CO2啟動盲端孔隙殘余油的微觀特征

陳興隆，韓海水，李 實，俞宏偉

（提高石油采收率國家重點實驗室中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083）

盲端孔隙在各類型油藏中廣泛分布，以低滲透儲層更為發(fā)育。盲端孔隙的入口端與流動通道相連，但深處孔隙內(nèi)徑逐漸變小。在常規(guī)開發(fā)方式下，驅(qū)替介質(zhì)（如注入水）僅在入口端經(jīng)過而無法到達深處，致使盲端孔隙中的原油無法啟動，從而成為殘余油。盲端孔隙殘余油是油藏水驅(qū)后的一種典型殘余油［1-4］，對其進行有效啟動和開發(fā)是進一步提高油藏采收率的重要研究內(nèi)容。以王德民等為代表的學(xué)者基于微觀可視驅(qū)油實驗，提出聚合物驅(qū)不僅可以改善流度比和提高宏觀波及效率，還可以提高微觀驅(qū)油效率［5-6］，認(rèn)為聚合物溶液的彈性性質(zhì)可在一定程度提高油濕盲端類殘余油的驅(qū)油效率，但不能提高水濕盲端殘余油的驅(qū)油效率。隨后聚合物微觀驅(qū)油機理得到了眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注，并從理論和實驗方面均進行了深入研究，如劉中春等認(rèn)為聚合物溶液的黏彈性越大，驅(qū)替盲端油的能力越強，但由于剛性水膜的存在，對水驅(qū)后的盲端殘余油作用并不明顯［7-10］。中外大量的實驗和報道顯示，水驅(qū)高含水后期轉(zhuǎn)CO2驅(qū)可進一步提高采收率［11-12］，其主要機理是超臨界CO2可以萃取原油烴組分［13-14］，同時溶解促使原油體積膨脹［15-17］，進而驅(qū)替出水驅(qū)殘余油。筆者對玻璃進行激光刻蝕，形成可實現(xiàn)高溫高壓條件下的不同尺寸微觀盲端孔隙模型，應(yīng)用高速攝像機觀察記錄水和超臨界CO2的微觀驅(qū)替過程，進而總結(jié)啟動盲端孔隙殘余油的微觀特征，并進行原因分析。

1 基于微觀盲端孔隙模型的微觀可視驅(qū)油實驗

1.1 模型設(shè)計和制作

以薄玻璃板作為基板，利用激光刻蝕技術(shù)制作直線型微觀盲端孔隙模型，設(shè)計3 種不同尺度的盲端孔隙，用以模擬注入水和CO2的驅(qū)替效果。微觀盲端孔隙模型的各部分尺寸如圖1 所示。其中，盲端孔隙的深度分別為8.199，5.282和2.857 mm；盲端孔隙入口處的直徑分別為1.646，1.527和1.708 mm；從盲端孔隙的入口至末端內(nèi)徑逐漸變小，模型的主流動通道直徑為1.025 mm。

1.2 實驗裝置

圖1 不同尺度直線型微觀盲端孔隙模型Fig.1 Linear dead-end pore model with different scales

采用中國石油勘探開發(fā)研究院自主研發(fā)的高溫高壓微觀可視驅(qū)油實驗裝置，主要由壓力控制裝置、微觀模型高壓可視釜、圖像采集分析裝置及輔助裝置等4 個部分組成（圖2）。壓力控制主要包括對圍壓、注入壓力和出口回壓的控制，圍壓和注入壓力均由Quizix5000 型高壓精密驅(qū)替泵控制，其最大特點是可以滿足微觀驅(qū)替實驗的微量體積控制，精度達0.000 1 mL/min，出口回壓由Coretest 高精度回壓閥控制，精度為6.895 kPa。微觀模型高壓可視釜的最高工作溫度為150 ℃，由電加熱控溫，最大工作壓力為30 MPa，由驅(qū)替泵和回壓閥控壓。圖像采集分析裝置包括蔡司V8 體視顯微鏡，minifast v1 高速攝像機及計算機顯示和存儲設(shè)備，攝像機拍攝頻率達2 000 幀/s，計算機存儲能力為1 TB。輔助裝置主要包括高壓容器、壓力傳感器和產(chǎn)出流體收集計量等。

圖2 高溫高壓微觀可視驅(qū)油實驗裝置Fig.2 Visual experimental apparatus of microscopic oil displacement

1.3 實驗原理、材料及方案

水與原油接觸存在明顯的界面，不存在組分交換，難以驅(qū)替出盲端孔隙中的原油。高壓條件下CO2可與原油發(fā)生組分交換，可以不同程度地將盲端孔隙中的原油驅(qū)替出來。

實驗原油為某油田脫氣原油，常溫常壓條件下黏度為12 mPa·s。實驗所用CO2為北京兆格氣體科技有限公司生產(chǎn)，純度為99.996%，經(jīng)細(xì)管實驗測定，溫度為50 ℃時原油與CO2的混相壓力為13.3 MPa。

設(shè)計水驅(qū)、CO2非混相驅(qū)和CO2混相驅(qū)3 組實驗。實驗溫度均為50 ℃，CO2非混相驅(qū)和CO2混相驅(qū)的驅(qū)替壓力分別為10.0 和15.0 MPa，水驅(qū)作為對比實驗，驅(qū)替壓力為10.0 MPa。

1.4 實驗步驟

微觀驅(qū)替實驗的步驟為：①實驗前準(zhǔn)備。將微觀盲端孔隙模型安裝在高壓可視釜中，加入圍壓液并升溫至50 ℃；由圍壓驅(qū)替泵控制圍壓，使其高于模型內(nèi)部壓力（2 MPa）；調(diào)節(jié)顯微鏡聚集位置，調(diào)節(jié)光源使高速攝像機可采集到清晰的孔道圖像。②模型抽真空。將微觀盲端孔隙模型及實驗流程管線抽真空2 h 后，關(guān)閉注入和出口閥門。③飽和油。將回壓控制調(diào)節(jié)至設(shè)計壓力（10.0 或15.0 MPa），驅(qū)替泵控制以不高于0.02 mL/min的速度進行飽和油，直至模型及孔隙均充滿原油。④水驅(qū)油。確保充有水的中間容器內(nèi)的溫度和壓力分別穩(wěn)定在50 ℃和10 MPa，以0.02 mL/min 的速度進行水驅(qū)，驅(qū)替過程注意及時采集圖像，當(dāng)模型孔隙及孔道中的剩余油不再發(fā)生變化時，停止驅(qū)替；調(diào)節(jié)觀察位置及顯微鏡放大倍數(shù)，記錄實驗現(xiàn)象，便于后期對比分析。⑤CO2非混相驅(qū)。非混相驅(qū)替前，需確保CO2中間容器內(nèi)的溫度和壓力分別穩(wěn)定在50 ℃和10 MPa，避免氣體狀態(tài)的CO2高速突破；驅(qū)替泵控制以0.01 mL/min的速度進行驅(qū)替，高速攝像機頻率調(diào)至1 000幀/s。⑥CO2混相驅(qū)。確保CO2中間容器內(nèi)的溫度和壓力分別穩(wěn)定在50 ℃和15 MPa，以0.02 mL/min 的速度驅(qū)替，高速攝像機頻率與水驅(qū)過程一致，為1 000幀/s。

2 實驗結(jié)果及分析

通過高速攝像機拍下數(shù)萬張照片，記錄水驅(qū)、CO2非混相驅(qū)和CO2混相驅(qū)3 組實驗的驅(qū)替過程。每組實驗中精選出9個不同有效采油時間的代表性照片，以描述3 種驅(qū)替方式啟動盲端孔隙殘余油的微觀特征。

2.1 水驅(qū)過程

水驅(qū)過程主要驅(qū)替出主流道和盲端入口處的少量原油，不能大幅度啟動盲端孔隙中的殘余油，采收率較低（圖3）。該過程可分為3個階段：主流道排空階段、彈性換油階段和無效注入水階段，其有效采油時間很短，約531.8 s后進入無效注入水階段。

主流道排空階段 向微觀盲端孔隙模型中緩慢注水，入口壓力逐漸升高至11.2 MPa，同時出口回壓為10 MPa且保持不變。當(dāng)出、入口壓差足以克服流動阻力后，主流道的原油開始流出，注入水逐漸占據(jù)原油的空間。由于油水兩相流體性質(zhì)的差異，當(dāng)主流道原油逐漸被驅(qū)出時，流動阻力逐漸減小，入口壓力也逐漸減??；在主流道完全被注入水充滿時，入口壓力降低為10.4 MPa。該階段的注入水和原油變化特征如圖3a—3c所示。

彈性換油階段 主流道中的原油排驅(qū)干凈后，盲端入口處壓力變化較為頻繁，原油和注入水不斷壓縮和膨脹，部分原油膨脹后進入主流道，不斷被注入水驅(qū)出，同時一部分注入水進入盲端孔隙，彈性換油階段注入水和原油的變化特征如圖3d—3h所示。

無效注入水階段 注入水和原油的壓縮性有限，且難以互溶，很快形成均一穩(wěn)定的油水界面。同時盲端孔隙內(nèi)外壓力也趨于穩(wěn)定，注入水無法再置換出盲端孔隙中的原油，僅在主流道中進行無效通過，至此，水驅(qū)油過程結(jié)束。該階段注入水和原油的變化特征如圖3h—3i所示。

2.2 CO2非混相驅(qū)過程

相比于水驅(qū)，CO2非混相驅(qū)可采出部分盲端深部孔隙殘余油，一定程度上提高了采收率，其微觀驅(qū)替特征也明顯不同。CO2非混相驅(qū)過程可分為2個階段：組分交換采油階段和無效注入氣階段（圖4）。其有效采油時間約為700.1 s，隨后進入無效注入氣階段。

組分交換采油階段 與水驅(qū)過程不同，CO2非混相驅(qū)不存在純粹的主流道排空階段。在高溫高壓條件下，CO2與原油中的輕質(zhì)組分具有組分交換能力。當(dāng)注入的CO2到達盲端入口處時立即與盲端中殘余油發(fā)生組分交換，即有部分CO2進入盲端孔隙，同時部分原油交換至主流道，被后續(xù)注入的CO2攜帶采出。隨著CO2的連續(xù)注入，組分交換采油過程持續(xù)進行，其入口壓力只有微小上升（最大約為10.3 MPa）。該階段驅(qū)替過程如圖4a—4f所示。

圖3 水驅(qū)盲端孔隙中殘余油過程Fig.3 Process of residual oil dispacement in dead-end pores by water flooding

無效注入氣階段 由于非混相驅(qū)CO2與原油組分交換能力較弱，采油階段時間較短，很快進入無效注入氣階段。如圖4g—4i 所示，隨著CO2的不斷注入，盲端孔隙中殘余油形態(tài)趨于穩(wěn)定，不再有原油被采出，CO2進入3 種盲端孔隙的深度大致相同。這是因為CO2非混相驅(qū)油時，氣油界面并未完全消失，組分交換能力有限，賦存于盲端孔隙更深處的原油無法與CO2接觸。

CO2非混相驅(qū)后主流道內(nèi)壁和盲端孔隙內(nèi)壁均附著一層油膜。這是因為隨著組分交換的進行，原油中輕質(zhì)組分逐漸被采出，剩余的重質(zhì)組分具有較大的黏滯力，氣油兩相存在較大的流度差異。

2.3 CO2混相驅(qū)過程

相比于水驅(qū)和CO2非混相驅(qū)，CO2混相驅(qū)可啟動并采出盲端孔隙中絕大部分殘余油，大幅度提高采收率。其驅(qū)替過程如圖5 所示，整個驅(qū)替過程循序漸進，持續(xù)進行組分交換采油，無明顯階段劃分，有效采油時間可達約3 980.6 s。

圖4 CO2非混相驅(qū)盲端孔隙中殘余油過程Fig.4 Process of residual oil dispacement in dead-end pores by CO2immiscible flooding

在高溫高壓條件下的超臨界CO2注入后，微觀盲端孔隙模型中未觀測到CO2與原油的明顯界面，二者已形成單相，CO2混相驅(qū)的微觀特征僅依據(jù)孔隙中的顏色變化來體現(xiàn)。隨著CO2的注入，微觀盲端孔隙模型孔隙中的顏色均逐漸變淡，但盲端深部孔隙中的顏色變化明顯滯后于盲端入口處的顏色變化。CO2混相驅(qū)較非混相驅(qū)的壓力更高，CO2與原油組分交換能力更強，傳質(zhì)作用更加劇烈，界面張力降低為0。

3 氣驅(qū)開發(fā)油藏啟示

盲端孔隙在油藏中廣泛存在，盲端孔隙殘余油是油藏開發(fā)剩余油的一種重要賦存形式。實驗證實CO2非混相驅(qū)可以采出盲端孔隙中的部分殘余油，CO2混相驅(qū)可以采出盲端孔隙中的絕大部分殘余油，這是常規(guī)水驅(qū)不能達到的開發(fā)效果，同時也是水驅(qū)后CO2驅(qū)進一步提高采收率的原因之一。由于油藏中大量盲端孔隙的存在，即使CO2混相驅(qū)也不能達到理想的活塞驅(qū)替效果，啟動和開發(fā)盲端孔隙中的殘余油，需要注入大孔隙體積倍數(shù)的CO2，且進行長時間的混相驅(qū)。即使CO2氣突破、氣液比升高，CO2混相驅(qū)仍能進一步提高采收率。低滲透微裂縫型油藏存在較多的盲端孔隙，水驅(qū)后盲端殘余油的數(shù)量不可忽視。聚合物驅(qū)對低滲透油藏的適應(yīng)性較差，CO2混相驅(qū)有望有效啟動這部分殘余油而取得較好的開發(fā)效果，可以作為水驅(qū)后提高采收率的接替技術(shù)。

圖5 CO2混相驅(qū)盲端孔隙中殘余油過程Fig.5 Process of residual oil dispacement in dead-end pores by CO2miscible flooding

4 結(jié)論

利用微觀盲端孔隙模型進行不同驅(qū)替方式的殘余油啟動實驗，結(jié)果顯示注入水僅可以進入盲端孔隙較淺的區(qū)域，難以啟動殘余油；CO2非混相驅(qū)可啟動部分盲端孔隙深部殘余油；CO2混相驅(qū)可啟動盲端孔隙中的絕大部分殘余油。實驗過程中，水驅(qū)和CO2非混相驅(qū)具有明顯的相界面，有效采油時間較短，分別為531.8 和700.1 s，隨后即進入無效的注入水和CO2注入階段。CO2混相驅(qū)傳質(zhì)作用強烈，無明顯相界面，有效采油時間較長，可達3 980.6 s，注入大孔隙體積倍數(shù)的CO2混相驅(qū)基本可以將盲端孔隙中的原油驅(qū)替干凈。