超临界CO2萃取致密砂砾岩中原油效果影响因素实验研究

户海胜，高 阳，单江涛，雷现梅，张玉龙，张广超，叶仲斌

（1.中国石油新疆油田分公司勘探开发研究院，新疆克拉玛依834000；2.四川华油集团有限责任公司，四川成都610017；3.油气藏地质与开发工程国家重点实验室，四川成都610500）

近年来，随着勘探力度不断增加，我国非常规油气资源探明储量逐渐扩大，特别是在新疆准噶尔盆地发现致密油资源量近30 亿吨，占盆地油气总资源量的1/3，为我国今后油气资源可持续发展奠定基础[1-3]。该油藏为致密砂砾岩油藏，与致密砂岩油藏相比其孔隙度更低（小于7%），渗流阻力更大，压力传导能力更差，油藏更难建立起有效的驱替压力系统，严重影响其高效开发，迫切需要新的提高采收率方法[4-7]。CO2作为一种常见气体，拥有相对其它气体较低的临界条件，其临界温度为31.1oC、临界压力7.38 MPa。因此，CO2在储层高温、高压条件下一般都能达到超临界状态，该状态下的超临界CO2具有类似液体的流动状态、类似气体的扩散状态[8]。在致密砂砾岩油藏应用超临界CO2萃取采油技术可在实现环保减排的同时有效提高油藏采收率。该技术主要是将所需萃取的饱和油岩心置于超临界CO2环境中，利用超临界CO2的扩散传质作用，溶解储层基质中的原油，溶解后的原油，利用超临界CO2极强的携带力，使原油通过孔道扩散出来，在此过程中，无需通过建立驱替压力系统，就能实现超临界流体与原油两者之间的交换。此时，从基质里面出来的CO2又重新扩散到基质中，与原油接触，只要系统始终处于超临界状态，CO2便会反复的扩散、携带、萃取原油[9-10]。

研究表明，超临界CO2主要萃取C20以下组分[11]，该过程存在一个压力下限使得萃取能顺利进行，最佳萃取压力、温度之后继续升压增温，反而不利于原油的高效萃取[12-13]。针对如何提高目标致密砂砾岩油藏注超临界CO2萃取采油开发效果的问题，通过建立超临界CO2萃取装置，开展超临界CO2萃取致密砂砾岩岩心中原油实验。该实验引入影响超临界CO2萃取采油效果的4个无因次变量，采用单因素以及正交实验设计验证超临界CO2萃取提高致密砂砾岩油藏原油采收率的可行性，并深入研究影响其原油采收率因素的主次顺序，为提高该致密砂砾岩油藏原油采收率提供技术指导[14]。

1 实验部分

1.1 实验材料和仪器

实验材料：致密砂砾岩岩心（孔隙度小于10%，渗透率小于0.1×10-3μm2）（图1）；地面脱气脱水原油（黏度：2.3 mPa·s，密度：0.792 g/cm3，碳数分布见图2）；CO2（纯度99%，成都市新都区正蓉气体有限公司）。

图1 实验用岩样及油样Fig.1 Rock sample and oil sample for experiment

图2 原油碳数分布Fig.2 Carbon number distribution of crude oil

实验仪器：全自动孔渗联测仪、超临界CO2萃取装置见图3（设备流程见图4）、致密岩心抽真空加压饱和油装置、安捷伦7890B 型油相色谱仪、精密电子分析天平等。

图3 超临界CO2萃取装置Fig.3 Supercritical CO2 extraction device

图4 设备流程图Fig.4 Equipment flow chart

1.2 实验方法

根据致密砂砾岩油藏储层条件建立超临界CO2萃取致密砂砾岩岩心实验，在不同温度、压力、浸泡时间、循环时间下采用单因素分析法进行超临界CO2萃取采油，获得最终原油萃取率[15]，分析研究各因素对萃取率的影响规律。同时，开展4 因素3 水平的正交设计实验L9（34），对以上4 个影响超临界CO2萃取砂砾岩致密岩心原油萃取率的因素，以最终萃取率作为实验考察指标进行考察，确定影响萃取率的因素的主次顺序及显著性，并得到最佳萃取效果下的最优参数方案。

式中：A为萃取率，%；M为岩心干重，g；M1为饱和油后岩心质量，g；M2为萃取后岩心质量，g。

1.3 实验步骤

1）岩心饱和油

致密砂砾岩岩心饱和油采用抽真空加压饱和方法。具体步骤：先用真空泵将放置有岩心的岩心杯抽至真空（压力表压力值稳定-0.092 MPa 至少1 h），使用围压泵将中间容器内原油缓慢注入岩心杯中保持压力稳定30 MPa，48 h 后待压力值不再变化，饱和油完成。取出岩心，使用电子天平称量饱和油后岩心质量M1。

2）超临界CO2萃取采油

将装有饱和油岩心的锥底岩心杯置于反应釜中，设置恒温箱温度为实验温度，注入到反应釜的CO2气体经增压泵增压至恒定目标实验压力后，关闭增压泵及反应釜两端阀门，对釜中饱和油的岩心进行萃取采油实验，直至实验结束。实验结束之后，缓慢打开反应釜底部阀门，使釜内压力缓慢降低，逐渐破坏CO2的超临界状态。待压力降至零时，打开反应釜，取出装有岩心的锥底岩心杯。取出萃取后岩心，收集岩心杯杯底采出油样，使用电子天平称量萃取后岩心质量，记为M2。根据式（1）计算不同实验条件下原油萃取率。

3）超临界CO2循环萃取采油

将装有饱和油岩心的锥底岩心杯置于反应釜中，调整恒温箱温度为实验温度45oC，CO2气体经增压泵增压至20 MPa后进入反应釜。注入循环的过程中设置反应釜入口及出口回压为20 MPa，使反应釜内浸泡压力稳定在20 MPa，调节出口端分离器阀门，使分离器压力在6.5 MPa 左右（破坏CO2的超临界状态），及时对被萃取出的以气相形式存在的少量原油轻质组分及CO2进行分离，液化的原油轻质组分被留在分离器中。分离后CO2气体再次经过CO2增压泵增压至20 MPa 后注入反应釜，对饱和油岩心进行循环萃取采油实验，循环萃取一定时间后结束实验。实验结束后缓慢卸压，打开反应釜，取出装有岩心的锥底岩心杯。取出萃取后岩心，收集岩心杯杯底采出油样，使用电子天平称量萃取后岩心质量，记为M2。根据式（1）计算不同循环时间下原油萃取率。

2 实验结果及分析

2.1 压力对超临界CO2萃取原油效果影响

设定实验温度为45oC，萃取压力分别为7，8，10，15，20，25 MPa，浸泡时间为60 min。实验用岩心部分参数见表1，原油萃取率见表2。通过萃取率随注入压力变化曲线（图5）可以得出：随着注入压力的增加原油萃取率先增加在15 MPa 后趋于平稳。压力7 MPa 下原油萃取率较低，主要是由于此时CO2并没有达到超临界状态（31.1oC、7.38 MPa），而达到超临界状态后的CO2在致密岩心中传质能力显著增强，萃取原油效果明显增强[16-18]。

图5 不同注入压力下萃取率变化曲线Fig.5 Oil extraction rate curve under different injection pressures

表1 实验岩心参数Table 1 Parameters of the experimental core

表2 实验岩心原油萃取率Table 2 Oil extraction rate of the experimental core

2.2 温度对超临界CO2萃取原油效果影响

设定实验压力为20 MPa，温度分别为30，35，40，45，50，55，60 ℃，浸泡时间为60 min。实验用岩心参数见表3，原油萃取率见表4。通过萃取率随温度变化曲线可以得出，随着温度的增加原油萃取率在30～40 ℃逐渐增加，在45 ℃后缓慢降低至平稳，见图6。

图6 不同温度下原油萃取率变化曲线Fig.6 Oil extraction rate curve at different temperatures

表3 实验岩心参数Table 3 Parameters of the experimental core

表4 实验岩心原油萃取率Table 4 Oil extraction rate of the experimental core

2.3 浸泡时间对超临界CO2萃取原油效果影响

设定实验压力为20 MPa，温度45 ℃，浸泡时间分别为30，60，90，120，150，180 min。实验用岩心参数率见表5，原油萃取率见表6。通过萃取率随浸泡时间变化曲线可以得出：随着浸泡时间的增加原油萃取率先逐渐增加，在60 min后趋于平稳，见图7。

表5 实验岩心参数Table 5 Parameters of the experimental core

表6 实验岩心原油萃取率Table 6 Oil extraction rate of the experimental core

图7 不同浸泡时间下原油萃取率变化曲线Fig.7 Change curve of oil extraction rate under different soaking time

2.4 循环时间对超临界CO2萃取原油效果影响

设定实验压力为20 MPa，温度45oC，循环时间分别为30，60，90，120，150，180 min。实验用岩心参数见表7，原油萃取率见表8。通过采收率随循环时间变化曲线可以得出：随着浸泡时间的增加原油萃取率逐渐增加，见图8；60 min 后趋于平稳且萃取出原油油逐渐变轻（颜色变浅）见图9。

图8 不同循环时间下原油萃取率变化曲线Fig.8 Oil extraction rate curve under different cycle times

图9 不同循环时间下采出油样Fig.9 Oil samples produced under different circulation times

表7 实验岩心参数Table 7 Parameters of the experimental core

表8 实验岩心原油萃取率Table 8 Oil extraction rate of the experimental core

2.5 正交设计实验

实验岩心参数见表9，岩心原油萃取率结果见表10，正交实验安排及萃取率结果见表11。

表9 实验岩心参数Table 9 Parameters of the experimental core

表10 实验岩心原油萃取率Table 10 Oil extraction rate of the experimental core

表11 正交实验方案及萃取率Table 11 Orthogonal experiment scheme and extraction rate

根据正交设计结果对正交实验进行直观分析，直观分析指得到4种因素下实验指标的均值，求出同一因素不同水平下原油萃取率的极差[19-20]。极差越大，该因素对超临界CO2萃取原油萃取率影响越大，反之越小。

从分析结果表12 中可以得出，影响超临界CO2萃取原油效果的主次顺序是：压力＞浸泡时间＞温度＞循环时间。最优参数方案为：压力25 MPa，温度50oC，浸泡时间120 min，循环时间150 min。

通过直观分析能够得到影响致密砂砾岩岩心中原油萃取率的因素的主次顺序和最优方案，但是要得到各因素对萃取率影响的显著性，还需进行方差分析[21-23]。

根据正交实验结果计算得出方差分析结果如表13 所示，取检验水平α=0.1，查阅F分布表可得，F0.1=9.000，4 个因素F比值＜F临界值，均未表现出明显的显著性，但压力对应F比值明显大于其余3 个因素，因此相对于其余3 个影响因素，压力因素对超临界CO2萃取致密砂砾岩岩心中原油的影响最为显著。

表13 正交实验方差分析结果Table 13 Analysis of variance results of orthogonal experiment

2.6 结果与讨论

压力对萃取效果的影响最显著，原油萃取率随压力升高先增加后趋于平稳。随压力的升高CO2密度增大，CO2在原油中的扩散、溶解、传质能力随之增强，达到超临界状态后，该能力进一步增强，原油萃取能力显著增强，压力进一步升高，逐渐接近萃取极限，萃取率基本平稳。

浸泡时间对萃取效果的影响次之，萃取率随浸泡时间的增加也是先增加而后趋于平稳。浸泡时间较短时，两者未能充分接触，萃取率低；随时间增加，CO2将孔隙、基质中的原油萃取出来随着岩心中原油不断被萃取出来，两者的传质强度减弱，萃取率逐渐趋于平稳。

温度对萃取效果的影响较弱，萃取率随温度的增加先增加后缓慢降低至趋于平稳。这是由于温度升高时，两者间的传质能力增强，萃取效果随之增加；而高温时CO2密度明显降低，溶解原油能力下降，萃取率在高温时有所下降后逐渐平稳。

循环时间对萃取效果的影响最弱，变化规律与浸泡时间一致。

3 结论

通过开展超临界CO2萃取致密砂砾岩岩心中原油实验，研究温度、压力、浸泡时间、循环时间4 个因素对萃取原油效果影响，主要得到以下结论：

1）超临界CO2能够萃取出致密砂砾岩油藏中原油，且萃取率较高，约为25.22%，表明超临界CO2萃取原油方法在致密砂砾岩油藏中提高原油采收率具有良好的适应性。

2）在采用超临界CO2萃取油过程中，随着压力、浸泡时间、循环时间的增加原油萃取率逐渐增加；随着温度的增加原油采收率先增加后降低最后趋于平稳。最优参数方案为：压力25 MPa，温度50 ℃，浸泡时间120 min，循环时间150 min。

3）影响超临界CO2萃取原油效果的因素具有主次顺序：压力＞浸泡时间＞温度＞循环时间，压力因素对超临界CO2萃取致密砂砾岩岩心中原油的影响最为显著。