韋琦，侯吉瑞*，郝宏達，宋兆杰

1 中國石油大學(北京)提高采收率研究院，北京 102249

2 溫室氣體封存與石油開采利用北京市重點實驗室，北京 102249

3 中國石油三次采油重點實驗室低滲油田提高采收率應用基礎理論研究室，北京 102249

CO2驅油在低滲/特低滲油藏開發(fā)中具有明顯優(yōu)勢，已經(jīng)廣泛應用于國內外許多油田[1-3]。但是由于重力超覆、黏性指進等問題，導致CO2的竄逸問題十分嚴重[4]。并且，隨著儲層非均質性的增大，氣體容易沿著高滲透層突進，CO2驅油效果明顯降低[5-7]。因此，正確認識CO2氣竄規(guī)律，對改善特低滲油藏CO2驅油效果具有重要指導意義。

國內外學者對CO2氣竄問題已進行了大量的研究，但目前尚未形成統(tǒng)一認識[8-13]。專家普遍認為，CO2的注入壓力以及儲層的非均質性對氣竄規(guī)律的影響十分顯著。當溫度超過31 ℃，壓力超過7.382 MPa時，CO2將由氣態(tài)達到超臨界狀態(tài)，黏度接近于氣體，密度接近于液體，同時具有很強的萃取以及溶解能力；進一步增大壓力，CO2和原油將會達到混相狀態(tài)。增大注入壓力有利于驅出地層原油，同時也將在一定程度上影響CO2的氣竄規(guī)律[14]。當儲層的非均質性十分嚴重時，CO2沿著高滲透層突進，特別是當裂縫存在時，CO2極易沿著裂縫形成氣竄通道，大大降低了波及效率，導致大量的CO2氣體在地層中形成無效循環(huán)，影響最終采收率。

目前室內CO2驅油實驗大多采用細管實驗或者巖心驅替實驗。細管實驗中CO2能夠與原油充分接觸，未考慮波及，更加理想化[15]。而巖心驅替實驗既考慮了波及情況，又考慮了巖心的潤濕性、孔徑分布以及滲透率等等相關物性，更加接近礦場的實際條件。為了進一步研究特低滲油藏CO2驅的氣竄規(guī)律，本文借助室內巖心驅替實驗，分析了在儲層溫度和壓力下特低滲油藏CO2驅替過程中的生產動態(tài)特征與氣竄規(guī)律，研究了CO2注入壓力和儲層非均質性對特低滲油藏CO2驅氣竄規(guī)律的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗目的

為了研究特低滲油藏CO2驅的氣竄規(guī)律，筆者模擬長慶姬塬油田黃3區(qū)塊的礦場實際條件，在室內建立了與目標區(qū)塊油藏儲層滲透率/孔隙結構相近的人造巖心。借助室內巖心驅替實驗，分析了儲層溫度和壓力下特低滲油藏CO2驅替過程中的生產特征及氣竄規(guī)律。在油藏溫度下，改變CO2的注入壓力(5 MPa、10 MPa、15 MPa、20 MPa、25 MPa)和非均質條件(巖心滲透率級差5、10、15、20，以及裂縫性巖心模型)，分析生產氣油比、不同采油階段采出程度、注入量等參數(shù)，研究注入壓力以及非均質性對特低滲油藏CO2驅氣竄規(guī)律的影響。

1.2 實驗條件及材料

實驗設備：KDHW-II型自控恒溫箱、Isco泵、巖心夾持器(適用巖心規(guī)格30 cm×4.5 cm×4.5 cm)、活塞中間容器、回壓閥、D07-11C型氣體流量計、CS200型氣體流量計、壓差變送器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、氣液分離裝置、液體收集裝置、管線若干。實驗流程圖如圖1所示。

實驗巖心：實驗用巖心包括不同滲透率級差(5、10、15、20)的人造非均質方巖心，以及裂縫性巖心模型。人造巖心采用與儲層相近的礦物成分混合壓制而成。巖心規(guī)格均為4.5 cm×4.5 cm×30 cm，實驗用巖心礦物組成見表1，實驗用巖心基礎參數(shù)見表2。

實驗用氣：高純CO2，純度為99.99%。

實驗用水：模擬長慶油田黃3區(qū)塊地層水，地層水礦化度為61 240 mg/L，水型為CaCl2型，地層水礦物組成見表3。

實驗用油：長慶黃3區(qū)塊地層原油，地層溫度86.2 ℃下原油黏度為2.16 mPa·s，密度為0.768 g/cm3，地層溫度下實驗用油相關性質見表4。

1.3 實驗步驟

(1)特低滲油藏CO2驅替實驗

① 制作與長慶姬塬油田黃3區(qū)塊儲層孔隙度、滲透率相近的人造巖心，烘干，測量長寬高，計算視體積；

② 將巖心放入巖心夾持器中，加環(huán)壓，抽真空約4 h；

③ 飽和地層水，測定孔隙體積、孔隙度；

④ 按圖1所示連接好設備，設定實驗溫度為85 ℃，恒溫12 h以上，水測滲透率；

⑤ 變流速飽和油，待出口端恒定出油之后，飽和油結束，計算飽和油體積，并老化24 h；

圖1 實驗流程圖Fig. 1 Experimental flow chart

表1 實驗用巖心礦物組成Table 1 The mineral composition of core

表2 實驗用巖心基礎數(shù)據(jù)Table 2 The datas of experimental cores

表3 地層水礦物組成Table 3 Ionic compositions of formation water

⑥ 設定出口端回壓15 MPa(與黃3區(qū)塊目前地層壓力相近)，恒速1 mL/min(模擬地下條件)注入CO2，直至出口端生產氣油比＞4000 m3/m3時為止，記錄注入壓力、出口端液體與氣體體積等實驗數(shù)據(jù)；

⑦ 繪制特低滲油藏CO2驅典型生產特征曲線，包括氣驅采收率和生產氣油比與注入體積的關系曲線。

(2)CO2注入壓力對氣竄規(guī)律影響實驗

① 選取滿足滲透率要求的均質巖心，烘干，測量長寬高，計算視體積；

② ～ ⑤同上；

⑥ 分別設定出口端回壓5 MPa、10 MPa、15 MPa、20 MPa、25 MPa，恒速1 mL/min(模擬地層條件)注入CO2，直至出口端生產氣油比＞4000 m3/m3時為止，記錄注入壓力、出口端產液量與產氣量等實驗數(shù)據(jù)，計算氣驅采收率。

(3)非均質性對氣竄規(guī)律影響實驗

① 選取不同滲透率級差(5、10、15、20)的人造非均質方巖心和裂縫性巖心，烘干，測量長寬高，計算視體積；

② ～ ⑤同上；

⑥ 設定出口端回壓15 MPa，恒速1 mL/min(模擬地下條件)注入CO2，直至出口端生產氣油比＞4000 m3/m3時為止，記錄注入壓力、出口端產液量與產氣量等實驗數(shù)據(jù)，計算氣驅采收率。

2 特低滲油藏CO2驅生產動態(tài)特征

為研究特低滲油藏CO2驅的氣竄規(guī)律，選取了與長慶姬塬油田黃3區(qū)塊儲層孔隙度、滲透率相近的人造巖心CQJZ-3，在油藏溫度85 ℃和地層壓力15 MPa下，開展了注CO2驅替實驗，生產動態(tài)曲線如圖2所示。當CO2的總注入量為1.51 PV時生產氣油比達到4825 m3/m3，CO2驅最終采收率達到65.61%，

表4 實驗用油物理性質Table 3 Physical properties of oil

圖2 15 MPa注入壓力下CO2驅生產動態(tài)曲線Fig. 2 Dynamic simulation of CO2 flooding at 15 MPa injection pressure

根據(jù)CO2驅替過程中的生產動態(tài)特征，可將驅替過程分為3個階段：無氣采油階段、見氣階段以及氣竄階段(如圖2所示)。① 在無氣采油階段，單相原油以段塞的形式產出。② 當出口端有溶解氣產出時，CO2驅進入見氣階段。在此階段，原油為連續(xù)相，氣體為分散相。在見氣階段，氣驅的采出程度迅速增大，大量原油采出，為CO2驅提高采收率的關鍵階段。③出口端大量見氣時，CO2驅進入氣竄階段。在此階段大量氣體攜帶少量原油產出，氣為連續(xù)相，出口端的原油以噴射狀產出。氣竄階段又可細分為氣竄形成階段和完全氣竄階段。在氣竄形成階段，氣竄通道逐漸形成并擴大，生產氣油比變化幅度較大且不規(guī)則，氣驅的采出程度增幅變緩。隨著氣體繼續(xù)注入，巖心內CO2的氣竄通道已經(jīng)形成，生產氣油比迅速增大，CO2驅進入完全氣竄階段，此時氣驅采出程度幾乎不再增大。

在不同注入壓力和非均質條件下開展注CO2驅替實驗，均表現(xiàn)出如圖2所示的驅替特征，但是CO2注氣壓力與非均質條件的改變，均會對CO2驅的生產動態(tài)特征曲線造成不同程度的影響。

3 注入壓力對CO2氣竄規(guī)律的影響

如前文所述，當CO2的注入壓力發(fā)生變化時，地層內CO2的相態(tài)將發(fā)生變化，從低壓的氣態(tài)到超臨界狀態(tài)到最終的混相狀態(tài)，注入壓力的改變不僅影響注CO2驅的開發(fā)效果，也勢必會影響CO2驅的氣竄規(guī)律。

本部分選取與長慶姬塬油田黃3區(qū)塊儲層孔隙度、滲透率相近的人造巖心，開展了不同注入壓力下注CO2巖心驅替實驗，實驗結果如表5及圖3所示。CO2驅采收率隨著注入壓力的增大而增大。隨著注入壓力增大，CO2由氣態(tài)轉變到超臨界狀態(tài)，CO2驅也由最初的非混相驅變?yōu)榻煜囹專罱K轉變?yōu)榛煜囹?。當注入壓力達到25 MPa時，注入的CO2與地層原油實現(xiàn)動態(tài)混相，最終采出程度可達到88.81%。

表5 CO2注入壓力對氣竄規(guī)律影響實驗結果Table 5 Effect of CO2 injection pressure on gas channeling

圖3 CO2驅總采收率及各階段采出程度隨注入壓力關系曲線Fig. 3 The recovery of CO2 flooding at each stage flooding with the injection pressure curve

圖3是CO2驅總采收率及各階段采出程度隨注氣壓力的變化關系曲線?？傮w來講，CO2驅總采收率隨注入壓力的升高而增大，但各個階段的采出程度卻有所差異。隨著注入壓力增大，無氣階段采出程度增幅不大。這是因為無氣階段的采收率主要是由巖心的基本物性決定，對于儲層物性相似的特低滲油藏，油氣相滲流流曲線中的純油流動區(qū)域大致相近，注入壓力的增大只是在一定程度上減緩了注入氣體的黏性指進，使得驅替前緣或混相帶前緣推進更加均勻。相對來講，CO2注入壓力增大，會在更大程度上改變油氣兩相共滲區(qū)，宏觀上表現(xiàn)為見氣階段和氣竄階段的采出程度大幅度增加。當CO2由氣相轉變?yōu)槌R界狀態(tài)時，溶解和擴散能力大幅增強，萃取和抽提輕烴的能力也明顯提高，因此見氣階段采出程度大幅度增加。當注入壓力超過20 MPa時，CO2與原油的混相作用可大幅度提高原油采收率，因此在氣竄形成階段仍可采出一定量的原油。

圖4為CO2總注入量隨注入壓力變化柱狀圖。如圖所示，CO2的總注入量隨著注入壓力增大而增加，且隨著注入壓力增大，見氣階段和氣竄階段不斷擴大。隨著注入壓力增大，地層內CO2的相態(tài)一直在變化，從最開始的氣態(tài)到超臨界狀態(tài)，最終達到混相狀態(tài)，CO2的密度也隨之升高，單位體積CO2的注入量也就隨之增加；同時CO2在原油中的溶解度也隨著注入壓力的增大而增大，這也進一步增大了CO2的注入量。當CO2驅為非混相驅替(注入壓力5 MPa、10 MPa)時，氣竄通道迅速形成，氣體突破及竄逸速度較快；當為近混相或混相驅替(15 MPa、20 MPa、25 MPa)時，氣竄通道形成較慢，CO2驅仍可在氣竄形成階段采出一定量原油。因此，保持地層壓力，盡可能實現(xiàn)CO2的近混相驅或混相驅，可在一定程度上延緩CO2氣竄，改善特低滲油藏CO2驅的開發(fā)效果。

4 非均質性對CO2氣竄規(guī)律的影響

與CO2注入壓力的影響類似，儲層非均質性在影響CO2驅開發(fā)效果的同時，也會影響特低滲油藏CO2驅的氣竄規(guī)律。為了研究儲層非均質性對氣竄規(guī)律的影響，選取均質巖心、不同滲透率級差(5、10、15、20)的層內非均質巖心以及裂縫性巖心，開展了油藏溫度和壓力條件(85 ℃、15 MPa)下注CO2巖心驅替實驗，實驗結果如表6及圖5所示。

驅替實驗結果與前人的相關研究結論基本一致[18-19]，即隨著滲透率級差的增大，巖心非均質性增強，CO2驅總采收率明顯降低。均質巖心的采收率明顯高于非均質巖心以及裂縫性巖心，且隨著儲層非均質性的增強，CO2的總注入量以及各驅替階段分注入量明顯減少，出口端見氣時間和完全氣竄時間越來越早，注入氣體沿高滲通道以及裂縫發(fā)生竄逸的現(xiàn)象越發(fā)嚴重。

CO2驅替過程中各階段采出程度與滲透率級差關系曲線如圖5所示，隨著滲透率級差的增大，巖心非均質性不斷增強。一方面，特低滲油藏CO2驅無氣階段的采出程度隨著儲層非均質性的增加而降低，但降低的幅度很小。無氣采油階段采出程度主要受到儲層基本物性影響，特低滲透非均質油藏的純油流動區(qū)域大致相近，因此無氣采油階段采出程度降幅較??；對于裂縫性油藏，無氣采油階段采出程度主要由裂縫中的原油所貢獻。另一方面，巖心非均質性對見氣階段與氣竄階段采出程度影響較大。與均質巖心相比，滲透率級差為5時非均質巖心見氣階段的采出程度明顯下降。CO2沿著高滲層突進，注入氣體無法有效波及低滲儲層。隨著滲透率級差進一步增大，層內矛盾加重，CO2沿高滲層或裂縫突進及竄逸的現(xiàn)象愈發(fā)顯著。由此可見，儲層非均質性主要影響特低滲油藏CO2驅見氣階段和氣竄階段的開發(fā)效果。如何有效改善儲層非均質性，抑制注入氣體沿高滲層或裂縫竄逸，提高見氣階段及氣竄階段的采出程度，是改善特低滲油藏CO2驅開發(fā)效果的關鍵點。

圖4 特低滲油藏CO2驅注入量隨注入壓力變化柱狀圖Fig. 4 The injection volume with the injection pressure change column

表6 非均質性對CO2氣竄規(guī)律影響實驗結果Table 6 Effect of heterogeneity on gas channeling

圖5 CO2驅總采收率與各階段采出程度隨滲透率級差變化關系曲線Fig. 5 The recovery of CO2 flooding at each stage flooding with the permeability ratio curve

文獻調研發(fā)現(xiàn)，礦場的實際生產動態(tài)資料與本文室內實驗結果一致，腰英臺油田生產實踐表明，油井見氣并不可怕，大部分增油量都是在見氣后采出的[22] 。

5 結論

借助室內巖心驅替實驗，分析了在油藏溫度和壓力條件下特低滲油藏CO2驅替過程中的生產特征及氣竄規(guī)律，研究了注入壓力和儲層非均質性對氣竄規(guī)律的影響，主要得出以下結論：

(1)特低滲油藏注CO2驅替過程可細分為無氣采油階段、見氣階段以及氣竄階段。見氣階段的產油量對CO2驅總采收率貢獻巨大，是提高原油采收率的關鍵階段。

(2)隨著CO2注入壓力增大，無氣采油階段、見氣階段以及氣竄階段的采出程度逐漸增大。注入壓力對見氣階段采出程度的影響尤其顯著。當注入氣體與地層原油實現(xiàn)近混相或混相驅替時，在氣竄形成階段仍可采出一定量的原油。

(3)隨著儲層非均質性增強，CO2驅無氣采油階段、見氣階段以及氣竄階段的采出程度逐漸降低，且見氣階段采出程度受儲層非均質性的影響較大。隨著儲層非均質性加劇，CO2沿高滲層或裂縫的突進及竄逸現(xiàn)象愈發(fā)顯著。

(4)盡可能保持地層壓力，改善儲層非均質性，抑制注入氣體竄逸，延長CO2驅的見氣階段，可以提高見氣階段的采出程度，是改善特低滲油藏CO2驅開發(fā)效果的有效途徑。