低渗油藏CO2驱产出气回注可行性研究

田 巍

（1.中国石化中原油田分公司勘探开发研究院，河南濮阳 457001；2.中国石化中原油田博士后科研工作站，河南濮阳 457001）

近年来，CO2驱技术作为老油田三次采油中一种有效的技术手段越来越受到重视[1-4]. 许多国家，如美国、委内瑞拉、澳大利亚、中国等国都开展有不同类型油藏的CO2驱项目[5-9]，其中美国开展的最早、规模也是最大的. 目前，由于国内无大型的CO2气藏，只能从CO2捕集工厂或制备点采用罐车运送的方式运送到油田注气储备罐或注气井口，所以成本会大大增加，因此CO2气源问题一直是影响国内CO2驱技术面积推广的一道屏障. 此外，目前多数油田注CO2开发的产出气体是直接排放掉的，只有少数油田开展了产出气的回收分离与回注[10-13]. 事实上，产出气中含有一定量的CO2，如果直接排掉，一方面会污染环境[10-12]，另一方面也会造成资源的浪费，若能够实现回收回注或直接回注驱油，不仅能保护环境，还能大大节约成本. 因此研究低渗油藏CO2驱产出气回注的可行性就非常必要. 本研究从混相效果影响因素及回注气对驱油效果影响的角度详细考察了产出气回注的可行性，为油田的CO2驱开发提供重要参考和技术支撑.

1 储层特征

中原油田低渗透油藏储量规模大，采收率具有较大的提高潜力. 研究储层位于河南省濮阳市境内东濮凹陷文留构造东翼，储层埋深为3200～4300 m，为典型的深层高温高压低渗透油藏. 储集层孔隙度为18%，空气渗透率为10×10-3μm2，原始地层压力为55～68 MPa，压力系数为1.73，地层温度110～150 ℃，地温梯度达4～5 ℃/100 m. 黏土矿物绝对含量为5%～15%，伊利石相对含量为25%～60%，绿泥石相对含量为28%～50%，高岭石相对含量＜11%，伊蒙混层相对含量为6%～34%. 胶结物含量在18%以上，以铁白云质为主，其次为硬石膏，呈微细晶结构，以线接触-凹凸接触为主，其次为点接触，颗粒分选系数中等，存在少量的微裂缝发育.

2 实验部分

2.1 最小混相压力测定

本研究以中原油田某深层高压低渗油藏地层流体为研究对象，分别对不同开发阶段原油与CO2的混相特征以及注入不同组分产出气下的原油混相特征进行了研究. 最小混相压力测定实验共包含两部分，第一部分是不同开发阶段原油脱气之后其组分发生变化下的最小混相压力测试. 为使实验模拟更具相似性，在室内分别配制不同组分的原油，开展细管实验测定其最小混相压力. 第二部分是产出气在不同阶段不同CO2摩尔百分数下与原油最小混相压力测试. 为考察在产出气中CO2摩尔百分数对回注效果的影响，分别配制不同比例的天然气和CO2混合气体开展最小混相压力实验. 详细实验步骤如下：

1）将配制好的地层流体转入到中间容器中并恒温恒压，接通仪器流程，升温至实际地层温度，升压至当前地层压力，调整回压为当前地层压力的数值.

2）打开驱替泵，以0.05 mL/min的速度恒流量向长细管注入模拟地层流体（第一个实验使用不同组分原油，第二个实验使用同一组分原油），直至产出物的生产气油比与实际配制流体气油比完全相同为止，关闭长细管进出口阀门，恒温恒压老化12 h以上.

3）将回压调至实验设定的压力值，打开长细管进出口阀门，打开驱替泵以0.05 mL/min的速度恒流量对长细管注入气体（第一个实验注入纯CO2气体，第二个实验注入天然气与CO2的混合气体），分别记录不同时间段的压力、产出油气量等数值，直至产出物中不含油为止，结束本组实验.

4）清洗长细管颗粒并在高温下干燥，调整回压为下一个设定的数值，重复前3个步骤，直至测定完成所有预定回压下的长细管测定，结束实验.

2.2 长岩心驱替实验

依据上述实验原理，设定的实验步骤为：

1）岩心经过前处理后，将岩心烘干，测定孔隙度渗透率等基础数据.

2）按照布拉法则，计算调和渗透率，并确定岩心排列方式.

3）将岩心装填入热缩塑料筒内，岩心之间夹三层滤纸，加热岩心侧面使塑料箍紧岩心，并保持整个长岩心排列整齐，而后将热塑封装好的长岩心装填入铅管中，最后装入长岩心夹持器，接通仪器流程，加围压，测定装置密封性.

4）将夹持器升温至实验温度，饱和地层水，并计算有效孔隙体积.

5）打开注入泵，对充分饱和水的长岩心注入模拟油，直至不出水为止，老化12 h以上，计算含油饱和度.

6）将回压调至原始地层压力，打开注入泵对长岩心注入CO2气体，分别记录不同时刻产出的水量、油量和气量，直至产出物无油为止，结束实验.

3 实验结果与分析

3.1 最小混相压力测定结果

按照上述设定的实验步骤分别测定同一类型实验不同注入压力下的原油采收率数值，将混相拟合线与非混相拟合线的交点的压力数值作为该实验项目下的最小混相压力值.

3.1.1 不同原油组分对最小混相压力的影响 为了更加清晰地显示实验效果，将初始地层流体与CO2的最小混相压力（即初始混相压力）作为基准，以此计算不同原油组分与CO2最小混相压力数值的变化情况，实验结果如图1所示. 由图1可知，不同原油组分对最小混相压力的影响情况整体可以分为两种. 一种是当原油中C1、C16+和N2中的某组分摩尔百分数较高时，会使最小混相压力升高. 当原油中增加10 mol%的N2组分时，原油与CO2的最小混相压力在初始混相压力的基础上提高了26.15%. 在原油中C1摩尔百分数增加10 mol%的情况下，原油与CO2的最小混相压力提高了14.32%. 另一种是当原油中C2～C15中的某组分摩尔百分数较高时，会使最小混相压力降低. 当原油中C2摩尔百分数增加10 mol%时，原油与CO2的最小混相压力降低了4.82%，当原油中C6的摩尔百分数增加10 mol%时，原油与CO2的最小混相压力的降低幅度达到了15.85%，降幅非常明显. 以上结果说明原油中C1、C16+和N2组分摩尔百分数越高，越不利于实现CO2混相驱，C2～C15组分摩尔百分数越多，对CO2混相驱开采越有利，其中C2～C15中不同组分对原油与CO2最小混相压力的影响程度不同. 但是也有研究认为C11+摩尔百分数越多，最小混相压力越高[14]，实际上这个认识是不准确的，我们在查阅更多前人研究成果的基础上，进一步认识到C16+的摩尔百分数越高，越不利于混相，而C11～C15的摩尔百分数越高，是越有利于混相的. 本研究首次明确了C11～C15摩尔百分数对混相效果的影响.

图1 不同原油组分对最小混相压力的影响Fig.1 The influence of different crude oil components on the minimum miscible pressure

3.1.2 不同注入气组成对最小混相压力的影响 按照实验设计的要求，分别配制成不同组分摩尔百分数的混合注入气体，然后测定其与原油的最小混相压力数值，测定结果如图2所示. 选取纯CO2气体与地层流体最小混相压力数值（即初始混相压力）作为基准. 由图2可知，随着注入气中C1摩尔百分数的增加，其与原油的最小混相压力也随之增加. 当注入气中C1摩尔百分数为10 mol%时，其与原油的最小混相压力仅增加了14.64%，但当注入气中C1摩尔百分数增加到60 mol%时，其与原油的最小混相压力增加了一倍以上，可见C1的摩尔百分数越高越不利于实现混相.

从图2 还可看出，当注入气中含有10 mol%C1或10 mol%N2时，其与原油的最小混相压力分别增加了14.64%和27.85%，当注入气中含有10 mol%C2或10 mol%C3时，其与原油的最小混相压力分别降低了1.21%和7.65%. 以上结果表面，注入气中C1或N2摩尔百分数越高，越不利于实现混相，所以对于注入气体一般要做好除N2工作；而注入气中C2或C3摩尔百分数越高，越有利于实现混相，所以对注入气进行富化处理以降低其与原油的混相压力，对于气驱开发是有利的.

图2 不同注入气组分对最小混相压力的影响Fig.2 Influence of different injection gas components on minimum miscible pressure

3.2 长岩心驱替实验结果

3.2.1 产出气组分检测结果 在注CO2驱油的实际矿场生产过程中，产出气回注是一种常见的生产手段，可以大量节省成本. 但是在注CO2气开发过程中，生产早期的产出气中最主要的成分是甲烷，此时的产出气如果直接回注，不利于实现混相，一般要到中后期产出气中CO2的摩尔百分数升高到一定程度时，才可以考虑实现产出气回注. 为此需要对产出气进行定期取样检测.

从2017年11月27日至2018 年1 月22日，通过对中原油田目标储层的现场产出气进行连续取样，并对现场产出气的组分进行了跟踪检测. 检测结果显示，随着CO2驱油藏时间的增加，现场产出气中CO2摩尔百分数也在不断增加，而甲烷的摩尔百分数在逐渐降低，同时产出气中C2～C6及其以上烃组分的相对摩尔百分数较为稳定. 不同阶段的现场产出气中CO2的摩尔百分数与C2～C6组分的相对摩尔百分数之间存在一定关系，随着产出气中CO2摩尔百分数的增加，C2～C6组分的相对摩尔百分数有逐渐增加的趋势，而C1的摩尔百分数却有减少的趋势，这主要是由于CO2蒸发中间烃和重烃[15]，使产出气组分中C2+的摩尔百分数增加导致的.3.2.2 回注气驱油实验结果 为了验证产出气回注的驱油效果，采用2 m长的天然岩心并按照现场的原油组分配制模拟油，分别研究了注入不同摩尔百分数CO2混合气体对驱油效率的影响，实验结果如图3 所示.由图3可知，不同摩尔百分数CO2的回注气的驱油效率介于纯CO2混相驱和纯天然气驱之间，且与CO2摩尔百分数成正相关性. 注入气体中CO2摩尔百分数越高，驱油效率就越高. 当注入气体中CO2摩尔百分数为19.86 mol%时，驱油效率为79.86%. 当注入气中CO2摩尔百分数为82.53 mol%时，驱油效率高达90.1%，仅比纯CO2混相驱的驱油效率低1.43%. 此后，随着CO2摩尔百分数的进一步增加，驱油效率的增幅非常有限，说明注入气中CO2的摩尔百分数为82.53 mol%时，已经完全达到了CO2混相驱的效果. 而纯天然气驱的最终驱油效率为75.28%，远低于CO2混相驱的驱油效果，说明纯天然气驱在此实验压力下为非混相驱. 以上结果表明，油井产出气中CO2的摩尔百分数越高，回注时驱油效率也越高.

图3 不同摩尔百分数CO2的回注气的驱油效率Fig.3 Oil-displacement efficiency of reinjection gas with different CO2 molar percent

通常情况下，产出气中CO2摩尔百分数高，其中间烃和重烃的组分也越高，回注更易实现混相. 已有研究表明，CO2对地层的原油中的中间烃和重烃组分具有强烈的蒸发作用，在地层中CO2与原油形成混相后，混相带流动过程中，更多的CO2溶解在混相带中，当混相带到达产出井被采出后，会出现压力骤降，这会导致混相带中溶解的CO2大量析出，而CO2与原油是互溶的，两者互为溶剂互为溶质，在较低的压力下，无法实现混相，当一相减少时另一项就会快速析出，CO2在析出过程会伴随有大量的中间烃和重烃组分的蒸发[16-17]，所形成的伴生气极易与地层原油形成混相. 所以，当产出气中CO2摩尔百分数达到80 mol%以上时，实施产出气直接回注是完全可行的，这为低渗油藏CO2驱中后期产出气的处理提供了一条新的、可行的解决方法.

3.3 产出气回注注入能力分析

图4为产出气回注的注入能力评价结果，可以看出，随着注入气中CO2摩尔百分数的增加，注入指数越来越低，注入越来越困难. 注入气CO2摩尔百分数为19.86 mol%和99.90 mol%时，注入气的初期平均注入指数分别为0.305 和0.245 mL/（min·MPa），后期平均注入指数分别为0.265 和0.221 mL/（min·MPa）. 同一CO2摩尔百分数下的注入气的注入指数先是随着注气量的增加而降低，当注入气量达到0.45 PV后，注入指数逐渐趋于稳定，亦即中后期注入指数相对比较稳定，说明只要初期能够实现有效注入，产出气回注就可以实现.

图4 产出气回注注气能力评价Fig.4 Evaluation of reinjection capacity of produced gas

注气能力出现先降低而后趋于稳定的现象，与研究区块储层的微观孔隙结构密切有关. 前期注入指数降低是由于发生了溶蚀作用，溶蚀导致岩石无机颗粒和黏土颗粒物脱落以及新物质的生成，但是由于低渗储层的孔喉细小，脱落物和新生成物无法及时排出，所以注气能力降低. 随着时间的延长，脱落物越积越多，注气能力一直在降低，直至脱落物对注气能力的影响达到最大，即注入指数降至最低后，注气能力开始趋于稳定. 不同CO2摩尔百分数对注入气注气能力的影响，与溶蚀作用发生的是否充分相关[18]，因为溶蚀作用会产生脱落物，脱落物中的无机颗粒和新生成的物质会堵塞孔道，从而导致注入指数降低. 所以说，注入气中CO2摩尔百分数越高，溶蚀作用越充分，产生的脱落物也越多，导致孔道堵塞越严重，因此注入气的注入指数会随CO2摩尔百分数的增加而降低. 但从总体上来说，在CO2摩尔百分数相对稳定的情况下，气体的注入指数在前后期的变化并不太大，气体注入量相对稳定. 因此，从注气能力变化程度上来说，产出气回注是完全可行的.

综合以上分析，结合现场跟踪检测的产出气组分结果可知，2018年1月20日检测的现场产出气中CO2摩尔百分数已经超过80 mol%，说明在该研究区开展产出气回注已经完全可行，并可达到CO2混相驱的效果.这样既节约了油气田开发成本，又达到了产出气中温室气体高效埋存的目的，提高了温室气体的地质埋存率，可以在实现应用-埋存一体化的同时保护环境.

4 结论

1）原油组分中C1、N2摩尔百分数增加，会引起原油与CO2的最小混相压力升高. 当原油组分中C1、N2摩尔百分数增加10 mol%时，原油与CO2的最小混相压力上升的幅度分别为14.32%和26.15%. 原油组分中C2～C15摩尔百分数升高会降低原油与CO2的最小混相压力，其中C6的影响最大，当C6的摩尔百分数增加10 mol%时，原油与CO2的最小混相压力降低了15.85%. 本研究首次明确了C11～C15摩尔百分数对混相效果的影响，即C11～C15的摩尔百分数越高，是越有利于混相的.

2）注入气中C1、N2摩尔百分数越高越不利于实现与原油的混相，当注入气中C1摩尔百分数达到60 mol%时，其与原油的最小混相压力升高一倍以上. 注入气中C2、C3的摩尔百分数越高越有利于实现与原油的混相.

3）注入气中CO2摩尔百分数越高其对应的驱油效率也越高，当注入气中CO2摩尔百分数达到80 mol%以上时，可达到混相条件下的驱油效率，并可实现气体的有效注入.

4）现场检测的产出气中CO2摩尔百分数已经超过80 mol%，可实现有效注入，因此目前情况下实施产出气回注驱油是完全可行的.