新疆吉木萨尔凹陷致密油藏最小混相压力实验研究

马铨峥，杨胜来，王敉邦，陈建勋，王梦雨

（中国石油大学（北京）石油工程教育部重点实验室，北京102249）

新疆吉木萨尔凹陷芦草沟组致密油藏储量丰富，但由于储集层渗透率低、孔隙度小、孔隙结构复杂、裂缝不发育、原油黏度高、流动性差，具有中等偏强的水敏性，导致常规注水开发难度大、效果差，且容易对地层造成不可逆的伤害。CO2溶解于原油后，具有显著改善原油物性、降低原油黏度、提高原油流动能力等优势，同时还能萃取和汽化原油中的轻质烃，形成CO2和轻质烃混合油带，进而大幅度降低原油渗流阻力，提高驱油效率，对油田注气提高采出程度方案的制定具有重要作用。在常规低渗、特低渗等油藏增产方式中，应用比较广泛。因此，注CO2是提高致密油藏采出程度的一种有潜力的方法。而最小混相压力是油藏注CO2开发时的重要参数，为了确定油藏的最小混相压力，进行了大量的室内实验研究。黄伟等[1]采用细管实验的方法对华北低渗透油藏烃气驱过程中最小混相压力进行研究，认为该区烃气驱最小混相压力高于油藏原始地层压力，在现有油藏条件下，烃气驱不能实现混相驱。赵凤兰等[2]通过采用均质和非均质长方形岩心进行室内物理模拟实验，测得延长低渗透油藏CO2与原油最小混相压力为18.5 MPa，并建立了测定延长油田最小混相压力的岩心驱替实验方法。孙丽丽等[3]针对鄂尔多斯盆地超低渗油藏进行室内CO2驱细管实验，结果表明最小混相压力小于油藏地层压力，该区块CO2驱替方式主要为非混相驱。孙雷等[4]考虑挥发组分、中间烃、重质组分的相对分子质量、密度以及温度的影响，建立了基于遗传算法参数寻优的支持向量回归机模型，并根据测试样品数据预测出相应的结果。李康宁等[5]通过数值模拟方法研究了N2对CO2与原油最小混相压力的影响，并建立了表征N2存在情况下CO2与原油混相压力表达式。A.Abedini等[6]采用界面张力消失法测量了轻质油藏CO2与原油的最小混相压力为9.18 MPa。祝浪涛等[7]采用数值模拟方法对异常高压和含烃较高的油藏混相压力影响因素进行研究，发现N2、CH4和烟道气均能增大原油与烃气的最小混相压力，且N2对最小混相压力的影响最大。汤勇等[8]通过模拟软件对实验数据进行相态计算，发现目标油藏CO2与原油最小混相压力值与原油中轻组分含量呈反比，与重质组分和N2的含量成正比。

不同类型油藏最小混相压力的研究，主要采用细管实验和数值模拟的方法在宏观上针对常规中低渗、特低渗透油藏以及稠油油藏进行研究[9-14]，对致密油藏原油最小混相压力研究较少，尤其是新疆吉木萨尔异常高温高压油藏。因此，本文采用细管实验与界面张力法相结合的方法，对新疆吉木萨尔芦草沟组致密油藏原油与CO2最小混相压力进行研究，并对实验结果进行了对比，同时通过界面张力实验分析了原油与CO2之间相互作用的微观机理，为该致密油藏衰竭开发后，注CO2提高油藏采出程度开发方案的制定提供理论支撑。

1 实验部分

1.1 实验试剂

模拟油采用新疆吉木萨尔芦草沟组脱气原油与天然气按照一定比例配置而成，溶解气油比为17∶1，密度约为0.862 g/mL，地层温度81℃下黏度为4.82 mPa·s；CO2，纯度为 99.99%，北京千禧京城气体有限公司。

1.2 实验仪器

SYS-Ⅲ多级高温高压两相驱替系统、恒温箱，南通华兴石油仪器有限公司；ISCO-26 D流压泵、回压泵，美国Teledyne Isco公司；可视化界面张力测试仪，北京世纪森朗实验仪器有限公司；细管、精密压力表、六通阀，海安华达石油仪器有限公司；气液分离装置以及MC气量计，金志业仪器设备有限公司。

1.3 细管实验

细管实验按石油天然气行业标准SY/T 6573-2003《最低混相压力细管实验测定法》进行，细管实验原理图如图1所示。在地层温度81℃条件下，将配置好的模拟油，以恒定的泵速注入经过石油醚清洗的细管模型中，在注入3.0 PV模拟油时停止进泵，确保细管内充满模拟油；实验过程中通过控制回压确定驱替压力，在不同恒定压力下进行CO2驱替实验，记录实验过程中的注气压力、产油量、产气量等数值。

图1 细管实验原理图

1.4 原油与CO2界面张力实验

原油与CO2界面张力测试系统原理图如图2所示。实验时先清洗实验装置，将可视化高压界面张力测试室的油藏温度加热到81℃，在预先设定的压力下注入CO2，当系统压力达到平衡后，将模拟油通过不锈钢注射器针头注入界面张力测试室，当针头处形成一个完整的液滴后，通过显微相机获得液滴的动态图像，最后通过轴对称滴形分析法分析液滴的形状，测定原油与CO2的动态界面张力。

图2 原油与CO2界面张力测试系统原理图

2 结果与分析

2.1 细管实验法

通过室内细管实验法测得采收率随CO2注入体积倍数的变化关系，结果如图3所示。

图3 采收率随CO2注入体积倍数的变化关系

从图3可以看出，在CO2驱油突破前，随着CO2注入体积倍数的增加，采收率近似呈线性增加，且驱替压力越低，气体突破越早，最终采收率越低。驱替压力越大，气体突破时间越晚，采收率越大。这是因为驱替压力越高，CO2与原油越接近混相状态，CO2与原油混合越充分，驱替效率越高。

采收率随驱替压力的变化曲线如图4所示。从图4可以看出，随着驱替压力的增大，采收率拟合曲线斜率的变化分为两个区域：区域（Ⅰ）驱替压力为16.00～18.70 MPa，原油与CO2处于非混相状态，随着驱替压力的增大，CO2对原油中轻质组分的萃取能力增强，采收率增加幅度较大；区域（Ⅱ）驱替压力大于19.00 MPa时，原油与CO2处于混相状态，界面张力消失，但由于CO2对原油中重质组分萃取能力较弱，随着驱替压力的增加，原油采收率增加变缓。两条拟合曲线交点处对应的压力即为该油田原油与CO2的最小混相压力，约为18.70 MPa。

图4 采收率随驱替压力的变化曲线

2.2 界面张力法

由于细管实验法测试周期长、工作量大，且不能获得CO2与原油相互作用的微观机理及注气过程中二者界面张力的变化过程，因此本文通过可视化界面张力法获得原油与CO2的最小混相压力，并对其微观相互作用机理进行了简要分析。系统温度81℃时，不同平衡压力下原油与CO2系统界面张力测试结果如图5所示。

图5 不同平衡压力下原油与CO2系统界面张力测试结果

从图5可以看出，随着平衡压力的增加，原油与CO2之间界面张力的变化分为两个区域，且均呈直线下降趋势。平衡压力为0.73～13.33 MPa时，CO2在油相中的溶解度大小占主导作用，随着压力增大，CO2在油相的溶解度逐渐增大，导致界面平衡张力逐渐减小；平衡压力为15.84～28.46 MPa时，CO2对原油中的轻质组分的萃取占主导作用，且CO2对原油中轻质组分萃取能力较强，对重质组分萃取能力较弱，因此区域（I）界面张力下降幅度较快；随着平衡压力的增大，原油中轻质组分含量越来越少，重质组分含量相对增多，所以区域（II）界面张力下降变缓。当平衡压力从0.73 MPa增大到28.46 MPa时，原油与CO2之间界面张力值由22.62 mJ/m2降到1.83 mJ/m2。

将图5区域（I）中的拟合曲线外推到界面张力为0时，对应的平衡压力即为最小混相压力，约为18.44 MPa。区域（II）中拟合曲线外推到界面张力为0时，与平衡压力轴相交于35.55 MPa，由于在这个压力下，几乎所有的原油组分都与CO2处于混相状态，所以认为该点压力为CO2与原油的一次接触混相压力。两条曲线相交于13.67 MPa处，该点为原油与CO2的相互作用机制由CO2溶解于原油向CO2萃取原油中轻质组分转变的压力。

由于原油与CO2处于混相状态时，二者之间界面张力为0，对两个区域内的界面张力与平衡压力曲线进行线性回归，结果如表1所示。

表1 界面张力与平衡压力线性回归结果

对两种方法测得结果进行对比，发现细管实验测试最小混相压力略大于界面张力法测得最小混相压力，二者相差1.4%，结果表明界面张力法同样适合测量致密油藏原油与CO2系统的最小混相压力，而且界面张力法还能得到不同平衡压力下二者之间的界面张力值和最小混相压力以及原油与CO2一次接触混相压力，有利于确定油田注气压力、原油与CO2之间的相互作用机理及转化时机。因此，与传统的细管实验方法相比，界面张力法更具有优势。

3 结 论

（1）细管实验法测得新疆吉木萨尔芦草沟组致密油藏最小混相压力为18.70 MPa时，略大于界面张力法测得该油藏最小混相压力18.44 MPa，二者相差1.4%，表明界面张力法测量致密油藏原油与CO2最小混相压力具有良好的准确性。

（2）通过界面张力法可知，当系统平衡压力从0.73 MPa增大到28.46 MPa时，原油与CO2之间界面张力值由22.62 mJ/m2降低到1.83 mJ/m2。

（3）通过界面张力法可以获得原油与CO2相互作用的微观机理，当平衡压力为0.73～13.33 MPa时，CO2在油相中的溶解占主导作用；当平衡压力为15.84～28.46 MPa时，CO2对原油中轻质组分的萃取占主导作用；原油与CO2相互作用的微观机理由CO2在油相中的溶解向CO2对原油中轻质组分的萃取转换时的压力约为13.67 MPa。当平衡压力大于18.44 MPa时，随着平衡压力升高，界面张力下降幅度较低，而CO2注气量增大较多，注气难度增大、成本较高。因此，在油田开采时，注气压力不宜过高。