二氧化碳驱动用储层微观界限研究

2019-07-26邓瑞健李中超赵良金戴厚柱

特种油气藏 2019年3期

邓瑞健，田巍，李中超，赵良金，戴厚柱

(中国石化中原油田分公司，河南濮阳 457001)

0 引言

近年来，CO2驱技术被认为是老油田效益开发的有效手段，越来越受到国内外研究者的重视，大量的室内实验和矿场试验积累了丰富的经验[1-6]，成为三次采油中提高采收率最重要的技术之一。目前，对于CO2驱的开采机理已基本清楚，相关的配套技术也基本完善[7-8]，但由于之前科技手段的限制，仍有一些技术问题认识不清，如CO2发生气窜后还有没有效果、CO2作用最小孔喉界限是多少等问题。随着科技的发展，一些先进的实验手段和交叉学科技术被引入到油气行业[9-17]，为油气田的开发和研究带来了新的生机，为此，以中原油田某储层为例，深入研究CO2驱的驱替作用特征和微观作用孔喉界限，进一步明确注入地下的CO2的作用效果及作用的微观孔喉界限，为老油田的效益开发提供重要参考。

1 实验材料与方法

1.1 微观可视化实验

为进一步明确CO2在非均质条件下能动用的孔喉区间，设计了微观可视化旁通模型。该模型为并联的2个小孔道，2个孔道孔径不同(存在一定级差)，其中，小孔道和大孔道直径分别为100、300 μm，采用合注合采的方式进行CO2驱。实验用原油为中原油田某储层的地层原油，地层原油密度为0.768 8 g/cm3，地层原油黏度为1.82 mPa·s，最小混相压力为18.19 MPa。实验模型在饱和油后，分别在注入压力为15、20、25 MPa条件下开展CO2驱实验，研究非混相与混相条件下CO2的驱替规律及微观作用特征。

1.2 岩心驱替T2谱测试

将充分饱和地层流体的多孔介质置于核磁共振仪器的静电场中，多孔介质中的流体质子即被极化，若此时在磁场垂直方向上加一射频脉冲，则会产生核磁共振信号，通过采集该信号，并经过数学计算，即得到岩心内孔隙流体的T2弛豫时间谱数据。实验样品取自中原油田濮城某储层具有代表性的岩心，岩心夹持器为特制陶瓷结构夹持器，在不泄压情况下可置于核磁共振仪中，耐压为45 MPa，耐温为100 ℃，实验完全模拟实际地层条件，CO2驱实现混相驱。采用与微观可视化实验相同物性的原油，按照岩心驱替实验的流程开展实验，实验按照先饱和水，再饱和油，之后水驱至含水为98%，再改注CO2，直至不出油为止，结束实验。分别测定充分饱和油后、水驱至含水为98%时、气驱结束时的岩心的T2谱数据，之后将T2谱数据转化为岩心的喉道半径，进而确定CO2驱的微观作用界限。

2 结果与分析

2.1 微观可视化实验结果与分析

图1为采用该旁通模型在不同驱替压力下的实验结果。其中，图1a—c为非混相驱结果。该驱动过程分为2个阶段：第1阶段以溶解和驱替作用为主，注入的CO2首先作用于大孔道，一部分CO2溶解在原油中，还有一部分CO2以分散相气泡的形式存在于孔道中，同时在一定驱动压力下，推动原油向出口端移动，直到大孔道中气体突破，气体在大孔道形成连续相，大孔道只剩余油膜和盲端残余油，而小孔道剩余油较多(图1b)，且存在较多分散的CO2气泡；第2阶段以溶解和抽提为主，小孔道中的剩余油形成柱状剩余油，相当于一个大的盲端中的剩余油，只是盲端体积较大，与气体接触面较小，因此，小孔道中该部分剩余油兼具柱状剩余油与盲端剩余油的特性。作为盲端剩余油，与气体接触的剩余油存在气体溶解，溶解过程中伴随着原油体积膨胀和黏度降低，在小孔道中存在不连续的气体，导致膨胀出小孔道的原油被大孔隙中或末端的气流携带产出，同时在气、油接触面存在气液传质作用及抽提作用，导致小孔道中该部分原油溶解CO2后黏度降低，黏滞阻力减小，在较低驱动压差下柱状剩余油被动用，并最终被驱替产出(图1c)，之后小孔道中剩余油的蒸发和萃取占主导作用，而大孔道中的剩余油一直和CO2充分接触，被充分蒸发和萃取，因此，大、小孔道最终残余油轻质组分较少。

图1 不同驱替压力下CO2与原油作用过程

图1d—i为2个驱动压力混相条件下的实验结果。驱替过程分为2个阶段：第1阶段以溶解和驱替为主，抽提作用为辅，注入的CO2首先溶解到原油中，在注入量较大时伴随着抽提作用，并在一定驱动压差下推动大孔道中的原油向出口移动，CO2在孔道中呈分散相，直至在大孔道突破形成连续相，大孔径内剩余油以油膜的形成附着在模型壁表面，小孔道剩余油较多(图1e)；第2阶段以溶解和抽提为主，作用过程同非混相驱第2阶段，但由于是混相状态，溶解能力更强，膨胀体积更大，抽提作用也更明显，最终的残余油为重质组分或沥青质(图1f、i)。

对比20、25 MPa下的实验结果可以发现，在高于混相压力后，CO2与原油作用机理相同，但25 MPa比20 MPa下抽提作用更剧烈。第1阶段在大孔道形成油膜的成分偏重质组分，在第2阶段，特别是油气接触面处轻质组分被抽提出，剩余油偏重质组分，吸附力较大，该截面在驱替向前推进过程中会粘附在边壁上。因此，小孔道驱替突破后，残余的油膜仍以重质组分为主，通常情况下，压力越高，抽提作用越明显，导致在25 MPa下残余油更多(图1i)，组分也更重。因此，驱替压力并非高于混相压力的数值越多越好，在高于最小混相压力附近气体作用效果更佳(图1f)。

综上分析可知，根据该实验模型，无论是混相还是非混相，CO2驱均没有出现大孔道气窜后而小孔隙作用不到的情况。可见，存在一定渗透率级差的情况下，气窜后对CO2的驱油效果影响并不明显，CO2仍可发挥其良好的驱油特性，即CO2仍可作用到更低级别孔道中的原油，并将其中的原油驱出。由于旁通模型是类似于岩心孔隙网络结构的简化模型，制作更小级别孔径的模型难度较大，因此，要详细确定CO2能作用到的具体储层微观孔喉空间，仍需采用天然岩心在严格模拟油藏条件下的气驱实验来完成。

2.2 岩心驱替T2谱测试结果与分析

按照设定实验步骤分别进行岩心实验和T2谱测试，并将T2谱数据转化为喉道半径数据[16-21]，测试结果见图2。

图2 不同驱替介质下的剩余油分布

由图2可知：饱和油后的曲线面积为区域a、b、c、d 4部分面积之和，即为总含油，亦即饱和油后喉道半径分布曲线(以下简称曲线1)与横坐标轴所围区域的面积；水驱后的喉道剩余油分布曲线(以下简称曲线2)与曲线1饱和油后喉道半径分布曲线在10-1μm之前几乎重合，在10-1μm之后2条曲线分开，曲线重合表示对应孔道中的流体无变化，即孔隙中的原油没有被动用，曲线2水驱后的喉道剩余油分布曲线与横坐标轴所围面积为水驱后的剩余油分布状况，而区域a为曲线1饱和油后喉道半径分布曲线所围面积与曲线2水驱后的喉道剩余油分布曲线所围面积的重叠部分，即为水驱原油被动用的部分，水驱动用了喉道半径在10-1μm以上的孔隙中的原油，而10-1μm以下孔隙中的原油没有发生变化；CO2驱后的喉道剩余油分布曲线(以下简称曲线3)与曲线1饱和油后喉道半径分布曲线、曲线2水驱后的喉道剩余油分布曲线在10-2μm以下几乎都是重合的，而在10-2μm以上曲线3 CO2驱后的喉道剩余油分布曲线与上述2条曲线分开，亦即CO2驱动用了10-2μm以上所有孔隙中的剩余油，曲线3CO2驱后的喉道剩余油分布曲线与横坐标轴所围面积为气驱后的残余油状况，若直接采用CO2混相驱开发，则可动用10-2μm以上所有孔隙中的原油，可动用区域为a、b、c面积的总和。因此，CO2驱和水驱相比，进一步动用了10-2～10-1μm孔道中的原油，区域b和c即为在水驱基础上提高采收率的产量，区域d为气驱开发后的剩余油分布状况，可见CO2驱开发可在水驱基础上进一步提高采收率。

根据图2的结果，按照面积比例计算了水驱和CO2驱可动流体分布状况(表1)。由表1可知：水驱后，可动流体百分比降低36.83个百分点，不可动流体百分比仅降低6.28个百分点；实施CO2驱后，可动流体百分比相较于水驱降低46.38个百分点，而不可动流体百分比相较于水驱降低39.49个百分点。可见，水驱基本未动用不可动流体饱和度，而CO2驱大幅度降低了可动流体和不可动流体百分比，表明在水驱后实施CO2驱起到了较好的驱油效果。

表1 水驱和CO2驱后岩心中的流体分布

综合核磁共振结果和剩余油分布特征[22-25]分析表明：实施水驱能采出大量的大、中孔隙中的原油，微小孔隙和小孔隙中的原油动用较少；在水驱后进行CO2驱，能采出大量被注入水大量冲刷的大、中孔隙中的原油，同时能采出水驱无法波及到的小孔隙和微小孔隙中的原油，即CO2驱能提高水驱波及区域的驱油效率，扩大微观波及效率，动用水驱无法动用的区域。该研究进一步明确了CO2驱可动用岩石的微观界限，采用CO2驱将岩石中原来不可动的储量转化为可动储量，提高了原油采收率。

3 在预测新增可动用储量中的应用

CO2驱可动用的微观孔隙界限为10-2μm以上，而水驱可动用的微观孔隙界限为10-1μm以上，则在水驱基础上CO2驱可动用的孔喉区间为10-2～10-1μm，这相当于新增了可动用储量空间。通过压汞曲线的喉道分布曲线，可进一步确定不同渗透率级别的油藏CO2驱能增加的可动用储量范围，同时由于水驱大孔道中的剩余油也能被部分动用，实际增加可采储量要高于该值。

图3为不同渗透率级别储层的喉道分布曲线。由图3可知，曲线上喉道半径为10-2～10-1μm的部分所占据体积为水驱基础上新增可动用储量储集空间，按照压汞曲线可求得在该区间上不同渗透率级别的储层新增可动用储量的百分点。研究表明，致密储层、超低渗储层、特低渗储层、低渗储层在水驱后采用CO2驱新增可动用储量分别为36.64、36.33、41.35、22.37个百分点，因此，对于不同渗透率级别的储层，CO2驱是水驱后的油藏经济开发的有效途径，对于缓解国内石油供需的矛盾具有一定积极作用。