頁巖油儲層裂縫對CO2 吞吐效果的影響及孔隙動用特征

李鳳霞，王海波，周 彤，韓 玲

（1.中國石化石油勘探開發(fā)研究院，北京 102206；2.中國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)的不斷進步，頁巖油已成為世界各國油氣勘探的重點。由于頁巖儲層孔喉細(xì)小，滲透率極低，導(dǎo)致頁巖油藏一次衰竭采收率極低，主要通過加密鉆井技術(shù)和多級水力壓裂技術(shù)實現(xiàn)一次采油的短期增產(chǎn)[1-3]。對于大多數(shù)地層能量不足的頁巖儲層，注氣是一種常用的方法，與其他氣體相比，CO2與頁巖油的最小混相壓力最低，不但易溶解在頁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，學(xué)者們也針對CO2吞吐技術(shù)開展了深入研究。F.Torabi 等人[6-7]通過室內(nèi)CO2吞吐試驗，研究了滲透率、CO2注入壓力、悶井時間和吞吐次數(shù)等參數(shù)對低滲透油藏采收率的影響。楊正明等人[8]進行了巖心吞吐試驗，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間的增長而增大；但注入過量的CO2，會導(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、注氣速度和悶井時間對微觀孔隙的動用程度，評價了微觀剩余油的分布特征。

然而，頁巖儲層開發(fā)過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 段儲層不同滲透率級別頁巖，開展了CO2吞吐試驗，研究了裂縫對不同滲透率儲層CO2吞吐效果的影響，并結(jié)合低場核磁共振技術(shù)，從微觀孔隙尺度揭示了吞吐過程中裂縫-基質(zhì)之間的流體交換特征，定量評價了小孔隙、大孔隙的動用程度，為評價裂縫性頁巖儲層產(chǎn)油特征、改善生產(chǎn)動態(tài)提供了依據(jù)和參考。

1 CO2 吞吐試驗

1.1 試驗巖心

試驗用頁巖取自江漢油田王場地區(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 塊巖心進行試驗，其基本參數(shù)見表1。由表1可知，1#和2#頁巖的平均孔隙半徑最小，5#和6#頁巖滲透率最大（平均孔隙半徑也最大），3#和4#頁巖儲層物性居中。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 試驗巖心基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of experimental cores

1.2 試驗流體

試驗原油取自生產(chǎn)層位為潛3 段的地面分離器原油。儲層溫度（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%，說明目標(biāo)儲層原油組分整體偏輕，但仍然含有一定量的重質(zhì)組分。長細(xì)管（細(xì)管直徑4.52 mm，長度150 mm）試驗結(jié)果表明，在目標(biāo)儲層條件（18.7 MPa、73 ℃）下，原油與CO2的最小混相壓力為20.4 MPa，說明在目前儲層條件CO2與原油無法達(dá)到混相。測得不同壓力下不同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，原油膨脹率達(dá)到43.8%，說明目標(biāo)儲層原油具有較高的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 試驗裝置

CO2吞吐試驗裝置包括多尺寸可調(diào)節(jié)無磁巖心夾持器、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）、氣體流量計和SPEC-RC2 型低場核磁共振掃描儀等（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%；低場核磁共振掃描儀的磁場強度為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 吞吐試驗裝置Fig.3 Experimental device for CO2 huff and puff

1.4 試驗步驟

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）將試驗原油在恒壓50 MPa 下注入放有頁巖的高壓密閉釜，充分飽和至注入泵體積不再變化時，恒壓老化7 d；降壓后取出頁巖，將切割好的巖心放入熱縮套管中，將巖心密封于套管中，確保試驗過程中巖心裂縫尺寸不變；對飽和油后的巖心進行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，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，并對吞吐后的巖心進行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，累計吞吐3 次。

1.5 試驗結(jié)果

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

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

2 裂縫對CO2 吞吐效果的影響

2.1 裂縫對相同滲透率巖心采收率的影響

對比1#和2#巖心每輪吞吐采收率（見表2）可知，當(dāng)無裂縫作用時，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，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，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，但對后期（第三輪）吞吐采收率影響較小。

2.2 裂縫對不同滲透率巖心采收率的影響

為了評價裂縫對不同滲透率巖心吞吐效果的影響，分別對比了不同滲透率條件下裂縫對CO2吞吐采收率的影響及有/無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#巖心的累計吞吐采收率比無裂縫作用的2#、4#、6#巖心的累計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，累計吞吐采收率不斷升高。這說明雖然裂縫能夠提高每輪吞吐采收率及累計吞吐采收率，但隨著巖心滲透率增大，裂縫對吞吐采收率的影響程度不斷下降。

此外，滲透率對裂縫巖心的吞吐采收率影響較小，而對無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，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，當(dāng)滲透率由0.027 0 mD（3#巖心）降至0.007 5 mD（1#巖心）時，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%。說明裂縫能夠減小滲透率降低對CO2吞吐采收率的影響，也就是說壓裂能夠有效改善頁巖油儲層CO2吞吐的開發(fā)效果。

2.3 裂縫對采油速度的影響

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)衰竭時間接近15 min 時，采出程度基本保持不變；無裂縫的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。這主要是因為無裂縫作用時，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運移時“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 微觀孔隙動用特征分析

在低磁場強度中，可以通過測量巖石孔隙中含氫流體的弛豫信號振幅和弛豫速率來建立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間與孔隙半徑成正比，而振幅強度則代表了某一孔徑孔隙中流體的飽和量[17]，因此，可以通過分析CO2吞吐前后的T2譜分布變化來定量評價不同孔徑孔隙的原油動用特征。

3.1 裂縫作用下的基質(zhì)動用特征

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應(yīng)的弛豫時間，可以識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 時對應(yīng)的區(qū)間為基質(zhì)，105 ms＜T2≤1 100 ms 時對應(yīng)的區(qū)間為裂縫（見圖5（a））。2#巖心中由于不存在裂縫，因此弛豫時間T2在105～1 100 ms 之間既不存在信號振幅，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用特征，進一步將基質(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應(yīng)的T2譜形態(tài)基本相似。小孔隙對應(yīng)波峰明顯高于大孔隙對應(yīng)波峰，說明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應(yīng)的振幅均下降，但下降幅度逐漸減小，且大孔隙對應(yīng)振幅的下降幅度大于小孔隙，說明CO2吞吐過程中大、小孔隙均有動用，且大孔隙的動用程度高于小孔隙。而1#巖心的小孔隙和大孔隙對應(yīng)振幅的下降幅度均明顯大于2#巖心，說明裂縫不但提高了大孔隙中原油的動用程度，還提高了小孔隙中原油的動用程度。

3.1.2 不同孔徑孔隙采出程度對比

為進一步定量評價小孔隙和大孔隙中原油的動用程度，根據(jù)巖心飽和油后某一弛豫時間范圍內(nèi)信號振幅之和與其對應(yīng)孔徑孔隙中的總飽和油量成正比的特征[18]，計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應(yīng)的最小和最大馳豫時間，ms；w0為初始飽和油狀態(tài)下T2譜的信號振幅；wh為某輪吞吐后T2譜的信號振幅。

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，無論有無裂縫的影響，CO2吞吐過程中大孔隙原油采出程度一直大于小孔隙。而裂縫對大孔隙、小孔隙采出程度的影響會隨著吞吐次數(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%。說明隨著CO2吞吐次數(shù)的增加，裂縫對大孔隙中原油采出程度的影響在減弱，而對小孔隙中原油采出程度的影響在增強。

3.2 不同滲透率巖心基質(zhì)動用特征

3.2.1T2譜分布特征

根據(jù)3.1 節(jié)的識別方法，分別識別出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#巖心中小孔隙對應(yīng)波峰的峰值與大孔隙對應(yīng)波峰的峰值基本相當(dāng)，說明該巖心物性較好，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#巖心中小孔隙對應(yīng)波峰的峰值明顯小于大孔隙對應(yīng)波峰的峰值，說明該巖心大孔隙發(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譜分布中大孔隙對應(yīng)峰值及面積不斷增大，小孔隙對應(yīng)峰值及面積不斷降低。在CO2吞吐過程中，隨著吞吐次數(shù)增多，3#和5#巖心大孔隙、小孔隙對應(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，其對應(yīng)振幅的下降幅度更大，可以看出采收率的提高主要來源于大孔隙。從T2譜分布的變化可知，對于儲層物性較好的巖心，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在進入大孔隙后，通過擴散和抽提作用能夠動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較高。隨著吞吐次數(shù)增加，由于小孔隙中原油的動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，這主要是因為大孔隙原油的動用主要依靠原油體積膨脹和降壓時的溶解氣驅(qū)作用，這一過程快速且主要發(fā)生在吞吐初期，后續(xù)吞吐主要動用的是已波及區(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CO2吞吐采收率的影響。

2）不管有無裂縫存在，CO2吞吐過程中大孔隙的動用程度高于小孔隙，但隨著吞吐次數(shù)增多，裂縫對大孔隙原油采出程度的提高幅度不斷減小，而對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)方式動用，過程緩慢且產(chǎn)量低，導(dǎo)致后續(xù)輪次吞吐中CO2波及體積減小，動用效果變差，產(chǎn)量降低速度快。