CO2与压裂地层置换规律实验研究

王铁铮, 王长权*, 夏玉磊, 陈 亮

(1.长江大学石油工程学院, 武汉 430100； 2.中国石油集团川庆钻探工程有限公司长庆井下技术作业公司, 西安 710018； 3.新疆油田分公司开发处, 克拉玛依 834000)

随着常规油气资源的减少,人们逐渐把目光转移到非常规油气的开发上。在中国致密油藏储量非常丰富,具有较大的开发潜力[1-4],而致密油藏渗透率极低,储层物性差,孔隙喉道细小,常规的开发方式无法经济有效地开采轻质原油[5]。致密油藏多为陆相成因,天然能量不足,衰竭式开发效果不理想,采收率不足10%[6]。如何提高致密油藏采收率成为新的研究热点。

2010年Petro Bakken公司[7]通过在双分支水平井进行裸眼封隔器压裂,使得人工裂缝与天然裂缝相互沟通,油井第一年产量就提高25%。2014年,雷少飞[8]研究如何优化开发致密油,得出在开发初期黏滞力对原油采收率起主导作用,因此必须采取措施减少原油黏度,以获取更大的采收率。CO2具有膨胀降黏、降低界面张力、补充地层压力等优势,CO2干法压裂被认为是提高致密油藏采收率的一项重要技术。

目前关于干法压裂后高压液态CO2作为携砂液与致密油藏反应情况尚不明确,关于CO2与储层油藏的置换反应研究较少。现模拟CO2干法压裂储层,进行CO2与储层焖井置换的实验,研究焖井时间与CO2置换效率的关系,探讨储层渗透率对CO2置换效率的影响,分析焖井后返排效果与返排压差的关系。

1 实验部分

CO2置换储层油气是指进行CO2干法压裂后裂缝中的CO2与储层流体之间的置换。在焖井过程中CO2与孔隙内地层原油接触、溶解、扩散,使原油降黏、膨胀,与CO2产生置换作用。采用岩心驱替装置进行CO2和孔隙内地层原油的置换实验,通过置换前后岩心生成物含量测试得到CO2与岩心孔隙内地层原油的置换效率。

1.1 实验材料

实验用水为鄂尔多斯盆地长7油藏现场取样,实验前用0.45 μm滤膜经砂岩漏斗过滤,实验用油采用现场落地原油在实验室用配样器复配所得,油藏温度70 ℃下,原油密度为0.806 g/m3,原油黏度为1.82 mPa·s,实验用CO2纯度为99.99%,实验用岩心取自实际地层条件,渗透率为0.04～0.09 mD,孔隙度为7%～10%。

1.2 实验流程和实验步骤

CO2置换地层原油实验流程如图1所示。

图1 CO2置换实验流程

实验步骤如下。

(1)岩心抽真空加压饱和地层水,利用高温蒸汽驱建立束缚水饱和度。

(2)建立完毕后岩心饱和地层油,记录岩心饱和油量,再将岩心进行劈缝处理(模拟CO2干法压裂处理)。

(3)关闭阀门B饱和CO2,用高压驱替泵以恒定的流速将CO2顶入岩心,直至入口端压力表A达到指定压力后关闭阀门A,焖井一定时间,记录焖井期间岩心夹持器内压力的变化。焖井完成后打开阀门B,通过回压阀控制调整返排压力,计量并收集采出气、油量。

(4)改变焖井时间,重复操作步骤(2)、步骤(3)。

(5)改变岩心渗透率,重复操作步骤(1)～步骤(4)。

(6)计算不同焖井时间条件下,原油采出程度、原油置换率和焖井时间的关系。

具体的实验方案如表1所示。所有实验均在地层温度70 ℃下进行,整个实验过程中,观察实验温度、压力的变化趋势,并记录时间、计量泵读数、产出的油量、产出的CO2气量,计算CO2的置换效率等。

表1 CO2置换实验方案

测试实验后岩心内剩余流体的分布情况,通过CT扫描技术对焖井前后油藏岩心进行扫描,明确CO2置换实验后的岩心孔隙结构变化及流体饱和度变化。

1.3 置换效率计算方法

置换效率的计算式为

(1)

mo=(1-Swi)ρoVp

(2)

Vp=φπd2L/4

(3)

式中：Swi为建立的油藏岩心束缚水饱和度；ρo为地层油密度,g/m3；Vp为油藏岩心孔隙体积,cm3；φ为油藏岩心孔隙度,可由孔渗联测仪确定；d为油藏岩心直径,cm；L为油藏岩心长度,cm。

2 结果与讨论

2.1 最小混相压力

最小混相压力是判断CO2混相驱和非混相驱的重要依据。不同的驱替方式下CO2的作用机理不同,因此开展CO2驱替前首先要研究其最小混相压力的大小。按照中国石油天然气行业标准《最低混相压力细管实验测定法》(SY/T 6573—2016),通过细管实验确定CO2驱的最小混相压力。图2所示为驱替效率与驱替压力的关系曲线。通过两条曲线延长线的交点确定最小混相压力为20.56 MPa,而目标油藏的地层压力为18～21 MPa。压力高于最小混相压力时能够达到CO2混相驱的要求,属于混相驱,反之,属于非混相驱。以下分别研究了混相和非混相两种条件下CO2驱的开发效果。

图2 CO2驱替效率与驱替压力关系曲线

2.2 焖井时间对置换效率的影响

选取3个不同渗透率的岩心,进行了4组不同焖井时间的CO2置换实验,每组实验开井至油采不出为止。岩心A渗透率略小于B大于C。不同焖井时间下置换效率结果如图3所示。

图3 不同焖井时间下的置换效率

对于相同渗透率岩心,CO2置换效率随焖井时间的增加而增加,当焖井时间达到12～24 h以后,再增加焖井时间对其置换效果不会有太大的影响。根据该油藏岩心的CO2置换效果随焖井时间的变化规律,确定其在岩心尺度上的焖井时间应在12～24 h。

对于不同渗透率岩心,相同焖井时间条件下CO2置换效率随渗透率的增加而逐渐增大,说明岩心渗透率越大,裂缝中的CO2向基质中的原油扩散作用增强[9-10],CO2波及系数增大,溶解量增大,膨胀能力增强,在降压返排时排出油的效果越好。

2.3 焖井压力对置换效率的影响

为了研究焖井压力对置换效率的影响,分别开展焖井压力为18、21 MPa的CO2焖井置换实验,观察不同焖井压力下置换效率的变化。图4所示为不同焖井压力下的置换效率。

图4 不同焖井压力下的置换效率

由图4可以看出,焖井压力为21 MPa下的置换效率大于18 MPa,即混相驱的驱油效果高于非混相驱,这是因为当压力高于最小混相压力时,CO2萃取原油中的轻质、中质组分,原油与CO2的界面张力消失,原油的流动性增加,大大减小了渗流阻力,从而增大原油采出程度,提高驱油效率[11-12]。因此,CO2置换的油藏压力最好高于最小混相压力,以获得最佳的置换效果。

2.4 返排压力对置换效率的影响

由前面实验所得该地层最佳焖井时间为12～24 h,取焖井时间24 h,分别以放喷压力17、15、12、8、3 MPa(压差分别为1、3、6、10、15 MPa)重复实验操作,结果如图5所示。

图5 返排压差与采出程度的关系曲线

从结果中可以看出,油藏岩心在不同返排压差条件下原油采出程度随返排压差的增加不断增大,且增大的幅度也逐渐变大,说明返排压差比较小时,返排油量相对较弱,当返排压差达到一定程度后溶解CO2的原油具有较好的膨胀能力,此时可以发挥较好的返排效果。从结果中可以看出,油藏岩心在6 MPa返排压差后采出程度出现突增,说明在实验室条件下返排压差应达到6 MPa以上,可有效提高返排效果。

2.5 孔隙流体分布

X射线微米级CT是利用锥形X射线穿透物体,通过不同倍数的物镜放大图像,由360°旋转所得到的大量X射线衰减图像重构出三维的立体模型。由于CT图像反映的是X射线在穿透物体过程中能量衰减的信息,因此三维CT图像能够真实地反映出岩心内部的孔隙结构与相对密度大小。通过CT扫描技术,明确CO2置换油气后的岩心孔隙结构变化及流体饱和度变化。

将饱和完地层油的岩心和实验后的岩心分别进行CT扫描,在距裂缝不同位置选取2 600 μm×2 600 μm×2 600 μm的一个区域构建三维数字岩心,提取孔隙网络模型并进行统计分析,比较实验前后岩心内流体饱和度变化。CT扫描图如图6、图7所示,置换前后扫描不同部位的孔隙体积特征对比图如图8、图9所示。

图6 置换前(劈缝饱和油)扫描

图7 置换后(CO2置换)扫描

图8 置换前(劈缝饱和油)扫描不同部位的孔隙体积特征对比

CT图像的灰度反映的是岩石内部物质的相对密度,因此CT图像中明亮的部分认为是高密度物质,而深黑部分则认为是孔隙结构。饱和油的岩心,孔隙中为原油和水,密度增大,扫描图像中孔隙变得浅淡。由图6、图7可知,所选取的3个定点中,距裂缝中的定点黑色斑点明显增多,其次为距裂缝距离近的定点,而距裂缝远的定点黑色斑点变化不大。

由图8、图9可知,反应后距裂缝较近的直径为20～50 μm的孔隙分布频率相对减少,70～90 μm的孔隙分布频率明显增多,距裂缝距离为中的孔隙在直径为20～50 μm的孔隙分布频率相对减少,在直径为70～90 μm的孔隙分布频率相对增多,距裂缝距离较远的部位反应前后孔隙体积变化不明显。

距离裂缝越远,置换效果越差,而在距离较中等的部分置换效率最高说明距离裂缝越远,CO2靠扩散作用向远处的孔隙溶解和置换效率低,CO2溶解到孔隙流体中后,在降压返排时压力下降,原油膨胀排出一部分原油,当压力下降到溶解CO2后原油泡点以下时,原油中受脱气影响,排出的CO2会进一步排驱原油,而部分CO2也会串流,使得部分中部孔隙中的原油流经到近裂缝位置时存留,同时CO2快速逸出,使得中间部位的CT可见孔隙增多,近裂缝部位的CT孔隙虽然增多,但受流出的原油残留在近裂缝部位导致可见CT孔隙数量较中间部分的CT可见孔隙数量少。

从整体来看,CO2置换原油还以置换中/近裂缝部位的原油为主,置换后原油主要还是通过大孔道流出,因此,反映出CT可见孔隙中的大孔道中的孔隙体积增大为主。

3 结论

(1)对于渗透率一定的岩心,CO2置换效率随焖井时间的增加而增加,到达一定时间置换效率趋于稳定,对于本次目标油藏最佳焖井时间为12～24 h。在焖井时间相同的情况下,渗透率越大,置换效率越高。

(2)当CO2的焖井压力高于最小混相压力(20.56 MPa)时,在焖井24 h后,混相驱置换效率(21 MPa)比非混相驱(18 MPa)高3.54%。焖井压力高于最小混相压力时会取得更高的置换效率。

(3)岩心置换反应完成后,距裂缝较中等的岩心部分置换效率最高,靠近裂缝的岩心部位次之,距裂缝较远处置换效率最低。