低渗透油藏中CO2与原油的相互作用*

刘家军，李立峰，高 苗

（1.中国石化江苏油田采油二厂，江苏金湖 211600；2.中国石油大学（华东）石油工程学院，山东青岛 266580）

目前，江苏油田低渗透油藏动用储量9700 万吨，占全油田地质储量的48%，提高低渗透油藏采收率是油田稳产的关键。研究表明，注CO2是提高低渗透油藏采收率的有效方法［1］。但在江苏油田实践中，注CO2提高采收率未能达到预期效果，限制了这项技术的规模应用［2］。其主要原因是对油藏状态下CO2与原油间的相互作用缺少认识，提高采收率机理不明确，导致选井缺少针对性。研究表明，油藏状态下CO2一方面能萃取原油中的轻质组分［3-5］，另一方面能溶解于原油，促使原油体积膨胀、黏度降低［6-10］。当前关于CO2萃取原油、对原油的溶解膨胀与降黏等已有较多的研究［10-16］，但对这两种作用的具体表现及对采收率的影响机制仍没有统一的认识，这也是限制现场技术应用的主要瓶颈。因此，本文首先通过CO2萃取和溶解实验，分析CO2与原油相互作用的规律，然后开展CO2驱油实验研究CO2驱油过程中低渗基质原油的动用特征，探索CO2与原油相互作用对提高采收率的影响。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

江苏油田轻质原油，地面密度为843.4 kg/m3（20 ℃，0.101 MPa），黏度为5.2 mPa·s（60 ℃，0.101 MPa）；CO2，纯度为99.99%；驱油实验用岩心模型尺寸为φ2.5 cm×6.0 cm，渗透率为13.5×10-3μm2，孔隙度20.2%。

MesoMR23-060H-I 型核磁共振分析仪，上海纽迈电子科技有限公司；Agilent 7890A 型气相色谱仪，美国安捷伦公司；萃取与溶解膨胀实验装置（见图1），自制；CO2采油实验装置（见图2），自制。

图1 萃取与溶解膨胀实验装置示意图

图2 CO2采油实验装置示意图

1.2 实验方法

（1）CO2萃取原油实验

通过高压反应釜中的CO2萃取实验，考察了不同压力（7.0～40.0 MPa）下，CO2对原油的萃取效果。萃取实验流程如图3 所示。其中，为了定量表征CO2对原油的萃取能力，定义萃取率为：萃取出的原油体积/原油初始体积×100%。实验步骤如下：①首先将100 mL原油加入反应釜中，通过中间柱塞的调整，排出上部空气（步骤E1）；②将反应釜和CO2气体（存储在高压容器中）加热到实验温度60 ℃；③打开反应釜上部阀门，向釜内泵入400 mL CO2，同时打开反应釜下部阀门排出400 mL水，加压至实验压力，关闭阀门（步骤E2）；④高温高压条件下，CO2与原油接触，发生萃取；为了保证CO2与原油的充分接触、传质，连续转动反应釜，使CO2与原油形成对流接触；⑤待反应器内压力趋于稳定时视为达到相平衡，萃取结束（约3 h）；⑥将回压阀设置到实验压力，打开反应釜上部阀门，通过柱塞泵将反应釜上部富化CO2全部排出至分离器中，实现萃取油-CO2的分离，同时收集记录出油体积（步骤E3）；⑦为了实现充分萃取，将CO2再次注入反应釜中，重复步骤③—⑥，直到分离器中无明显的萃取油出现。最后，根据总的萃取出油量计算萃取率。

图3 萃取与溶解膨胀实验步骤

（2）CO2膨胀原油实验

膨胀系数（FS）是表征CO2溶解膨胀原油能力的主要指标。通过溶解膨胀实验，测试了不同压力下，CO2对江苏油田轻质原油的膨胀系数。实验步骤如下：①将Voo=100 mL 的原油加入反应釜中，加热至60 ℃后，注入400 mL CO2，加压至实验压力（步骤S1）；②高温高压条件下CO2与原油相互作用，同时不断转动反应器使气体与原油充分接触；③排出反应釜上部CO2气体（步骤S2）；④将CO2再次注入反应器中，重复步骤②与③，直至分离器中无明显萃取油为止，说明达到了萃取极限，同时CO2也在原油中充分溶解；⑤最后排出CO2气体（步骤S3），反应器中剩余原油体积可以直接读出为Vos，则原油体积膨胀系数为：FS=Vos/Voo。

（3）CO2吞吐采油实验

在岩心夹持器右侧设置了一个φ2.1 cm×0.03 cm 的模拟裂缝（见图2），在同端注采过程中，从入口注入的CO2可以在模拟油藏内与原油形成充分的面接触，实现CO2向原油中的溶解和对原油的萃取作用，以模拟油藏中CO2动用岩心中原油的过程。实验流程如下：①岩心准备。岩心抽真空后饱和蒸馏水，计算孔隙体积；将饱和水的岩心置于常规岩心夹持器中，通过水驱岩心测定其水相渗透率；然后加热至60 ℃，通过油驱水的方式饱和原油。②CO2吞吐采油。取出饱和油的岩心，放入图2 所示改进型岩心加持器中，组装成裂缝-基质模型，升温至60 ℃；利用回压阀设定出口端压力为25.0 MPa，将CO2连续注入模拟裂缝中，直至缝内压力升至25.0 MPa，同时保持夹持器围压始终高于其内部压力2～3 MPa；开启出口阀门，恒速0.1 mL/min 注入CO2，原油从出口端产出，每2 h记录出口端产油量，直至没有原油产出时，停止注气；整个实验过程中裂缝内CO2压力始终保持在25.0 MPa，以实现CO2与原油的多次接触混相（MCM）接触状态。③根据出油量与岩心初始饱和油量，计算原油采收率；利用核磁共振分析仪对CO2-MCM吞吐前后岩心进行核磁共振（NMR）扫描，以判断剩余油分布状态；此外，通过气相色谱仪测定产出原油的组成，以分析低渗基质原油的动用机制。

2 结果与讨论

2.1 CO2-原油传质作用

2.1.1 CO2对原油的萃取能力

不同压力下测得CO2对原油的萃取率如图4所示。在不同压力条件下，随萃取次数增加，萃取率呈现增长趋势且具有相似性。相同萃取次数条件下，萃取率随压力升高而升高；萃取次数达5 次后，萃取率趋于稳定，不再随萃取次数增加而增大，且压力越高萃取率稳定值越高。由图4（b）不同压力下CO2对原油的稳定萃取率可将CO2对原油的萃取分为两个强度不同的压力区间：当压力小于10.0 MPa时，萃取率较低（7.0 MPa、0.6%；10.0 MPa、2.8%），CO2对原油的萃取能力较弱；在压力大于10.0 MPa 的第二区间，萃取率随压力的升高显著增大，压力达到40.0 MPa 时的萃取率可达85.2%。因此，将CO2开始显著萃取原油中轻质组分的压力定义为萃取开始压力（pext），即10 MPa。CO2密度是影响不同压力下CO2萃取能力的主要因素之一［13］，CO2的溶剂化能力正比于其密度；压力越高，CO2的密度越大，单位空间体积内作用于原油分子上的CO2分子越多，与原油分子间的相互作用也越强。此外，文献［14］报道的超临界CO2密度随压力的变化趋势与本文得到的萃取率变化趋势接近，表明两者之间具有潜在的正相关性。

图4 CO2对原油的萃取率随萃取次数（a）和压力（b）的变化

CO2对于原油的萃取作用，一方面能使低渗基质原油直接进入裂缝内的CO2相中随之采出，提高采收率；另一方面，萃取是CO2驱油过程中实现多次接触混相的关键。实际驱油过程中，CO2与原油通常难以实现一次接触混相，而是在两者反复接触的过程中，通过CO2对原油的萃取作用不断富化，最终达到多次接触混相（或者动态混相）的状态。因此，根据萃取率随压力变化的实验数据可以判断：当油藏压力小于等于10.0 MPa 时，CO2对原油的萃取能力较弱，萃取作用可以忽略，CO2很难快速富化，多次接触混相难以实现；当压力超过该值后，由于萃取作用的显著增强，多次接触混相能较容易实现。

2.1.2 CO2对原油的膨胀特征

不同压力条件下测得CO2对原油的膨胀系数（FS）如图5所示。随压力升高，FS先升高至1.25（萃取开始压力pext=10.0 MPa），之后开始降低。当压力达到原油收缩压力pshr=13.0 MPa 时，FS降至1.0 以下，说明原油体积收缩；压力达到40.0 MPa时，FS为0.3。当压力在0～pshr之间时，CO2对原油的萃取作用相对较弱或者刚开始增强（见图4（b）），因此，CO2在原油中的溶解为主要传质形式，原油表现为CO2溶解导致的体积膨胀，FS大于1.0。当压力大于pshr时，CO2对原油的萃取显著增强，由于轻质组分的减少，原油表现为体积收缩，FS小于1.0。

图5 CO2对原油的膨胀系数随压力的变化

当压力大于pext时，由于强烈的萃取作用，CO2和原油的组成都会发生明显的变化：由于原油中轻质组分进入气相，一方面有利于油藏采收率提高；另一方面，CO2逐渐富化，更易达到多次接触混相。但同时，剩余油中重质组分的富集会导致原油变重。这种原油重质组分含量的升高又会带来一些不利影响：（1）浅层基质原油变“重”会阻碍CO2与深层原油的接触、传质；（2）原油黏度显著升高，不利于浅层残余绕流原油的进一步挖潜；（3）强萃取作用容易引起胶质和沥青质沉积，导致低渗基质区域外部渗透率的降低，不利于原油的采出。

2.2 CO2对岩心中原油的动用特征

2.2.1 采收率与剩余油分布

利用设计的物理模型开展CO2驱油实验，根据采出油量计算基质原油采收率，同时为了更加直观地判断模型中原油的动用情况，对驱替前后岩心模型中的原油分布状态进行NMR扫描，结果如图6所示。其中，NMR图像氢原子信号强度代表岩心中含油饱和度的高低：信号强度越大，含油饱和度越高；反之，含油饱和度越低。图像的右侧对应岩心夹持器的右端，即与裂缝中CO2接触的端面。从岩心与CO2接触的右侧端面向左，定义为基质原油的深度。在前10 h范围内，采收率随时间的延长快速增大，对应单位时间内的采收率增量较高（1.1%/h～3.7%/h）；浸泡时间为10 h 时，累计采收率为19.0%。超过10 h后，采收率增长速度减缓，单位时间内的采收率增量明显减小（0.2%/h～1.0%/h）。这说明，采油初期时出油较快，但短时间内采油速度即明显降低。尽管如此，在大于10 h的低速采油阶段，仍能采出较多的原油，对应采收率上升明显，10—62 h 的采收率增幅可达29.0%。当累计达到62 h时，单位时间内的采收率增量基本可以忽略，最终采收率为48.0%。这说明，对于低渗基质岩心长度为6.0 cm 的情况，52—72 h 即可显著动用低渗基质原油，达到较高的采收率。

图6 CO2吞吐过程中基质原油采收率及分布特征

NMR结果表明，注CO2之前，岩心的NMR图像氢原子信号强度较高（约4000），说明原油饱和较充分、均匀。经CO2吞吐采油后，有48.0%的原油被采出。从剩余油分布上看，岩心区域的浅层部位（0—3 cm）注CO2后，氢原子信号强度明显减弱至1000～2000，含油饱和度明显降低。而深度大于3.0 cm 范围后，氢原子信号强度仅略微降低至3000～4000，但整体变化不显著，表明该部分原油未能得到明显动用。这说明裂缝性油藏中，缝内CO2通过与基质原油的MCM 接触，在基质原油中的动用深度约为3.0cm。

2.2.2 基质原油动用机制

在CO2吞吐实验过程中，观察到原油颜色、透明度等物理性质发生了明显的变化。用气相色谱仪对不同CO2注入时间产出的原油组分进行了测试，同时与初始原油及萃取实验中得到的萃取原油组成进行了对比，结果如图7 所示。实验初期（10 h）产出的原油呈现黑色、不透明状态，与初始原油状态相似；从饱和烃组成上看，产出原油与初始原油组成较为接近。CO2在原油中的溶解不会造成产出原油组成的变化，而CO2对原油的萃取作用往往会导致产出原油轻质组分增加，因此，CO2在基质原油中的溶解膨胀是这一阶段的主要采油机理。并且该CO2注入时间内，具有产油速度高的特点。随着时间的延长，产出原油逐渐变为橙黄色、半透明或透明状（如26 h和36 h产出原油）。浸泡26 h和36 h采出原油组成的变化进一步说明了CO2注入采油机理的变化。例如，浸泡26 h采出原油较初始原油明显变轻（采出油：C10—C19=60.0%，C20+=40.0%；初始原油：C10—C19=46.0%，C20+=53.4%），36 h 产出原油也显著变轻（C10—C19=60.6%，C20+=37.8%）。采出原油组成逐渐变轻，并与萃取实验中得到的萃取油组成越发接近（C10—C19=62.6%，C20+=36.9%）。这说明随着时间的延长，CO2-MCM 注入采油机理逐渐由CO2溶解膨胀过渡到萃取机理。当萃取成为主要采油机理时，采油速度明显较低（26、36 h 对应的单位时间驱油效率增量仅为0.71%/h 和0.54%/h），但采收率仍有明显的增长（CO2注入10—62 h 的采收率增幅为29.0%）。

图7 不同时间产出原油的组成

2.3 应用探讨

总结近两年江苏油田低渗透油藏CO2吞吐实践，发现一个现象：注入压力较高，最终效果往往较差。按增油量与注入CO2的比值（t/t）计算CO2吞吐换油率。5个实例油藏类型相近，均为低渗透油藏，渗透率分布为（15～36）×10-3μm2。原油均为轻质低黏度油，均首次实施CO2吞吐，注CO2前生产不含水。随着油藏压力升高，CO2吞吐换油率降低，注CO2效果变差。效果较好的Q7P1、H76-1 井注CO2后的油藏压力分别为9.3、12.1 MPa，放喷初期即是油气混出，放喷过程中井口压力下降速度慢，停止自喷转抽后产液量明显高于注CO2吞吐前，增液增油效果比较明显，换油率分别为0.67和0.46，经济效益较好。效果较差的SH10、Q17-1及Q3P1 3口井注CO2后的油藏压力分别为18.4、18.6、24.0 MPa，换油率分别为0.10、0.05、0.14。放喷初期产出全气无油，压力快速下降，停喷转抽后产液量变化不大，增油效果不明显。分析认为，Q7P1、H76-1井在注CO2过程中（吞）压力较低，以CO2在原油中溶解膨胀为主，原油体积膨胀后油藏能量得到有效补充，生产过程中（吐）油藏能量得到发挥，产液量较注气前明显上升，CO2吞吐效果好。SH10、Q17-1 及Q3P1 井在注CO2过程中压力较高，以CO2萃取原油中轻质组分为主，较强的萃取抽提作用一方面不利于原油膨胀增能，另一方面有助于油气混相、抑制气窜。注入CO2将原油驱离近井地带，最终生产过程中（吐）产液量变化不明显甚至下降，CO2吞吐效果差。这3口井转为CO2驱可取得更好的注气提高采收率效果。因此，在现场应用注CO2提高采收率中，应基于与原油相互作用机理，结合油藏压力、温度条件，分析溶解与萃取作用主导关系，优选CO2吞吐与CO2驱类型，以提高技术应用效果。按照现场应用实例，江苏油田低渗透油藏中，压力低于15 MPa 的油藏应优先考虑CO2吞吐，高于15 MPa的油藏应优先考虑CO2驱。

3 结论

CO2对原油的萃取表现为以pext=10.0 MPa 为界的两个强度不同的压力区间：当压力小于pext时，萃取率较低，CO2对原油的萃取能力较弱；压力大于pext时，萃取率随压力的升高显著增大，40.0 MPa 时的萃取率可达85.2%。

原油体积变化的临界压力pshr=13.0 MPa。压力为0～pshr时，CO2对原油的萃取能力弱或刚开始增强，CO2在原油中的溶解主要为传质形式，原油表现为体积膨胀；压力大于pshr时，CO2对原油的萃取显著增强，原油表现为体积收缩。

对于长度为6.0 cm 的低渗岩心，CO2驱替62 h后的原油采收率基本达到稳定。在驱替初期主要增产机理为CO2在原油中溶解膨胀，此阶段内产油速度较高；驱替后期主要增产机理为CO2萃取原油中的轻质组分，此阶段内产油速度变缓。在江苏油田应用CO2采油技术时，需充分考虑油藏条件对CO2与原油作用的影响，压力低于15 MPa的油藏应优先考虑CO2吞吐，高于15 MPa的油藏应优先考虑CO2驱。