李鳳霞，王海波，周 彤，韓 玲

（1.中國(guó)石化石油勘探開發(fā)研究院，北京 102206；2.中國(guó)石化江漢油田分公司石油工程技術(shù)研究院，湖北武漢 430035）

隨著勘探開發(fā)技術(shù)的不斷進(jìn)步，頁(yè)巖油已成為世界各國(guó)油氣勘探的重點(diǎn)。由于頁(yè)巖儲(chǔ)層孔喉細(xì)小，滲透率極低，導(dǎo)致頁(yè)巖油藏一次衰竭采收率極低，主要通過(guò)加密鉆井技術(shù)和多級(jí)水力壓裂技術(shù)實(shí)現(xiàn)一次采油的短期增產(chǎn)[1-3]。對(duì)于大多數(shù)地層能量不足的頁(yè)巖儲(chǔ)層，注氣是一種常用的方法，與其他氣體相比，CO2與頁(yè)巖油的最小混相壓力最低，不但易溶解在頁(yè)巖油中增大原油體積系數(shù)，降低原油黏度，還能在壓力大于7.38 MPa、溫度高于31.2 ℃時(shí)達(dá)到超臨界狀態(tài)。CO2注入分為驅(qū)替和吞吐2 種方式[4-5]，其中CO2吞吐具有用量少、規(guī)模小和見效快的優(yōu)勢(shì)，學(xué)者們也針對(duì)CO2吞吐技術(shù)開展了深入研究。F.Torabi 等人[6-7]通過(guò)室內(nèi)CO2吞吐試驗(yàn)，研究了滲透率、CO2注入壓力、悶井時(shí)間和吞吐次數(shù)等參數(shù)對(duì)低滲透油藏采收率的影響。楊正明等人[8]進(jìn)行了巖心吞吐試驗(yàn)，認(rèn)為第一輪吞吐是CO2吞吐的關(guān)鍵，最佳吞吐次數(shù)為3 次，CO2波及體積隨著悶井時(shí)間的增長(zhǎng)而增大；但注入過(guò)量的CO2，會(huì)導(dǎo)致CO2利用率和排油率降低。錢坤等人[9-10]引入核磁共振方法，從微觀尺度研究了CO2注入壓力、注氣速度和悶井時(shí)間對(duì)微觀孔隙的動(dòng)用程度，評(píng)價(jià)了微觀剩余油的分布特征。

然而，頁(yè)巖儲(chǔ)層開發(fā)過(guò)程中必然伴隨著水力壓裂增產(chǎn)技術(shù)，壓裂后的地層中形成和分布了大量裂縫，目前大部分研究主要集中在CO2吞吐提高采收率和注采參數(shù)優(yōu)化等方面[11-13]，對(duì)于壓裂后裂縫的滲流特征及裂縫與基質(zhì)之間的流體交換特征，以及不同滲透率條件下裂縫對(duì)CO2吞吐效果的影響研究很少。因此，筆者選取江漢油田潛3 段儲(chǔ)層不同滲透率級(jí)別頁(yè)巖，開展了CO2吞吐試驗(yàn)，研究了裂縫對(duì)不同滲透率儲(chǔ)層CO2吞吐效果的影響，并結(jié)合低場(chǎng)核磁共振技術(shù)，從微觀孔隙尺度揭示了吞吐過(guò)程中裂縫-基質(zhì)之間的流體交換特征，定量評(píng)價(jià)了小孔隙、大孔隙的動(dòng)用程度，為評(píng)價(jià)裂縫性頁(yè)巖儲(chǔ)層產(chǎn)油特征、改善生產(chǎn)動(dòng)態(tài)提供了依據(jù)和參考。

1 CO2 吞吐試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)巖心

試驗(yàn)用頁(yè)巖取自江漢油田王場(chǎng)地區(qū)潛3 段，從所有鉆取的短巖心中選孔隙度和滲透率相近的2 塊巖心作為一組，共選取3 組6 塊巖心進(jìn)行試驗(yàn)，其基本參數(shù)見表1。由表1可知，1#和2#頁(yè)巖的平均孔隙半徑最小，5#和6#頁(yè)巖滲透率最大（平均孔隙半徑也最大），3#和4#頁(yè)巖儲(chǔ)層物性居中。此外，為了模擬CO2-原油在裂縫與基質(zhì)間的滲流特征，避免CO2注入后直接沿裂縫竄流，將1#、3#和5#巖心按照總體積的1/3 橫向切割（見圖1），模擬人造裂縫。

圖1 巖心切割示意Fig.1 Cutting of experimental cores

表1 試驗(yàn)巖心基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of experimental cores

1.2 試驗(yàn)流體

試驗(yàn)原油取自生產(chǎn)層位為潛3 段的地面分離器原油。儲(chǔ)層溫度（73 ℃）下原油密度為0.862 kg/L，黏度為4.74 mPa·s。原油組分色譜分析結(jié)果表明，目標(biāo)儲(chǔ)層原油中C5—C25的摩爾分?jǐn)?shù)為61.3%，而C32+的摩爾分?jǐn)?shù)為11.2%，說(shuō)明目標(biāo)儲(chǔ)層原油組分整體偏輕，但仍然含有一定量的重質(zhì)組分。長(zhǎng)細(xì)管（細(xì)管直徑4.52 mm，長(zhǎng)度150 mm）試驗(yàn)結(jié)果表明，在目標(biāo)儲(chǔ)層條件（18.7 MPa、73 ℃）下，原油與CO2的最小混相壓力為20.4 MPa，說(shuō)明在目前儲(chǔ)層條件CO2與原油無(wú)法達(dá)到混相。測(cè)得不同壓力下不同CO2溶解比例下的原油膨脹系數(shù)如圖2所示，可以看出隨著平衡壓力增大，即隨著CO2溶解量增大，原油膨脹系數(shù)呈線性增大；當(dāng)平衡壓力達(dá)到18.7 MPa時(shí)，原油膨脹率達(dá)到43.8%，說(shuō)明目標(biāo)儲(chǔ)層原油具有較高的CO2溶解性和膨脹性。

圖2 不同CO2 溶解比例下原油膨脹系數(shù)隨平衡壓力的變化Fig.2 Variation of the expansion coefficient of crude oil with different proportions of dissolved CO2 with equilibrium pressure

1.3 試驗(yàn)裝置

CO2吞吐試驗(yàn)裝置包括多尺寸可調(diào)節(jié)無(wú)磁巖心夾持器、高壓活塞驅(qū)替泵、恒溫箱、壓力傳感器、回壓閥、油氣分離器（精度0.1 mL）、氣體流量計(jì)和SPEC-RC2 型低場(chǎng)核磁共振掃描儀等（見圖3）。其中，巖心夾持器可夾持的巖心最大直徑45 mm，長(zhǎng)度120 mm；驅(qū)替泵的流量精度小于0.2 μL/min，壓力精度小于0.5%；低場(chǎng)核磁共振掃描儀的磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.23 T±0.03 T，脈沖發(fā)生器最小間隔50 ns，數(shù)字采集器脈沖精度100 ns，頻率合成器范圍1～40 MHz。

圖3 CO2 吞吐試驗(yàn)裝置Fig.3 Experimental device for CO2 huff and puff

1.4 試驗(yàn)步驟

1）將所有巖心用甲苯和石油醚反復(fù)清洗后，放入200 ℃烘箱中加熱24 h，充分排出巖心中的水蒸氣，再將巖心放入高壓密閉釜中抽真空48 h。

2）將試驗(yàn)原油在恒壓50 MPa 下注入放有頁(yè)巖的高壓密閉釜，充分飽和至注入泵體積不再變化時(shí)，恒壓老化7 d；降壓后取出頁(yè)巖，將切割好的巖心放入熱縮套管中，將巖心密封于套管中，確保試驗(yàn)過(guò)程中巖心裂縫尺寸不變；對(duì)飽和油后的巖心進(jìn)行T2譜掃描。

3）將巖心放入夾持器中，加圍壓后關(guān)閉巖心出口端，從另一端以0.5 mL/min 速度向巖心中恒速注入CO2，當(dāng)注入體積達(dá)到0.2 倍孔隙體積時(shí)，停止注入CO2，關(guān)閉注入端閥門，悶井12 h。

4）打開夾持器注入端，以同一壓降梯度衰竭開發(fā)，直至壓力降至大氣壓力，記錄產(chǎn)出油和氣量，并對(duì)吞吐后的巖心進(jìn)行T2譜掃描，第一輪吞吐完成，然后再重復(fù)步驟3）—4），開始下一輪吞吐，累計(jì)吞吐3 次。

1.5 試驗(yàn)結(jié)果

6 塊試驗(yàn)巖心經(jīng)過(guò)3 輪CO2吞吐，每輪吞吐采收率及累計(jì)吞吐采收率見表2。

表2 試驗(yàn)巖心CO2 吞吐采收率Table 2 CO2 huff and puff recovery of experimental cores

2 裂縫對(duì)CO2 吞吐效果的影響

2.1 裂縫對(duì)相同滲透率巖心采收率的影響

對(duì)比1#和2#巖心每輪吞吐采收率（見表2）可知，當(dāng)無(wú)裂縫作用時(shí)，2#巖心第一輪吞吐采收率為11.4%，雖然后續(xù)2 輪吞吐采收率分別為2.8%和1.4%，但從提高采收率幅度看，后續(xù)2 次吞吐的采收率很低，可以認(rèn)為有效吞吐次數(shù)為1 次[14]；當(dāng)有裂縫作用時(shí)，相比于2#巖心，1#巖心第一輪吞吐采收率提高幅度80.7%，第二輪吞吐采收率提高幅度214.3%，有效吞吐次數(shù)增至2 次。以上研究表明，巖心滲透率相當(dāng)時(shí)，裂縫不但能夠提高有效吞吐次數(shù)，還能提高每輪吞吐采收率；裂縫能夠有效提高吞吐初期（前2 輪）采收率，但對(duì)后期（第三輪）吞吐采收率影響較小。

2.2 裂縫對(duì)不同滲透率巖心采收率的影響

為了評(píng)價(jià)裂縫對(duì)不同滲透率巖心吞吐效果的影響，分別對(duì)比了不同滲透率條件下裂縫對(duì)CO2吞吐采收率的影響及有/無(wú)裂縫作用下不同滲透率巖心的吞吐采收率。由表2可知，有裂縫作用的1#、3#、5#巖心的累計(jì)吞吐采收率比無(wú)裂縫作用的2#、4#、6#巖心的累計(jì)吞吐采收率分別提高了103.4%、52.6%和42.9%。以上研究表明，隨著滲透率增大，累計(jì)吞吐采收率不斷升高。這說(shuō)明雖然裂縫能夠提高每輪吞吐采收率及累計(jì)吞吐采收率，但隨著巖心滲透率增大，裂縫對(duì)吞吐采收率的影響程度不斷下降。

此外，滲透率對(duì)裂縫巖心的吞吐采收率影響較小，而對(duì)無(wú)裂縫巖心的吞吐采收率影響較大。特別是前2 輪吞吐中，在無(wú)裂縫作用下，當(dāng)滲透率由0.044 0 mD（4#巖心）降至0.005 2 mD（2#巖心）時(shí)，第一輪吞吐采收率的降低幅度為35.8%，第二輪吞吐采收率的降低幅度達(dá)58.2%；相反，在有裂縫作用下時(shí)，當(dāng)滲透率由0.027 0 mD（3#巖心）降至0.007 5 mD（1#巖心）時(shí)，第一輪和第二輪吞吐采收率的下降幅度分別僅為8.0%和24.1%。說(shuō)明裂縫能夠減小滲透率降低對(duì)CO2吞吐采收率的影響，也就是說(shuō)壓裂能夠有效改善頁(yè)巖油儲(chǔ)層CO2吞吐的開發(fā)效果。

2.3 裂縫對(duì)采油速度的影響

第一輪降壓衰竭中1#、2#巖心采油速度及采出程度的關(guān)系曲線見圖4。從圖4可以看出，有裂縫的1#巖心在放噴初期采油速度快速上升，而后采油速度呈階梯狀下降，當(dāng)衰竭時(shí)間接近15 min 時(shí)，采出程度基本保持不變；無(wú)裂縫的2#巖心在放噴初期采油速度緩慢上升，且最大采油速度僅為有裂縫作用下采油速度的一半。這主要是因?yàn)闊o(wú)裂縫作用時(shí)，放噴泄油面僅在采出端面，隨著出口端壓力的降低，CO2攜帶原油從基質(zhì)孔隙中排出，孔隙距離采出端面越遠(yuǎn)，原油排出需要克服的阻力越大，導(dǎo)致很多遠(yuǎn)端孔隙中的原油隨CO2運(yùn)移時(shí)“半途而止”；裂縫的存在大大增加了基質(zhì)的泄油面積，降低了基質(zhì)中原油進(jìn)入出口端的阻力，提高了放噴初期和中期的采油速度。

圖4 第一輪降壓衰竭中1#、2#巖心采油速度及采出程度對(duì)比Fig.4 Comparison of oil production rate and degree of reserve recovery between Core 1# and Core 2# in the first cycle of depressurization

3 微觀孔隙動(dòng)用特征分析

在低磁場(chǎng)強(qiáng)度中，可以通過(guò)測(cè)量巖石孔隙中含氫流體的弛豫信號(hào)振幅和弛豫速率來(lái)建立T2譜分布，研究巖石的微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征[15-16]。巖石孔隙中飽和流體的弛豫時(shí)間與孔隙半徑成正比，而振幅強(qiáng)度則代表了某一孔徑孔隙中流體的飽和量[17]，因此，可以通過(guò)分析CO2吞吐前后的T2譜分布變化來(lái)定量評(píng)價(jià)不同孔徑孔隙的原油動(dòng)用特征。

3.1 裂縫作用下的基質(zhì)動(dòng)用特征

3.1.1T2譜分布特征

根據(jù)不同孔徑孔隙中原油產(chǎn)生的橫向弛豫時(shí)間與孔隙半徑成正比這一原理[16-17]，結(jié)合T2譜曲線中波峰與波谷對(duì)應(yīng)的弛豫時(shí)間，可以識(shí)別出巖心在飽和油狀態(tài)下的基質(zhì)與裂縫。1#、2#巖心飽和油及每輪吞吐后的T2譜分布結(jié)果如圖5所示。1#巖心包含裂縫，0.1 ms＜T2≤105 ms 時(shí)對(duì)應(yīng)的區(qū)間為基質(zhì)，105 ms＜T2≤1 100 ms 時(shí)對(duì)應(yīng)的區(qū)間為裂縫（見圖5（a））。2#巖心中由于不存在裂縫，因此弛豫時(shí)間T2在105～1 100 ms 之間既不存在信號(hào)振幅，也不存在波峰（見圖5（b））。此外，為了便于后續(xù)研究不同孔徑孔隙中原油的動(dòng)用特征，進(jìn)一步將基質(zhì)孔隙大小劃分為2 類，即小孔隙（0.1 ms＜T2≤10 ms）和大孔隙（10 ms＜T2≤105 ms）。

圖5 1#、2#巖心飽和油及每輪吞吐后的T2 譜分布Fig.5 T2 spectrum distribution of Core 1# and Core 2# saturated oil and after each huff and puff cycle

由圖5可知，1#和2#巖心飽和油狀態(tài)下T2譜分布中小孔隙和大孔隙對(duì)應(yīng)的T2譜形態(tài)基本相似。小孔隙對(duì)應(yīng)波峰明顯高于大孔隙對(duì)應(yīng)波峰，說(shuō)明2 塊巖心孔隙結(jié)構(gòu)相似，小孔隙發(fā)育程度高，而大孔隙發(fā)育程度較差，且大孔隙、小孔隙之間連通性較差。隨著CO2吞吐次數(shù)增多，2 塊巖心的小孔隙和大孔隙對(duì)應(yīng)的振幅均下降，但下降幅度逐漸減小，且大孔隙對(duì)應(yīng)振幅的下降幅度大于小孔隙，說(shuō)明CO2吞吐過(guò)程中大、小孔隙均有動(dòng)用，且大孔隙的動(dòng)用程度高于小孔隙。而1#巖心的小孔隙和大孔隙對(duì)應(yīng)振幅的下降幅度均明顯大于2#巖心，說(shuō)明裂縫不但提高了大孔隙中原油的動(dòng)用程度，還提高了小孔隙中原油的動(dòng)用程度。

3.1.2 不同孔徑孔隙采出程度對(duì)比

為進(jìn)一步定量評(píng)價(jià)小孔隙和大孔隙中原油的動(dòng)用程度，根據(jù)巖心飽和油后某一弛豫時(shí)間范圍內(nèi)信號(hào)振幅之和與其對(duì)應(yīng)孔徑孔隙中的總飽和油量成正比的特征[18]，計(jì)算出吞吐前后不同孔徑孔隙中的原油采出程度：

式中：ER為孔隙原油采出程度；Tmin，Tmax分別為T2譜分布中某一孔徑孔隙對(duì)應(yīng)的最小和最大馳豫時(shí)間，ms；w0為初始飽和油狀態(tài)下T2譜的信號(hào)振幅；wh為某輪吞吐后T2譜的信號(hào)振幅。

1#和2#巖心每輪吞吐后不同孔隙的原油采出程度如圖6所示。從圖6可以看出，無(wú)論有無(wú)裂縫的影響，CO2吞吐過(guò)程中大孔隙原油采出程度一直大于小孔隙。而裂縫對(duì)大孔隙、小孔隙采出程度的影響會(huì)隨著吞吐次數(shù)的增加而逐漸變化（見表3）。

圖6 1#、2#巖心每輪吞吐后不同孔徑孔隙原油采出程度對(duì)比Fig.6 Comparison of degree of reserve recovery of crude oil for Core 1# and Core 2# after each huff and puff cycle from pores in different sizes

表3 不同吞吐輪次中裂縫對(duì)大、小孔隙采出程度提高幅度的影響Table 3 Influence on the increase rate in degree of reserve recovery from macropores and micropores contributed by fractures in each huff and puff cycle

從表3可知，第一輪吞吐中，有裂縫作用下大孔隙原油采出程度為37.5%，比無(wú)裂縫作用下大孔隙采出程度提高了近52.5%，雖然小孔隙采出程度較低，但相比于2#巖心，裂縫仍然能夠?qū)⑿】紫恫沙龀潭忍岣呓?4.6%；第二輪吞吐中，裂縫提高大孔隙采出程度幅度下降至42.0%，而小孔隙采出程度提高幅度達(dá)到138.9%；第三輪吞吐中，裂縫提高大孔隙采出程度幅度下降至20.7%，而小孔隙采出程度提高幅度達(dá)到200.0%。說(shuō)明隨著CO2吞吐次數(shù)的增加，裂縫對(duì)大孔隙中原油采出程度的影響在減弱，而對(duì)小孔隙中原油采出程度的影響在增強(qiáng)。

3.2 不同滲透率巖心基質(zhì)動(dòng)用特征

3.2.1T2譜分布特征

根據(jù)3.1 節(jié)的識(shí)別方法，分別識(shí)別出3#和5#巖心的基質(zhì)（小孔隙和大孔隙）及裂縫。2 塊巖心飽和油及每輪吞吐后的T2譜分布結(jié)果如圖7所示。

圖7 3#和5#巖心飽和油及每輪吞吐后的T2 譜分布Fig.7 T2 spectrum distribution of Core 3# and Core 5# saturated oil and after each huff and puff cycle

從圖7可以看出，3#和5#巖心在飽和油狀態(tài)下的T2譜分布與1#巖心存在差異，3#巖心中小孔隙對(duì)應(yīng)波峰的峰值與大孔隙對(duì)應(yīng)波峰的峰值基本相當(dāng)，說(shuō)明該巖心物性較好，大孔隙、小孔隙發(fā)育程度較高且相當(dāng)，大孔隙、小孔隙之間連通性較好。5#巖心中小孔隙對(duì)應(yīng)波峰的峰值明顯小于大孔隙對(duì)應(yīng)波峰的峰值，說(shuō)明該巖心大孔隙發(fā)育程度高，小孔隙發(fā)育程度較差，大、小孔隙之間連通性好，原油主要賦存于大孔隙之中[19-20]。結(jié)合圖5（a）可知，隨著巖心滲透率的增大，巖心孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)變好，T2譜分布中大孔隙對(duì)應(yīng)峰值及面積不斷增大，小孔隙對(duì)應(yīng)峰值及面積不斷降低。在CO2吞吐過(guò)程中，隨著吞吐次數(shù)增多，3#和5#巖心大孔隙、小孔隙對(duì)應(yīng)振幅的變化規(guī)律與1#巖心相似，但由于3#和5#巖心大孔隙發(fā)育程度高，其對(duì)應(yīng)振幅的下降幅度更大，可以看出采收率的提高主要來(lái)源于大孔隙。從T2譜分布的變化可知，對(duì)于儲(chǔ)層物性較好的巖心，大孔隙仍然是后續(xù)挖潛的主要方向。

3.2.2 不同孔徑孔隙采出程度對(duì)比

含有裂縫的3 塊巖心大孔隙、小孔隙采出程度關(guān)系曲線如圖8所示。從圖8可以看出，隨著滲透率降低，小孔隙采出程度不斷下降；但隨著吞吐次數(shù)增加，3 塊巖心的小孔隙采出程度的差異減小。這說(shuō)明高滲透率巖心由于大孔隙發(fā)育程度高，孔喉連通性好，CO2在進(jìn)入大孔隙后，通過(guò)擴(kuò)散和抽提作用能夠動(dòng)用與其連通的小孔隙，導(dǎo)致CO2波及體積大，小孔隙采出程度也相對(duì)較高。隨著吞吐次數(shù)增加，由于小孔隙中原油的動(dòng)用主要依靠緩慢的抽提和傳質(zhì)作用，導(dǎo)致小孔隙采出程度快速下降；而大孔隙采出程度隨吞吐次數(shù)增多而快速下降，這主要是因?yàn)榇罂紫对偷膭?dòng)用主要依靠原油體積膨脹和降壓時(shí)的溶解氣驅(qū)作用，這一過(guò)程快速且主要發(fā)生在吞吐初期，后續(xù)吞吐主要?jiǎng)佑玫氖且巡皡^(qū)域內(nèi)大孔隙中的剩余油，由于剩余油組分加重，導(dǎo)致后續(xù)吞吐中大孔隙的采出程度快速下降。

圖8 含有裂縫的不同滲透率巖心大孔隙、小孔隙采出程度對(duì)比Fig.8 Comparison between degree of reserve recovery from macropores and micropores in fractured cores with different permeability

4 結(jié)論

1）裂縫能夠顯著提高CO2吞吐初期采油速度和采收率，但隨著巖心滲透率升高和吞吐次數(shù)增多，裂縫對(duì)吞吐采收率的影響程度逐漸降低。另外，裂縫還能降低滲透率對(duì)CO2吞吐采收率的影響。

2）不管有無(wú)裂縫存在，CO2吞吐過(guò)程中大孔隙的動(dòng)用程度高于小孔隙，但隨著吞吐次數(shù)增多，裂縫對(duì)大孔隙原油采出程度的提高幅度不斷減小，而對(duì)小孔隙原油采出程度的提高幅度不斷增大。

3）大孔隙中原油主要靠CO2體積膨脹和溶解氣驅(qū)方式動(dòng)用，速度快且產(chǎn)量高；而小孔隙中原油主要靠抽提和傳質(zhì)方式動(dòng)用，過(guò)程緩慢且產(chǎn)量低，導(dǎo)致后續(xù)輪次吞吐中CO2波及體積減小，動(dòng)用效果變差，產(chǎn)量降低速度快。