范希彬，蒲萬芬，單江濤，杜代軍，覃建華，高 陽

（1.中國石油新疆油田分公司勘探開發(fā)研究院，新疆克拉瑪依834000；2.西南石油大學油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，四川成都610500）

隨著常規(guī)油藏原油儲量的減少，原油開采的重心已經(jīng)向致密油、頁巖油等非常規(guī)油藏轉(zhuǎn)移，尤其是在美國和中國[1]。但是致密油儲層復雜的孔隙結(jié)構(gòu)，強微觀非均質(zhì)性以及低滲透率造成其開采難度大[2]。通常情況下，水平井體積壓裂可以提高致密油原油產(chǎn)量，但是在致密砂巖中，壓裂后衰竭式開采的采收率仍然很低，一般為5%~10%[3]。致密礫巖油藏中，巖石粒度分布范圍廣，巖石礦物組分差異大，相同巖性的巖體延伸距離短，巖體上下層連通性很差，這些因素造成致密礫巖油藏極強的非均質(zhì)性，最終導致壓裂后衰竭式開采時地層壓力下降快，采收率更低[4]，因此，衰竭式開采后亟需進一步提高原油采收率。作為一種低成本提高采收率的手段，水驅(qū)經(jīng)常被應用到致密油藏中。但注入水很容易沿裂縫方向快速竄進，因此，注入水不能進入和啟動基質(zhì)，油井見水不見效[5]，亟需發(fā)展環(huán)保高效的技術(shù)來進一步提高采收率。

由于CO2注入地層與原油接觸后具有使原油體積膨脹，降低原油黏度，改善油水流度比，萃取原油中輕質(zhì)組分、酸化解堵和改善潤濕性等作用[5-8]。因此，注CO2輔助提高致密礫巖油藏采收率可作為一種低成本以及環(huán)保的手段。常用的CO2輔助提高采收率的方法有CO2驅(qū)和CO2吞吐，而CO2輔助提高采收率的潛力取決于油藏條件，例如油藏溫度、原油的壓力—溫度—體積性質(zhì)。目前水平井體積壓裂已被證明是開發(fā)致密礫巖油藏行之有效的開采方法，體積壓裂可在近井地帶范圍內(nèi)形成以主裂縫為主、次裂縫為輔相互交錯的復雜裂縫網(wǎng)絡[9]。氣驅(qū)開發(fā)時注入氣容易沿著裂縫竄流，最終波及系數(shù)低，開發(fā)效果差，因此，在沒有對井網(wǎng)進行優(yōu)化或者對裂縫進行調(diào)控的情況下，CO2驅(qū)不適合于體積壓裂后注氣開采。而CO2吞吐注入和產(chǎn)出是在同一口井上施工，不僅能夠有效避免氣竄的問題，同時裂縫的存在能夠增大CO2與原油接觸面積，更利于CO2與原油發(fā)生相互作用，此外裂縫也能夠成為開井時原油采出時的油流通道。謝靈[10]通過實驗對比發(fā)現(xiàn)，CO2吞吐提高致密油采收率的效果優(yōu)于改性水吞吐的效果，且CO2吞吐主要采出大孔隙中的原油，而剩余油主要分布在小孔隙中。張越琪等[11]認為CO2吞吐時注氣速度對開發(fā)效果影響較小，而CO2的相態(tài)對開發(fā)效果影響較大。賈瑞軒等[12]認為CO2對微米級孔喉中原油的啟動效果最好，而納米級孔喉中的原油啟動較差，此外，儲層越致密，亞微米級孔喉中的原油的貢獻比例越大。鄧寶康等[13]認為隨著注入壓力的增大，當CO2注入壓力高于最小抽提壓力時，CO2提高采收率的主要機理為抽提和萃取，當注入壓力高于最小混相壓力時，儲層中最小動用孔隙下限降低。姜俊帥等[14]提出了CO2有效作用半徑的概念，認為影響致密油吞吐效果的主要因素為注入速度和分子擴散系數(shù)。但是目前國內(nèi)外報道關(guān)于致密油藏CO2吞吐的研究主要圍繞砂巖油藏，而強非均質(zhì)致密礫巖油藏的相關(guān)研究鮮有報到。

鑒于CO2吞吐的優(yōu)勢，同時，基于新疆環(huán)瑪湖致密礫巖油藏瑪131 井區(qū)的油藏條件，開展CO2吞吐提高采收率室內(nèi)實驗研究，基于CO2與原油以及CO2與儲層巖石礦物間相互作用，揭示CO2吞吐提高采收率機理；利用高溫高壓在線核磁監(jiān)測系統(tǒng)在孔隙尺寸下對CO2吞吐特征和效率進行精確表征。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

新疆環(huán)瑪湖致密礫巖油藏瑪131井區(qū)脫氣原油，密度為0.834 g/cm3。天然氣為現(xiàn)場通過閃蒸分離地層原油得到的，其組成通過安捷倫氣相色譜儀測試，實驗結(jié)果見表1。地層水為儲層衰竭式開采時產(chǎn)出水，在利用高溫高壓在線核磁系統(tǒng)進行CO2吞吐實驗時，采用重水配制模擬地層水，屏蔽掉水對原油信號的影響。巖心為現(xiàn)場致密礫巖巖心，在開展物理模擬實驗前，利用甲苯對巖心進行清洗后，在150 ℃的烘箱中對巖心進行烘干。

表1 天然氣組成Table 1 Natural gas composition%

1.2 地層原油性能及與CO2相互作用研究

利用配樣器在油藏條件（69℃，23 MPa）下按照氣油比（GOR）68 m3/m3配制模擬地層原油，利用DBR-PVT 分析系統(tǒng)對原油性質(zhì)進行測試；隨后利用DBR-PVT 研究油藏條件下CO2與模擬地層原油間相互作用。

1.3 CO2與儲層巖石相互作用研究

CO2注入儲層后溶解在地層水中，會形成碳酸水，酸性碳酸水會與儲層巖石礦物發(fā)生化學反應，引起儲層巖石的微觀形貌以及潤濕性發(fā)生改變，影響地層流體在巖石孔隙中的滲流能力。利用高溫高壓反應釜，在油藏溫度下，向高溫高壓反應釜中加入一定量的地層水和致密礫巖巖片，隨后通入CO2至地層壓力。利用XRD、多功能離子色譜儀、掃描電鏡以及接觸角測定儀測試不同反應時間下地層水、巖石礦物的組成變化、巖石礦物微觀形貌以及巖石潤濕性變化。

1.4 核磁共振CO2吞吐實驗

CO2吞吐巖心實驗步驟如下：①測試巖心長度、直徑和干重后，利用分子泵飽和巖心模擬地層水；②以0.01 mL/min的速度向巖心注入地面脫氣原油直到出口端無地層水產(chǎn)出；③在巖心出口端添加24 MPa回壓后，再次以0.01 mL/min 的速度向巖心注入模擬地層原油直到出口端產(chǎn)出油氣液比為68 m3/m3；④關(guān)閉出口端，入口端加壓至壓力為24 MPa后，入口端連接回壓到24 MPa 的回壓閥；⑤通過降低入口端回壓閥壓力至目前地層壓力（21 MPa）進行衰竭式開采；⑥在與巖心相同壓力條件下，利用CO2活塞容器向巖心中注入一定量的CO2后，關(guān)閉入口端閥門進行燜井；⑦打開入口端進行開井產(chǎn)油，待入口端壓力降低到設定值后，關(guān)閉入口端閥門；⑧根據(jù)實驗要求重復步驟⑥和步驟⑦。實驗過程中保持環(huán)壓始終大于入口壓力3 MPa。飽和原油后，每一步結(jié)束后進行T2譜圖以及二維成像采集，從孔隙尺度分析CO2吞吐在致密礫巖中的生產(chǎn)特征。

1.5 三維物理模擬CO2吞吐實驗

為了研究裂縫對CO2吞吐效率的影響，利用巖心壓裂和驅(qū)替系統(tǒng)開展三維物理模擬實驗研究，實驗步驟如下：①將全直徑巖心切割成5 cm×5 cm×5 cm的正方體；②將巖心烘干至恒重后，利用分子泵飽和巖心地層水；③鉆直徑為3 mm 的直井至巖心高度的2/3處，然后將直徑為2.6 mm 的空心鐵管粘在井壁處（巖心長度的1/3 處）；④地層應力條件下，向井中注入滑溜水進行重復壓裂造縫并且返排滑溜水；⑤從4 個面依次以0.01 mL/min 的速度向巖心注入地面脫氣原油直到出口端無地層水產(chǎn)出；⑥在直井出口端加入24 MPa 的回壓后，再次以0.01 mL/min 的速度向巖心注入模擬地層原油直到出口端產(chǎn)出油氣液比為68 m3/m3；⑦通過降低回壓閥壓力至目前地層壓力（21 MPa）進行衰竭式開采；⑧在與巖心相同壓力條件下，利用CO2活塞容器向巖心中注入一定量的CO2后，關(guān)閉入口端閥門進行燜井；⑨打開入口端進行開井產(chǎn)油，待入口端壓力降低到設定值后，關(guān)閉入口端閥門；⑩根據(jù)實驗要求重復步驟⑧和步驟⑨。

2 結(jié)果與討論

2.1 CO2與原油相互作用研究

CO2與原油的相互作用（表2）。隨著CO2摩爾含量的增大，溶解氣油比（GOR）、泡點壓力（pb）以及膨脹系數(shù)增大，原油的彈性能增大，而原油的黏度降低，滲流阻力減小。實驗結(jié)果表明CO2與原油接觸后能夠有效的補充地層能量，增大原油彈性能，提高原油采收率[15-17]。

表2 CO2與原油相互作用Table 2 Interactions between CO2 and crude oil

2.2 CO2與儲層巖石相互作用

不同反應時間下致密礫巖巖石礦物的XRD結(jié)果見圖1，分析得到的結(jié)果見表3?？芍?，石英的含量最高，黏土的含量次之，石英和黏土的含量隨著反應時間的增長而增大。而鉀長石與斜長石的含量降低，表明在酸性環(huán)境下鉀長石與斜長石發(fā)生了溶蝕反應，該結(jié)論與ZHANG等[18]的研究結(jié)論一致。

表3 致密礫巖巖石礦物組成分析Table 3 Analysis of mineral constituent of rocks in tight conglomerate

圖1 致密礫巖礦物組成測試結(jié)果Fig.1 Testing results of mineral constituent in tight conglomerate

不同反應時間下，地層水的組成變化見圖2。隨著反應的進行，地層水中鈉離子和鉀離子的含量增大，說明巖石礦物中的鉀長石以及鈉長石發(fā)生了溶蝕反應。溶蝕反應的發(fā)生也會導致高嶺石等黏土礦物的形成。由于地層水中含有大量的鈣離子，CO2溶于水后電離出來的碳酸根與鈣離子反應生成碳酸鈣沉淀，因此，地層水中鈣離子濃度先降低；隨著地層水pH 值的降低，部分碳酸鈣沉淀溶解在地層水中[19]，且長石礦物發(fā)生溶蝕反應會產(chǎn)生鈣離子，因此，鈣離子的濃度隨后增大。

圖2 地層水離子組成變化Fig.2 Composition changes of ionic in formation water

反應過程中，致密礫巖的微觀形貌變化見圖3。隨著溶蝕反應的發(fā)生，長石表面先變得粗糙（20 h），且表面生成了黏土顆粒（45 h），隨后在巖石表面形成了溶蝕孔（70 h），最終巖石變得疏松（90 h），溶蝕孔的形成增大了儲層的孔隙度以及孔隙的連通性[20]。

由于致密巖石與碳酸水發(fā)生了溶蝕反應，造成巖石表面性質(zhì)發(fā)生變化，因此在每個階段測試巖石表面潤濕性的變化，實驗結(jié)果見圖4，巖樣接觸角由初始的57.4°降低至34.5°，隨著溶蝕時間的延長，CO2的溶蝕作用加劇，主要原因是：①石英的含量增多（表3），更多的石英裸露出來，巖石的親水性增強；②溶蝕作用造成更多的黏度礦物形成（表3、圖3），巖石的親水性增強；③溶蝕作用造成巖石表面的粗糙度增大，親水性進一步增強。巖石親水性的增強有利于將原油從巖石表面剝離，從而提高采收率[21-23]。

圖3 不同反應時間致密礫巖微觀形貌Fig.3 Micromorphology of tight conglomerate

圖4 致密礫巖潤濕性變化Fig.4 Change of wettability of tight conglomerate

2.3 核磁共振CO2吞吐實驗

開展核磁共振驅(qū)替實驗時，控制巖心每輪次CO2注入量為0.6PV，燜井時間為2 h。用于研究核磁共振的實驗巖心參數(shù)見表4。巖心飽和原油后的T2譜圖見圖5 中的紅色曲線，可以明顯的觀察到T2譜圖中呈現(xiàn)3 個明顯的峰，相應地將3 個峰劃分為3 個孔喉類型，大孔隙（37.6 ms＜T2＜1 873.8 ms），中孔隙（1 ms＜T2＜37.6 ms）以及小孔隙（T2＜1 ms），且大、中、小孔隙中的原油分布為36.06%，31.9%和32.24%。將地層壓力逐漸衰竭至目前地層壓力（21 MPa）時，根據(jù)T2譜圖面積變化算采收率為5.42 %，且原油主要采于大孔隙中。此外，根據(jù)衰竭式開采過程中T2譜圖的變化可知，壓力越高，T2譜圖信號量幅值的變化越大，單位壓降下采收率越低，壓力降低至23 MPa，22 MPa 和21 MPa 時的單位壓降采收率分別為2.92%，1.4%和1.1%。衰竭式開采后，大、中、小孔隙中的原油分布變?yōu)?4.84 %，38.07 %和37.09 %。吞吐過程中，第一輪、第二輪和第三輪次的采收率分別為15.1%，4.8%和3.2%。在三輪次中，大、中、小孔隙的采收率分別為42.35%，20.58%和4.48%。第三輪次后無原油采出。

圖5 衰竭式開發(fā)及吞吐過程中T2譜Fig.5 T2 spectrum of depletion development and huff-n-puff

表4 巖心參數(shù)Table 4 Core parameters

實驗過程中的二維成像見圖6。開發(fā)階段不同，原油分布的狀態(tài)不同。在衰竭式開采和第一輪次吞吐后，巖心中含油飽和度均勻變化。在巖心第二輪次和第三輪次時，可以明顯的發(fā)現(xiàn)遠井端的原油向注入端運移，最終原油呈較均勻分布。

圖6 開采過程中二維成像Fig.6 Crude oil distribution during recovery

2.4 三維物理模擬CO2吞吐實驗

三維物理模擬實驗衰竭式開采以及CO2吞吐過程中的壓力以及采收率見圖7，衰竭式開采過程中，壓力從24 MPa 降低至21 MPa 時的采收率為8.3 %，單位壓降下的采收率分別為4.5 %，2.2 %和1.6 %。吞吐過程中，第一輪、第二輪和第三輪次的采收率分別為17.8%，5%和4.3%。與基質(zhì)巖心相比，裂縫存在時，CO2吞吐提高采收率的幅度增大4 %，主要原因是裂縫的存在增大了CO2與原油的接觸面積，采油過程中原油滲流阻力減小。

圖7 三維物理模擬CO2吞吐過程中壓力與采收率關(guān)系Fig.7 Relation between pressure and EOR during three-dimensional physical simulation of CO2 huff-n-puff

3 結(jié)論

從巖心尺度到孔隙尺度研究了致密礫巖CO2吞吐提高采收率可行性，主要結(jié)論如下：

1）CO2通過補充地層能量、降低原油黏度以及改善儲層潤濕性的方式提高采收率。

2）CO2吞吐能夠有效提高致密礫巖油藏采收率。隨著吞吐輪次的增加，CO2提高采收率的幅度降低，第三輪次后無原油采出。

3）衰竭式開采過程中的原油主要源于大孔隙中，而CO2吞吐能夠有效地啟動中孔隙和小孔隙。大孔隙對采收率貢獻最大，而中孔隙的貢獻為大孔隙的一半，小孔隙貢獻最小。裂縫的存在增大了CO2與原油的接觸面積，降低了采油過程中原油滲流阻力，采收率幅度增大4%。