多孔介質(zhì)中CO2驅(qū)油相態(tài)及驅(qū)替特征

李　南,譚先紅,田虓豐,吳　昊,李　西

(1.中海油研究總院 開發(fā)研究院，北京 100028;2.青島大學(xué) 電氣工程學(xué)院，青島 266071)

自19世紀(jì)50年代以來，國外對CO2驅(qū)油方法做了大量的研究，結(jié)果表明，CO2驅(qū)油是一種十分有效的三次采油方法[1]。因此，CO2注入多孔介質(zhì)后對原油相態(tài)的影響及驅(qū)替特征成為近幾年的研究熱門；然而國外地下流體組分與國內(nèi)陸上油田存在一定差別，在多孔介質(zhì)中的滲流特征也不盡相同。國內(nèi)一些學(xué)者基于多孔介質(zhì)油氣兩相滲流理論，建立了能夠反映多孔介質(zhì)孔隙尺度的油氣兩相三維孔隙網(wǎng)絡(luò)模型，從微觀角度分析了不同CO2驅(qū)替相態(tài)下的驅(qū)替特征和驅(qū)油效果[2]；但是還缺乏國內(nèi)陸上原油在多孔介質(zhì)中的CO2驅(qū)油相態(tài)及驅(qū)替特征實(shí)驗(yàn)研究，同時CO2在地下是多次接觸混相還是一次接觸混相至今沒有定論[3]。本文通過可視化PVT裝置、CT裝置和核磁共振裝置，研究CO2混相與非混相、不同注入氣體積和不同注入氣速度下的微觀相態(tài)變化，直觀地反映不同條件下CO2驅(qū)油的相態(tài)變化特征與驅(qū)替特征，重新認(rèn)識CO2與地下流體的混相特征[4]。

1　不同類型原油與CO2混相過程

全世界針對CO2/地層油體系在孔隙介質(zhì)中的直觀相行為研究不多[3-4]，主要原因是缺少直接的孔隙空間流體相行為的測試技術(shù)。

過去由于實(shí)驗(yàn)測量困難，一般都忽略孔隙介質(zhì)對流體相行為的影響。原因是：①實(shí)驗(yàn)壓力、溫度條件偏低，混合流體體系組分相近或差異大；②孔隙介質(zhì)材質(zhì)過于理想和孔隙空間的有效體積較小；③實(shí)驗(yàn)測試手段不理想，精度、可視程度受限等[5-7]。但是隨著實(shí)驗(yàn)儀器的不斷更新和完善，逐漸發(fā)現(xiàn)孔隙介質(zhì)對流體相行為是有影響的，而且是可以進(jìn)行有效觀測的。

應(yīng)用可視化的新型PVT儀器，可以直觀地觀察到氣液界面的變化規(guī)律。其中，實(shí)驗(yàn)陸相常規(guī)原油C2-C12的摩爾分?jǐn)?shù)為48.3%；C20+的摩爾分?jǐn)?shù)為39.0%；實(shí)驗(yàn)溫度為50℃；PVT反應(yīng)釜體積為300 mL。

如圖1所示，通過陸相原油與CO2的混相模擬發(fā)現(xiàn)，CO2與原油接觸后，隨著壓力的增加，CO2溶解在原油中，輕組分蒸發(fā)，氣相富化；當(dāng)壓力達(dá)到16 MPa時，傳質(zhì)逐漸增強(qiáng)，富化氣萃取中間組分形成富烴相；當(dāng)壓力接近混相壓力18 MPa時，傳質(zhì)十分劇烈，富烴相萃取原油較重組分；當(dāng)達(dá)到20 MPa時，重組分參與相間傳質(zhì)形成混相。應(yīng)用修正的NPC法計算的混相壓力為18 MPa，而達(dá)到18 MPa時，微觀實(shí)驗(yàn)中也開始出現(xiàn)氣液間的劇烈傳質(zhì)，從而證明微觀實(shí)驗(yàn)過程中的混相特征是可靠的。

如圖2所示，通過對比煤油(C2-C5含量較高)、輕質(zhì)油(C5-C12含量較高)和陸相原油(C20+含量較高)的混相過程發(fā)現(xiàn)：原油的組分越輕，混相過程越劇烈，出現(xiàn)強(qiáng)傳質(zhì)現(xiàn)象，混相效果較好；隨著原油重質(zhì)組分的增加，混相過程趨于平緩，傳質(zhì)過程逐漸變?nèi)?，混相效果變差?/p>

2　多孔介質(zhì)中CO2/地層油體系驅(qū)替特征

在研究CO2與不同組分原油混相的相態(tài)特征后，需要進(jìn)一步了解CO2混相與否的驅(qū)替特征，從而進(jìn)一步認(rèn)識CO2提高采收率的機(jī)理。為了研究注CO2混相驅(qū)與非混相驅(qū)的微觀驅(qū)替特征與驅(qū)油效率，對CO2驅(qū)替后的巖心進(jìn)行了CT掃描[8-9]，分析混相驅(qū)與非混相驅(qū)后孔喉內(nèi)流體的分布特征與微觀驅(qū)油效率，實(shí)現(xiàn)了微小孔隙內(nèi)微小流量實(shí)驗(yàn)測試方法的創(chuàng)新。

如圖3所示，通過分析CO2非混相驅(qū)與混相驅(qū)后孔隙介質(zhì)中油氣的分布發(fā)現(xiàn)，非混相驅(qū)后巖心內(nèi)原油的殘余油飽和度明顯高于混相驅(qū)的，而且非混相驅(qū)很難驅(qū)替出孔隙喉道較小處的原油，因此CO2驅(qū)開發(fā)過程中，為了提高驅(qū)油效率，應(yīng)盡量采用混相驅(qū)，尤其針對孔隙喉道較小的低滲透儲層。

圖1　原油與CO2的混相過程Fig.1　Miscible phase process between crude oil and CO2(A)10 MPa;(B)16 MPa;(C)18 MPa;(D)20 MPa

圖2　煤油、輕質(zhì)油、陸相原油與CO2混相劇烈程度對比Fig.2　Correlation of miscible extent of kerosene,light oil and continental crude oil(A)煤油/CO2體系;(B)輕質(zhì)油/CO2體系;(C)陸相原油/CO2體系

圖3　巖心微觀驅(qū)替CT圖Fig.3　CT figures of micro-displacement of the drilling cores(A)巖心非混相驅(qū);(B)巖心混相驅(qū)

在混相驅(qū)的前提下，研究了不同CO2注氣體積對巖心驅(qū)替效率的影響。從圖4中可以看出，當(dāng)CO2注入量為0.5 PV時，驅(qū)油效率為60%；當(dāng)CO2注入量為1.2 PV時，驅(qū)油效率達(dá)到90%；當(dāng)CO2注入量為1.7 PV時，驅(qū)油效率達(dá)到93%。通過研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)CO2注入量達(dá)到1.2倍的孔隙體積時，就可以擁有較高的驅(qū)油效率；隨著CO2注入量的繼續(xù)增加，驅(qū)油效率提高幅度很小。在進(jìn)行CO2混相驅(qū)的過程中，如果注氣量小于0.5 PV，會因?yàn)榛煜喑潭容^低而影響驅(qū)油效率；如果注氣量超過1.7 PV，在驅(qū)油效率提高不大的情況下更容易導(dǎo)致氣竄，從而影響最終開發(fā)效果。

3　多孔介質(zhì)中CO2/地層油體系相態(tài)變化

在應(yīng)用填砂模型模擬地下CO2驅(qū)油的過程中，采用MRI技術(shù)[10-13]直觀地觀察到不同驅(qū)替速度下CO2混相驅(qū)的驅(qū)替特征。如圖5所示，多孔介質(zhì)材料直徑15 mm，長度200 mm；模型滲透率為44×10-3μm2；其中CO2與地層原油的混相壓力為18 MPa。

通過模擬發(fā)現(xiàn)，當(dāng)模型壓力為18 MPa(達(dá)到混相驅(qū))時的驅(qū)油效率明顯高于模型壓力為10 MPa時(非混相驅(qū))的驅(qū)油效率。由于模型壓力達(dá)到了混相壓力，驅(qū)替過程為近似的活塞式驅(qū)替，從而既減緩了氣體指進(jìn)，又提高了驅(qū)油效率。相同條件下增大CO2注入速率并不能明顯改善驅(qū)替效率。通過分析發(fā)現(xiàn)不同的注入速率驅(qū)油效率相差不大，說明當(dāng)達(dá)到混相壓力后，CO2在多孔介質(zhì)中與原油幾乎是一次接觸混相。

圖4　不同注氣體積下的驅(qū)替效率Fig.4　The displacement efficiency under different gas injection volume

圖5　不同驅(qū)替壓力與速率下的CO2驅(qū)MRI圖Fig.5　MRI graph showing CO2 displacement under different displacement pressure and velocity(A)壓力為10 MPa,注入速率為0.15 mL/min;(B)壓力為18 MPa,注入速率為0.15 mL/min;(C)壓力為18 MPa,注入速率為0.20 mL/min

通過實(shí)驗(yàn)計算出不同壓力與驅(qū)替速率下的驅(qū)油效率(表1)?；煜囹?qū)比非混相驅(qū)的驅(qū)油效率提高了約30%，但是存在一個合理的注入速率從而使混相驅(qū)的驅(qū)油效率最優(yōu)。

表1　不同驅(qū)替類型和速率下的驅(qū)油效率Table 1　Displacement efficiency under different displacement types and rates

4　結(jié) 論

a.應(yīng)用可視化新型PVT儀器，直觀地觀察到中國陸上原油與CO2氣液界面的變化規(guī)律分為4個階段：相間傳質(zhì)→傳質(zhì)增強(qiáng)→傳質(zhì)劇烈→混相，同時可以根據(jù)氣液界面的變化有效預(yù)測混相壓力。

b.對CO2驅(qū)替后的巖心開展了CT掃描，分析混相驅(qū)與非混相驅(qū)后孔喉內(nèi)流體的分布特征與微觀驅(qū)油效率，發(fā)現(xiàn)混相驅(qū)明顯優(yōu)于非混相驅(qū)。在進(jìn)行CO2混相驅(qū)的過程中，如果注氣量過少，會因?yàn)榛煜喑潭容^低而影響驅(qū)油效率；如果注氣量過多，在驅(qū)油效率提高不大的情況下更容易導(dǎo)致氣竄，從而影響最終開發(fā)效果。

c.應(yīng)用MRI技術(shù)有效研究地下CO2驅(qū)油過程中的驅(qū)替特征，當(dāng)達(dá)到混相壓力后，驅(qū)替過程為近似的活塞式驅(qū)替，從而既減緩了氣體指進(jìn)，又提高了驅(qū)油效率。相同條件下增大CO2注入速率并不能明顯改善驅(qū)替效率，說明當(dāng)達(dá)到混相壓力后，CO2在多孔介質(zhì)中與原油幾乎是一次接觸混相。