馬銓崢，楊勝來，陳浩，王璐，錢坤，孟展，雷浩，王智林

中國石油大學(xué)(北京) 石油工程教育部重點實驗室，北京 102249

0 引言

新疆吉木薩爾凹陷蘆草溝組致密油藏儲量豐富，但由于儲集層滲透率特低、孔隙度小、孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜、裂縫不發(fā)育、原油黏度較高，導(dǎo)致原油滲流阻力較大，常規(guī)方式開采困難。該致密油儲集層地層壓力系數(shù)為1.2，屬于異常高壓油藏，原始地層壓力達(dá)到43 MPa，彈性能量豐富。采用衰竭方式開采時，初期產(chǎn)量高，但遞減快、穩(wěn)產(chǎn)期短、采收率低，儲集層剩余油含量高。為了將更多的剩余油采出，提高采收率，在衰竭開采結(jié)束后，應(yīng)采取合理的增產(chǎn)方式。

由于該致密油儲集層巖石物性較差，且具有中等偏強的水敏性，為了避免注水對地層造成不可逆的傷害，應(yīng)考慮其他增產(chǎn)方式。CO2溶解于原油后，能顯著改善原油物性、降低原油黏度、提高原油流動能力，在常規(guī)低滲、特低滲等油藏增產(chǎn)方式中，CO2吞吐受到廣泛關(guān)注，已形成比較成熟的技術(shù)。因此，可以考慮將CO2吞吐技術(shù)用于提高致密油藏采收率。

趙明國等人對大慶芳48低滲透斷塊油區(qū)進(jìn)行室內(nèi)CO2吞吐實驗研究發(fā)現(xiàn)，該區(qū)塊CO2吞吐效果較好，具有良好的可行性[1]。劉偉等人對蘇北低滲透復(fù)雜斷塊進(jìn)行CO2吞吐物理模擬實驗研究，形成了適合該地區(qū)CO2單井吞吐的提高采收率技術(shù)，并在現(xiàn)場取得了較好的效果[2]。徐永成等人對葡萄花油田進(jìn)行室內(nèi)CO2吞吐實驗，確定了影響CO2吞吐效果的主要因素是原油中飽和烴含量[3]。黃小亮等人通過室內(nèi)長巖心CO2吞吐實驗研究了注氣量、燜井時間、壓力衰竭速度等參數(shù)對長慶低滲透油田開發(fā)效果的影響，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)降低注氣速度能較好地克服油藏非均質(zhì)性的影響[4]。此外，國內(nèi)外學(xué)者針對不同類型油藏也進(jìn)行了大量CO2吞吐提高油田采收率研究?；魟?、張紅梅等人通過室內(nèi)CO2吞吐物理模擬實驗和數(shù)值模擬，分析了稠油開采過程中影響吞吐效果的相關(guān)因素，確定了相關(guān)參數(shù)值[5-9]。周正平、吳有文等人通過一系列室內(nèi)物理模擬實驗，研究了CO2注入量、注入速度、注入壓力、吞吐周期以及燜井時間等對低滲透油田CO2吞吐效果的影響，為低滲透油藏CO2吞吐開發(fā)方案的制定提供理論支撐[10-13]。Jianlei Sun、Cheng Chen等人通過實驗研究了CO2吞吐提高斷塊油田、裂縫性油田以及頁巖油田采收率的可行性，并對相關(guān)機理進(jìn)行了分析[14-20]。

雖然前人對CO2吞吐提高油田采收率進(jìn)行了大量研究，但對致密油藏研究較少，且以美國巴肯致密油藏為主，對新疆致密油藏CO2吞吐提高采收率的研究十分匱乏[21-23]。針對上述問題，文章對新疆吉木薩爾凹陷蘆草溝組致密油儲集層天然巖心，進(jìn)行室內(nèi)CO2吞吐實驗，對該致密油儲集層CO2吞吐效果及影響因素進(jìn)行分析；同時在微觀上通過核磁共振測試確定了不同吞吐周期主力產(chǎn)油區(qū)對應(yīng)的孔隙半徑。

1 實驗部分

1.1 原油組分分析

原油組分決定了原油的性質(zhì)，對CO2與原油的最小混相壓力也有一定影響，原油重質(zhì)組分含量越高，最小混相壓力也越高。為了獲得原油組分組成，對新疆吉木薩爾凹陷蘆草溝組某油井地面脫氣原油組分進(jìn)行色譜分析，結(jié)果如表1所示。

由表1可知，新疆吉木薩爾蘆草溝組地面脫氣原油輕質(zhì)組分摩爾含量較少，重質(zhì)組分摩爾含量較高，其中C9～C35的摩爾含量為48.74%，C36+組分摩爾含量為51.26%。

表1 原油組分Table 1 Composition of the crude oil

1.2 高壓物性分析

為了研究注入的CO2對地層流體的影響，在地層溫度81 ℃、地層壓力43 MPa條件下，將高純CO2溶解到定量的模擬油(地面脫氣原油與煤油1:1配制)中，進(jìn)行相關(guān)物性參數(shù)測試，結(jié)果如圖1和圖2所示。

(1)膨脹系數(shù)

從圖1可以看出，隨著注入壓力的增大，原油膨脹系數(shù)近似線性增大。當(dāng)注入壓力達(dá)到20 MPa時，原油體積膨脹系數(shù)增大為初始值的1.45倍。因此，可以采用提高注入壓力的方法，增大CO2在原油中的溶解度，增大原油膨脹體積，提高采收率。

(2)黏度變化

從圖2可以，看出隨著CO2注入量的增加，原油黏度近似呈線性遞減。當(dāng)注入量達(dá)到0.5 mol/mol時，原油黏度降低了36.5%。表明CO2溶解于原油后能有效降低原油黏度，改善原油流度，增強原油流動性，提高采收率。

1.3 最小混相壓力

最小混相壓力是油田注CO2增產(chǎn)方式的重要參數(shù)之一，當(dāng)CO2與原油達(dá)到混相后，不僅可以消除界面張力的影響，還能萃取和汽化原油中的輕質(zhì)烴，形成CO2和輕質(zhì)烴混合油帶，進(jìn)而大幅度降低原油滲流阻力，提高驅(qū)油效率，對油田注氣提高采收率具有重要作用。

為了確定新疆致密油儲集層CO2與原油的最小混相壓力，實驗嚴(yán)格按照SY/T6573-2003執(zhí)行。在地層溫度81 ℃、壓力高于飽和壓力的條件下，進(jìn)行室內(nèi)細(xì)管模擬實驗，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，隨著驅(qū)替壓力增大，采收率逐漸增加。當(dāng)驅(qū)替壓力小于18.7 MPa時，采收率增加較快；當(dāng)驅(qū)替壓力大于18.7 MPa時，采收率增加變緩。曲線在18.7 MPa發(fā)生轉(zhuǎn)折，驅(qū)替逐漸呈現(xiàn)混相特征。根據(jù)圖3曲線并結(jié)合最小混相壓力測定標(biāo)準(zhǔn)，得到新疆致密油儲集層CO2與原油的最小混相壓力為18.7 MPa。

圖1 原油膨脹系數(shù)隨注入壓力的變化關(guān)系曲線Fig. 1 Relationship between oil expansion coefficient and injection pressure

圖2 原油黏度隨CO2注入量的變化關(guān)系曲線Fig. 2 Variation of crude oil viscosity with CO2 injection

1.4 CO2吞吐實驗

(1)實驗器材與流程

致密油儲集層CO2吞吐提高采收率實驗裝置主要由ISCO高精度驅(qū)替泵(最高壓力7500 psi)、回壓泵、圍壓泵、中間容器、壓力傳感器、恒溫箱、溫度傳感器、高壓夾持器、氣液分離裝置、氣體流量計和氣體收集器等組成(圖4)。

實驗用油為新疆地面脫氣原油與煤油按照一定比例配制的模擬油，模擬油的標(biāo)準(zhǔn)密度約為0.862 g/cm3，地層溫度下黏度為4.82 mPa·s。

實驗巖樣采用取自新疆吉木薩爾蘆草溝組致密油儲集層、井深3600～4000 m的天然巖心，基本物性參數(shù)如表2所示。

圖3 采收率隨驅(qū)替壓力的變化關(guān)系曲線Fig. 3 The relationship between oil recovery and displacement pressure

(2)實驗條件與方法

為了使實驗結(jié)果盡可能符合實際情況，實驗初始壓力設(shè)為原始地層壓力43 MPa，圍壓比原始地層壓力高2～3 MPa，溫度為原始地層溫度81 ℃，回壓43 MPa。由于測得CO2與原油的最小混相壓力為18.7 MPa，為了使CO2與模擬油達(dá)到混相狀態(tài)，消除界面張力的影響，提高吞吐效率，同時結(jié)合油田實際情況，實驗生產(chǎn)壓力設(shè)定為20 MPa和30 MPa。同時為了對比彈性采收率與吞吐采收率，評價吞吐效果，在衰竭實驗結(jié)束后，以43 MPa恒壓向系統(tǒng)注入高純CO2，使系統(tǒng)壓力恢復(fù)到原始地層壓力，確保每個吞吐周期初始生產(chǎn)壓力相同。

圖4 CO2吞吐實驗流程圖Fig. 4 The experimental fl ow chart of CO2 huff and puff

表2 實驗巖樣基本物性參數(shù)Table 2 The basic physical parameters of rock samples

實驗步驟：①清洗巖心、烘干、稱量干重。抽真空、飽和模擬油，稱量飽和前后巖樣的質(zhì)量。②將飽和模擬油的巖樣裝入高壓夾持器內(nèi)，加回壓，設(shè)定注入泵壓為原始地層壓力，進(jìn)行憋壓，當(dāng)系統(tǒng)壓力達(dá)到平衡時，停泵。③衰竭實驗。當(dāng)系統(tǒng)壓力衰竭到設(shè)定生產(chǎn)壓力20 MPa(或30 MPa)后，以恒定壓力43 MPa注入高純CO2。④當(dāng)系統(tǒng)壓力恢復(fù)到原始地層壓力時，停泵，燜井12 h后進(jìn)行吞吐，并記錄時間、巖心兩端壓力、產(chǎn)油量和產(chǎn)氣量等數(shù)據(jù)。⑤更換巖樣，重復(fù)步驟③～④。⑥改變生產(chǎn)壓力，重復(fù)步驟③～④。⑦根據(jù)實驗結(jié)果分析吞吐周期、生產(chǎn)壓力以及滲透率對CO2吞吐提高采收率的影響，同時與彈性采收率進(jìn)行對比分析，評價CO2吞吐提高致密油儲層采收率的可行性。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 CO2吞吐結(jié)果分析

在上述實驗條件下對滲透率、孔隙度等物性參數(shù)不同的巖樣(表2)進(jìn)行CO2吞吐實驗，結(jié)果如表3和圖5～圖10所示。

表3 吞吐實驗結(jié)果Table 3 The result of the huff-puff tests

圖5 周期采收率與吞吐周期的關(guān)系Fig. 5 Relationship between cycle oil recovery and huff and puff cycle

(1)吞吐周期

由圖5可知，在生產(chǎn)壓力為30 MPa的條件下，隨著吞吐周期增加，周期采收率呈對數(shù)形式降低。其中，第1吞吐周期采收率提高幅度最大，采收率提高均在5%之上。經(jīng)過8個吞吐周期，3塊樣品累計采收率分別提高16.519%，23.909%，27.599%。前5周期貢獻(xiàn)較大，約占總提高采收率的83%～92%。在彈性衰竭開采后，地層壓力降低、剩余油含量高，CO2的注入一方面可以補充地層能量，增大原油膨脹系數(shù)，將部分剩余油驅(qū)出。另一方面由于實驗壓力高于最小混相壓力，CO2溶于模擬油后，二者處于混相狀態(tài)，使界面張力消除，原油黏度降低、流動性增強，使剩余油更容易采出。但是隨著吞吐周期的增加，剩余油含量和CO2氣體利用率逐漸降低，吞吐效果變差，周期采收率逐漸降低。

由圖6可知，在生產(chǎn)壓力為30 MPa的條件下，隨著吞吐周期增加，生產(chǎn)氣油比呈指數(shù)形式增大。表明注入CO2利用率逐漸降低，吞吐效果變差。因為CO2對輕質(zhì)組分萃取能力較強，隨著吞吐周期增加，剩余中輕質(zhì)組分含量減少，萃取效果變差，周期產(chǎn)油量逐漸降，而周期注氣量逐漸增加，導(dǎo)致?lián)Q油率降低，生產(chǎn)氣油比增大。前3～5周期生產(chǎn)氣油比低、CO2利用率較高，吞吐效果較好。從第6周期開始生產(chǎn)氣油比迅速增大，CO2利用率急劇降低，吞吐效果較差。因此，在油田采取CO2吞吐增產(chǎn)時，吞吐周期應(yīng)控制在5個以內(nèi)。

(2)生產(chǎn)壓力

由圖7可知，生產(chǎn)壓力越低，累計采收率越高，隨著吞吐周期增加，累計采收率呈對數(shù)形式增大。當(dāng)生產(chǎn)壓力較低時，系統(tǒng)壓力恢復(fù)到地層壓力所需CO2的注氣量較多，混合流體膨脹系數(shù)較大，生產(chǎn)時，模擬油中溶解的CO2氣體因膨脹效應(yīng)釋放的彈性能較多，產(chǎn)油量較大，累計采收率較高。因此，在油田開發(fā)允許范圍內(nèi)，應(yīng)盡可能的降低生產(chǎn)壓力，提高CO2吞吐采收率。

(3) 滲透率

在生產(chǎn)壓力為30 MPa的條件下，由周期采收率與滲透率的關(guān)系(圖8)可知，隨著滲透率的增高，周期采收率呈對數(shù)形式增大，吞吐效果變好。一方面，儲集層滲透率越高，平均孔吼半徑越大，在相同條件下，邊界層厚度占用率越低(如圖9所示)，可動流體飽和度越高(如圖10所示)，注氣吞吐時采出原油的量越多。另一方面，儲集層滲透率越高，流體滲流阻力越小，因CO2注入增加的地層能量用于驅(qū)油的比例越大，采收率提高越多。因此在儲集層滲透率較低時，應(yīng)采取壓裂、酸化等措施改善儲集層滲透率，提高吞吐效果。

圖6 生產(chǎn)氣油比與吞吐周期的關(guān)系Fig. 6 Relationship between gas oil ratio and huff and puff cycle

圖7 累計采收率隨吞吐周期變化關(guān)系曲線Fig. 7 Relationship between cumulative oil recovery and huff and puff cycle

2.2 CO2吞吐可行性評價

為了分析CO2吞吐效果的優(yōu)劣，評價致密油儲集層CO2吞吐的可行性，對致密油儲集層彈性采收率與CO2吞吐累計提高采收率結(jié)果進(jìn)行對比分析。

由圖11可知，不同滲透率的巖樣彈性采收率約為3.5%～5.0%，在彈性衰竭實驗的基礎(chǔ)上，經(jīng)過8個CO2吞吐周期，采收率累計提高可達(dá)16.5%～33.5%，約為彈性采收率的5～8倍，且衰竭生產(chǎn)壓力越低，采收率提高倍數(shù)越大，吞吐效果越好，因此注CO2吞吐對提高致密油儲集層采收率具有良好的可行性。

圖8 周期采收率隨滲透率的變化關(guān)系曲線Fig. 8 Relationship between cycle oil recovery and permeability

圖9 邊界層厚度占用率與滲透率的變化關(guān)系曲線Fig. 9 The relationship between the thickness occupancy rate of the boundary layer and the permeability

2.3 核磁共振分析

通過室內(nèi)CO2吞吐實驗，我們可以獲得不同吞吐周期采收率的提高程度，但是無法判斷不同尺寸孔隙的貢獻(xiàn)。由于儲集層巖石孔隙大小與核磁共振T2譜中弛豫時間成正比，T2弛豫時間越長對應(yīng)的孔隙半徑越大，T2弛豫時間越小對應(yīng)的孔隙半徑越小[24-30]。因此，通過對比分析不同CO2吞吐周期剩余油分布的核磁共振T2譜圖，可以獲得不同尺寸孔隙對采收率的貢獻(xiàn)。在不同吞吐周期，對巖樣1、巖樣2、巖樣3進(jìn)行核磁共振T2譜圖測試，結(jié)果如圖12所示。3個巖樣的滲透率分別為：(a)巖樣 1K=0.47×10-3μm2；(b)巖樣2K=0.29×10-3μm2；(c)巖樣 3K=0.0295×10-3μm2。

圖10 可動流體隨孔喉半徑變化圖示Fig. 10 The change of the movable fl uid with the pore throat

圖11 彈性采收率與CO2吞吐累計采收率對比Fig. 11 Comparison of depletion recovery and accumulation recovery of CO2 huff and puff

由圖12可知，當(dāng)滲透率較大時，T2譜圖曲線有兩個波峰，且左側(cè)波峰高于右側(cè)波峰，表明儲集層巖石主要兩種尺寸孔隙組成。滲透率越高，右波峰對應(yīng)累計幅度越大，大孔道所占比例越高，如圖12(a)和(b)所示。隨著滲透率降低，T2譜圖曲線變?yōu)閱尾ǚ澹鐖D12(c)所示，表明儲集層巖石主要由一種尺寸孔隙組成。

隨著吞吐周期增加，T2譜圖曲線逐漸向左下方偏移。在吞吐周期較少時，大于50 ms對應(yīng)的孔道的產(chǎn)出原油占主導(dǎo)地位；吞吐周期增加，大孔道采出的原油逐漸減少，小孔道產(chǎn)出的原油逐漸增多，10～50 ms、1～10 ms對應(yīng)的孔道逐漸變?yōu)楫a(chǎn)油主力區(qū)。這是因為當(dāng)驅(qū)替壓差較大時，注入的CO2先進(jìn)入大孔道后進(jìn)入小孔道，吞吐時大孔道的原油較小孔道先采出。隨著吞吐周期增加，大孔道中的原油已被采出，在濃度差與分子擴(kuò)散的作用下，小孔道中的原油先進(jìn)入大孔道，然后在吞吐過程中被采出。

不同T2譜圖區(qū)間對應(yīng)孔道的產(chǎn)油量占總產(chǎn)油量的百分比如表4所示。

圖12 不同CO2吞吐周期剩余油狀核磁共振T2譜圖曲線Fig. 12 NMR T2 spectrum of cores under different CO2 huff and puff cycles to residual state

表4 不同T2譜圖區(qū)間對應(yīng)孔隙半徑產(chǎn)油量百分比Table 4 Percentage of oil production with corresponding pore radius in different T2 intervals

3 結(jié)論

本文針對新疆吉木薩爾凹陷蘆草溝組致密油儲集層天然巖心，進(jìn)行室內(nèi)CO2吞吐物理模擬實驗，對CO2吞吐效果及影響因素進(jìn)行分析；同時采用核磁共振T2譜分析方法，對不同吞吐周期主力產(chǎn)油區(qū)孔隙半徑范圍進(jìn)行研究，得到如下結(jié)論：

(1)CO2吞吐實驗結(jié)果分析表明，吞吐周期增加，周期采收率呈對數(shù)形式遞減，經(jīng)過8個吞吐周期，采收率累計增加16.5%～34.0%，采收率提高幅度約為彈性采收率的5～8倍，其中前5周期采收率提高程度約占總提高采收率的83.0%～91.7%，注氣利用率高，吞吐效果好，具有良好的可行性。

(2)CO2吞吐影響因素分析表明，生產(chǎn)壓力越低、滲透率越高，采收率提高幅度和氣體利用率越高，吞吐效果越好。

(3)核磁共振T2譜圖分析表明，吞吐時大孔道中的原油先采出，小孔道中的原油后采出。在第1吞吐周期，大孔道中產(chǎn)出的原油占主導(dǎo)，約占產(chǎn)油量的49.00%～73.66%，孔吼半徑對應(yīng)的T2譜圖區(qū)間大于50 ms。隨吞吐周期增加，大孔道中產(chǎn)油量所占比例逐漸降低，10～50 ms、1～10 ms對應(yīng)的孔道產(chǎn)油量逐漸增大。