取效果。而李斌會等、王子強等、盧振東等[19-21]則基于頁巖巖心的CO2驅油實驗，分析了CO2混相驅提高驅油效果的原因，發現CO2混相驅能夠降低頁巖油孔隙動用下限至0.02 μm，這也是現有技術手段下可動用頁巖孔隙的最低下限。雖然很多學者對CO2開采頁巖油進行了一定的研究，但對于超臨界CO2注入頁巖油藏后如何動用不同孔徑范圍內的原油的研究尚少見。因此，基于超臨界CO2驅替開采頁巖油的實驗，并應用核磁共振在線掃描技術對CO2驅油效果進行表征。以期為中國未來致密油、頁巖油等非常規能源高效開發和2030年中國碳排放達峰、2060年實現碳中和的目標提供一定的理論借鑒[22-23]。

1 實驗設計

1.1 實驗樣品

室內實驗頁巖巖心取自H 油田某區塊的頁巖儲層，儲層深度2 450 m，層位為Q1 層段。取出的頁巖巖心外觀呈亮黑色，巖心較致密（圖1），1 號巖心參數：長度5 cm，直徑2.5 cm，孔隙度6.2%，滲透率0.005 3×10-3μm2，總有機碳含量3%，氫指數750 mg/g。由于油田采出頁巖油的密度和黏度與煤油相近，且流動能力也相近。因此，驅替實驗中應用密度0.8 g/cm3，室溫下黏度為2.5 mPa·s 的煤油代替頁巖油進行巖心飽和。

圖1 飽和油后頁巖巖心外觀Fig.1 Shale core appearance after being saturated by oil

1.2 實驗方案

注超臨界CO2在頁巖油藏驅油提高采收率實驗方案設計：超臨界CO2為驅替介質，回壓12 MPa，煤油為飽和類型，圍壓高于驅壓3 MPa，溫度55 ℃，驅替時間0.5、1.0、3.0、5.0 h，核磁共振T2（橫向馳豫時間）譜為監測指標1，成像為監測指標2。實驗前對CO2與模擬頁巖油間的最小混相壓力進行細管實驗測定為26.8 MPa，而CO2的超臨界條件是高于臨界點條件（7.38 MPa，31.2 ℃），因此，實驗方案中CO2在頁巖油藏驅油實驗中主要是研究頁巖的CO2非混相驅油特征。驅替開始前測定頁巖巖心飽和油狀態下的核磁共振T2譜及成像，作為巖心內不同孔隙中油變化分析的基礎對比數據。后在超臨界CO2非混相驅替巖心時間3、5 h 后，復測定巖心的核磁共振T2譜及成像，分析實驗前后頁巖巖心核磁T2譜和成像變化，確定超臨界CO2在頁巖中非混相驅油時對不同孔隙內油的動用規律。

1.3 實驗設備

CO2驅替頁巖油核磁共振在線掃描設備根據實驗自行設計，包括驅替系統、圍壓控制系統和核磁在線掃描系統組成見圖2。其中主要設備部分為磁體場強度0.5 T 的MesoMR12 型核磁共振巖心掃描儀，蘇州紐邁分析儀器股份有限公司，其有效測量巖心最大尺寸為?60 mm×L100 mm，無磁巖心夾持器承壓能力40 MPa，最高實驗溫度100 ℃。超臨界CO2驅替系統為與核磁共振掃描儀配套使用的TES-92驅替系統，江蘇拓創科研儀器有限公司，系統設備最高承壓能力為70 MPa，最高實驗溫度100 ℃，且實驗設備管線和閥門均應用耐CO2腐蝕材料設計制作。圍壓控制系統為應用氟化液作為頁巖巖心圍壓控制、冷卻圍壓控制系統，江蘇拓創科研儀器有限公司，圍壓控制系統一方面控制頁巖巖心圍壓，另一方對驅替巖心夾持器溫控冷卻。應用氟化液作為圍壓增壓和巖心夾持器的冷卻流體，一方面防止實驗過程中的核磁信號干擾，另一方面對于巖心夾持器的降溫效果較好。

圖2 CO2驅油核磁共振在線掃描實驗流程Fig.2 Experimental process of NMR online scanning of CO2 flooding

1.4 實驗步驟

實驗前將頁巖巖心放入中間容器抽真空4 h 至容器內壓在1 Pa 以下，通過自吸方式對中間容器飽和煤油，待煤油吸入管中無煤油吸入后，關閉中間容器的吸入閥。先通過手動增壓泵對中間容器進行增壓，至巖心室內部壓力達到30 MPa，進行飽和油4 d，后取出巖心放入煤油瓶中保存，防止巖心內部煤油揮發影響后續CO2驅替實驗結果。驅替開始前，先將飽和油的頁巖巖心用耐高溫、高壓熱縮管密封后安裝在巖心夾持器內，后連接核磁在線驅替管路，調整手動增壓泵對回壓閥設置回壓為12 MPa。設置圍壓控制系統對驅替巖心施加圍壓的模式為跟蹤CO2驅壓，使圍壓始終高于CO2驅壓3 MPa。啟動圍壓控制系統中的循環泵和加熱爐，循環加熱氟化液對無磁巖心夾持器內巖心室進行加熱，待溫度達到實驗設計溫度55 ℃并穩定后，緩慢打開CO2減壓調壓閥增加驅替壓力逐漸增壓至12 MPa，之后以0.5 MPa壓力增量逐漸增加驅替壓力，每次增加壓力后觀察電子天平示數變化，發現在驅壓增加至15 MPa時，驅替系統出口端量筒下電子天平示數出現明顯波動，表明CO2此時已經克服巖心啟動壓力梯度，對巖心進行驅替。在超臨界CO2非混相驅替頁巖巖心時間分別為0.5、1.0、3.0、5.0 h 后，測定巖心的T2譜曲線和核磁共振成像，分析在超臨界CO2驅油不同開采階段，巖心不同孔隙內的微觀剩余油動用變化，確定其對頁巖油藏的非混相驅油特征。

2 實驗結果

2.1 CO2對頁巖油動用特征

在超臨界CO2非混相驅替頁巖油不同時間后，采集巖心的核磁共振T2譜曲線，應用SAIDIAN 等[24]提出的轉換（式1）和趙清民等[25]通過巖心壓汞和平均T2擬合得到的轉換系數C值為112.4，轉化核磁共振T2譜曲線橫向弛豫時間值與孔喉半徑，建立頁巖巖心超臨界CO2非混相驅油時核磁信號和孔隙半徑間的關系（圖3），表征頁巖內油在不同CO2驅替時間的動用狀況。分析T2譜可知，實驗巖心孔隙非均質性較強，孔隙尺寸范圍集中于兩個區間，分別為0.1～3.0 μm 和0.001～0.008 μm 孔隙半徑范圍。分析CO2驅替過程核磁譜變化，右側峰的頁巖中大孔隙內的油以可動油為主，較易采出；而左側峰中即包含了頁巖中有機質、小孔內流體的綜合信號，該部分油開采困難[26-27]。超臨界CO2非混相驅替頁巖油主要動用孔喉半徑在0.1～3.0 μm 右側峰大孔隙內的頁巖油，而孔喉半徑小于0.008 μm 的左側峰中小孔隙內原油初始開采階段未動用，且在驅替過程中，小孔隙內原油信號強度增加。分析主要是在超臨界CO2注入頁巖后，巖心大孔孔徑大，CO2注入阻力低，小孔隙孔徑小，增壓慢，導致CO2優先對大孔隙內增壓，產生大小孔隙內的驅替壓差，且在CO2的擴散作用的綜合作用下，導致大孔內的CO2攜帶部分油進入頁巖小孔隙內，并在與孔隙內壁的摩擦和黏附作用下產生滯留，導致CO2驅替結束后小孔內核磁信號強度變大[28-29]。且在超臨界CO2非混相驅替5 h 后，頁巖小孔內的油小幅度被采出，且在繼續進行驅替至7 h后，巖心核磁T2譜曲線變化幅度小，表明此時已經接近超臨界CO2驅采收率。

圖3 超臨界CO2驅替頁巖巖心不同時間的孔隙動用特征Fig.3 Pore development characteristics of shale cores during supercricital CO2 flooding

式中：T2是橫向弛豫時間，單位μs；C為弛豫時間和巖石孔喉半徑間的轉換系數，單位ms/μm；r為巖心的孔隙半徑，單位μm。

2.2 CO2對頁巖驅油效果

從不同驅替時間頁巖巖心內剩余油核磁共振成像（圖4）可知，在超臨界CO2驅替0.5 h 后，頁巖巖心中右端含油飽和度高，磁共振成像顏色高亮顯示，左側巖心飽和度低，核磁成像呈低亮度顯示，為剩余油在巖心內運移富集過程。從驅替至1 h 以后發現巖心內核磁成像亮度在均勻減弱，表明頁巖油已經被采出，在驅替5 h 結束后，巖心內核磁成像亮度非常低，表明接近巖心的極限采收率。

圖4 超臨界CO2驅替頁巖巖心內剩余油核磁共振成像Fig.4 NMR image of remaining oil of shale cores during supercricital CO2 flooding

后通過核磁T2譜曲線峰面積變化法以及頁巖巖心內油量變化實驗計算方法，如式（2）—式（3），得出驅替時間5 h后巖心采收率計算結果分別為35.7%和33.2%，表明超臨界CO2非混相驅替條件下對頁巖油的開采效果也較好。而通過驅替過程中的動態數據計算的頁巖油采收率偏低于核磁譜峰面積法，分析主要是由于采出油在驅替管路黏附和輕質油揮發導致的實驗誤差引起的。這也表明T2譜法計算頁巖巖心在CO2驅替過程中的采收率變化相比應用驅替過程中的動態數據計算的采收率更精確。

式中：Ec為核磁峰面積法計算的采收率；E'c為計量驅替流體量變化法計算的采收率；S1為頁巖巖心初始飽和油后采集的核磁共振T2譜峰面積；S2為CO2驅替結束后巖心的核磁共振峰面積；m1為飽和進入頁巖巖心內油的質量，單位g；m2為采出油的質量，單位g。

3 結論與展望

1）飽和油頁巖巖心核磁共振T2譜曲線表明，頁巖巖心的孔隙非均質性也較強。超臨界CO2驅替頁巖油主要動用0.1～3.0 μm 頁巖大孔隙內的油，而小孔隙內油驅替過程中反而增加，原因是在CO2驅替注入頁巖巖心過程中，CO2一方面沿大孔隙驅油，另一方面CO2向小孔隙內擴散和非達西滲流，攜帶部分油進入小孔隙發生滯留，導致小孔隙內原油量較原始狀態增加。

2）CO2驅替開采頁巖油過程包括使頁巖內部油向驅替方向富集和采出2 個階段，驅替實驗證實，注超臨界CO2驅替頁巖巖心能使頁巖巖心采收率提高至35.7%，與國內外報道的超臨界CO2驅替頁巖實驗采收率接近，相比國內外報道的水平井縫網壓裂開采普遍低于10%要高很多。因此，綜合分析認為超臨界CO2非混相驅在頁巖油藏開發中具有較好的適用性，能夠提高頁巖油藏的采收率。

3）CO2在頁巖油藏驅油能夠提高頁巖油的采收率，但目前對于CO2在頁巖油藏中驅油時其注入參數、驅替方式（驅替或吞吐）、混相和非混相驅替對于頁巖油藏采收率的影響研究仍較少，需要更多的投入研究。此外，在應用CO2進行頁巖油藏驅油時，進行其在頁巖油藏埋存的適用性和埋存規律研究，也將是需要重點攻關的方向。