砂砾岩致密油藏超临界二氧化碳吞吐适应性分析

施雷庭,张玉龙*,户海胜,张 景,高 阳,张 恒,王 路

(1.油气藏地质与开发工程国家重点实验室，成都 610500；2.中国石油新疆油田分公司勘探开发研究院，克拉玛依 834000)

随着中国经济的迅速发展，能源需求持续增加。特别是石油资源消耗巨大，对外依存度不断增高给国家能源安全带来了潜在的威胁[1-3]。近年来，在中国新疆地区发现石油资源近50×108t，对中国油气资源可持续发展具有重要意义[4-5]。研究发现该油藏为砂砾岩油藏，由于其渗透率低(0.08～19.4 mD)、储层孔隙极小的特性，常规注水开发难以实现油藏的高效开发，迫切需要更有效的方法提高油藏开发效果。研究发现气驱是提高致密油藏采收率最有前景的方法，其中CO2吞吐开发具有投资少、见效快等优点，在中外各油田已得到广泛应用，并取得了良好的效果[6-11]。在CO2吞吐开发过程中，由于CO2气体活性较强极易溶于水和原油并与之作用，当CO2与水作用较强会消耗大部分CO2降低CO2在采油过程中的利用率，因此有必要研究地层水存在对超临界CO2吞吐采油效果的影响。为解决该问题，设计模拟地层条件下超临界CO2吞吐饱和油岩心以及含束缚水饱和油岩心实验，通过研究不同焖井时间下两种岩心中采出油量、采出油组分变化、吞吐前后油相渗透率变化等。并重点探讨CO2在地层水和原油中作用的强弱关系，为砂砾岩致密油藏超临界CO2吞吐提高采收率提供相应的技术支持[12-18]。

1 实验部分

1.1 实验材料和仪器

实验材料：砂砾岩致密油藏现场岩心、脱气脱水原油(常温常压下黏度为3.2 mPa·s，密度为0.833 g/cm3)、模拟地层水(离子组成如表1所示)、CO2气瓶(纯度99%)。

实验仪器：超临界CO2高温高压反应装置如图1所示，该装置流程图如图2所示；原油组分测试仪(图3)、ISCO泵、压力传感器、中间容器、围压泵、岩心夹持器、采集系统等。

图1 超临界CO2高温高压反应装置Fig.1 Supercritical CO2 high temperature and high pressure reactor

图2 超临界CO2高温高压反应装置流程图Fig.2 Supercritical CO2 high temperature and high pressure reaction device flow chart

图3 原油组分测试仪Fig.3 Crude oil component tester

1.2 实验方法

1.2.1 实验条件

实验温度为70 ℃，压力30 MPa，焖井时间为2、5、10、15 d。

1.2.2 实验步骤

(1)岩心饱和油:每组实验选取岩心参数相近的3块岩心(多组实验避免偶然现象)在温度70 ℃条件下注入原油，注入速度为0.05 mL/min，待出口端出油后持续4 h后取出饱和油岩心放置在70 ℃恒温箱中水平放置老化2 d。同理制备含束缚水饱和油岩心，先抽真空饱和地层水，再按上述操作步骤饱和原油并记录饱和油以及束缚水量。

(2)岩心油相渗透率测试:选取步骤(1)饱和油后岩心以0.05 mL/min流速注入原油，待进油管线出口端出液平稳后记录此时初始压力，然后将管线接入岩心夹持器入口处水平阀并打开夹持器两端阀门以0.05 mL/min的流速进行注入原油，直至压力稳定记录最终压力数据，饱和油及油相渗透率测试流程如图4所示。

图4 饱和油及油相渗透率测试流程图Fig.4 Saturated oil and oil phase permeability test flow chart

(3)岩心CO2吞吐：将3块饱和油岩心放入反应釜岩心杯中并用高密铁丝网封住端面，焖井2、5、10、15 d后观测反应釜内压力不在变化，停止对饱和油后岩心进行CO2吞吐实验。从反应容器中取出岩心，用电子天平称取岩心饱和前后质量，采集反应釜内岩心杯中原油以备下一步组分测试。

(4)吞吐后岩心油相渗透率测试及采出油组分测试：重复步骤(2)测试吞吐后岩心油相渗透率，并用油组分测试仪测试不同焖井时间两种岩心采出油原油组分。

2 实验结果及分析

2.1 超临界CO2吞吐饱和油岩心

2.1.1 不同焖井天数下采收率及油相渗透率变化

吞吐前各岩心参数如表2所示，利用吞吐前后饱和油压力计算岩心油相渗透率(表3)。由表3可知，焖井2 d后，3块岩心有两块油相渗透率降低，1块增加；焖井5 d后3块岩心油相渗透率均有所增加；焖井10 d后1块岩心油相渗透率增加，2块降低；焖井15 d后1块岩心油相渗透率增加，2块降低。超临界CO2吞吐饱和油岩心油相渗透率出现部分增加部分降低无明显规律。

根据表3在同样焖井时间下3块岩心采收率变化不大，选取3组实验平均值作为对应焖井时间下超临界CO2吞吐原油采收率得出：焖井2、5、10、15 d采收率别为35.72%，46.76%，55.74%，51.02%。随着焖井时间增加采收率逐渐增加在10 d后达到平稳。

表2 吞吐前各饱和油岩心基本参数Table 2 Basic parameters of saturated oil core before throughput

表3 吞吐前后饱和油岩心油相渗透率及采收率Table 3 Permeability and recovery factor of saturated oil core oil phase before and after handling

2.1.2 不同焖井天数下采出油组分变化

不同焖井天数下饱和油岩心采出油组分如图5所示。根据饱和油岩心采出油组分随焖井时间变化曲线(图6)可知，随着焖井时间的增加采出原油组分中C12以上的质量分数逐渐增加，其中C12～C21区间增加较为明显，焖井2、5 d的采出油组分随焖井天数变化曲线有明显的向右偏移现象,焖井5 d后变化不大，在这段时间CO2的萃取作用较为明显。

图5 不同焖井天数下饱和油岩心采出油组分Fig.5 Oil recovery from saturated oil cores under different well days

图6 饱和油岩心采出油组分随焖井天数变化曲线Fig.6 Curve of oil component produced by saturated oil core with the number of days in the well

2.2 超临界CO2吞吐含束缚水饱和油岩心

2.2.1 不同焖井天数下采收率及油相渗透率变化

吞吐前各岩心参数如表4所示，利用吞吐前后饱和油压力计算岩心油相渗透率如表5所示。焖井2、5、10、15 d后所有岩心油相渗透率均降低，且在焖井15 d后油相渗透率测试压力曲线一直缓慢波动上升无法平稳，表明岩心内部出现堵塞现象。超临界CO2吞吐含束缚水饱和油岩心使得岩心油相渗透率降低岩心物性变差。

根据实验得出饱和油水量，采出油水总量，采出油量以及原油采收率如表5所示。通过计算得出超临界CO2吞吐含束缚水岩心产出液量占总量百分比对应不同焖井时间(2、5、10、15 d)分别为40.37%、49.82%、59.43%、57.08%，其中原油采收率分别为17.57%、25.85%、34.84%、34.34%。

表4 吞吐前各含束缚水饱和油岩心基本参数Table 4 Basic parameters of each core containing irreducible water saturated oil before puffing

表5 吞吐前后含束缚水饱和油岩心油相渗透率及采收率Table 5 Oil-phase permeability and recovery factor of bound oil-saturated oil before and after handling

2.2.2 不同焖井天数下采出油组分变化

含束缚水饱和油岩心超临界CO2吞吐随着焖井天数增加采出油组分如图7所示。根据采出油随焖井时间变化曲线(图8)可以看出随着焖井时间的增加，采出原油组分中C13以上的质量分数逐渐增加，其中C13～C18增加较为明显，焖井2、5 d采出油组分随焖井天数变化曲线表现出向右上轻微偏移现象，而5 d后变化不大，在这段时间CO2的萃取作用较为明显。

图7 不同焖井天数下含束缚水饱和油岩心采出油组分Fig.7 Oil-bearing oil fractions containing bound water-saturated oil cores under different well days

图8 含束缚水饱和油岩心采出油组分随焖井天数变化曲线Fig.8 Curve of the oil composition of the core containing the irreducible water saturated oil with the number of days of the well

3 讨论

通过超临界CO2吞吐饱和油岩心与含束缚水饱和油岩心实验可知在饱和油岩心中采出流体为原油，在饱和束缚水岩心中吞吐采出流体为地层水和原油。对比采出液体量和原油采收率(图9)可得在饱和油岩心中采出流体量小于含束缚水饱和油岩心中采出流体量，但在含束缚水饱和油岩心中吞吐原油采收率远小于饱和油岩心中原油采收率。

图9 超临界CO2吞吐两种饱和油岩心液体采出率随焖井时间变化曲线Fig.9 Fluid recovery curves of two kinds of saturated oil cores during supercritical CO2 huff and puff with soaking time

由图9可知，在饱和油岩心超临界CO2吞吐后岩心油相渗透率有部分增加，部分降低并无明显规律。有束缚水存在时岩心吞吐后油相渗透率均降低且焖井达到10 d以后岩心油相渗透率测试压力曲线波动上升无法达到平稳，岩心内部出现堵塞现象，表明CO2在含束缚水饱和油岩心中与水和地层水中的离子作用较强。

随着焖井时间的增加两种情况下采出油轻质组分含量逐渐降低重质组分含量逐渐增加。束缚水存在时采出油组分中轻质组分含量比只饱和油岩心采出油中轻质组分要高，地层水存在减弱了CO2对原油的萃取能力，使得采出油组分变轻(表6)。

表6 超临界CO2吞吐饱和油/含束缚水饱和油岩心采出原油组分Table 6 Components of crude oil produced from saturated oil/saturated oil cores containing irreducible water by supercritical CO2 huff and puff

4 结论

(1)束缚水存在增加了超临界CO2吞吐采出流体量但降低了原油的采收率，采收率随焖井时间增加而增加在10 d后达到平稳。

(2)随着焖井时间的增加采出油轻质组分含量逐渐降低重质组分含量逐渐增加。束缚水存在时采出油组分中轻质组分含量比只饱和油岩心采出油中轻质组分要高，地层水存在减弱了CO2对原油的萃取能力，使得采出油组分变轻，CO2萃取原油组分区间为C12～C21。

(3)束缚术存在下CO2与地层水中Ca2+作用产生沉淀现象是导致吞吐后岩心油相渗透率下降的主要原因。CO2与水作用强度大于与原油作用强度。

(4)砂砾岩致密油藏注CO2吞吐能够提高原油采收率，但随着开采时间的增加油藏含油饱和度逐渐降低，CO2与原油作用效果会逐渐减弱，在油藏开采初期直接进行CO2吞吐最好。