王世璐，王玉霞，賈凱鋒

(西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，陜西西安 710069)

國(guó)內(nèi)低滲透油藏在開發(fā)中暴露了很多像自然產(chǎn)能低、地層能量不足和地質(zhì)條件受限等導(dǎo)致采收率降低的問(wèn)題[1]。CO2提高采收率技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的有效地提高低滲透油藏的采收率技術(shù)之一，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益[2]。CO2提高采收率可結(jié)合CO2封存，提高原油產(chǎn)量，保護(hù)全球生態(tài)環(huán)境，為提高石油資源開發(fā)效益、保證可持續(xù)發(fā)展提供理論及實(shí)踐依據(jù)[3]。

CO2巖心驅(qū)替試驗(yàn)是評(píng)價(jià)不同的CO2注入方案并確定最優(yōu)注入方案組合的有效試驗(yàn)途徑。與細(xì)管試驗(yàn)相比，重力分層、黏性指進(jìn)、濕潤(rùn)性及非均質(zhì)性等會(huì)對(duì)巖心驅(qū)替試驗(yàn)結(jié)果造成一定程度的影響，但它更接近于地層的實(shí)際情況。巖心尺度上驅(qū)油效率的測(cè)定是評(píng)價(jià)CO2驅(qū)油效果的基本方法。影響驅(qū)油效率因素的研究主要集中在巖石固有性質(zhì)、流動(dòng)介質(zhì)和動(dòng)力條件等方面，具體參數(shù)有：滲透率、壓力、注入速度、注入方式等。

有非混相驅(qū)、近混相驅(qū)[4]及混相驅(qū)為CO2氣驅(qū)驅(qū)替的主要類型。CO2非混相驅(qū)主要通過(guò)溶解于原油中的CO2使原油體積膨脹，降低原油黏度，在一定壓力下可抽提原油中的輕質(zhì)組分或使其汽化減小界面張力，從而提高驅(qū)油效率[5-7]。CO2混相驅(qū)過(guò)程中主要利用在等于或高于最小混相壓力條件下的CO2的抽提作用，通過(guò)降低界面張力來(lái)實(shí)現(xiàn)混相，進(jìn)而提高驅(qū)油效率?；煜囹?qū)由于其較高的驅(qū)油效率備受青睞，且對(duì)水驅(qū)效果較差的低滲透油藏開發(fā)來(lái)說(shuō)，具有明顯優(yōu)勢(shì)[8-10]。

李劍等[11]通過(guò)巖心物理模擬試驗(yàn)，研究了儲(chǔ)層非均質(zhì)性、注入方式、注入時(shí)機(jī)等對(duì)水驅(qū)后注CO2采出程度的影響。本文則采用CO2氣體連續(xù)驅(qū)替的巖心物理模擬試驗(yàn)探討不同因素(包括滲透率、注入速度、注入壓力)對(duì)最終驅(qū)油效率的影響，并通過(guò)敏感性分析判斷不同因素對(duì)驅(qū)油效率的影響程度。

1 巖心驅(qū)替試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)流體與巖心

試驗(yàn)用流體主要包括地層水、原油、CO2。試驗(yàn)用地層水為模擬地層水，礦化度為80 063 mg/L(表1)；試驗(yàn)用油樣為復(fù)配原油，模擬地層原油的組分見表2，由于研究區(qū)原油黏度、密度等物性在含氣和脫氣狀態(tài)下的變化幅度較小，試驗(yàn)均采用脫氣油；試驗(yàn)用CO2為純度99.99%的氣體。試驗(yàn)所用巖心的參數(shù)見表3。

1.2 溫度、壓力及最小混相壓力

試驗(yàn)在60 ℃下進(jìn)行，地層壓力為12.6 MPa。依據(jù)細(xì)管驅(qū)替試驗(yàn)數(shù)據(jù)并結(jié)合最小混相壓力確定方法[12]，得知CO2與試驗(yàn)區(qū)地層原油的最小混相壓力為17.8 MPa。

表1 地層水礦物組成Table 1 Mineral composition of formation water

表2 模擬地層原油組分Table 2 Components of simulated formation crude oil

表3 巖心參數(shù)Table 3 Core parameters

1.3 試驗(yàn)設(shè)備

恒溫箱1個(gè)，驅(qū)替泵1個(gè)，環(huán)壓自動(dòng)跟蹤泵1個(gè)，1 000 mL哈氏合金高壓容器3個(gè)，六通閥1個(gè)，哈氏合金巖心夾持器1個(gè)，回壓泵1個(gè)，油氣水自動(dòng)計(jì)量裝置1個(gè)，壓力監(jiān)測(cè)及控制系統(tǒng)1個(gè)，傳感器及計(jì)算機(jī)設(shè)備，管線若干，試驗(yàn)裝置如圖1所示。

1.4 試驗(yàn)步驟

(1)保證儲(chǔ)液容器、各種泵內(nèi)液體充足，避免驅(qū)替試驗(yàn)中斷。

圖1 試驗(yàn)裝置示意Fig.1 Schematic diagram of the experimental device

(2)抽真空48 h，隨后飽和地層水。

(3)加環(huán)壓密封巖樣。打開環(huán)壓泵開關(guān)，加環(huán)壓至3 MPa，并在后續(xù)試驗(yàn)中始終保持環(huán)壓與進(jìn)口壓力的壓差為3 MPa。

(4)升溫至地層溫度。打開恒溫箱加熱開關(guān)，升溫至60 ℃。

(5)地層水驅(qū)替，確保巖心被地層水飽和。

(6)油驅(qū)水建立束縛水飽和度。施加回壓的情況下，注入原油，至出口處無(wú)地層水進(jìn)入油氣水自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)，出口處原油連續(xù)不間斷達(dá)到4～5 PV，關(guān)閉六通閥入口端閥門，進(jìn)行巖心老化12 h。

(7)CO2驅(qū)油。進(jìn)行不同滲透率、不同壓力和不同注入速度下的CO2驅(qū)油試驗(yàn)，記錄各個(gè)時(shí)刻的壓力、產(chǎn)氣、產(chǎn)油量，直至試驗(yàn)結(jié)束。

(8)數(shù)據(jù)整理及結(jié)果處理。油氣水自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)在大氣條件下運(yùn)行，需要按一定原則將其修正到巖心壓力下，利用修正的數(shù)據(jù)對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析研究。

2 CO2驅(qū)油試驗(yàn)結(jié)果及敏感性分析

2.1 CO2驅(qū)油試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)使用編號(hào)1～9巖心(表3)，進(jìn)行了不同滲透率(5 mD、1.5 mD、0.5 mD)、不同壓力(10 MPa、18 MPa、20 MPa)、不同注入速度(0.5 mL/min、0.8 mL/min、1 mL/min)的三因素三水平9組CO2驅(qū)油試驗(yàn)。試驗(yàn)動(dòng)態(tài)變化如圖2所示，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

由試驗(yàn)1～9的動(dòng)態(tài)變化曲線可知，注入CO2后隨著試驗(yàn)時(shí)間的推移，原油開始被驅(qū)替出來(lái)，產(chǎn)油量及產(chǎn)出油氣比大幅度上升，隨后逐漸趨于穩(wěn)定，進(jìn)入平穩(wěn)階段，在此過(guò)程中采出程度隨試驗(yàn)時(shí)間的推移逐漸上升。在平穩(wěn)階段，產(chǎn)油量可能會(huì)產(chǎn)生一定波動(dòng)(試驗(yàn)1、4、7、8現(xiàn)象較明顯)，是因?yàn)镃O2逐漸進(jìn)入細(xì)小孔隙，使細(xì)小孔隙中不易被驅(qū)替的原油黏度降低，從而孔隙對(duì)其阻力減?。划?dāng)原油流動(dòng)動(dòng)力大于孔隙對(duì)其阻力時(shí)，原油便會(huì)從孔隙中被驅(qū)替出來(lái)，此時(shí)便會(huì)使產(chǎn)油量有一定幅度的上升，因此產(chǎn)油量在平穩(wěn)階段可能會(huì)有一定波動(dòng)。平穩(wěn)階段末期，產(chǎn)油量及產(chǎn)出油氣比急劇下降，此時(shí)表示CO2氣體發(fā)生突破，還會(huì)有少量原油被氣體攜帶而出，因此在產(chǎn)油量急劇下降后，在整個(gè)驅(qū)油過(guò)程末期產(chǎn)油量會(huì)緩慢趨近于0，此過(guò)程中采出程度隨試驗(yàn)時(shí)間的推移增長(zhǎng)緩慢，逐漸趨近于最大值，即最終驅(qū)油效率(采出程度)。具體數(shù)值見表4。

表4 K、p、v對(duì)驅(qū)油效率的影響正交試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Orthogonal experimental results of the effects of K, p and v on oil displacement efficiency

注：滲透率括號(hào)內(nèi)表示實(shí)際巖心的滲透率數(shù)值，括號(hào)外的數(shù)字表示試驗(yàn)需要的滲透率數(shù)值。

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)敏感性分析

敏感性分析中S1、S2、S3與滲透率對(duì)應(yīng)的參數(shù)分別為5 mD、1.5 mD、0.5 mD，與壓力對(duì)應(yīng)的參數(shù)分別為10 MPa、18 MPa、20 MPa，與注入速度對(duì)應(yīng)的參數(shù)分別為0.5 mL/min、0.8 mL/min、1 mL/min。滲透率、壓力、注入速度三因素敏感性分析結(jié)果見表5。

圖2 CO2驅(qū)油試驗(yàn)動(dòng)態(tài)變化曲線Fig.2 Dynamic curves of CO2 flooding experiment

注：S1、S2、S3所對(duì)應(yīng)的滲透率、壓力、注入速度的數(shù)值是由3個(gè)因素的某一設(shè)定水平參數(shù)對(duì)應(yīng)的3組試驗(yàn)得到的驅(qū)油效率(表3)相加求和得到。即滲透率S1=試驗(yàn)1驅(qū)油效率+試驗(yàn)2驅(qū)油效率+試驗(yàn)3驅(qū)油效率，壓力S1=試驗(yàn)1驅(qū)油效率+試驗(yàn)4驅(qū)油效率+試驗(yàn)7驅(qū)油效率，注入速度S1=試驗(yàn)1驅(qū)油效率+試驗(yàn)6驅(qū)油效率+試驗(yàn)8驅(qū)油效率。其他數(shù)值可同理求得。

通過(guò)分析可知，滲透率、壓力、注氣速度對(duì)應(yīng)的極差分別是1.01、15.63、1.28。說(shuō)明在設(shè)定的3個(gè)影響因素中，對(duì)驅(qū)油效率影響最大的是壓力，其次依次為注入速度、滲透率。同時(shí)通過(guò)優(yōu)水平分析，滲透率最優(yōu)為0.5 mD，壓力最優(yōu)為20 MPa，注入速度為1 mL/min，此結(jié)果與上述正交試驗(yàn)結(jié)果分析得到的結(jié)論一致。

根據(jù)試驗(yàn)敏感性分析所得數(shù)據(jù)，可進(jìn)一步分析滲透率、驅(qū)替壓力、注入速度對(duì)驅(qū)油效率的影響，并討論3種因素影響驅(qū)油效率的具體原因。

2.3 滲透率對(duì)驅(qū)油效率的影響

CO2驅(qū)油效率隨滲透率的變化趨勢(shì)如圖3所示。結(jié)果顯示，滲透率為5 mD、1.5 mD、0.5 mD時(shí)對(duì)應(yīng)的驅(qū)油效率分別為71.19%、72.09%、72.20%。隨滲透率的降低，CO2的驅(qū)油效率增加。造成此現(xiàn)象的因素主要有兩個(gè)：流速和壓差。低滲透率巖心中的低速流體一方面有利于CO2和原油充分接觸，使原油有充足的時(shí)間溶解更多的CO2，以更好地改善原油物性并增加其膨脹系數(shù)，使原油黏度降低，更易流動(dòng)，從而提高CO2的驅(qū)油效率；另一方面，低速流體可使CO2更易驅(qū)替細(xì)小孔隙中的原油，從而降低儲(chǔ)層中的殘余油飽和度并進(jìn)一步提高驅(qū)油效率。驅(qū)替過(guò)程中，低滲透率巖心的驅(qū)替壓差大于高滲透率巖心，因此在相同的回壓條件下，低滲透率巖心具有較高的注入壓力。高注入壓力可在一定程度上提高原油中CO2的溶解度。此外，地層原油的物性得到了更好的改善。因此低滲透率巖心的CO2驅(qū)油效率更高。

圖3 不同滲透率下的驅(qū)油效率變化曲線Fig.3 Curve of oil displacement efficiency at different permeability

2.4 壓力對(duì)驅(qū)油效率的影響

圖4 不同壓力下的驅(qū)油效率變化曲線Fig.4 Curve of oil displacement efficiency at different pressures

CO2驅(qū)油效率因壓力的變化會(huì)有較大差別。如圖4所示，驅(qū)油效率隨著壓力保持水平增加而上升。這種趨勢(shì)應(yīng)該是由于壓力增大，原油中可以溶解更多的CO2，增加了原油的膨脹系數(shù)和飽和壓力，減小了原油黏度，原油更易流動(dòng)，同時(shí)細(xì)小孔隙中的原油也可溶解更多的CO2，從而易于被驅(qū)替。由于原油可以溶解更多的CO2，油氣性質(zhì)越來(lái)越接近，兩相之間的界面張力減小，原油中CO2的指進(jìn)程度也將降低，因此減少了滯留在驅(qū)替前緣后面的原油含量。當(dāng)系統(tǒng)壓力保持在CO2和地層原油的最小混相壓力水平之上時(shí)，油氣兩相之間的界面及界面張力完全消失并在驅(qū)替前沿形成混相帶。由于在巖心混相帶中的流體流動(dòng)具有均質(zhì)性，CO2驅(qū)替效率將會(huì)大大提升。研究區(qū)致密砂巖儲(chǔ)層原油與CO2的最小混相壓力為17.8 MPa，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可知，驅(qū)油效率在壓力保持為20 MPa水平 時(shí)可平均高達(dá)77.6%。另外，在CO2突破后，儲(chǔ)層中部分滯留的原油會(huì)通過(guò)CO2的萃取作用被驅(qū)替出來(lái)，同時(shí)CO2的萃取能力會(huì)隨系統(tǒng)壓力的提高而增強(qiáng)。因此，壓力保持水平越高，CO2的驅(qū)油效率也隨之提高。

2.5 CO2注入速度對(duì)驅(qū)油效率的影響

圖5 不同注入速度下的驅(qū)油效率變化曲線Fig.5 Curve of oil displacement efficiency at different injection speeds

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，CO2注入速度對(duì)驅(qū)油效率存在一定影響。如圖5所示，在試驗(yàn)設(shè)定的速度變化范圍內(nèi)，注入速度的增加將在一定程度上提高CO2的驅(qū)油效率，但增長(zhǎng)較小且驅(qū)油效率的增長(zhǎng)幅度隨注入速度的提升會(huì)有一定程度的降低。并且需要注意，此趨勢(shì)并不代表在實(shí)際實(shí)施過(guò)程中應(yīng)以過(guò)高的速度注入氣體，因?yàn)轵?qū)替試驗(yàn)所用柱狀巖心在一定程度上可以認(rèn)為是均質(zhì)的，并不能真實(shí)代表非均質(zhì)性油藏，尤其是在氣驅(qū)過(guò)程中，由于非均質(zhì)性引起的氣竄在實(shí)際油藏中是不可避免的，而過(guò)高的速度必然引起生產(chǎn)井過(guò)早突破并發(fā)生氣竄。

3 結(jié)論

(1)通過(guò)不同滲透率、不同壓力、不同注入速度的三因素三水平CO2驅(qū)油試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可知：①隨著滲透率的增加，CO2驅(qū)油效率下降，但是驅(qū)油效率差別較小；②不同壓力下，CO2驅(qū)油效率差異較大，隨著壓力保持水平的不斷提高，驅(qū)油效率呈上升趨勢(shì)；③同時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果表明，CO2注入速度對(duì)驅(qū)油效率具有一定影響，CO2驅(qū)油效率隨注入速度的增加而有所上升。但在實(shí)際油藏條件下，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)淖⑷攵?，因?yàn)檫^(guò)高的CO2注入速度會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)井過(guò)早突破和氣竄。

(2)通過(guò)分析滲透率、壓力、注入速度的敏感性可知：①3種因素對(duì)驅(qū)油效率的影響程度排序?yàn)椋簤毫?注入速度>滲透率；②在設(shè)定的滲透率、壓力、注入速度的參數(shù)中，最優(yōu)值分別為0.5 mD、20 MPa、1 mL/min。