李 蕾， 周曉梅， 蘇玉亮， 郝永卯， 張 雪， 高小剛

（中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，非常規(guī)油氣開發(fā)教育部重點實驗室，山東 青島 266580）

0 引 言

隨著石油、天然氣的勘探與開發(fā)，常規(guī)油氣資源日益減少，如今對傳統(tǒng)能源的需求仍不斷增加，我國非常規(guī)油氣資源具有巨大的開發(fā)潛力［1-2］。非常規(guī)儲層通常需要依靠重復(fù)壓裂、井網(wǎng)加密等措施來提高產(chǎn)量，但這僅可解決初期產(chǎn)能問題且投入成本高，其生產(chǎn)特征突出表現(xiàn)為地層能量衰減快、單井產(chǎn)量快速遞減、穩(wěn)產(chǎn)難［3］。因此，要提高非常規(guī)油氣資源如致密油氣藏、頁巖油氣藏的開發(fā)效益，必須依靠提高采收率技術(shù)和理論的突破。借鑒常規(guī)儲層提高采收率方法，眾多研究人員開展了一系列物理模擬實驗和數(shù)值模擬研究，包括注氣（天然氣、氮氣、二氧化碳）、表面活性劑驅(qū)、低礦化度水驅(qū)、納米流體等［4-6］。其中，CO2驅(qū)油是油田開發(fā)的常用手段，其優(yōu)勢具體表現(xiàn)為CO2易與原油混相可以改善原油物性、對儲層傷害小、同時可實現(xiàn)碳埋存兼顧環(huán)境效益［7］。

CO2氣體具有黏度低、流動性好、降低界面張力等特征，適合非常規(guī)油藏的開發(fā)，眾多學(xué)者對CO2驅(qū)油進(jìn)行了評估。巖心尺度實驗和數(shù)值模擬結(jié)果表明，CO2驅(qū)油可提高儲層采收率10% ～30%，且CO2混相驅(qū)提高采收率效果顯著。同時，國內(nèi)外礦場研究表明，CO2驅(qū)油可在水驅(qū)基礎(chǔ)上提高采收率10%以上［8-11］，具有較好的應(yīng)用前景。驅(qū)油過程中CO2與原油的溶解、擴(kuò)散作用對提高原油采收率具有重要意義，因此探究在儲層高溫高壓環(huán)境中和降壓開采過程中注入介質(zhì)-地層流體間的相互作用機(jī)制、油氣的分布對推進(jìn)非常規(guī)油藏提高采收率技術(shù)與理論發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。目前主要通過一些微觀可視化實驗對CO2與原油間的相互作用進(jìn)行研究，研究結(jié)果大多基于圖像分析對流體流動狀態(tài)、油水接觸關(guān)系等進(jìn)行分析，對微觀作用過程中的定量表征較少，CO2驅(qū)油提高采收率的主要作用機(jī)理缺乏研究［12-15］。

目前針對CO2與原油微觀作用機(jī)制的實驗大多都是進(jìn)行微觀可視化實驗，即利用微觀實驗系統(tǒng)研究在一定溫度、壓力下CO2驅(qū)油過程中的變化狀態(tài)，結(jié)合圖像分析油氣界面、驅(qū)替前緣、模擬油顏色變化、剩余油的分類等。但微觀作用研究大多基于圖像分析對流體流動狀態(tài)、油水接觸關(guān)系等進(jìn)行分析，對微觀作用過程中的定量分析較少，CO2吞吐提高采收率的主要作用機(jī)理缺乏研究。

本文探索設(shè)計了一套基于微流控實驗平臺的超臨界CO2驅(qū)油系統(tǒng)，采用高速攝像儀記錄多孔介質(zhì)中的微觀驅(qū)替過程，并對CO2和原油間的微觀作用機(jī)理和剩余油的動用程度進(jìn)行提取和定量表征。

該實驗項目涉及實驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計、實驗裝置組裝、超臨界CO2驅(qū)替模擬操作及圖像處理等諸多方面，可以讓學(xué)生深入認(rèn)識驅(qū)替過程的基本原理，進(jìn)而讓學(xué)生更好地探索高溫高壓下超臨界CO2與原油間的相互作用機(jī)制及驅(qū)替規(guī)律。在學(xué)生培養(yǎng)過程中加強(qiáng)實踐教育，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造力，并具有根據(jù)實際工程需要設(shè)計實驗方法及組裝實驗儀器的動手實踐能力，成為國際化創(chuàng)新型人才［16］。

1 CO2 驅(qū)油實驗設(shè)計

1.1 實驗裝置

基于微流控平臺的高溫高壓條件下超臨界CO2驅(qū)油實驗裝置如圖1 所示。該裝置由注入系統(tǒng)、圍壓加載系統(tǒng)、采出系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)三部分組成。其中，注入系統(tǒng)由3 個中間容器、真空泵、恒速恒壓泵、空氣壓縮機(jī)和氣體增壓泵組成；圍壓加載系統(tǒng)由高溫高壓倉、微觀可視化模型夾持器、圍壓跟蹤泵、循環(huán)泵和控溫系統(tǒng)組成；采出系統(tǒng)由冷凝器和回壓跟蹤泵組成，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由三維視頻顯微鏡和計算機(jī)組成。微觀可視化模型夾持器通過管線與3 個中間容器相連，3個中間容器里分別盛放模擬油、模擬水和CO2。中間容器下部與恒速恒壓泵相連，用于將驅(qū)替介質(zhì)以恒速恒壓注入微觀刻蝕模型的微通道內(nèi)。微觀可視化模擬器通過管線與真空泵相連，用來抽真空。中間容器通過管線與氣體增壓泵、空氣壓縮機(jī)等相連，用來提供動力。微觀可視化模型夾持器下方通過管線與圍壓跟蹤泵、循環(huán)泵、控溫系統(tǒng)相連，用來控制夾持器中的圍壓和溫度，模擬真實儲層的溫壓條件。微觀可視化模型出口端通過管線與冷凝器、回壓跟蹤泵相連，高精度回壓跟蹤泵控制末端壓力。微觀刻蝕模型放置于微觀可視化模型夾持器中，原油在微觀刻蝕模型微尺度通道中的作用過程通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄儲存。

圖1 超臨界CO2 驅(qū)油微觀可視化實驗裝置

實驗所用的微觀刻蝕芯片由玻璃制成，具有耐高溫高壓、鍵合能力強(qiáng)、透視成像效果好等優(yōu)點。從典型儲層提取實際孔喉特征，采用激光刻蝕技術(shù)得到不同的微觀通道，微觀刻蝕模型如圖2 所示。

圖2 微觀刻蝕模型

微尺度通道中的作用全程通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄儲存，使實驗現(xiàn)象更加直觀，將有助于學(xué)生深入認(rèn)識高溫高壓超臨界CO2驅(qū)油過程中的微觀作用機(jī)制。本裝置集建立驅(qū)替、加壓CO2、分析CO2在不同壓力下與原油相互作用、研究驅(qū)替后剩余油分布等功能，推廣性強(qiáng)，且實驗可重復(fù)性強(qiáng)。

1.2 實驗方法

利用上述裝置進(jìn)行超臨界CO2驅(qū)油微觀可視化實驗方法設(shè)計如下：①將微觀刻蝕模型安裝在微觀可視化模型夾持器中，利用真空泵對系統(tǒng)進(jìn)行抽真空；②使夾持器中充滿圍壓液（水），實驗過程中應(yīng)始終保證圍壓始終高于微觀刻蝕模型中流體壓力1 ～2 MPa，以保護(hù)微觀刻蝕模型。設(shè)置夾持器中的溫度為實驗溫度；③利用真空泵對微觀可視模型的微通道進(jìn)行抽真空；④調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，確保采集清晰的微尺度通道內(nèi)微觀流體的作用過程；⑤利用注入系統(tǒng)的流體中間容器使微觀可視化模型飽和原油；⑥打開夾持器進(jìn)口端通入CO2，關(guān)閉微觀可視模型的出口端，觀察注入氣體與原油的微觀作用過程。實驗過程中利用注入泵對注入氣體加壓，壓力增加至實驗設(shè)置的壓力值時，穩(wěn)定一定時間，觀察CO2與原油作用過程，記錄實驗溫度實驗時間，直至壓力達(dá)到實驗設(shè)計的最大壓力；⑦利用回壓跟蹤泵對驅(qū)替系統(tǒng)進(jìn)行降壓模擬開井生產(chǎn)過程；⑧保存實驗過程圖像，清理儀器。

2 CO2 驅(qū)油微觀實驗

超臨界CO2與原油間的相互作用受多因素影響，包括原油的基礎(chǔ)物性如密度、黏度、原油組成以及飽和壓力等，另外像地層壓力、溫度、壓降程度都是影響其驅(qū)替效果的主要參數(shù)。實驗要求獲得不同實驗參數(shù)下超臨界CO2與原油的微觀作用、剩余油分布、滲流特征等。在實驗過程中，需要考慮原油黏度、油藏溫度、壓力等影響因素。因此在該實驗設(shè)計上要求學(xué)生對自己感興趣的進(jìn)行多因素實驗設(shè)計，分析不同因素對CO2與原油相互作用的影響，從而明確驅(qū)替過程中的微觀作用機(jī)制。該實驗對學(xué)生掌握科學(xué)的實驗設(shè)計方法，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、提高學(xué)生設(shè)計和實驗操作能力等具有重要幫助。

利用本文的超臨界CO2驅(qū)油微觀可視化實驗裝置及方法可以進(jìn)行高溫高壓條件下的超臨界CO2與原油的微觀作用機(jī)制實驗。具體實驗步驟為：①根據(jù)實際儲層抽提得到孔喉特征，并得到微觀刻蝕模型（本實驗所用模型最小喉道直徑30 μm）后，將模型安裝在微觀可視化模型夾持器中，利用真空泵對系統(tǒng)進(jìn)行抽真空；②使夾持器中充滿圍壓液（水），實驗過程中應(yīng)始終保證圍壓始終高于微觀刻蝕模型中流體壓力1 ～2 MPa，以保護(hù)微觀刻蝕模型。設(shè)置夾持器中的溫度為實驗溫度（本實驗為80 ℃）；③利用真空泵對微觀可視模型的微通道進(jìn)行抽真空；④調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，確保采集清晰的微尺度通道內(nèi)微觀流體的作用過程；⑤利用注入系統(tǒng)的流體中間容器使微觀可視化模型飽和原油；⑥打開夾持器進(jìn)口端通入CO2，關(guān)閉微觀可視模型的出口端，觀察注入氣體與原油的微觀作用過程。實驗過程中利用注入泵對注入氣體加壓，壓力增加至實驗設(shè)置的壓力值時，穩(wěn)定一定時間，觀察CO2與原油作用過程，記錄實驗溫度實驗時間，直至壓力達(dá)到實驗設(shè)計的最大壓力（本實驗為20 MPa）；⑦利用回壓跟蹤泵對驅(qū)替系統(tǒng)進(jìn)行降壓模擬開井生產(chǎn)過程；⑧保存實驗過程圖像，清理儀器。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 不同壓力下CO2 與原油的微觀作用

基于高溫高壓微觀可視化實驗得到的圖片，從滲流特征、顏色變化、原油形態(tài)等方面對實驗中的微觀機(jī)理進(jìn)行分析。分別對比了5、8、15、20 MPa 下CO2與原油的微觀作用，如圖3 所示。低壓下，油氣界面分明。隨著壓力增加，CO2溶解進(jìn)入原油，原油顏色明顯變淺。CO2為多次接觸混相，隨著壓力的增加，CO2與頁巖油的接觸更加充分，CO2不斷萃取原油中的輕質(zhì)組分，CO2不斷富化從而氣體顏色逐漸加深。在這個過程中，氣體的液相特征逐漸顯現(xiàn)，液體的氣相特征不斷加強(qiáng)，氣液之間的相界面逐漸變得模糊，混相能力逐漸加強(qiáng)，直至20 MPa時，觀察不到相界面，認(rèn)為已達(dá)到混相狀態(tài)。在這個過程中，主要為CO2與原油的溶解及萃取混相作用。

圖3 不同壓力下超臨界CO2 與原油的微觀作用對比

壓力上升至20 MPa后，CO2與原油間的相互作用強(qiáng)烈，在CO2的攜帶抽提作用下，油滴形態(tài)不穩(wěn)定，觀察到油滴快速被拉長拉斷、膜狀油被剝離以及部分油呈絲狀流動，如圖4 所示。

圖4 20 MPa、80 ℃下原油形態(tài)圖

氣體首先以連續(xù)相進(jìn)入大孔道內(nèi)，如圖4（a）所示。當(dāng)氣體進(jìn)入小孔道并受到其他方向的力時，連續(xù)氣體被卡斷，以氣泡的形式分布，如圖5（a）所示。由于氣體具有壓縮性，隨著氣體延伸壓力梯度逐漸降低，注入氣體膨脹并不斷驅(qū)替原油，小氣泡膨脹，不斷變大，如圖5（b）所示。隨著時間的增加，氣泡的面積不斷變大，氣泡不斷膨脹。隨著氣體的不斷壓縮膨脹，被分割的氣體又逐漸匯聚，如圖5（c）所示，在壓縮膨脹作用下占據(jù)更多的孔隙并動用原油。

圖5 氣體壓縮膨脹示意

3.2 降壓開采過程中CO2 與原油的微觀作用

降壓初期在大孔道和角隅處出現(xiàn)膜狀和角隅狀的透明液體，和氣體間存在相界面，如圖6（a）所示。隨著壓力的繼續(xù)降低，液體的顏色進(jìn)一步加深，氣體的顏色逐漸變淺，直至出現(xiàn)清晰的油氣界面。流體顏色的變化說明在壓力降低的過程中，氣體等輕質(zhì)組分從原油中析出使得原油中重質(zhì)組分比例增加，原油顏色加深；氣體中的輕質(zhì)組分重新凝結(jié)進(jìn)原油中，氣體顏色變淺，如圖6 所示。在降壓過程中，原油首先以膜狀、角隅狀的形式存在于大孔道和角隅處，隨著原油的不斷聚集，逐漸出現(xiàn)柱狀、簇狀等連續(xù)相剩余油。降壓結(jié)束后，對小孔道的動用效果較好。

圖6 降壓過程CO2 與原油的微觀作用

3.3 剩余油分布

基于剩余油的分布形狀以及與骨架的接觸關(guān)系，并根據(jù)已有研究，將剩余油劃分為膜狀、柱狀、多孔狀、簇狀以及角隅狀剩余油5 類，如表1 所示。按照分類要求，利用圖像分割技術(shù)對剩余油進(jìn)行標(biāo)記，建立面積占比方法，對每一類剩余油進(jìn)行定量表征，如圖7 ～9所示。

圖7 不同壓力下剩余油表征

表1 剩余油分類標(biāo)準(zhǔn)

隨著CO2與原油的作用更加充分，微觀作用波及到更小孔隙，改善小孔道內(nèi)原油物性，模型內(nèi)簇狀剩余油的比例不斷降低。多孔狀剩余油主要位于半徑較大的孔道內(nèi)，此類剩余油的比例較大，并在壓力升高過程中，由于其他比例剩余油的減少以及部分剩余油的匯聚，多孔狀剩余油出現(xiàn)比例上升的趨勢。但隨著壓力的增加多孔狀剩余油的動用程度增加。簇狀、多孔狀剩余油被動用后，在某些部位產(chǎn)生柱狀、角隅狀以及膜狀剩余油，剩余油非連續(xù)相程度加劇。當(dāng)壓力由5 MPa升高到20 MPa 時，剩余油含量由58%降低至15%，原油動用效果較好。

圖8 剩余油動態(tài)趨勢

圖9 剩余油隨壓力變化

3.4 實驗拓展及預(yù)期效果

基于對超臨界CO2驅(qū)油微觀可視化實驗設(shè)計的理解，學(xué)生可以自主設(shè)計其他流體如N2、CH4、混合氣體、化學(xué)助劑等與原油的微觀作用實驗，研究不同因素如溫度、壓力、壓降梯度、注入介質(zhì)性質(zhì)、原油性質(zhì)等對作用機(jī)制和提高采收率效果的影響。該設(shè)計方法可擴(kuò)展性強(qiáng)，通過根據(jù)實際儲層孔喉特征得到具有不同尺度的刻蝕模型可以擴(kuò)展到常規(guī)砂巖儲層、頁巖油儲層等的研究。對于石油工程學(xué)科的教學(xué)來說，該實驗可重復(fù)性強(qiáng)，實驗結(jié)果直觀易懂，將實驗和理論知識相結(jié)合，為石油工程專業(yè)知識如滲流過程、微觀作用機(jī)制提供輔助。在實踐過程中，學(xué)生在實驗方案設(shè)計和對結(jié)果分析過程中，可以激發(fā)學(xué)生的科研興趣和創(chuàng)新思維，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力。并將理論知識和實際工程問題相結(jié)合，提高學(xué)生分析和解決實際問題的能力。

4 結(jié) 語

（1）結(jié)合油藏注CO2開發(fā)技術(shù)，設(shè)計了一套基于微流控實驗平臺的超臨界CO2驅(qū)油實驗，實現(xiàn)了高溫高壓條件下超臨界CO2與原油間的微觀作用研究，可以作為注氣提高采收率機(jī)理研究的重要輔助手段。

（2）采用高溫高壓實驗平臺實現(xiàn)了CO2與原油的多次接觸混相過程，直觀演示了CO2萃取原油中的輕質(zhì)組分及CO2富化后顏色加深過程，利用微流控實驗快速準(zhǔn)確地測量了CO2與原油的混相壓力。

（3）實現(xiàn)了原位地層環(huán)境不同開采壓力下CO2與原油間的作用機(jī)理、滲流特征和剩余油分布研究，對于明確CO2與原油間的微觀作用機(jī)制具有重要意義。

（4）該實驗結(jié)合實際工程問題，方法擴(kuò)展性強(qiáng)，將來可進(jìn)一步擴(kuò)展到N2、CH4、混合氣體、化學(xué)助劑等與原油的微觀作用實驗中，對于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和提高學(xué)生解決實際工程問題具有重要意義。