多孔介质中CO2驱油相态及驱替特征

李　南,谭先红,田虓丰,吴　昊,李　西

(1.中海油研究总院 开发研究院，北京 100028;2.青岛大学 电气工程学院，青岛 266071)

自19世纪50年代以来，国外对CO2驱油方法做了大量的研究，结果表明，CO2驱油是一种十分有效的三次采油方法[1]。因此，CO2注入多孔介质后对原油相态的影响及驱替特征成为近几年的研究热门；然而国外地下流体组分与国内陆上油田存在一定差别，在多孔介质中的渗流特征也不尽相同。国内一些学者基于多孔介质油气两相渗流理论，建立了能够反映多孔介质孔隙尺度的油气两相三维孔隙网络模型，从微观角度分析了不同CO2驱替相态下的驱替特征和驱油效果[2]；但是还缺乏国内陆上原油在多孔介质中的CO2驱油相态及驱替特征实验研究，同时CO2在地下是多次接触混相还是一次接触混相至今没有定论[3]。本文通过可视化PVT装置、CT装置和核磁共振装置，研究CO2混相与非混相、不同注入气体积和不同注入气速度下的微观相态变化，直观地反映不同条件下CO2驱油的相态变化特征与驱替特征，重新认识CO2与地下流体的混相特征[4]。

1　不同类型原油与CO2混相过程

全世界针对CO2/地层油体系在孔隙介质中的直观相行为研究不多[3-4]，主要原因是缺少直接的孔隙空间流体相行为的测试技术。

过去由于实验测量困难，一般都忽略孔隙介质对流体相行为的影响。原因是：①实验压力、温度条件偏低，混合流体体系组分相近或差异大；②孔隙介质材质过于理想和孔隙空间的有效体积较小；③实验测试手段不理想，精度、可视程度受限等[5-7]。但是随着实验仪器的不断更新和完善，逐渐发现孔隙介质对流体相行为是有影响的，而且是可以进行有效观测的。

应用可视化的新型PVT仪器，可以直观地观察到气液界面的变化规律。其中，实验陆相常规原油C2-C12的摩尔分数为48.3%；C20+的摩尔分数为39.0%；实验温度为50℃；PVT反应釜体积为300 mL。

如图1所示，通过陆相原油与CO2的混相模拟发现，CO2与原油接触后，随着压力的增加，CO2溶解在原油中，轻组分蒸发，气相富化；当压力达到16 MPa时，传质逐渐增强，富化气萃取中间组分形成富烃相；当压力接近混相压力18 MPa时，传质十分剧烈，富烃相萃取原油较重组分；当达到20 MPa时，重组分参与相间传质形成混相。应用修正的NPC法计算的混相压力为18 MPa，而达到18 MPa时，微观实验中也开始出现气液间的剧烈传质，从而证明微观实验过程中的混相特征是可靠的。

如图2所示，通过对比煤油(C2-C5含量较高)、轻质油(C5-C12含量较高)和陆相原油(C20+含量较高)的混相过程发现：原油的组分越轻，混相过程越剧烈，出现强传质现象，混相效果较好；随着原油重质组分的增加，混相过程趋于平缓，传质过程逐渐变弱，混相效果变差。

2　多孔介质中CO2/地层油体系驱替特征

在研究CO2与不同组分原油混相的相态特征后，需要进一步了解CO2混相与否的驱替特征，从而进一步认识CO2提高采收率的机理。为了研究注CO2混相驱与非混相驱的微观驱替特征与驱油效率，对CO2驱替后的岩心进行了CT扫描[8-9]，分析混相驱与非混相驱后孔喉内流体的分布特征与微观驱油效率，实现了微小孔隙内微小流量实验测试方法的创新。

如图3所示，通过分析CO2非混相驱与混相驱后孔隙介质中油气的分布发现，非混相驱后岩心内原油的残余油饱和度明显高于混相驱的，而且非混相驱很难驱替出孔隙喉道较小处的原油，因此CO2驱开发过程中，为了提高驱油效率，应尽量采用混相驱，尤其针对孔隙喉道较小的低渗透储层。

图1　原油与CO2的混相过程Fig.1　Miscible phase process between crude oil and CO2(A)10 MPa;(B)16 MPa;(C)18 MPa;(D)20 MPa

图2　煤油、轻质油、陆相原油与CO2混相剧烈程度对比Fig.2　Correlation of miscible extent of kerosene,light oil and continental crude oil(A)煤油/CO2体系;(B)轻质油/CO2体系;(C)陆相原油/CO2体系

图3　岩心微观驱替CT图Fig.3　CT figures of micro-displacement of the drilling cores(A)岩心非混相驱;(B)岩心混相驱

在混相驱的前提下，研究了不同CO2注气体积对岩心驱替效率的影响。从图4中可以看出，当CO2注入量为0.5 PV时，驱油效率为60%；当CO2注入量为1.2 PV时，驱油效率达到90%；当CO2注入量为1.7 PV时，驱油效率达到93%。通过研究发现，当CO2注入量达到1.2倍的孔隙体积时，就可以拥有较高的驱油效率；随着CO2注入量的继续增加，驱油效率提高幅度很小。在进行CO2混相驱的过程中，如果注气量小于0.5 PV，会因为混相程度较低而影响驱油效率；如果注气量超过1.7 PV，在驱油效率提高不大的情况下更容易导致气窜，从而影响最终开发效果。

3　多孔介质中CO2/地层油体系相态变化

在应用填砂模型模拟地下CO2驱油的过程中，采用MRI技术[10-13]直观地观察到不同驱替速度下CO2混相驱的驱替特征。如图5所示，多孔介质材料直径15 mm，长度200 mm；模型渗透率为44×10-3μm2；其中CO2与地层原油的混相压力为18 MPa。

通过模拟发现，当模型压力为18 MPa(达到混相驱)时的驱油效率明显高于模型压力为10 MPa时(非混相驱)的驱油效率。由于模型压力达到了混相压力，驱替过程为近似的活塞式驱替，从而既减缓了气体指进，又提高了驱油效率。相同条件下增大CO2注入速率并不能明显改善驱替效率。通过分析发现不同的注入速率驱油效率相差不大，说明当达到混相压力后，CO2在多孔介质中与原油几乎是一次接触混相。

图4　不同注气体积下的驱替效率Fig.4　The displacement efficiency under different gas injection volume

图5　不同驱替压力与速率下的CO2驱MRI图Fig.5　MRI graph showing CO2 displacement under different displacement pressure and velocity(A)压力为10 MPa,注入速率为0.15 mL/min;(B)压力为18 MPa,注入速率为0.15 mL/min;(C)压力为18 MPa,注入速率为0.20 mL/min

通过实验计算出不同压力与驱替速率下的驱油效率(表1)。混相驱比非混相驱的驱油效率提高了约30%，但是存在一个合理的注入速率从而使混相驱的驱油效率最优。

表1　不同驱替类型和速率下的驱油效率Table 1　Displacement efficiency under different displacement types and rates

4　结 论

a.应用可视化新型PVT仪器，直观地观察到中国陆上原油与CO2气液界面的变化规律分为4个阶段：相间传质→传质增强→传质剧烈→混相，同时可以根据气液界面的变化有效预测混相压力。

b.对CO2驱替后的岩心开展了CT扫描，分析混相驱与非混相驱后孔喉内流体的分布特征与微观驱油效率，发现混相驱明显优于非混相驱。在进行CO2混相驱的过程中，如果注气量过少，会因为混相程度较低而影响驱油效率；如果注气量过多，在驱油效率提高不大的情况下更容易导致气窜，从而影响最终开发效果。

c.应用MRI技术有效研究地下CO2驱油过程中的驱替特征，当达到混相压力后，驱替过程为近似的活塞式驱替，从而既减缓了气体指进，又提高了驱油效率。相同条件下增大CO2注入速率并不能明显改善驱替效率，说明当达到混相压力后，CO2在多孔介质中与原油几乎是一次接触混相。