多孔介質中CO2驅油相態及驅替特征

李　南,譚先紅,田虓豐,吳　昊,李　西

(1.中海油研究總院 開發研究院，北京 100028;2.青島大學 電氣工程學院，青島 266071)

自19世紀50年代以來，國外對CO2驅油方法做了大量的研究，結果表明，CO2驅油是一種十分有效的三次采油方法[1]。因此，CO2注入多孔介質后對原油相態的影響及驅替特征成為近幾年的研究熱門；然而國外地下流體組分與國內陸上油田存在一定差別，在多孔介質中的滲流特征也不盡相同。國內一些學者基于多孔介質油氣兩相滲流理論，建立了能夠反映多孔介質孔隙尺度的油氣兩相三維孔隙網絡模型，從微觀角度分析了不同CO2驅替相態下的驅替特征和驅油效果[2]；但是還缺乏國內陸上原油在多孔介質中的CO2驅油相態及驅替特征實驗研究，同時CO2在地下是多次接觸混相還是一次接觸混相至今沒有定論[3]。本文通過可視化PVT裝置、CT裝置和核磁共振裝置，研究CO2混相與非混相、不同注入氣體積和不同注入氣速度下的微觀相態變化，直觀地反映不同條件下CO2驅油的相態變化特征與驅替特征，重新認識CO2與地下流體的混相特征[4]。

1　不同類型原油與CO2混相過程

全世界針對CO2/地層油體系在孔隙介質中的直觀相行為研究不多[3-4]，主要原因是缺少直接的孔隙空間流體相行為的測試技術。

過去由于實驗測量困難，一般都忽略孔隙介質對流體相行為的影響。原因是：①實驗壓力、溫度條件偏低，混合流體體系組分相近或差異大；②孔隙介質材質過于理想和孔隙空間的有效體積較??；③實驗測試手段不理想，精度、可視程度受限等[5-7]。但是隨著實驗儀器的不斷更新和完善，逐漸發現孔隙介質對流體相行為是有影響的，而且是可以進行有效觀測的。

應用可視化的新型PVT儀器，可以直觀地觀察到氣液界面的變化規律。其中，實驗陸相常規原油C2-C12的摩爾分數為48.3%；C20+的摩爾分數為39.0%；實驗溫度為50℃；PVT反應釜體積為300 mL。

如圖1所示，通過陸相原油與CO2的混相模擬發現，CO2與原油接觸后，隨著壓力的增加，CO2溶解在原油中，輕組分蒸發，氣相富化；當壓力達到16 MPa時，傳質逐漸增強，富化氣萃取中間組分形成富烴相；當壓力接近混相壓力18 MPa時，傳質十分劇烈，富烴相萃取原油較重組分；當達到20 MPa時，重組分參與相間傳質形成混相。應用修正的NPC法計算的混相壓力為18 MPa，而達到18 MPa時，微觀實驗中也開始出現氣液間的劇烈傳質，從而證明微觀實驗過程中的混相特征是可靠的。

如圖2所示，通過對比煤油(C2-C5含量較高)、輕質油(C5-C12含量較高)和陸相原油(C20+含量較高)的混相過程發現：原油的組分越輕，混相過程越劇烈，出現強傳質現象，混相效果較好；隨著原油重質組分的增加，混相過程趨于平緩，傳質過程逐漸變弱，混相效果變差。

2　多孔介質中CO2/地層油體系驅替特征

在研究CO2與不同組分原油混相的相態特征后，需要進一步了解CO2混相與否的驅替特征，從而進一步認識CO2提高采收率的機理。為了研究注CO2混相驅與非混相驅的微觀驅替特征與驅油效率，對CO2驅替后的巖心進行了CT掃描[8-9]，分析混相驅與非混相驅后孔喉內流體的分布特征與微觀驅油效率，實現了微小孔隙內微小流量實驗測試方法的創新。

如圖3所示，通過分析CO2非混相驅與混相驅后孔隙介質中油氣的分布發現，非混相驅后巖心內原油的殘余油飽和度明顯高于混相驅的，而且非混相驅很難驅替出孔隙喉道較小處的原油，因此CO2驅開發過程中，為了提高驅油效率，應盡量采用混相驅，尤其針對孔隙喉道較小的低滲透儲層。

圖1　原油與CO2的混相過程Fig.1　Miscible phase process between crude oil and CO2(A)10 MPa;(B)16 MPa;(C)18 MPa;(D)20 MPa

圖2　煤油、輕質油、陸相原油與CO2混相劇烈程度對比Fig.2　Correlation of miscible extent of kerosene,light oil and continental crude oil(A)煤油/CO2體系;(B)輕質油/CO2體系;(C)陸相原油/CO2體系

圖3　巖心微觀驅替CT圖Fig.3　CT figures of micro-displacement of the drilling cores(A)巖心非混相驅;(B)巖心混相驅

在混相驅的前提下，研究了不同CO2注氣體積對巖心驅替效率的影響。從圖4中可以看出，當CO2注入量為0.5 PV時，驅油效率為60%；當CO2注入量為1.2 PV時，驅油效率達到90%；當CO2注入量為1.7 PV時，驅油效率達到93%。通過研究發現，當CO2注入量達到1.2倍的孔隙體積時，就可以擁有較高的驅油效率；隨著CO2注入量的繼續增加，驅油效率提高幅度很小。在進行CO2混相驅的過程中，如果注氣量小于0.5 PV，會因為混相程度較低而影響驅油效率；如果注氣量超過1.7 PV，在驅油效率提高不大的情況下更容易導致氣竄，從而影響最終開發效果。

3　多孔介質中CO2/地層油體系相態變化

在應用填砂模型模擬地下CO2驅油的過程中，采用MRI技術[10-13]直觀地觀察到不同驅替速度下CO2混相驅的驅替特征。如圖5所示，多孔介質材料直徑15 mm，長度200 mm；模型滲透率為44×10-3μm2；其中CO2與地層原油的混相壓力為18 MPa。

通過模擬發現，當模型壓力為18 MPa(達到混相驅)時的驅油效率明顯高于模型壓力為10 MPa時(非混相驅)的驅油效率。由于模型壓力達到了混相壓力，驅替過程為近似的活塞式驅替，從而既減緩了氣體指進，又提高了驅油效率。相同條件下增大CO2注入速率并不能明顯改善驅替效率。通過分析發現不同的注入速率驅油效率相差不大，說明當達到混相壓力后，CO2在多孔介質中與原油幾乎是一次接觸混相。

圖4　不同注氣體積下的驅替效率Fig.4　The displacement efficiency under different gas injection volume

圖5　不同驅替壓力與速率下的CO2驅MRI圖Fig.5　MRI graph showing CO2 displacement under different displacement pressure and velocity(A)壓力為10 MPa,注入速率為0.15 mL/min;(B)壓力為18 MPa,注入速率為0.15 mL/min;(C)壓力為18 MPa,注入速率為0.20 mL/min

通過實驗計算出不同壓力與驅替速率下的驅油效率(表1)?；煜囹尡确腔煜囹尩尿層托侍岣吡思s30%，但是存在一個合理的注入速率從而使混相驅的驅油效率最優。

表1　不同驅替類型和速率下的驅油效率Table 1　Displacement efficiency under different displacement types and rates

4　結 論

a.應用可視化新型PVT儀器，直觀地觀察到中國陸上原油與CO2氣液界面的變化規律分為4個階段：相間傳質→傳質增強→傳質劇烈→混相，同時可以根據氣液界面的變化有效預測混相壓力。

b.對CO2驅替后的巖心開展了CT掃描，分析混相驅與非混相驅后孔喉內流體的分布特征與微觀驅油效率，發現混相驅明顯優于非混相驅。在進行CO2混相驅的過程中，如果注氣量過少，會因為混相程度較低而影響驅油效率；如果注氣量過多，在驅油效率提高不大的情況下更容易導致氣竄，從而影響最終開發效果。

c.應用MRI技術有效研究地下CO2驅油過程中的驅替特征，當達到混相壓力后，驅替過程為近似的活塞式驅替，從而既減緩了氣體指進，又提高了驅油效率。相同條件下增大CO2注入速率并不能明顯改善驅替效率，說明當達到混相壓力后，CO2在多孔介質中與原油幾乎是一次接觸混相。