基于干法壓裂的CO2與致密儲層置換規律的研究

陳祉娉 王長權 位予瑄 夏玉磊

(1.長江大學 石油工程學院,武漢430100;2.油氣鉆采湖北省重點實驗室(長江大學),湖北 荊州434023;3.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司長慶井下技術作業公司,西安710018)

0 引言

早在20世紀80年代,北美就提出了CO2干法壓裂技術并進行了現場應用。CO2干法壓裂技術能夠使產量增加3～5 倍,增產效率在50%以上[1-2]。近年來,國內也開始大量研究CO2干法壓裂技術,且在吉林油田等進行了前置CO2壓裂液和凍膠壓裂液復合壓裂工藝,獲得成功[3-5]。

CO2干法壓裂技術不僅具有改善儲層滲流能力,還具有高返排、對儲集層傷害小的優點[6-8]。由于CO2的流動性和擴散性強,在原油中的溶解度高[9-11],可有效降低原油黏度,提高原油的膨脹能力,從而有效置換油氣以提高采收率[12-15]。雖然CO2干法壓裂技術已日漸成熟,但少見對CO2干法壓裂后裂縫中的CO2與儲層流體之間的置換規律的研究。通過使用相同或不同物性致密巖心,開展不同燜井時間的CO2與基質原油置換實驗,借助SEM、色譜實驗技術以及CT掃描技術,明確CO2置換前后油藏巖心的孔隙形貌特征以及CO2與原油的置換效率。

1 實驗研究

1.1 實驗原理及標準

干法壓裂后CO2進入裂縫,同時向基質孔隙中擴散并溶解于原油中,最終將原油從基質孔隙置換到裂縫中去。置換出的油氣在降壓返排過程中依靠膨脹作用產出,由于降壓結束后在裂縫中仍然會存在置換出的原油,因此采用反驅的方式將剩余在裂縫中的置換原油采出,以計算置換效率。通過明確不同燜井時間的置換效率,找出CO2壓裂后合理的燜井時間;對不同燜井時間下的油樣進行氣相色譜儀分析,對置換前后的巖心進行掃描電鏡(SEM)實驗(參考GB/T 16594—1996 微米級長度的掃描電鏡測量方法)和CT 掃描實驗(參考GB/T 29172—2012 巖心分析方法),分析CO2置換前后巖心孔隙形貌的變化規律。

1.2 準備階段

巖心物性數據如表1所示,表中所述的巖心滲透率均小于0.1 mD,屬于典型的致密巖石。

表1 實驗巖心基礎物性數據Table 1 Basic physical property data of experimental cores

實驗水樣取自鄂爾多斯盆地長7油藏的經過濾處理的水樣。實驗油樣取自現場井口落地油樣,在實驗室用高溫高壓配樣器進行油水分離所得。注入氣樣品為工業純CO2氣體。巖心樣品為位于鄂爾多斯盆地一級構造單元陜北斜坡西部的長7 巖石,該油藏儲層物性差,非均質性強。

1.3 實驗流程和實驗步驟

CO2置換效率實驗流程如圖1所示。實驗步驟如下:

圖1 CO2 置換效率實驗流程圖Fig.1 Flow chart of CO2 replacement efficiency experiment

1)對選取的巖心進行飽和地層水和建立束縛水飽和度的預處理,通過稱量前后的巖心質量計算束縛水飽和度;建立完畢,飽和地層原油備用。

2)取出巖心,人工劈縫處理模擬壓裂過程。

3)將巖心先進行SEM 和CT 實驗,然后裝入巖心夾持器中,以較小流速進行CO2驅,驅出裂縫中的原油后關閉出口端;繼續注入CO2,當入口壓力達到地層壓力后停止注入,關閉入口端閥門進行燜井。

4)燜井完畢后開井,返排流體后反注CO2,收集并記錄采出的油和氣,并對收集的油樣和氣樣進行油氣色譜分析,計算置換效率;實驗結束將巖心取出,再次進行SEM 和CT 實驗,分析置換前后孔隙結構變化規律。

2 實驗結果及分析

2.1 燜井時間及滲透率對原油置換效率的影響

C7油藏儲層CO2與原油置換規律實驗主要選取3塊不同滲透率巖心進行了CO2置換實驗,實驗結果如圖2～圖4所示。圖2～圖4表明,降壓返排的變化規律為逐漸增長,后期變化比較小,注氣反驅的影響較小。降壓反排是置換過程中最主要的方式。當燜井時間為6 h,12 h,24 h,48 h時,C7-2巖石的采出程度分別為16.77%,17.80%,18.76%,19.01%;C7-4 巖石的采出程度分別為15.55%,16.85%,17.97%,18.21%;C7-6巖石的采出程度分別為14.09%,15.38%,16.21%,16.39%。燜井時間為24 h時采出程度的增幅達到最大,置換效果最好。圖5所示為C7油藏儲層不同滲透率巖心在不同燜井時間下的采出程度。

圖2 C7-2隨燜井時間的置換效率Fig.2 C7-2 Displacement efficiency with soak time

圖3 C7-4隨燜井時間的置換效率Fig.3 C7-4 Displacement efficiency with soak time

圖4 C7-6隨燜井時間的置換效率Fig.4 C7-6 Displacement efficiency with soak time

圖5 C7-2,C7-4,C7-6號巖心不同燜井時間下的采出程度Fig.5 Recovery degree of No.C7-2,C7-4 and C7-6 cores under different soaking time

從圖5結果中可以看出:

1)巖心滲透率相同時,CO2干法壓裂后裂縫中的CO2與原油的置換效率隨燜井時間的增加而增加,以C7-2為例,燜井時間為6～12 h,置換效率增幅為1.03%,12～24 h置換效率增幅為0.96%,增幅逐漸變小,當燜井時間達到24 h 后增幅為0.25%,達到最小值,說明CO2與原油的置換效率存在最佳燜井時間,3種滲透率巖心中均表現出實驗室最佳燜井時間為24 h。

2)巖心滲透率不同時,滲透率越大的巖心,CO2干法壓裂后裂縫中CO2與原油的置換效率越大,主要因為滲透率越大,孔隙連通性越好,CO2的擴散作用越強,CO2與基質原油的接觸量越大,溶解膨脹能力越強,從而置換效果越顯著。

2.2 燜井時間對CO2 置換原油組分的影響

由于燜井時間及不同滲透率巖石的置換效率不同,導致產出油的組分差異有很大差別。開展置換實驗時需先進行油驅水,建立束縛水后進行劈縫處理,劈縫后無法再飽和活油,而采用死油進行置換實驗,因此,進行置換后產出的氣體中無甲烷含量;CO2置換后輕質烴含量減少,抽提出原油中的一些輕質組分,導致原油的黏度增大,重質烴含量增加,進行色譜分析時無法直接用色譜專用注射器抽取原油,因此,進行油樣色譜分析時先用正己烷進行稀釋,故實驗結果處理時將輕烴組分全部去掉,只保留C8及以上組分進行分析。不同燜井時間下CO2置換出的原油組成結果如圖6所示。從圖6中可以看出,燜井時間越長,置換出重質組分比例越大。與燜井6 h相比,燜井12 h后,置換出的原油中C13～C32之間的重質烴組分含量增大;當燜井時間為24 h 后,置換出的原油中C18～C34之間的重質烴組分含量增大。說明燜井時間越長,置換出的重質烴含量越高,CO2在原油中的溶解越充分,因此置換效果也越好。

圖6 不同燜井時間下CO2 置換原油后置換產出油的組成變化圖Fig.6 Composition changes of oil produced after CO2 replacement of crude oil under different soaking time

2.3 CO2 置換前后巖心孔隙形貌對比(SEM 實驗)

由前述可知,不同燜井時間下置換出的原油及其組分都有所不同,置換前后巖心的孔隙形貌有所差異,且由于巖心多孔介質中往往都存在原生水,當進行CO2壓裂時,CO2在裂縫中與孔隙中的水反應生成弱酸性的碳酸氫根,并進一步與孔隙巖石成分發生反應,使得孔隙形貌發生變化。為了明確CO2壓裂后裂縫中CO2與孔隙中油氣置換過程中巖心孔隙形貌變化情況,通過開展掃描電鏡(SEM)實驗,分析CO2置換前后巖心孔隙形貌的變化規律,如圖7所示。

圖7 C7-2油層巖心CO2 置換原油前后的孔隙形貌分析結果(×3 000)Fig.7 Analysis results of pore morphology before and after CO2 replacement of crude oil in C7-2 reservoir core(×3 000)

從圖7可以看出:

1)CO2置換前,巖石顆粒表面比較干凈,顆粒輪廓清晰,孔隙清晰,孔隙內雜基含量少,且雜基不具有蝕變現象。

2)隨著CO2置換反應時間的增長,巖心顆粒表面受CO2與地層水形成的碳酸水的蝕變作用更加嚴重,孔隙變大,孔隙上及孔隙中都存在很多的新生成礦物。

3)隨著置換時間的推移,巖石孔隙的滲透率不斷增加,對應CO2的置換效率也隨之增長。

2.4 CO2 置換前后孔隙流體分布變化

CT 圖像中灰白色圖像代表巖石,顏色越淺,巖石密度越大;黑色圖像代表裂縫和孔隙。CO2置換前后CT 掃描結果如圖8 所示。該掃描圖比例為(2 024×13.257)μm,巖心總直徑為25 mm。在CT掃描后的巖心中選取3 mm 見方的進行孔隙結構分析,CO2置換前后孔隙網絡模型分別如圖9所示,對圖9的孔隙結構分布進行計算,結果如圖10所示。

圖8 CO2 置換前后巖心截面CT 掃描圖Fig.8 Core cross section CT scan before and after CO2 replacement

圖9 置換前后距裂縫不同部位構建的孔隙網絡模型對比圖Fig.9 Comparison diagram of pore net work models constructed at different parts of the fracture before and after replacement

圖10 置換前后距裂縫不同部位孔隙結構特征變化對比圖Fig.10 Comparison of changes in pore structure characteristics at different parts of the fracture before and after replacement

從置換結果可以看出:

1)距裂縫不同位置處,CO2置換后對基質孔隙結構的影響主要表現為10μm 以下孔喉分布頻率均有所下降,大于10μm 的孔喉分布頻率均有所上升,說明原油置換過程中CO2與地層水溶解形成的碳酸可有效溶蝕巖石,導致孔隙中大孔道的孔隙體積增大,提高了流體流動能力;距裂縫越遠,孔喉分布頻率變化越小,說明CO2從裂縫向基質擴散、溶解過程中對近裂縫區域的影響更大,而距裂縫較遠處的區域CO2主要以溶解膨脹原油為主,進入量少,溶蝕效果差。因此,在返排過程中,近裂縫區域提供了更大的流動通道,為CO2置換原油提供了返排通道。

2)距離裂縫越遠,溶解CO2后的原油在降壓返排過程中原油膨脹并不斷向裂縫中運移,當壓力達到飽和壓力后,原油脫氣,由于氣液相流速存在差異,使得距裂縫越遠的流體向裂縫中流動的作用距離越長,部分原油存留在近裂縫區域,導致距裂縫適中區域中存留的CO2較多。從孔隙網絡模型中看出,距裂縫適中距離的CT可見孔隙增多,距裂縫較近或較遠的CT可見孔隙數量少,孔隙度增大不多。

3 結論

1)CO2干法壓裂后裂縫中CO2與原油置換效率隨燜井時間增加而增大,最佳燜井時間為24 h,該燜井時間條件下的一次置換效率達到16.21%以上。

2)滲透率越大,CO2干法壓裂后裂縫中CO2與原油置換效率越大,在最佳燜井時間24 h條件下,置換效率為18.76%以上。

3)CO2置換效果與裂縫中CO2的作用半徑有關。與裂縫作用半徑越近,CO2驅動原油導致CO2飽和度增大;與裂縫作用半徑越遠,CO2擴散效果差,導致與原油接觸溶解量少。只有在作用半徑適中時CO2置換效率最好。