注CO2吞吐微观机理可视化实验

刘建仪，李牧，刘洋，周浩

（1.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川 成都 610500；2.西南石油大学石油与天然气工程学院，四川 成都 610500）

注CO2吞吐微观机理可视化实验

刘建仪1，2，李牧2，刘洋2，周浩2

（1.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川 成都 610500；2.西南石油大学石油与天然气工程学院，四川 成都 610500）

针对高温高压下注CO2吞吐微观动态过程和微观作用机理认识不清的问题，自主研发了一套高温高压微观可视化实验装置，实现了高温高压条件下CO2吞吐微观动态过程的实时观测。实验研究表明：注气过程中，CO2具有顺势而流的现象，与水驱过程相同，在速度梯度作用下会优先进入大通道；焖井过程中，速度势转变为浓度势，CO2在浓度梯度作用下扩散进入小孔道和盲孔，溶解到其中的原油中，使原油进入优势大通道；回采过程中，压力逐渐降低，浓度势转变为压力势，CO2在压力梯度的作用下带动大通道中的原油采出；大通道流动能力越强，CO2波及距离越远，接触的小孔道越多，扩散波及到的面积越大，采出的油越多。该研究明确了CO2吞吐的微观作用机理，为现场优选吞吐时机、改进吞吐措施提供了理论指导。

CO2吞吐；可视化；实验；微观机理

0 引言

近年来，CO2吞吐提高采收率方法正日益受到重视。国内外室内实验和现场应用表明，CO2技术适应于多种油藏——高含水低产井间连通性很差的低渗透油藏，以及面积有限的小断块油藏。1989年，张家垛油田苏88井开展了CO2吞吐先导性试验［1-11］，之后各地油田开展了不同规模和井次的CO2吞吐试验。

尽管国内外针对CO2吞吐宏观机理已有一定研究，但对高温高压下注CO2吞吐微观机理，特别是对注CO2吞吐的微观动态过程认识不清，导致现场措施有效率和投入产出比并不十分理想。针对这一问题，笔者自主研制了一套高温高压微观可视化实验装置［3-4］，实现了高温高压条件下CO2吞吐微观动态过程的实时观测，明确了CO2吞吐微观机理，为现场优选吞吐时机、改进吞吐措施提供理论指导。

1 实验条件

实验所用模拟油为地层原油（见表1），微模型选取目标油田的地层砂粒通过筛选（16～20目）制作而成；用气为高纯CO2气体；用水为地层水；温度为94℃；注入压力保持15 MPa，恒压注入。

表1 模拟油组分和组成

2 实验流程和步骤

微观实验是在高温高压可视化微观模型中进行的，具体实验步骤如下：

1）将微模型装入可视化微观模型夹持器中，周围加压，并选定岩心模型的摄像区域。

2）在15 MPa下，用模拟油驱水的方式建立束缚水饱和度后进行水驱油微观实验，实时监控和拍摄模拟油面积在多孔介质中的颜色随时间的动态变化。

3）通过控制阀门开闭，在15 MPa下分别模拟注入CO2的“吞”“焖”和“吐”过程，实时监测模拟油面积动态变化及多孔介质中模拟油的微观流动过程。

图1 实验流程

3 实验结果及分析

3.1 水驱油微观实验

水驱油微观实验动态过程见图2。由图可以看出，随着水驱时间增加，一些较大孔道中的原油被地层水驱出，透光度逐渐增强。分析认为：注入水并不是以活塞方式将整个孔道中的油全部驱出，而是首先进入优势通道（红色箭头方向），沿孔隙边缘渗流，同时将孔隙中的部分油挤出，并在孔隙中心留下一部分残余油。整个驱替过程，油是在水的推动力作用下移动的，水的微观指进现象较明显，水驱后仍有较大面积剩余油。

图2 水驱油过程

3.2 注CO2“吞”过程微观实验

注CO2“吞”过程微观变化如图3所示。可以观测到，注入的CO2快速进入并优先占据岩心大通道，通过大通道进一步向远处波及，大通道中透光度进一步增强。分析认为，注气过程CO2具有顺势而流的现象。CO2在速度势的驱动下顺势而流，将沿着水驱大通道流动。因此，增大CO2波及距离，是保证CO2吞吐有效的关键。

3.3 注CO2“焖”过程微观实验

注CO2“焖”过程微观变化如图4所示。通过实验可以观测到，随着焖井时间增加，大通道中的CO2逐渐扩散进入到小孔道，溶解到小孔道原油中，原油增容膨胀进入到岩心大通道。分析认为：焖井过程大通道中流速变为0，压力有稍许上升，大通道中CO2浓度大于小孔道中CO2浓度，速度势转变为浓度势，CO2扩散进入小孔道；小孔道中原油膨胀进入大通道，形成富油区采出。

图4 注CO2“焖”微观过程

3.4 注CO2“吐”过程微观实验

注CO2“吐”过程微观变化如图5所示。

图5 注CO2“吐”微观过程

实验观察表明，回采过程中压力降低，浓度势转变为压力势，CO2带动大通道中的原油采出，小孔道中的原油继续膨胀进入大通道。分析表明：CO2解放了小孔道和盲孔中的原油，使其膨胀进入大孔道；吞吐回采后透光度较水驱后高，说明CO2启动小孔原油的同时，提高了原油的流动性，吞吐后剩余油饱和度较水驱更低。

4 结论

1）注CO2吞吐增油机理以扩散、溶解、增容膨胀为主，解放了小孔道和盲孔中原油，是速度势和浓度势交替转换的过程。

2）注气过程中，CO2具有顺势而流的现象，在速度势的驱动下优先进入大通道；焖井过程中，速度势转变为浓度势，扩散、溶解、增容膨胀置换小孔道油进入优势大通道；回采过程中，压力降低，浓度势转变为压力势，CO2带动大通道中的原油采出。

3）大通道流动能力越强，CO2波及面积越大，接触的小孔道越多，采出的油越多。

［1］ 蒋明，赫恩杰.二连低渗透砂岩油藏开发中的几点认识［J］.石油学报，2000，21（4）：58-64.

［2］ 刘炳官，朱平，雍志强.江苏油田CO2混相驱现场试验研究［J］.石油学报，2002，23（4）：56-60.

［3］ 刘建仪，代建伟，张广东，等.高温高压微观可视化地层渗流模拟实验装置及方法：中国，CN104100257A［P］.2014-10-15.

［4］ 刘建仪，代建伟，张广东，等.井筒硫沉积可视化实验装置及方法：中国，CN104062214A［P］.2014-09-24.

［5］ 杜建芬，陈静，李秋，等.CO2微观驱油实验研究［J］.西南石油大学学报（自然科学版），2012，34（6）：131-135.

［6］ 高树生，薛蕙，胡志明，等.高温高压CO2驱油微观机理实验研究［J］.特种油气藏，2010，17（2）：92-94，125.

［7］ 贾忠伟，杨清彦，兰玉波，等.水驱油微观物理模拟实验研究［J］.大庆石油地质与开发，2002，21（1）：46-49.

［8］ 郭平，苑志旺，易敏，等.低渗低压油藏真实岩心薄片微观水驱试验研究［J］.石油天然气学报，2009，31（4）：100-105.

［9］ NASIR F M，CHONG Y Y.The effect of different carbon dioxide injection modes on oil recovery［J］.Int.J.Eng.Technol.，2009，9（10）：66-72.

［10］ALQURIAISHI A A，SHOKIR E M El M.Experimental investi-gation of miscible COZ flooding［J］.Petrol.Sci.Technol.，2011，29（9）：2005-2016.

［11］郭平，刘建仪，李士伦，等.提高采收率的注气实验评价体系［J］.新疆石油地质，2002，23（5）：408-409.

（编辑 杨会朋）

Visualization experiment on micro mechanism of CO2huff and puff

LIU Jianyi1，2,LI Mu2,LIU Yang2,ZHOU Hao2
(1.State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500, China;2.School of Oil and Natural Gas Engineering,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China)

In order to clarify the microscopic dynamic process and mechanism of CO2under high temperature and high pressure,a set of visualization experiment device was developed,which realized the real-time observation of the dynamic process of CO2under high temperature and high pressure.Microscopic visualization experimental study shows that CO2will be the first to enter the large channel under the driving of the velocity potential in the process of gas injection.In soaking process,CO2diffuses into the hole and dissolves in the crude oil in small hole and blind hole and expands into large pores.In the extraction process,with the reducing pressure,the concentration potential is changed into the pressure potential,and the CO2is driven by the crude oil in the channel.if the flow capacity of the large channel becomes lager,CO2will spread over a larger scale of area and more oil will be produced because of more exposed channel.The study makes clear the microscopic mechanism of CO2,and provides theoretical guidance for the field application of CO2huffand puff.

CO2huff and puff;visualization;experiment;microscopic mechanism

TE311

A

10.6056/dkyqt201702020

2016-08-10；改回日期：2017-01-07。

刘建仪，男，1964年生，教授，主要从事气田开发、注气提高采收率、流体相态、采油气工程研究。E-mail：806259403@qq. com。

李牧，男，1991年生，硕士研究生，主要从事油气田开发研究工作。E-mail：806259403@qq.com。

刘建仪，李牧，刘洋，等.注CO2吞吐微观机理可视化实验［J］.断块油气田，2017，24（2）：230-232.

LIU Jianyi，LI Mu，LIU Yang，et al.Visualization experiment on micro mechanism of CO2huff and puff［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2017，24（2）：230-232.