低滲透油藏中CO2與原油的相互作用*

劉家軍，李立峰，高 苗

（1.中國(guó)石化江蘇油田采油二廠，江蘇金湖 211600；2.中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島 266580）

目前，江蘇油田低滲透油藏動(dòng)用儲(chǔ)量9700 萬(wàn)噸，占全油田地質(zhì)儲(chǔ)量的48%，提高低滲透油藏采收率是油田穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵。研究表明，注CO2是提高低滲透油藏采收率的有效方法［1］。但在江蘇油田實(shí)踐中，注CO2提高采收率未能達(dá)到預(yù)期效果，限制了這項(xiàng)技術(shù)的規(guī)模應(yīng)用［2］。其主要原因是對(duì)油藏狀態(tài)下CO2與原油間的相互作用缺少認(rèn)識(shí)，提高采收率機(jī)理不明確，導(dǎo)致選井缺少針對(duì)性。研究表明，油藏狀態(tài)下CO2一方面能萃取原油中的輕質(zhì)組分［3-5］，另一方面能溶解于原油，促使原油體積膨脹、黏度降低［6-10］。當(dāng)前關(guān)于CO2萃取原油、對(duì)原油的溶解膨脹與降黏等已有較多的研究［10-16］，但對(duì)這兩種作用的具體表現(xiàn)及對(duì)采收率的影響機(jī)制仍沒(méi)有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，這也是限制現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)應(yīng)用的主要瓶頸。因此，本文首先通過(guò)CO2萃取和溶解實(shí)驗(yàn)，分析CO2與原油相互作用的規(guī)律，然后開(kāi)展CO2驅(qū)油實(shí)驗(yàn)研究CO2驅(qū)油過(guò)程中低滲基質(zhì)原油的動(dòng)用特征，探索CO2與原油相互作用對(duì)提高采收率的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

江蘇油田輕質(zhì)原油，地面密度為843.4 kg/m3（20 ℃，0.101 MPa），黏度為5.2 mPa·s（60 ℃，0.101 MPa）；CO2，純度為99.99%；驅(qū)油實(shí)驗(yàn)用巖心模型尺寸為φ2.5 cm×6.0 cm，滲透率為13.5×10-3μm2，孔隙度20.2%。

MesoMR23-060H-I 型核磁共振分析儀，上海紐邁電子科技有限公司；Agilent 7890A 型氣相色譜儀，美國(guó)安捷倫公司；萃取與溶解膨脹實(shí)驗(yàn)裝置（見(jiàn)圖1），自制；CO2采油實(shí)驗(yàn)裝置（見(jiàn)圖2），自制。

圖1 萃取與溶解膨脹實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖2 CO2采油實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

（1）CO2萃取原油實(shí)驗(yàn)

通過(guò)高壓反應(yīng)釜中的CO2萃取實(shí)驗(yàn)，考察了不同壓力（7.0～40.0 MPa）下，CO2對(duì)原油的萃取效果。萃取實(shí)驗(yàn)流程如圖3 所示。其中，為了定量表征CO2對(duì)原油的萃取能力，定義萃取率為：萃取出的原油體積/原油初始體積×100%。實(shí)驗(yàn)步驟如下：①首先將100 mL原油加入反應(yīng)釜中，通過(guò)中間柱塞的調(diào)整，排出上部空氣（步驟E1）；②將反應(yīng)釜和CO2氣體（存儲(chǔ)在高壓容器中）加熱到實(shí)驗(yàn)溫度60 ℃；③打開(kāi)反應(yīng)釜上部閥門(mén)，向釜內(nèi)泵入400 mL CO2，同時(shí)打開(kāi)反應(yīng)釜下部閥門(mén)排出400 mL水，加壓至實(shí)驗(yàn)壓力，關(guān)閉閥門(mén)（步驟E2）；④高溫高壓條件下，CO2與原油接觸，發(fā)生萃??；為了保證CO2與原油的充分接觸、傳質(zhì)，連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)反應(yīng)釜，使CO2與原油形成對(duì)流接觸；⑤待反應(yīng)器內(nèi)壓力趨于穩(wěn)定時(shí)視為達(dá)到相平衡，萃取結(jié)束（約3 h）；⑥將回壓閥設(shè)置到實(shí)驗(yàn)壓力，打開(kāi)反應(yīng)釜上部閥門(mén)，通過(guò)柱塞泵將反應(yīng)釜上部富化CO2全部排出至分離器中，實(shí)現(xiàn)萃取油-CO2的分離，同時(shí)收集記錄出油體積（步驟E3）；⑦為了實(shí)現(xiàn)充分萃取，將CO2再次注入反應(yīng)釜中，重復(fù)步驟③—⑥，直到分離器中無(wú)明顯的萃取油出現(xiàn)。最后，根據(jù)總的萃取出油量計(jì)算萃取率。

圖3 萃取與溶解膨脹實(shí)驗(yàn)步驟

（2）CO2膨脹原油實(shí)驗(yàn)

膨脹系數(shù)（FS）是表征CO2溶解膨脹原油能力的主要指標(biāo)。通過(guò)溶解膨脹實(shí)驗(yàn)，測(cè)試了不同壓力下，CO2對(duì)江蘇油田輕質(zhì)原油的膨脹系數(shù)。實(shí)驗(yàn)步驟如下：①將Voo=100 mL 的原油加入反應(yīng)釜中，加熱至60 ℃后，注入400 mL CO2，加壓至實(shí)驗(yàn)壓力（步驟S1）；②高溫高壓條件下CO2與原油相互作用，同時(shí)不斷轉(zhuǎn)動(dòng)反應(yīng)器使氣體與原油充分接觸；③排出反應(yīng)釜上部CO2氣體（步驟S2）；④將CO2再次注入反應(yīng)器中，重復(fù)步驟②與③，直至分離器中無(wú)明顯萃取油為止，說(shuō)明達(dá)到了萃取極限，同時(shí)CO2也在原油中充分溶解；⑤最后排出CO2氣體（步驟S3），反應(yīng)器中剩余原油體積可以直接讀出為Vos，則原油體積膨脹系數(shù)為：FS=Vos/Voo。

（3）CO2吞吐采油實(shí)驗(yàn)

在巖心夾持器右側(cè)設(shè)置了一個(gè)φ2.1 cm×0.03 cm 的模擬裂縫（見(jiàn)圖2），在同端注采過(guò)程中，從入口注入的CO2可以在模擬油藏內(nèi)與原油形成充分的面接觸，實(shí)現(xiàn)CO2向原油中的溶解和對(duì)原油的萃取作用，以模擬油藏中CO2動(dòng)用巖心中原油的過(guò)程。實(shí)驗(yàn)流程如下：①巖心準(zhǔn)備。巖心抽真空后飽和蒸餾水，計(jì)算孔隙體積；將飽和水的巖心置于常規(guī)巖心夾持器中，通過(guò)水驅(qū)巖心測(cè)定其水相滲透率；然后加熱至60 ℃，通過(guò)油驅(qū)水的方式飽和原油。②CO2吞吐采油。取出飽和油的巖心，放入圖2 所示改進(jìn)型巖心加持器中，組裝成裂縫-基質(zhì)模型，升溫至60 ℃；利用回壓閥設(shè)定出口端壓力為25.0 MPa，將CO2連續(xù)注入模擬裂縫中，直至縫內(nèi)壓力升至25.0 MPa，同時(shí)保持夾持器圍壓始終高于其內(nèi)部壓力2～3 MPa；開(kāi)啟出口閥門(mén)，恒速0.1 mL/min 注入CO2，原油從出口端產(chǎn)出，每2 h記錄出口端產(chǎn)油量，直至沒(méi)有原油產(chǎn)出時(shí)，停止注氣；整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中裂縫內(nèi)CO2壓力始終保持在25.0 MPa，以實(shí)現(xiàn)CO2與原油的多次接觸混相（MCM）接觸狀態(tài)。③根據(jù)出油量與巖心初始飽和油量，計(jì)算原油采收率；利用核磁共振分析儀對(duì)CO2-MCM吞吐前后巖心進(jìn)行核磁共振（NMR）掃描，以判斷剩余油分布狀態(tài)；此外，通過(guò)氣相色譜儀測(cè)定產(chǎn)出原油的組成，以分析低滲基質(zhì)原油的動(dòng)用機(jī)制。

2 結(jié)果與討論

2.1 CO2-原油傳質(zhì)作用

2.1.1 CO2對(duì)原油的萃取能力

不同壓力下測(cè)得CO2對(duì)原油的萃取率如圖4所示。在不同壓力條件下，隨萃取次數(shù)增加，萃取率呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)且具有相似性。相同萃取次數(shù)條件下，萃取率隨壓力升高而升高；萃取次數(shù)達(dá)5 次后，萃取率趨于穩(wěn)定，不再隨萃取次數(shù)增加而增大，且壓力越高萃取率穩(wěn)定值越高。由圖4（b）不同壓力下CO2對(duì)原油的穩(wěn)定萃取率可將CO2對(duì)原油的萃取分為兩個(gè)強(qiáng)度不同的壓力區(qū)間：當(dāng)壓力小于10.0 MPa時(shí)，萃取率較低（7.0 MPa、0.6%；10.0 MPa、2.8%），CO2對(duì)原油的萃取能力較弱；在壓力大于10.0 MPa 的第二區(qū)間，萃取率隨壓力的升高顯著增大，壓力達(dá)到40.0 MPa 時(shí)的萃取率可達(dá)85.2%。因此，將CO2開(kāi)始顯著萃取原油中輕質(zhì)組分的壓力定義為萃取開(kāi)始?jí)毫Γ╬ext），即10 MPa。CO2密度是影響不同壓力下CO2萃取能力的主要因素之一［13］，CO2的溶劑化能力正比于其密度；壓力越高，CO2的密度越大，單位空間體積內(nèi)作用于原油分子上的CO2分子越多，與原油分子間的相互作用也越強(qiáng)。此外，文獻(xiàn)［14］報(bào)道的超臨界CO2密度隨壓力的變化趨勢(shì)與本文得到的萃取率變化趨勢(shì)接近，表明兩者之間具有潛在的正相關(guān)性。

圖4 CO2對(duì)原油的萃取率隨萃取次數(shù)（a）和壓力（b）的變化

CO2對(duì)于原油的萃取作用，一方面能使低滲基質(zhì)原油直接進(jìn)入裂縫內(nèi)的CO2相中隨之采出，提高采收率；另一方面，萃取是CO2驅(qū)油過(guò)程中實(shí)現(xiàn)多次接觸混相的關(guān)鍵。實(shí)際驅(qū)油過(guò)程中，CO2與原油通常難以實(shí)現(xiàn)一次接觸混相，而是在兩者反復(fù)接觸的過(guò)程中，通過(guò)CO2對(duì)原油的萃取作用不斷富化，最終達(dá)到多次接觸混相（或者動(dòng)態(tài)混相）的狀態(tài)。因此，根據(jù)萃取率隨壓力變化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以判斷：當(dāng)油藏壓力小于等于10.0 MPa 時(shí)，CO2對(duì)原油的萃取能力較弱，萃取作用可以忽略，CO2很難快速富化，多次接觸混相難以實(shí)現(xiàn)；當(dāng)壓力超過(guò)該值后，由于萃取作用的顯著增強(qiáng)，多次接觸混相能較容易實(shí)現(xiàn)。

2.1.2 CO2對(duì)原油的膨脹特征

不同壓力條件下測(cè)得CO2對(duì)原油的膨脹系數(shù)（FS）如圖5所示。隨壓力升高，F(xiàn)S先升高至1.25（萃取開(kāi)始?jí)毫ext=10.0 MPa），之后開(kāi)始降低。當(dāng)壓力達(dá)到原油收縮壓力pshr=13.0 MPa 時(shí)，F(xiàn)S降至1.0 以下，說(shuō)明原油體積收縮；壓力達(dá)到40.0 MPa時(shí)，F(xiàn)S為0.3。當(dāng)壓力在0～pshr之間時(shí)，CO2對(duì)原油的萃取作用相對(duì)較弱或者剛開(kāi)始增強(qiáng)（見(jiàn)圖4（b）），因此，CO2在原油中的溶解為主要傳質(zhì)形式，原油表現(xiàn)為CO2溶解導(dǎo)致的體積膨脹，F(xiàn)S大于1.0。當(dāng)壓力大于pshr時(shí)，CO2對(duì)原油的萃取顯著增強(qiáng)，由于輕質(zhì)組分的減少，原油表現(xiàn)為體積收縮，F(xiàn)S小于1.0。

圖5 CO2對(duì)原油的膨脹系數(shù)隨壓力的變化

當(dāng)壓力大于pext時(shí)，由于強(qiáng)烈的萃取作用，CO2和原油的組成都會(huì)發(fā)生明顯的變化：由于原油中輕質(zhì)組分進(jìn)入氣相，一方面有利于油藏采收率提高；另一方面，CO2逐漸富化，更易達(dá)到多次接觸混相。但同時(shí)，剩余油中重質(zhì)組分的富集會(huì)導(dǎo)致原油變重。這種原油重質(zhì)組分含量的升高又會(huì)帶來(lái)一些不利影響：（1）淺層基質(zhì)原油變“重”會(huì)阻礙CO2與深層原油的接觸、傳質(zhì)；（2）原油黏度顯著升高，不利于淺層殘余繞流原油的進(jìn)一步挖潛；（3）強(qiáng)萃取作用容易引起膠質(zhì)和瀝青質(zhì)沉積，導(dǎo)致低滲基質(zhì)區(qū)域外部滲透率的降低，不利于原油的采出。

2.2 CO2對(duì)巖心中原油的動(dòng)用特征

2.2.1 采收率與剩余油分布

利用設(shè)計(jì)的物理模型開(kāi)展CO2驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，根據(jù)采出油量計(jì)算基質(zhì)原油采收率，同時(shí)為了更加直觀地判斷模型中原油的動(dòng)用情況，對(duì)驅(qū)替前后巖心模型中的原油分布狀態(tài)進(jìn)行NMR掃描，結(jié)果如圖6所示。其中，NMR圖像氫原子信號(hào)強(qiáng)度代表巖心中含油飽和度的高低：信號(hào)強(qiáng)度越大，含油飽和度越高；反之，含油飽和度越低。圖像的右側(cè)對(duì)應(yīng)巖心夾持器的右端，即與裂縫中CO2接觸的端面。從巖心與CO2接觸的右側(cè)端面向左，定義為基質(zhì)原油的深度。在前10 h范圍內(nèi)，采收率隨時(shí)間的延長(zhǎng)快速增大，對(duì)應(yīng)單位時(shí)間內(nèi)的采收率增量較高（1.1%/h～3.7%/h）；浸泡時(shí)間為10 h 時(shí)，累計(jì)采收率為19.0%。超過(guò)10 h后，采收率增長(zhǎng)速度減緩，單位時(shí)間內(nèi)的采收率增量明顯減?。?.2%/h～1.0%/h）。這說(shuō)明，采油初期時(shí)出油較快，但短時(shí)間內(nèi)采油速度即明顯降低。盡管如此，在大于10 h的低速采油階段，仍能采出較多的原油，對(duì)應(yīng)采收率上升明顯，10—62 h 的采收率增幅可達(dá)29.0%。當(dāng)累計(jì)達(dá)到62 h時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)的采收率增量基本可以忽略，最終采收率為48.0%。這說(shuō)明，對(duì)于低滲基質(zhì)巖心長(zhǎng)度為6.0 cm 的情況，52—72 h 即可顯著動(dòng)用低滲基質(zhì)原油，達(dá)到較高的采收率。

圖6 CO2吞吐過(guò)程中基質(zhì)原油采收率及分布特征

NMR結(jié)果表明，注CO2之前，巖心的NMR圖像氫原子信號(hào)強(qiáng)度較高（約4000），說(shuō)明原油飽和較充分、均勻。經(jīng)CO2吞吐采油后，有48.0%的原油被采出。從剩余油分布上看，巖心區(qū)域的淺層部位（0—3 cm）注CO2后，氫原子信號(hào)強(qiáng)度明顯減弱至1000～2000，含油飽和度明顯降低。而深度大于3.0 cm 范圍后，氫原子信號(hào)強(qiáng)度僅略微降低至3000～4000，但整體變化不顯著，表明該部分原油未能得到明顯動(dòng)用。這說(shuō)明裂縫性油藏中，縫內(nèi)CO2通過(guò)與基質(zhì)原油的MCM 接觸，在基質(zhì)原油中的動(dòng)用深度約為3.0cm。

2.2.2 基質(zhì)原油動(dòng)用機(jī)制

在CO2吞吐實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，觀察到原油顏色、透明度等物理性質(zhì)發(fā)生了明顯的變化。用氣相色譜儀對(duì)不同CO2注入時(shí)間產(chǎn)出的原油組分進(jìn)行了測(cè)試，同時(shí)與初始原油及萃取實(shí)驗(yàn)中得到的萃取原油組成進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果如圖7 所示。實(shí)驗(yàn)初期（10 h）產(chǎn)出的原油呈現(xiàn)黑色、不透明狀態(tài)，與初始原油狀態(tài)相似；從飽和烴組成上看，產(chǎn)出原油與初始原油組成較為接近。CO2在原油中的溶解不會(huì)造成產(chǎn)出原油組成的變化，而CO2對(duì)原油的萃取作用往往會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)出原油輕質(zhì)組分增加，因此，CO2在基質(zhì)原油中的溶解膨脹是這一階段的主要采油機(jī)理。并且該CO2注入時(shí)間內(nèi)，具有產(chǎn)油速度高的特點(diǎn)。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，產(chǎn)出原油逐漸變?yōu)槌赛S色、半透明或透明狀（如26 h和36 h產(chǎn)出原油）。浸泡26 h和36 h采出原油組成的變化進(jìn)一步說(shuō)明了CO2注入采油機(jī)理的變化。例如，浸泡26 h采出原油較初始原油明顯變輕（采出油：C10—C19=60.0%，C20+=40.0%；初始原油：C10—C19=46.0%，C20+=53.4%），36 h 產(chǎn)出原油也顯著變輕（C10—C19=60.6%，C20+=37.8%）。采出原油組成逐漸變輕，并與萃取實(shí)驗(yàn)中得到的萃取油組成越發(fā)接近（C10—C19=62.6%，C20+=36.9%）。這說(shuō)明隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，CO2-MCM 注入采油機(jī)理逐漸由CO2溶解膨脹過(guò)渡到萃取機(jī)理。當(dāng)萃取成為主要采油機(jī)理時(shí)，采油速度明顯較低（26、36 h 對(duì)應(yīng)的單位時(shí)間驅(qū)油效率增量?jī)H為0.71%/h 和0.54%/h），但采收率仍有明顯的增長(zhǎng)（CO2注入10—62 h 的采收率增幅為29.0%）。

圖7 不同時(shí)間產(chǎn)出原油的組成

2.3 應(yīng)用探討

總結(jié)近兩年江蘇油田低滲透油藏CO2吞吐實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)一個(gè)現(xiàn)象：注入壓力較高，最終效果往往較差。按增油量與注入CO2的比值（t/t）計(jì)算CO2吞吐?lián)Q油率。5個(gè)實(shí)例油藏類(lèi)型相近，均為低滲透油藏，滲透率分布為（15～36）×10-3μm2。原油均為輕質(zhì)低黏度油，均首次實(shí)施CO2吞吐，注CO2前生產(chǎn)不含水。隨著油藏壓力升高，CO2吞吐?lián)Q油率降低，注CO2效果變差。效果較好的Q7P1、H76-1 井注CO2后的油藏壓力分別為9.3、12.1 MPa，放噴初期即是油氣混出，放噴過(guò)程中井口壓力下降速度慢，停止自噴轉(zhuǎn)抽后產(chǎn)液量明顯高于注CO2吞吐前，增液增油效果比較明顯，換油率分別為0.67和0.46，經(jīng)濟(jì)效益較好。效果較差的SH10、Q17-1及Q3P1 3口井注CO2后的油藏壓力分別為18.4、18.6、24.0 MPa，換油率分別為0.10、0.05、0.14。放噴初期產(chǎn)出全氣無(wú)油，壓力快速下降，停噴轉(zhuǎn)抽后產(chǎn)液量變化不大，增油效果不明顯。分析認(rèn)為，Q7P1、H76-1井在注CO2過(guò)程中（吞）壓力較低，以CO2在原油中溶解膨脹為主，原油體積膨脹后油藏能量得到有效補(bǔ)充，生產(chǎn)過(guò)程中（吐）油藏能量得到發(fā)揮，產(chǎn)液量較注氣前明顯上升，CO2吞吐效果好。SH10、Q17-1 及Q3P1 井在注CO2過(guò)程中壓力較高，以CO2萃取原油中輕質(zhì)組分為主，較強(qiáng)的萃取抽提作用一方面不利于原油膨脹增能，另一方面有助于油氣混相、抑制氣竄。注入CO2將原油驅(qū)離近井地帶，最終生產(chǎn)過(guò)程中（吐）產(chǎn)液量變化不明顯甚至下降，CO2吞吐效果差。這3口井轉(zhuǎn)為CO2驅(qū)可取得更好的注氣提高采收率效果。因此，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用注CO2提高采收率中，應(yīng)基于與原油相互作用機(jī)理，結(jié)合油藏壓力、溫度條件，分析溶解與萃取作用主導(dǎo)關(guān)系，優(yōu)選CO2吞吐與CO2驅(qū)類(lèi)型，以提高技術(shù)應(yīng)用效果。按照現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例，江蘇油田低滲透油藏中，壓力低于15 MPa 的油藏應(yīng)優(yōu)先考慮CO2吞吐，高于15 MPa的油藏應(yīng)優(yōu)先考慮CO2驅(qū)。

3 結(jié)論

CO2對(duì)原油的萃取表現(xiàn)為以pext=10.0 MPa 為界的兩個(gè)強(qiáng)度不同的壓力區(qū)間：當(dāng)壓力小于pext時(shí)，萃取率較低，CO2對(duì)原油的萃取能力較弱；壓力大于pext時(shí)，萃取率隨壓力的升高顯著增大，40.0 MPa 時(shí)的萃取率可達(dá)85.2%。

原油體積變化的臨界壓力pshr=13.0 MPa。壓力為0～pshr時(shí)，CO2對(duì)原油的萃取能力弱或剛開(kāi)始增強(qiáng)，CO2在原油中的溶解主要為傳質(zhì)形式，原油表現(xiàn)為體積膨脹；壓力大于pshr時(shí)，CO2對(duì)原油的萃取顯著增強(qiáng)，原油表現(xiàn)為體積收縮。

對(duì)于長(zhǎng)度為6.0 cm 的低滲巖心，CO2驅(qū)替62 h后的原油采收率基本達(dá)到穩(wěn)定。在驅(qū)替初期主要增產(chǎn)機(jī)理為CO2在原油中溶解膨脹，此階段內(nèi)產(chǎn)油速度較高；驅(qū)替后期主要增產(chǎn)機(jī)理為CO2萃取原油中的輕質(zhì)組分，此階段內(nèi)產(chǎn)油速度變緩。在江蘇油田應(yīng)用CO2采油技術(shù)時(shí)，需充分考慮油藏條件對(duì)CO2與原油作用的影響，壓力低于15 MPa的油藏應(yīng)優(yōu)先考慮CO2吞吐，高于15 MPa的油藏應(yīng)優(yōu)先考慮CO2驅(qū)。