田 巍

（1.中國石化中原油田分公司勘探開發(fā)研究院，河南濮陽 457001；2.中國石化中原油田博士后科研工作站，河南濮陽 457001）

近年來，CO2驅(qū)技術(shù)作為老油田三次采油中一種有效的技術(shù)手段越來越受到重視[1-4]. 許多國家，如美國、委內(nèi)瑞拉、澳大利亞、中國等國都開展有不同類型油藏的CO2驅(qū)項(xiàng)目[5-9]，其中美國開展的最早、規(guī)模也是最大的. 目前，由于國內(nèi)無大型的CO2氣藏，只能從CO2捕集工廠或制備點(diǎn)采用罐車運(yùn)送的方式運(yùn)送到油田注氣儲備罐或注氣井口，所以成本會大大增加，因此CO2氣源問題一直是影響國內(nèi)CO2驅(qū)技術(shù)面積推廣的一道屏障. 此外，目前多數(shù)油田注CO2開發(fā)的產(chǎn)出氣體是直接排放掉的，只有少數(shù)油田開展了產(chǎn)出氣的回收分離與回注[10-13]. 事實(shí)上，產(chǎn)出氣中含有一定量的CO2，如果直接排掉，一方面會污染環(huán)境[10-12]，另一方面也會造成資源的浪費(fèi)，若能夠?qū)崿F(xiàn)回收回注或直接回注驅(qū)油，不僅能保護(hù)環(huán)境，還能大大節(jié)約成本. 因此研究低滲油藏CO2驅(qū)產(chǎn)出氣回注的可行性就非常必要. 本研究從混相效果影響因素及回注氣對驅(qū)油效果影響的角度詳細(xì)考察了產(chǎn)出氣回注的可行性，為油田的CO2驅(qū)開發(fā)提供重要參考和技術(shù)支撐.

1 儲層特征

中原油田低滲透油藏儲量規(guī)模大，采收率具有較大的提高潛力. 研究儲層位于河南省濮陽市境內(nèi)東濮凹陷文留構(gòu)造東翼，儲層埋深為3200～4300 m，為典型的深層高溫高壓低滲透油藏. 儲集層孔隙度為18%，空氣滲透率為10×10-3μm2，原始地層壓力為55～68 MPa，壓力系數(shù)為1.73，地層溫度110～150 ℃，地溫梯度達(dá)4～5 ℃/100 m. 黏土礦物絕對含量為5%～15%，伊利石相對含量為25%～60%，綠泥石相對含量為28%～50%，高嶺石相對含量＜11%，伊蒙混層相對含量為6%～34%. 膠結(jié)物含量在18%以上，以鐵白云質(zhì)為主，其次為硬石膏，呈微細(xì)晶結(jié)構(gòu)，以線接觸-凹凸接觸為主，其次為點(diǎn)接觸，顆粒分選系數(shù)中等，存在少量的微裂縫發(fā)育.

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 最小混相壓力測定

本研究以中原油田某深層高壓低滲油藏地層流體為研究對象，分別對不同開發(fā)階段原油與CO2的混相特征以及注入不同組分產(chǎn)出氣下的原油混相特征進(jìn)行了研究. 最小混相壓力測定實(shí)驗(yàn)共包含兩部分，第一部分是不同開發(fā)階段原油脫氣之后其組分發(fā)生變化下的最小混相壓力測試. 為使實(shí)驗(yàn)?zāi)M更具相似性，在室內(nèi)分別配制不同組分的原油，開展細(xì)管實(shí)驗(yàn)測定其最小混相壓力. 第二部分是產(chǎn)出氣在不同階段不同CO2摩爾百分?jǐn)?shù)下與原油最小混相壓力測試. 為考察在產(chǎn)出氣中CO2摩爾百分?jǐn)?shù)對回注效果的影響，分別配制不同比例的天然氣和CO2混合氣體開展最小混相壓力實(shí)驗(yàn). 詳細(xì)實(shí)驗(yàn)步驟如下：

1）將配制好的地層流體轉(zhuǎn)入到中間容器中并恒溫恒壓，接通儀器流程，升溫至實(shí)際地層溫度，升壓至當(dāng)前地層壓力，調(diào)整回壓為當(dāng)前地層壓力的數(shù)值.

2）打開驅(qū)替泵，以0.05 mL/min的速度恒流量向長細(xì)管注入模擬地層流體（第一個(gè)實(shí)驗(yàn)使用不同組分原油，第二個(gè)實(shí)驗(yàn)使用同一組分原油），直至產(chǎn)出物的生產(chǎn)氣油比與實(shí)際配制流體氣油比完全相同為止，關(guān)閉長細(xì)管進(jìn)出口閥門，恒溫恒壓老化12 h以上.

3）將回壓調(diào)至實(shí)驗(yàn)設(shè)定的壓力值，打開長細(xì)管進(jìn)出口閥門，打開驅(qū)替泵以0.05 mL/min的速度恒流量對長細(xì)管注入氣體（第一個(gè)實(shí)驗(yàn)注入純CO2氣體，第二個(gè)實(shí)驗(yàn)注入天然氣與CO2的混合氣體），分別記錄不同時(shí)間段的壓力、產(chǎn)出油氣量等數(shù)值，直至產(chǎn)出物中不含油為止，結(jié)束本組實(shí)驗(yàn).

4）清洗長細(xì)管顆粒并在高溫下干燥，調(diào)整回壓為下一個(gè)設(shè)定的數(shù)值，重復(fù)前3個(gè)步驟，直至測定完成所有預(yù)定回壓下的長細(xì)管測定，結(jié)束實(shí)驗(yàn).

2.2 長巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)

依據(jù)上述實(shí)驗(yàn)原理，設(shè)定的實(shí)驗(yàn)步驟為：

1）巖心經(jīng)過前處理后，將巖心烘干，測定孔隙度滲透率等基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

2）按照布拉法則，計(jì)算調(diào)和滲透率，并確定巖心排列方式.

3）將巖心裝填入熱縮塑料筒內(nèi)，巖心之間夾三層濾紙，加熱巖心側(cè)面使塑料箍緊巖心，并保持整個(gè)長巖心排列整齊，而后將熱塑封裝好的長巖心裝填入鉛管中，最后裝入長巖心夾持器，接通儀器流程，加圍壓，測定裝置密封性.

4）將夾持器升溫至實(shí)驗(yàn)溫度，飽和地層水，并計(jì)算有效孔隙體積.

5）打開注入泵，對充分飽和水的長巖心注入模擬油，直至不出水為止，老化12 h以上，計(jì)算含油飽和度.

6）將回壓調(diào)至原始地層壓力，打開注入泵對長巖心注入CO2氣體，分別記錄不同時(shí)刻產(chǎn)出的水量、油量和氣量，直至產(chǎn)出物無油為止，結(jié)束實(shí)驗(yàn).

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 最小混相壓力測定結(jié)果

按照上述設(shè)定的實(shí)驗(yàn)步驟分別測定同一類型實(shí)驗(yàn)不同注入壓力下的原油采收率數(shù)值，將混相擬合線與非混相擬合線的交點(diǎn)的壓力數(shù)值作為該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目下的最小混相壓力值.

3.1.1 不同原油組分對最小混相壓力的影響 為了更加清晰地顯示實(shí)驗(yàn)效果，將初始地層流體與CO2的最小混相壓力（即初始混相壓力）作為基準(zhǔn)，以此計(jì)算不同原油組分與CO2最小混相壓力數(shù)值的變化情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示. 由圖1可知，不同原油組分對最小混相壓力的影響情況整體可以分為兩種. 一種是當(dāng)原油中C1、C16+和N2中的某組分摩爾百分?jǐn)?shù)較高時(shí)，會使最小混相壓力升高. 當(dāng)原油中增加10 mol%的N2組分時(shí)，原油與CO2的最小混相壓力在初始混相壓力的基礎(chǔ)上提高了26.15%. 在原油中C1摩爾百分?jǐn)?shù)增加10 mol%的情況下，原油與CO2的最小混相壓力提高了14.32%. 另一種是當(dāng)原油中C2～C15中的某組分摩爾百分?jǐn)?shù)較高時(shí)，會使最小混相壓力降低. 當(dāng)原油中C2摩爾百分?jǐn)?shù)增加10 mol%時(shí)，原油與CO2的最小混相壓力降低了4.82%，當(dāng)原油中C6的摩爾百分?jǐn)?shù)增加10 mol%時(shí)，原油與CO2的最小混相壓力的降低幅度達(dá)到了15.85%，降幅非常明顯. 以上結(jié)果說明原油中C1、C16+和N2組分摩爾百分?jǐn)?shù)越高，越不利于實(shí)現(xiàn)CO2混相驅(qū)，C2～C15組分摩爾百分?jǐn)?shù)越多，對CO2混相驅(qū)開采越有利，其中C2～C15中不同組分對原油與CO2最小混相壓力的影響程度不同. 但是也有研究認(rèn)為C11+摩爾百分?jǐn)?shù)越多，最小混相壓力越高[14]，實(shí)際上這個(gè)認(rèn)識是不準(zhǔn)確的，我們在查閱更多前人研究成果的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步認(rèn)識到C16+的摩爾百分?jǐn)?shù)越高，越不利于混相，而C11～C15的摩爾百分?jǐn)?shù)越高，是越有利于混相的. 本研究首次明確了C11～C15摩爾百分?jǐn)?shù)對混相效果的影響.

圖1 不同原油組分對最小混相壓力的影響Fig.1 The influence of different crude oil components on the minimum miscible pressure

3.1.2 不同注入氣組成對最小混相壓力的影響 按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的要求，分別配制成不同組分摩爾百分?jǐn)?shù)的混合注入氣體，然后測定其與原油的最小混相壓力數(shù)值，測定結(jié)果如圖2所示. 選取純CO2氣體與地層流體最小混相壓力數(shù)值（即初始混相壓力）作為基準(zhǔn). 由圖2可知，隨著注入氣中C1摩爾百分?jǐn)?shù)的增加，其與原油的最小混相壓力也隨之增加. 當(dāng)注入氣中C1摩爾百分?jǐn)?shù)為10 mol%時(shí)，其與原油的最小混相壓力僅增加了14.64%，但當(dāng)注入氣中C1摩爾百分?jǐn)?shù)增加到60 mol%時(shí)，其與原油的最小混相壓力增加了一倍以上，可見C1的摩爾百分?jǐn)?shù)越高越不利于實(shí)現(xiàn)混相.

從圖2 還可看出，當(dāng)注入氣中含有10 mol%C1或10 mol%N2時(shí)，其與原油的最小混相壓力分別增加了14.64%和27.85%，當(dāng)注入氣中含有10 mol%C2或10 mol%C3時(shí)，其與原油的最小混相壓力分別降低了1.21%和7.65%. 以上結(jié)果表面，注入氣中C1或N2摩爾百分?jǐn)?shù)越高，越不利于實(shí)現(xiàn)混相，所以對于注入氣體一般要做好除N2工作；而注入氣中C2或C3摩爾百分?jǐn)?shù)越高，越有利于實(shí)現(xiàn)混相，所以對注入氣進(jìn)行富化處理以降低其與原油的混相壓力，對于氣驅(qū)開發(fā)是有利的.

圖2 不同注入氣組分對最小混相壓力的影響Fig.2 Influence of different injection gas components on minimum miscible pressure

3.2 長巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 產(chǎn)出氣組分檢測結(jié)果 在注CO2驅(qū)油的實(shí)際礦場生產(chǎn)過程中，產(chǎn)出氣回注是一種常見的生產(chǎn)手段，可以大量節(jié)省成本. 但是在注CO2氣開發(fā)過程中，生產(chǎn)早期的產(chǎn)出氣中最主要的成分是甲烷，此時(shí)的產(chǎn)出氣如果直接回注，不利于實(shí)現(xiàn)混相，一般要到中后期產(chǎn)出氣中CO2的摩爾百分?jǐn)?shù)升高到一定程度時(shí)，才可以考慮實(shí)現(xiàn)產(chǎn)出氣回注. 為此需要對產(chǎn)出氣進(jìn)行定期取樣檢測.

從2017年11月27日至2018 年1 月22日，通過對中原油田目標(biāo)儲層的現(xiàn)場產(chǎn)出氣進(jìn)行連續(xù)取樣，并對現(xiàn)場產(chǎn)出氣的組分進(jìn)行了跟蹤檢測. 檢測結(jié)果顯示，隨著CO2驅(qū)油藏時(shí)間的增加，現(xiàn)場產(chǎn)出氣中CO2摩爾百分?jǐn)?shù)也在不斷增加，而甲烷的摩爾百分?jǐn)?shù)在逐漸降低，同時(shí)產(chǎn)出氣中C2～C6及其以上烴組分的相對摩爾百分?jǐn)?shù)較為穩(wěn)定. 不同階段的現(xiàn)場產(chǎn)出氣中CO2的摩爾百分?jǐn)?shù)與C2～C6組分的相對摩爾百分?jǐn)?shù)之間存在一定關(guān)系，隨著產(chǎn)出氣中CO2摩爾百分?jǐn)?shù)的增加，C2～C6組分的相對摩爾百分?jǐn)?shù)有逐漸增加的趨勢，而C1的摩爾百分?jǐn)?shù)卻有減少的趨勢，這主要是由于CO2蒸發(fā)中間烴和重?zé)N[15]，使產(chǎn)出氣組分中C2+的摩爾百分?jǐn)?shù)增加導(dǎo)致的.3.2.2 回注氣驅(qū)油實(shí)驗(yàn)結(jié)果 為了驗(yàn)證產(chǎn)出氣回注的驅(qū)油效果，采用2 m長的天然巖心并按照現(xiàn)場的原油組分配制模擬油，分別研究了注入不同摩爾百分?jǐn)?shù)CO2混合氣體對驅(qū)油效率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示.由圖3可知，不同摩爾百分?jǐn)?shù)CO2的回注氣的驅(qū)油效率介于純CO2混相驅(qū)和純天然氣驅(qū)之間，且與CO2摩爾百分?jǐn)?shù)成正相關(guān)性. 注入氣體中CO2摩爾百分?jǐn)?shù)越高，驅(qū)油效率就越高. 當(dāng)注入氣體中CO2摩爾百分?jǐn)?shù)為19.86 mol%時(shí)，驅(qū)油效率為79.86%. 當(dāng)注入氣中CO2摩爾百分?jǐn)?shù)為82.53 mol%時(shí)，驅(qū)油效率高達(dá)90.1%，僅比純CO2混相驅(qū)的驅(qū)油效率低1.43%. 此后，隨著CO2摩爾百分?jǐn)?shù)的進(jìn)一步增加，驅(qū)油效率的增幅非常有限，說明注入氣中CO2的摩爾百分?jǐn)?shù)為82.53 mol%時(shí)，已經(jīng)完全達(dá)到了CO2混相驅(qū)的效果. 而純天然氣驅(qū)的最終驅(qū)油效率為75.28%，遠(yuǎn)低于CO2混相驅(qū)的驅(qū)油效果，說明純天然氣驅(qū)在此實(shí)驗(yàn)壓力下為非混相驅(qū). 以上結(jié)果表明，油井產(chǎn)出氣中CO2的摩爾百分?jǐn)?shù)越高，回注時(shí)驅(qū)油效率也越高.

圖3 不同摩爾百分?jǐn)?shù)CO2的回注氣的驅(qū)油效率Fig.3 Oil-displacement efficiency of reinjection gas with different CO2 molar percent

通常情況下，產(chǎn)出氣中CO2摩爾百分?jǐn)?shù)高，其中間烴和重?zé)N的組分也越高，回注更易實(shí)現(xiàn)混相. 已有研究表明，CO2對地層的原油中的中間烴和重?zé)N組分具有強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用，在地層中CO2與原油形成混相后，混相帶流動過程中，更多的CO2溶解在混相帶中，當(dāng)混相帶到達(dá)產(chǎn)出井被采出后，會出現(xiàn)壓力驟降，這會導(dǎo)致混相帶中溶解的CO2大量析出，而CO2與原油是互溶的，兩者互為溶劑互為溶質(zhì)，在較低的壓力下，無法實(shí)現(xiàn)混相，當(dāng)一相減少時(shí)另一項(xiàng)就會快速析出，CO2在析出過程會伴隨有大量的中間烴和重?zé)N組分的蒸發(fā)[16-17]，所形成的伴生氣極易與地層原油形成混相. 所以，當(dāng)產(chǎn)出氣中CO2摩爾百分?jǐn)?shù)達(dá)到80 mol%以上時(shí)，實(shí)施產(chǎn)出氣直接回注是完全可行的，這為低滲油藏CO2驅(qū)中后期產(chǎn)出氣的處理提供了一條新的、可行的解決方法.

3.3 產(chǎn)出氣回注注入能力分析

圖4為產(chǎn)出氣回注的注入能力評價(jià)結(jié)果，可以看出，隨著注入氣中CO2摩爾百分?jǐn)?shù)的增加，注入指數(shù)越來越低，注入越來越困難. 注入氣CO2摩爾百分?jǐn)?shù)為19.86 mol%和99.90 mol%時(shí)，注入氣的初期平均注入指數(shù)分別為0.305 和0.245 mL/（min·MPa），后期平均注入指數(shù)分別為0.265 和0.221 mL/（min·MPa）. 同一CO2摩爾百分?jǐn)?shù)下的注入氣的注入指數(shù)先是隨著注氣量的增加而降低，當(dāng)注入氣量達(dá)到0.45 PV后，注入指數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定，亦即中后期注入指數(shù)相對比較穩(wěn)定，說明只要初期能夠?qū)崿F(xiàn)有效注入，產(chǎn)出氣回注就可以實(shí)現(xiàn).

圖4 產(chǎn)出氣回注注氣能力評價(jià)Fig.4 Evaluation of reinjection capacity of produced gas

注氣能力出現(xiàn)先降低而后趨于穩(wěn)定的現(xiàn)象，與研究區(qū)塊儲層的微觀孔隙結(jié)構(gòu)密切有關(guān). 前期注入指數(shù)降低是由于發(fā)生了溶蝕作用，溶蝕導(dǎo)致巖石無機(jī)顆粒和黏土顆粒物脫落以及新物質(zhì)的生成，但是由于低滲儲層的孔喉細(xì)小，脫落物和新生成物無法及時(shí)排出，所以注氣能力降低. 隨著時(shí)間的延長，脫落物越積越多，注氣能力一直在降低，直至脫落物對注氣能力的影響達(dá)到最大，即注入指數(shù)降至最低后，注氣能力開始趨于穩(wěn)定. 不同CO2摩爾百分?jǐn)?shù)對注入氣注氣能力的影響，與溶蝕作用發(fā)生的是否充分相關(guān)[18]，因?yàn)槿芪g作用會產(chǎn)生脫落物，脫落物中的無機(jī)顆粒和新生成的物質(zhì)會堵塞孔道，從而導(dǎo)致注入指數(shù)降低. 所以說，注入氣中CO2摩爾百分?jǐn)?shù)越高，溶蝕作用越充分，產(chǎn)生的脫落物也越多，導(dǎo)致孔道堵塞越嚴(yán)重，因此注入氣的注入指數(shù)會隨CO2摩爾百分?jǐn)?shù)的增加而降低. 但從總體上來說，在CO2摩爾百分?jǐn)?shù)相對穩(wěn)定的情況下，氣體的注入指數(shù)在前后期的變化并不太大，氣體注入量相對穩(wěn)定. 因此，從注氣能力變化程度上來說，產(chǎn)出氣回注是完全可行的.

綜合以上分析，結(jié)合現(xiàn)場跟蹤檢測的產(chǎn)出氣組分結(jié)果可知，2018年1月20日檢測的現(xiàn)場產(chǎn)出氣中CO2摩爾百分?jǐn)?shù)已經(jīng)超過80 mol%，說明在該研究區(qū)開展產(chǎn)出氣回注已經(jīng)完全可行，并可達(dá)到CO2混相驅(qū)的效果.這樣既節(jié)約了油氣田開發(fā)成本，又達(dá)到了產(chǎn)出氣中溫室氣體高效埋存的目的，提高了溫室氣體的地質(zhì)埋存率，可以在實(shí)現(xiàn)應(yīng)用-埋存一體化的同時(shí)保護(hù)環(huán)境.

4 結(jié)論

1）原油組分中C1、N2摩爾百分?jǐn)?shù)增加，會引起原油與CO2的最小混相壓力升高. 當(dāng)原油組分中C1、N2摩爾百分?jǐn)?shù)增加10 mol%時(shí)，原油與CO2的最小混相壓力上升的幅度分別為14.32%和26.15%. 原油組分中C2～C15摩爾百分?jǐn)?shù)升高會降低原油與CO2的最小混相壓力，其中C6的影響最大，當(dāng)C6的摩爾百分?jǐn)?shù)增加10 mol%時(shí)，原油與CO2的最小混相壓力降低了15.85%. 本研究首次明確了C11～C15摩爾百分?jǐn)?shù)對混相效果的影響，即C11～C15的摩爾百分?jǐn)?shù)越高，是越有利于混相的.

2）注入氣中C1、N2摩爾百分?jǐn)?shù)越高越不利于實(shí)現(xiàn)與原油的混相，當(dāng)注入氣中C1摩爾百分?jǐn)?shù)達(dá)到60 mol%時(shí)，其與原油的最小混相壓力升高一倍以上. 注入氣中C2、C3的摩爾百分?jǐn)?shù)越高越有利于實(shí)現(xiàn)與原油的混相.

3）注入氣中CO2摩爾百分?jǐn)?shù)越高其對應(yīng)的驅(qū)油效率也越高，當(dāng)注入氣中CO2摩爾百分?jǐn)?shù)達(dá)到80 mol%以上時(shí)，可達(dá)到混相條件下的驅(qū)油效率，并可實(shí)現(xiàn)氣體的有效注入.

4）現(xiàn)場檢測的產(chǎn)出氣中CO2摩爾百分?jǐn)?shù)已經(jīng)超過80 mol%，可實(shí)現(xiàn)有效注入，因此目前情況下實(shí)施產(chǎn)出氣回注驅(qū)油是完全可行的.