致密油儲集層CO2吞吐效果及影響因素分析
——以新疆吉木薩爾凹陷蘆草溝組為例

馬銓崢，楊勝來，陳浩，王璐，錢坤，孟展，雷浩，王智林

中國石油大學(北京) 石油工程教育部重點實驗室，北京 102249

0 引言

新疆吉木薩爾凹陷蘆草溝組致密油藏儲量豐富，但由于儲集層滲透率特低、孔隙度小、孔隙結構復雜、裂縫不發育、原油黏度較高，導致原油滲流阻力較大，常規方式開采困難。該致密油儲集層地層壓力系數為1.2，屬于異常高壓油藏，原始地層壓力達到43 MPa，彈性能量豐富。采用衰竭方式開采時，初期產量高，但遞減快、穩產期短、采收率低，儲集層剩余油含量高。為了將更多的剩余油采出，提高采收率，在衰竭開采結束后，應采取合理的增產方式。

由于該致密油儲集層巖石物性較差，且具有中等偏強的水敏性，為了避免注水對地層造成不可逆的傷害，應考慮其他增產方式。CO2溶解于原油后，能顯著改善原油物性、降低原油黏度、提高原油流動能力，在常規低滲、特低滲等油藏增產方式中，CO2吞吐受到廣泛關注，已形成比較成熟的技術。因此，可以考慮將CO2吞吐技術用于提高致密油藏采收率。

趙明國等人對大慶芳48低滲透斷塊油區進行室內CO2吞吐實驗研究發現，該區塊CO2吞吐效果較好，具有良好的可行性[1]。劉偉等人對蘇北低滲透復雜斷塊進行CO2吞吐物理模擬實驗研究，形成了適合該地區CO2單井吞吐的提高采收率技術，并在現場取得了較好的效果[2]。徐永成等人對葡萄花油田進行室內CO2吞吐實驗，確定了影響CO2吞吐效果的主要因素是原油中飽和烴含量[3]。黃小亮等人通過室內長巖心CO2吞吐實驗研究了注氣量、燜井時間、壓力衰竭速度等參數對長慶低滲透油田開發效果的影響，發現適當降低注氣速度能較好地克服油藏非均質性的影響[4]。此外，國內外學者針對不同類型油藏也進行了大量CO2吞吐提高油田采收率研究。霍剛、張紅梅等人通過室內CO2吞吐物理模擬實驗和數值模擬，分析了稠油開采過程中影響吞吐效果的相關因素，確定了相關參數值[5-9]。周正平、吳有文等人通過一系列室內物理模擬實驗，研究了CO2注入量、注入速度、注入壓力、吞吐周期以及燜井時間等對低滲透油田CO2吞吐效果的影響，為低滲透油藏CO2吞吐開發方案的制定提供理論支撐[10-13]。Jianlei Sun、Cheng Chen等人通過實驗研究了CO2吞吐提高斷塊油田、裂縫性油田以及頁巖油田采收率的可行性，并對相關機理進行了分析[14-20]。

雖然前人對CO2吞吐提高油田采收率進行了大量研究，但對致密油藏研究較少，且以美國巴肯致密油藏為主，對新疆致密油藏CO2吞吐提高采收率的研究十分匱乏[21-23]。針對上述問題，文章對新疆吉木薩爾凹陷蘆草溝組致密油儲集層天然巖心，進行室內CO2吞吐實驗，對該致密油儲集層CO2吞吐效果及影響因素進行分析；同時在微觀上通過核磁共振測試確定了不同吞吐周期主力產油區對應的孔隙半徑。

1 實驗部分

1.1 原油組分分析

原油組分決定了原油的性質，對CO2與原油的最小混相壓力也有一定影響，原油重質組分含量越高，最小混相壓力也越高。為了獲得原油組分組成，對新疆吉木薩爾凹陷蘆草溝組某油井地面脫氣原油組分進行色譜分析，結果如表1所示。

由表1可知，新疆吉木薩爾蘆草溝組地面脫氣原油輕質組分摩爾含量較少，重質組分摩爾含量較高，其中C9～C35的摩爾含量為48.74%，C36+組分摩爾含量為51.26%。

表1 原油組分Table 1 Composition of the crude oil

1.2 高壓物性分析

為了研究注入的CO2對地層流體的影響，在地層溫度81 ℃、地層壓力43 MPa條件下，將高純CO2溶解到定量的模擬油(地面脫氣原油與煤油1:1配制)中，進行相關物性參數測試，結果如圖1和圖2所示。

(1)膨脹系數

從圖1可以看出，隨著注入壓力的增大，原油膨脹系數近似線性增大。當注入壓力達到20 MPa時，原油體積膨脹系數增大為初始值的1.45倍。因此，可以采用提高注入壓力的方法，增大CO2在原油中的溶解度，增大原油膨脹體積，提高采收率。

(2)黏度變化

從圖2可以，看出隨著CO2注入量的增加，原油黏度近似呈線性遞減。當注入量達到0.5 mol/mol時，原油黏度降低了36.5%。表明CO2溶解于原油后能有效降低原油黏度，改善原油流度，增強原油流動性，提高采收率。

1.3 最小混相壓力

最小混相壓力是油田注CO2增產方式的重要參數之一，當CO2與原油達到混相后，不僅可以消除界面張力的影響，還能萃取和汽化原油中的輕質烴，形成CO2和輕質烴混合油帶，進而大幅度降低原油滲流阻力，提高驅油效率，對油田注氣提高采收率具有重要作用。

為了確定新疆致密油儲集層CO2與原油的最小混相壓力，實驗嚴格按照SY/T6573-2003執行。在地層溫度81 ℃、壓力高于飽和壓力的條件下，進行室內細管模擬實驗，結果如圖3所示。

由圖3可知，隨著驅替壓力增大，采收率逐漸增加。當驅替壓力小于18.7 MPa時，采收率增加較快；當驅替壓力大于18.7 MPa時，采收率增加變緩。曲線在18.7 MPa發生轉折，驅替逐漸呈現混相特征。根據圖3曲線并結合最小混相壓力測定標準，得到新疆致密油儲集層CO2與原油的最小混相壓力為18.7 MPa。

圖1 原油膨脹系數隨注入壓力的變化關系曲線Fig. 1 Relationship between oil expansion coefficient and injection pressure

圖2 原油黏度隨CO2注入量的變化關系曲線Fig. 2 Variation of crude oil viscosity with CO2 injection

1.4 CO2吞吐實驗

(1)實驗器材與流程

致密油儲集層CO2吞吐提高采收率實驗裝置主要由ISCO高精度驅替泵(最高壓力7500 psi)、回壓泵、圍壓泵、中間容器、壓力傳感器、恒溫箱、溫度傳感器、高壓夾持器、氣液分離裝置、氣體流量計和氣體收集器等組成(圖4)。

實驗用油為新疆地面脫氣原油與煤油按照一定比例配制的模擬油，模擬油的標準密度約為0.862 g/cm3，地層溫度下黏度為4.82 mPa·s。

實驗巖樣采用取自新疆吉木薩爾蘆草溝組致密油儲集層、井深3600～4000 m的天然巖心，基本物性參數如表2所示。

圖3 采收率隨驅替壓力的變化關系曲線Fig. 3 The relationship between oil recovery and displacement pressure

(2)實驗條件與方法

為了使實驗結果盡可能符合實際情況，實驗初始壓力設為原始地層壓力43 MPa，圍壓比原始地層壓力高2～3 MPa，溫度為原始地層溫度81 ℃，回壓43 MPa。由于測得CO2與原油的最小混相壓力為18.7 MPa，為了使CO2與模擬油達到混相狀態，消除界面張力的影響，提高吞吐效率，同時結合油田實際情況，實驗生產壓力設定為20 MPa和30 MPa。同時為了對比彈性采收率與吞吐采收率，評價吞吐效果，在衰竭實驗結束后，以43 MPa恒壓向系統注入高純CO2，使系統壓力恢復到原始地層壓力，確保每個吞吐周期初始生產壓力相同。

圖4 CO2吞吐實驗流程圖Fig. 4 The experimental fl ow chart of CO2 huff and puff

表2 實驗巖樣基本物性參數Table 2 The basic physical parameters of rock samples

實驗步驟：①清洗巖心、烘干、稱量干重。抽真空、飽和模擬油，稱量飽和前后巖樣的質量。②將飽和模擬油的巖樣裝入高壓夾持器內，加回壓，設定注入泵壓為原始地層壓力，進行憋壓，當系統壓力達到平衡時，停泵。③衰竭實驗。當系統壓力衰竭到設定生產壓力20 MPa(或30 MPa)后，以恒定壓力43 MPa注入高純CO2。④當系統壓力恢復到原始地層壓力時，停泵，燜井12 h后進行吞吐，并記錄時間、巖心兩端壓力、產油量和產氣量等數據。⑤更換巖樣，重復步驟③～④。⑥改變生產壓力，重復步驟③～④。⑦根據實驗結果分析吞吐周期、生產壓力以及滲透率對CO2吞吐提高采收率的影響，同時與彈性采收率進行對比分析，評價CO2吞吐提高致密油儲層采收率的可行性。

2 實驗結果分析

2.1 CO2吞吐結果分析

在上述實驗條件下對滲透率、孔隙度等物性參數不同的巖樣(表2)進行CO2吞吐實驗，結果如表3和圖5～圖10所示。

表3 吞吐實驗結果Table 3 The result of the huff-puff tests

圖5 周期采收率與吞吐周期的關系Fig. 5 Relationship between cycle oil recovery and huff and puff cycle

(1)吞吐周期

由圖5可知，在生產壓力為30 MPa的條件下，隨著吞吐周期增加，周期采收率呈對數形式降低。其中，第1吞吐周期采收率提高幅度最大，采收率提高均在5%之上。經過8個吞吐周期，3塊樣品累計采收率分別提高16.519%，23.909%，27.599%。前5周期貢獻較大，約占總提高采收率的83%～92%。在彈性衰竭開采后，地層壓力降低、剩余油含量高，CO2的注入一方面可以補充地層能量，增大原油膨脹系數，將部分剩余油驅出。另一方面由于實驗壓力高于最小混相壓力，CO2溶于模擬油后，二者處于混相狀態，使界面張力消除，原油黏度降低、流動性增強，使剩余油更容易采出。但是隨著吞吐周期的增加，剩余油含量和CO2氣體利用率逐漸降低，吞吐效果變差，周期采收率逐漸降低。

由圖6可知，在生產壓力為30 MPa的條件下，隨著吞吐周期增加，生產氣油比呈指數形式增大。表明注入CO2利用率逐漸降低，吞吐效果變差。因為CO2對輕質組分萃取能力較強，隨著吞吐周期增加，剩余中輕質組分含量減少，萃取效果變差，周期產油量逐漸降，而周期注氣量逐漸增加，導致換油率降低，生產氣油比增大。前3～5周期生產氣油比低、CO2利用率較高，吞吐效果較好。從第6周期開始生產氣油比迅速增大，CO2利用率急劇降低，吞吐效果較差。因此，在油田采取CO2吞吐增產時，吞吐周期應控制在5個以內。

(2)生產壓力

由圖7可知，生產壓力越低，累計采收率越高，隨著吞吐周期增加，累計采收率呈對數形式增大。當生產壓力較低時，系統壓力恢復到地層壓力所需CO2的注氣量較多，混合流體膨脹系數較大，生產時，模擬油中溶解的CO2氣體因膨脹效應釋放的彈性能較多，產油量較大，累計采收率較高。因此，在油田開發允許范圍內，應盡可能的降低生產壓力，提高CO2吞吐采收率。

(3) 滲透率

在生產壓力為30 MPa的條件下，由周期采收率與滲透率的關系(圖8)可知，隨著滲透率的增高，周期采收率呈對數形式增大，吞吐效果變好。一方面，儲集層滲透率越高，平均孔吼半徑越大，在相同條件下，邊界層厚度占用率越低(如圖9所示)，可動流體飽和度越高(如圖10所示)，注氣吞吐時采出原油的量越多。另一方面，儲集層滲透率越高，流體滲流阻力越小，因CO2注入增加的地層能量用于驅油的比例越大，采收率提高越多。因此在儲集層滲透率較低時，應采取壓裂、酸化等措施改善儲集層滲透率，提高吞吐效果。

圖6 生產氣油比與吞吐周期的關系Fig. 6 Relationship between gas oil ratio and huff and puff cycle

圖7 累計采收率隨吞吐周期變化關系曲線Fig. 7 Relationship between cumulative oil recovery and huff and puff cycle

2.2 CO2吞吐可行性評價

為了分析CO2吞吐效果的優劣，評價致密油儲集層CO2吞吐的可行性，對致密油儲集層彈性采收率與CO2吞吐累計提高采收率結果進行對比分析。

由圖11可知，不同滲透率的巖樣彈性采收率約為3.5%～5.0%，在彈性衰竭實驗的基礎上，經過8個CO2吞吐周期，采收率累計提高可達16.5%～33.5%，約為彈性采收率的5～8倍，且衰竭生產壓力越低，采收率提高倍數越大，吞吐效果越好，因此注CO2吞吐對提高致密油儲集層采收率具有良好的可行性。

圖8 周期采收率隨滲透率的變化關系曲線Fig. 8 Relationship between cycle oil recovery and permeability

圖9 邊界層厚度占用率與滲透率的變化關系曲線Fig. 9 The relationship between the thickness occupancy rate of the boundary layer and the permeability

2.3 核磁共振分析

通過室內CO2吞吐實驗，我們可以獲得不同吞吐周期采收率的提高程度，但是無法判斷不同尺寸孔隙的貢獻。由于儲集層巖石孔隙大小與核磁共振T2譜中弛豫時間成正比，T2弛豫時間越長對應的孔隙半徑越大，T2弛豫時間越小對應的孔隙半徑越小[24-30]。因此，通過對比分析不同CO2吞吐周期剩余油分布的核磁共振T2譜圖，可以獲得不同尺寸孔隙對采收率的貢獻。在不同吞吐周期，對巖樣1、巖樣2、巖樣3進行核磁共振T2譜圖測試，結果如圖12所示。3個巖樣的滲透率分別為：(a)巖樣 1K=0.47×10-3μm2；(b)巖樣2K=0.29×10-3μm2；(c)巖樣 3K=0.0295×10-3μm2。

圖10 可動流體隨孔喉半徑變化圖示Fig. 10 The change of the movable fl uid with the pore throat

圖11 彈性采收率與CO2吞吐累計采收率對比Fig. 11 Comparison of depletion recovery and accumulation recovery of CO2 huff and puff

由圖12可知，當滲透率較大時，T2譜圖曲線有兩個波峰，且左側波峰高于右側波峰，表明儲集層巖石主要兩種尺寸孔隙組成。滲透率越高，右波峰對應累計幅度越大，大孔道所占比例越高，如圖12(a)和(b)所示。隨著滲透率降低，T2譜圖曲線變為單波峰，如圖12(c)所示，表明儲集層巖石主要由一種尺寸孔隙組成。

隨著吞吐周期增加，T2譜圖曲線逐漸向左下方偏移。在吞吐周期較少時，大于50 ms對應的孔道的產出原油占主導地位；吞吐周期增加，大孔道采出的原油逐漸減少，小孔道產出的原油逐漸增多，10～50 ms、1～10 ms對應的孔道逐漸變為產油主力區。這是因為當驅替壓差較大時，注入的CO2先進入大孔道后進入小孔道，吞吐時大孔道的原油較小孔道先采出。隨著吞吐周期增加，大孔道中的原油已被采出，在濃度差與分子擴散的作用下，小孔道中的原油先進入大孔道，然后在吞吐過程中被采出。

不同T2譜圖區間對應孔道的產油量占總產油量的百分比如表4所示。

圖12 不同CO2吞吐周期剩余油狀核磁共振T2譜圖曲線Fig. 12 NMR T2 spectrum of cores under different CO2 huff and puff cycles to residual state

表4 不同T2譜圖區間對應孔隙半徑產油量百分比Table 4 Percentage of oil production with corresponding pore radius in different T2 intervals

3 結論

本文針對新疆吉木薩爾凹陷蘆草溝組致密油儲集層天然巖心，進行室內CO2吞吐物理模擬實驗，對CO2吞吐效果及影響因素進行分析；同時采用核磁共振T2譜分析方法，對不同吞吐周期主力產油區孔隙半徑范圍進行研究，得到如下結論：

(1)CO2吞吐實驗結果分析表明，吞吐周期增加，周期采收率呈對數形式遞減，經過8個吞吐周期，采收率累計增加16.5%～34.0%，采收率提高幅度約為彈性采收率的5～8倍，其中前5周期采收率提高程度約占總提高采收率的83.0%～91.7%，注氣利用率高，吞吐效果好，具有良好的可行性。

(2)CO2吞吐影響因素分析表明，生產壓力越低、滲透率越高，采收率提高幅度和氣體利用率越高，吞吐效果越好。

(3)核磁共振T2譜圖分析表明，吞吐時大孔道中的原油先采出，小孔道中的原油后采出。在第1吞吐周期，大孔道中產出的原油占主導，約占產油量的49.00%～73.66%，孔吼半徑對應的T2譜圖區間大于50 ms。隨吞吐周期增加，大孔道中產油量所占比例逐漸降低，10～50 ms、1～10 ms對應的孔道產油量逐漸增大。