趙博文

(西安石油大學(xué)，西安 710065)

0 引言

低滲透油藏通常由于天然能量不足，儲(chǔ)層物性差及非均質(zhì)性嚴(yán)重等特征，一次采收率普遍偏低，而注水開發(fā)又面臨“注不進(jìn)、采不出、水淹水竄突出”等諸多難題，開發(fā)效果不盡如人意[1-3]。CO2以其良好的注入性、和原油的互溶性以及易混相等特點(diǎn)，可以有效降低原油黏度和界面張力，補(bǔ)充地層能量，有效提高原油采收率，被公認(rèn)為是低滲透油藏最有效的提高采收率技術(shù)之一[4-6]。然而由于低滲透油藏普遍發(fā)育裂縫和微裂縫，加上前期水力壓裂造成的人工縫，鉤織了復(fù)雜的縫網(wǎng)系統(tǒng)，造成無論是水驅(qū)還是氣驅(qū)都會(huì)出現(xiàn)不同程度的竄流，使開發(fā)效果變差。因此研究裂縫對(duì)驅(qū)油過程的影響和作用，探索有效的針對(duì)措施改善開發(fā)效果將具有重要現(xiàn)實(shí)意義。目前關(guān)于CO2驅(qū)油的實(shí)驗(yàn)研究眾多，主要涉及流體物性的變化，驅(qū)替對(duì)儲(chǔ)層物性的影響，驅(qū)油方式及注采參數(shù)等對(duì)驅(qū)油效果的影響等方面[7-18]。整體以宏觀居多，微觀為少。且目前在微觀研究方面多以玻璃刻蝕薄片進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)[19-20]，鮮見通過天然巖心進(jìn)行的微觀可視化實(shí)驗(yàn)研究，造成目前關(guān)于裂縫對(duì)低滲透油藏CO2驅(qū)油過程的真實(shí)影響不夠清楚，同時(shí)對(duì)如何改善裂縫影響下的驅(qū)油效果缺乏關(guān)注和研究。鑒于此，該研究通過對(duì)鄂爾多斯盆地長(zhǎng)6油藏天然巖心進(jìn)行加工和刻畫，制作了帶有裂縫的真實(shí)巖心薄片，結(jié)合高清顯微鏡和高清錄像系統(tǒng)，采用高溫高壓驅(qū)替系統(tǒng)開展了CO2驅(qū)油微觀可視化實(shí)驗(yàn)研究，以期弄清裂縫對(duì)CO2驅(qū)的影響規(guī)律，并探索有效改善開發(fā)效果的具體方式。

1 實(shí)驗(yàn)

該研究實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，嚴(yán)格按照SY/T 6424—2014《復(fù)合驅(qū)油體系性能測(cè)試方法》和GB/T 29172—2012《巖心分析方法》等標(biāo)準(zhǔn)開展實(shí)驗(yàn)研究。

1.1 實(shí)驗(yàn)方法及內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)采用LDY-150驅(qū)替流動(dòng)儀，通過回壓控制實(shí)驗(yàn)壓力。微觀可視化模型結(jié)合尼康SMZ1500高清顯微鏡、微量泵和高清錄像系統(tǒng)，對(duì)不同壓力驅(qū)油過程中CO2相態(tài)的變化以及CO2流體和原油在孔隙介質(zhì)中的相態(tài)動(dòng)態(tài)變化特征進(jìn)行詳細(xì)記錄，實(shí)驗(yàn)流程示意圖如圖1所示。

圖1 微觀可視化驅(qū)替裝置實(shí)驗(yàn)流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental proscess of micro visualization displacement device

為了觀察和分析裂縫性低滲透油藏CO2驅(qū)和CO2吞吐的微觀特征和區(qū)別，明確最佳的提高采收率實(shí)施方式，實(shí)驗(yàn)分為驅(qū)替和吞吐2大部分。在驅(qū)替時(shí)，重點(diǎn)考察不同注入壓力下驅(qū)油的變化。對(duì)于注入壓力的設(shè)置，依據(jù)CO2臨界壓力(7.38 MPa)及其與實(shí)驗(yàn)原油的最小混相壓力(17.6 MPa)，分別設(shè)置3個(gè)壓力點(diǎn)，即低于臨界壓力的點(diǎn)4 MPa、高于臨界壓力而小于最小混相壓力的點(diǎn)8 MPa以及高于最小混相壓力的點(diǎn)18 MPa，重點(diǎn)觀測(cè)CO2流體在臨界壓力和最小混相壓力處相態(tài)的變化和驅(qū)油效率。在吞吐時(shí)，為了探索更佳注采方式，從充分?jǐn)U大CO2的波及范圍和發(fā)揮CO2的增油作用出發(fā)，依照區(qū)塊整體“吞吐”的理念，設(shè)計(jì)注采不同端的方式，即注入端注入后進(jìn)行燜井，燜井結(jié)束后從生產(chǎn)端開采。對(duì)于燜井時(shí)間的設(shè)計(jì)，根據(jù)巖心尺寸和CO2運(yùn)移擴(kuò)散速度及以往實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，分別設(shè)計(jì)燜井10 h，20 h，30 h和40 h這4組實(shí)驗(yàn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

1)流體樣品：油、水樣均來自鄂爾多斯盆地長(zhǎng)6油藏；

2)巖心片：采用長(zhǎng)6油藏天然巖心進(jìn)行切割打磨制成巖心片，然后對(duì)巖心片沿中軸線刻一條縫；

3)CO2氣體：采用市場(chǎng)上售賣的CO2氣體，純度99.9%。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

1)用苯和乙醇3∶1的比例對(duì)巖心進(jìn)行深度洗油操作，清洗完成后將巖心置于恒溫箱內(nèi)進(jìn)行烘干；

2)清洗結(jié)束后對(duì)巖心樣品進(jìn)行物性參數(shù)分析等測(cè)試，然后在80 ℃下對(duì)巖樣進(jìn)行烘干24 h；

3)將巖心切割打磨，制成薄片，然后對(duì)巖心片沿中軸線刻縫；

4)將實(shí)驗(yàn)巖心片放入可視化巖心加持器中飽和地層水，使可視化薄片建立原始地層水分布，當(dāng)出液量達(dá)到4～5 PV時(shí)認(rèn)為已完全建立好原始地層水分布；

5)將油樣以0.05 ml/min的速度進(jìn)行驅(qū)替直至出口產(chǎn)出液的含油量為100%，原始地層的油水分布模型建立完成；

6)在44 ℃條件下，設(shè)置不同CO2注入壓力進(jìn)行驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，實(shí)時(shí)在線拍攝可視化薄片中剩余油分布，測(cè)試中在壓力值穩(wěn)定且流動(dòng)平衡的條件下計(jì)算模型的殘余油飽和度，并進(jìn)行驅(qū)替效率計(jì)算；

7)在實(shí)驗(yàn)驅(qū)替過程中巖心夾持器出口端增加氣液分離裝置，氣液分離裝置后接氣體流量計(jì)以計(jì)量實(shí)驗(yàn)過程的出氣量。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同壓力下CO2驅(qū)微觀可視化實(shí)驗(yàn)

壓力是影響CO2驅(qū)油動(dòng)態(tài)及效果的最重要因素之一。為了觀察不同壓力下CO2驅(qū)油過程中氣體沿裂縫竄逸規(guī)律，了解氣體在基質(zhì)中波及范圍和采出程度，觀察裂縫及裂縫周邊流體滲流及分布規(guī)律，在建立完原始油水分布關(guān)系后進(jìn)行不同注入壓力下的CO2驅(qū)替實(shí)驗(yàn)。

2.1.1 注入壓力為4 MPa

為了觀察非超臨界狀態(tài)下的驅(qū)油特征及其在裂縫和基質(zhì)中的滲流規(guī)律，進(jìn)行了4 MPa及44 ℃條件下的驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示。

圖2 注入壓力為4 MPa時(shí)的驅(qū)替實(shí)驗(yàn)Fig.2 Displacement experiment at injection pressure of 4 MPa

圖2是通過尼康SMZ1500高清顯微鏡觀察拍攝到的驅(qū)替過程。圖2a所示為注入壓力為4 MPa時(shí)CO2驅(qū)替前期(即驅(qū)替5 h)，可以看到此時(shí)可視化薄片中大部分區(qū)域都顯示紅色，沿著裂縫紅色顯示比較淺而且呈現(xiàn)斑點(diǎn)狀，表明CO2驅(qū)替過程中氣體優(yōu)先進(jìn)入裂縫并沿著裂縫滲流，同時(shí)將裂縫周邊的原油置換出來。但是由于氣體優(yōu)先沿裂縫滲流，離裂縫遠(yuǎn)處的原油難以被波及，此時(shí)驅(qū)油效率較低，只有3%。圖2b所示為4 MPa壓力CO2驅(qū)替中期(即驅(qū)替20 h)，從圖2b中可以看出紅色顯示相比驅(qū)替前期有所減少，遠(yuǎn)離裂縫的區(qū)域紅色顯示也漸漸減少。表明隨著氣體的繼續(xù)注入，開始慢慢波及到遠(yuǎn)離裂縫的區(qū)域。同時(shí)可以看到紅色顯示為斷塊狀，是因?yàn)樽⑷氲臍怏w沿著較大孔喉流動(dòng)，將大孔喉中原油置換出來，因此呈現(xiàn)出這種不連續(xù)的紅色顯示，該階段驅(qū)油效率達(dá)到5%。圖2c所示為驅(qū)替后期(即驅(qū)替30 h)，此時(shí)圖2c中紅色顯示繼續(xù)減少，沿著裂縫周邊紅色顯示最少，從注入端到出口端呈現(xiàn)出漸變紅色顯示，即注入端紅色顯示深，出口端紅色顯示淺。在驅(qū)替后期驅(qū)油效率達(dá)到了6%。圖2d所示為驅(qū)替40 h即驅(qū)替結(jié)束時(shí)的狀態(tài)，從圖2d中可以看到此時(shí)紅色顯示是最少的，且紅色部分不連續(xù)。沿著裂縫周圍基本沒有紅色顯示。表明注入的氣體沿著裂縫流動(dòng)，有效地將裂縫及其周邊的原油置換出來，最終驅(qū)油效率達(dá)到8%。

2.1.2 注入壓力為8 MPa

當(dāng)壓力大于7.38 MPa、溫度高于31.06 ℃時(shí)，CO2變?yōu)槌R界狀態(tài)。超臨界狀態(tài)CO2具有類似液相的密度和類似氣相的黏度，一方面可以改善不利的超覆驅(qū)替狀態(tài)，提高波及效率，另一方面擴(kuò)散性和萃取原油輕質(zhì)組分的能力增強(qiáng)，提高了與原油的混相能力，可以更好地降低界面張力。為了對(duì)比CO2在非超臨界狀態(tài)和超臨界狀態(tài)下的驅(qū)油特征及差別，進(jìn)行了注入壓力為8 MPa的驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示。

圖3 注入壓力為8 MPa時(shí)的驅(qū)替實(shí)驗(yàn)Fig.3 Displacement experiment at injection pressure of 8 MPa

圖3a所示為注入壓力為8 MPa時(shí)CO2驅(qū)替前期(即驅(qū)替5 h)，可以看到此時(shí)可視化薄片中大部分區(qū)域同樣都顯示紅色，沿著裂縫紅色顯示比較淺且呈現(xiàn)斑點(diǎn)狀，表明該階段CO2驅(qū)替過程與非超臨界狀態(tài)的驅(qū)替基本相同，即氣體同樣優(yōu)先進(jìn)入裂縫并沿裂縫滲流，同時(shí)將裂縫周邊的原油置換出來，驅(qū)油效率較低，也只有3%。圖3b所示為驅(qū)替中期(即驅(qū)替20 h)，從圖3b中可以看出紅色顯示相比驅(qū)替前期有所減少，遠(yuǎn)離裂縫的區(qū)域紅色顯示也逐漸減少，與4 MPa時(shí)相比，該階段驅(qū)油效率略有提高，達(dá)到了6%。圖3c所示為驅(qū)替后期(即驅(qū)替30 h)，沿著裂縫周邊紅色顯示繼續(xù)減少，超臨界CO2更好的進(jìn)入基質(zhì)，并由于其特殊的性質(zhì)動(dòng)用了更大面積的原油，但注入的氣體仍主要沿著裂縫竄逸，該階段驅(qū)油效率也只達(dá)到了8%。圖3d所示為驅(qū)替40 h即驅(qū)替結(jié)束時(shí)的照片，從圖3d中可以看出此時(shí)紅色顯示部分達(dá)到了最少，且紅色部分不連續(xù)，整體狀態(tài)類似非超臨界狀態(tài)驅(qū)替，但波及范圍和驅(qū)油效率均有所提高，最終驅(qū)油效率為10%。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，超臨界狀態(tài)CO2驅(qū)油效果比非超臨界狀態(tài)要好，但由于裂縫的存在，驅(qū)油效率提升的幅度有限。

2.1.3 注入壓力為18 MPa

從理論上來說，CO2與原油混相后兩相界面消失，變?yōu)橐幌嗔黧w，界面張力將為0，驅(qū)油效率可以達(dá)到100%。為了進(jìn)一步觀察和對(duì)比CO2在不同狀態(tài)下的驅(qū)油和滲流特征，進(jìn)行了注入壓力為18 MPa的驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示。

圖4 注入壓力為18 MPa時(shí)的驅(qū)替實(shí)驗(yàn)Fig.4 Displacement experiment at injection pressure of 18 MPa

圖4a所示為注入壓力為18 MPa時(shí)CO2驅(qū)替前期的照片(即驅(qū)替5 h)，可以看出可視化區(qū)域內(nèi)大部分為紅色顯示，沿著裂縫周邊紅色最深。當(dāng)注入氣體開始進(jìn)入可視化薄片，氣體仍主要沿著裂縫流動(dòng)，難以波及到遠(yuǎn)離裂縫的區(qū)域，此時(shí)驅(qū)油效率較低，也僅有6%。但相比于非超臨界狀態(tài)和超臨界狀態(tài)，該壓力點(diǎn)下驅(qū)油效率有所提高。圖4b所示為驅(qū)替中期(即驅(qū)替20 h)，從圖片中可以看出紅色顯示相比驅(qū)替前期有所減少，遠(yuǎn)離裂縫的區(qū)域紅色顯示開始有所變化，但是整個(gè)可視化薄片上主要以紅色為主，在薄片中還有大量的剩余油。表明隨著氣體的繼續(xù)注入，開始慢慢波及到遠(yuǎn)離裂縫的區(qū)域，該階段驅(qū)油效率達(dá)到了9%。圖4c所示為驅(qū)替后期(即驅(qū)替30 h)，此時(shí)可視化薄片中紅色顯示部分仍然還較多，但是相比驅(qū)替前期已經(jīng)明顯減少，驅(qū)油效率也達(dá)到了12%。圖4d所示為驅(qū)替40 h即驅(qū)替結(jié)束時(shí)的照片，隨著驅(qū)替過程的不斷進(jìn)行，圖4d中紅色部分繼續(xù)減少，此時(shí)從圖4d中可以看出紅色顯示是最少的，且紅色部分仍不連續(xù)。沿著裂縫區(qū)域主要為白色，表明注入氣體主要將裂縫中的原油置換出來。在遠(yuǎn)離裂縫的區(qū)域還有部分塊狀的紅色顯示，表明驅(qū)替完成后還有部分剩余油難以被置換出來。最終驅(qū)油效率為14%。

由實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，由于儲(chǔ)層裂縫的存在，CO2以不同壓力條件注入時(shí)，由于CO2相態(tài)的變化使得CO2驅(qū)油效率有小幅提升，但大量的CO2依然沿高滲或大通道竄逸，CO2利用率很低。延長(zhǎng)油田大多儲(chǔ)層為低滲低壓油藏，且長(zhǎng)6儲(chǔ)層天然裂縫及人工裂縫交織，從實(shí)踐中同樣證明了連續(xù)CO2驅(qū)替在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)了見氣甚至氣竄的現(xiàn)象，因此改變CO2開發(fā)方式具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

2.2 CO2吞吐微觀可視化實(shí)驗(yàn)

區(qū)塊整體吞吐是該文探索的一種旨在提高低滲低壓儲(chǔ)層能量，提高CO2驅(qū)采收率的方法，即在CO2連續(xù)氣驅(qū)前對(duì)油井關(guān)井，注入井按照方案設(shè)計(jì)進(jìn)行連續(xù)注入，到一定時(shí)機(jī)再開井生產(chǎn)的方法。

按照上述理念，為了和驅(qū)替實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比,設(shè)計(jì)在溫度為44 ℃的條件下,利用平流泵以18 MPa的壓力向巖心中注CO2,然后關(guān)閉入口端，燜井48 h,觀測(cè)整個(gè)吞吐期間的可視化巖心的采出程度。實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果如圖5所示。

圖5 CO2吞吐微觀可視化實(shí)驗(yàn)Fig.5 Microscopic visualization experiment of CO2 huff and puff

由圖5可知,整個(gè)可視化區(qū)域?yàn)榧t色顯示,沿著裂縫紅色顯示最深,裂縫周圍有部分驅(qū)油顏色變淡，表明部分原油流動(dòng)到裂縫中,由于燜井作用,CO2向基質(zhì)中擴(kuò)散,動(dòng)用和萃取基質(zhì)中的原油,并向裂縫中運(yùn)移。隨著注入端CO2不斷進(jìn)入,實(shí)驗(yàn)薄片中CO2逐漸向裂縫周圍基質(zhì)擴(kuò)散,更多的原油被動(dòng)用,表現(xiàn)為視野中紅色變淡的區(qū)域增加,燜井48 h后驅(qū)油效率達(dá)到20%,說明CO2不斷注入,采出端進(jìn)行不同程度燜井,對(duì)低滲低壓油藏提高CO2驅(qū)油效率有明顯的作用,是實(shí)際油藏CO2開發(fā)過程中可以采取的一種有效手段。

3 結(jié)論

1)低滲透油藏儲(chǔ)層裂縫發(fā)育，CO2容易進(jìn)入儲(chǔ)層，且會(huì)沿著儲(chǔ)層裂縫大量竄逸，雖然注入壓力的提高會(huì)改變CO2相態(tài)，有助于顯現(xiàn)其萃取作用，但效果甚微，基質(zhì)中的原油難以動(dòng)用，造成CO2驅(qū)替效率低，最終采出程度低。

2)對(duì)于低滲透、裂縫發(fā)育的儲(chǔ)層，前期可以采用“只注不采”的方式，增加CO2動(dòng)用基質(zhì)原油，提高CO2驅(qū)油效率。

3)建議在類似油藏進(jìn)行CO2驅(qū)替前，做好儲(chǔ)層縫網(wǎng)刻畫，提前進(jìn)行竄逸通道治理，防止CO2無效驅(qū)替的發(fā)生，造成驅(qū)油效果差的同時(shí)為后續(xù)氣竄治理帶來困難，增加開發(fā)成本和環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。