【ISCO】緻密砂岩油藏 CO₂ 驅原油動態運移可視化研究：微觀可視化、原油運移特性、雙重介質、CO₂ 驅油、緻密砂岩油藏

二氧化碳驅是緻密砂岩油藏補充地層能量、提高開發效果的有效手段，但驅替階段原油動態運移特性複雜，原油動用法則還不明確。透過微觀可視化實驗結合高解析度影像分析技術，對緻密砂岩油藏不同類型儲集空間 (基質孔喉單一介質/基質裂縫雙重介質) 中的二氧化碳驅原油動用特徵，開展了可視化定性和數位化定量的聯合表徵，揭示二氧化碳驅原油動態運移規律及賦存特徵。實驗結果表明，二氧化碳驅原油動用面積與注入壓力呈正相關關係，混相驅階段原油動用面積達到最大值；同時，單一介質的原油動用面積與驅油效率明顯高於雙重介質，裂縫結構導致部分二氧化碳優先沿裂縫通道竄流，使基質孔喉的原油動用程度降低。二氧化碳驅替後殘餘油賦存特徵受孔喉非均質性與注入壓力的影響，低壓階段呈片狀或團狀分佈，高壓混相階段主要以條帶狀或油滴狀殘餘油存在。研究成果揭示了緻密砂岩油藏二氧化碳驅油機理，為提升二氧化碳驅油效果提供了理論支持。

一、實驗

1. 實驗材料與設備

實驗所用原油樣品取自鄂爾多斯盆地長 6 油藏，與取樣岩心為同層同井，原油最小混相壓力為 19.4 MPa；將選取的長 6 緻密砂岩油藏天然岩心製作成微觀可視化模型，模型參數如 表 1；實驗所使用二氧化碳氣體純度為 99.9%。實驗設備為自主研發的高溫高壓可視化物理流動模擬驅替系統，溫度設定為 60℃，注入參數設定如 表 2。實驗中為了更好地觀察原油在孔隙中的分佈情況，用油紅對模擬原油進行染色。

表 1  微觀可視化岩心模型參數

表 2  微觀可視化實驗參數

利用高溫高壓可視化物理流動模擬系統 (圖 1) 觀察二氧化碳驅原油動用規律，同時觀察氣體沿裂縫及裂縫週邊的竄逸規律。實驗系統主要由動力系統、自動圍壓追蹤系統、視覺化模型系統、高畫質攝影系統、溫度控制系統、回壓系統、中間容器等輔助裝置所組成。透過調節回壓系統，使二氧化碳經過氣相、超臨界等不同相態，對比二氧化碳非混相和混相微觀可視化驅油特性。透過 SMZ1500 高清顯微鏡、微量泵和高清錄影系統對不同壓力驅油過程中二氧化碳-原油體系在裂縫型雙重介質中的相態特徵動態變化進行詳細記錄，明確在緻密砂岩油藏裂縫型雙重介質的驅油規律。

圖 1  高溫高壓可視化物理流動模擬系統

2、實驗流程

1）對選取的岩心樣本進行篩選、分類和編號，用苯和乙醇按體積比 3∶1 的比例對岩心進行深度洗油操作，清洗完成後將岩心置於恆溫箱內進行烘乾；在 80℃ 下對岩樣進行烘乾 24h

2）對岩心樣品進行物性參數分析等測試工作，將岩心進行切割打磨並製成長 50 mm × 寬 25 mm × 厚 0.5 mm 的可視化模型，沿可視化模型中軸進行刻蝕人工裂縫，縫寬和縫深為 0.5 mm，長度為 50 mm，環氧樹脂包裹，確保薄片與玻璃壁面之間的密封

3）配置礦化度為 25000 mg/L 的模擬地層水，將薄片模型放入可視化物理流動模擬系統以點注入的方式驅替飽和，驅替壓力 3 MPa，設定自動圍壓泵壓力為 3.5 MPa，當注入壓力達到 5 PV 時停止飽和，建立微觀可視化薄片的原始地層水分佈

4）以 0.05 mL/min 的速度以點注入的方式飽和原油，精確調控注入壓力與回壓，促使原油在較低流速下慢慢擴散至裂縫及基質中，確保原油能夠充分飽和基質，同時保持岩心微觀視窗的壓力平衡，防止岩心發生破裂，完成薄片模型原始油水分佈構建

5）設置驅替系統溫度為 60℃，二氧化碳點注入壓力分別為 4 MPa、8 MPa、16 MPa 及 20 MPa，採用逐步增壓的方式，確保岩心在壓力逐漸增加的過程中能夠穩定維持平衡，避免因突增壓差導致岩心結構破壞，透過顯微鏡對可視化模型進行即時影像擷取，裂縫在基質中流及變化

6）即時監測系統來精確捕捉實驗過程中的壓力差變化，在出口端停止出油時結束實驗，將實驗過程中記錄驅替時間、驅替速度、注入氣量、進出口壓力等數值，分析評估不同壓力下二氧化碳流體相態變化、滲流路徑及驅油效率

3、驅油效率計算方法

採用 ENVI 軟體計算岩心可視化薄片驅油效率，對影像進行預處理，增強影像辨識特徵；將影像分為殘餘油區 (紅色)、二氧化碳有效動用區域 (綠色)、束縛水區域 (藍色) 以及岩石顆粒 (黃色) 4 部分；選取這 4 部分作為典型樣本進行訓練分類；依據分類結果，輸出驅油面積百分比、剩餘百分比、計算百分比、計算物油面積百分比。

岩心可視化薄片驅油效率計算式如下：

式 (1) 中：E 為驅油效率；Sow 為岩樣飽和油後含油面積佔比；Si 為二氧化碳有效動用區域面積佔比。

圖 2  可視化模型高解析度圖形處理

二、實驗結果與討論

1. 不同狀態二氧化碳驅油特徵

前人以玻璃蝕刻模型模擬天然岩心孔隙系統研究油藏中流體驅替過程，因缺乏真實岩石複雜性與異質性易導致結果偏差。真實岩心微觀視覺化模型借助高解析度成像技術觀察驅替過程，能呈現更複雜流動路徑與界面現象。油紅對原油的表面張力、流變性質等方面的影響較小，常作為示蹤劑使用。圖 3 為單一介質模型二氧化碳點注入驅替原油動態運移影像，不同註入壓力下殘餘油分佈規律差異明顯。低注入壓力下，二氧化碳沿著大孔隙快速遷移，基質及小滲流通道累積大量殘餘油（圖 3a），微觀波及範圍較小，驅油效率較低。超臨界狀態下，殘餘油分佈面積與飽和度降低，流動通道延伸（圖 3b）。近混相驅替階段，殘餘油分佈面積持續縮小，高滲透壓大孔隙喉管及週邊油飽和度顯著降低（圖 3c）。當注入壓力超過最小混相壓力時，二氧化碳驅油效果顯著提升，20 MPa 注入壓力下波及體積最大，原油動用程度最高，高滲透壓通道及週邊殘餘油飽和度最低（圖 3d）。

圖 3  單一介質模型 CO₂ 驅原油動態運移圖像

圖 4 為雙重介質模型二氧化碳點注入驅替原油動態運移影像。注入的二氧化碳優先沿裂縫流動，近裂縫邊緣區域擴散波及作用較好，該部分驅替後有少量淺紅色殘餘油，裂縫邊緣遠端有大量深紅色剩餘油 (圖 4a）。氣相二氧化碳波及體積小，驅油效率有限。注入壓力增加至超臨界狀態，殘餘油分佈面積減少，飽和度降低，裂縫週邊顏色變淺 (圖 4b）。提高注入壓力至近混相驅替階段，殘餘油面積持續減少，裂縫及其周邊飽和度顯著降低 (圖 4c）。當注入壓力遠大於最小混相壓力時，20 MPa 注入壓力下二氧化碳擴散波及體積最大，原油動用程度最高，裂縫及其周邊殘餘油飽和度最低  (圖 4d）。對照可知，隨著注入壓力增大，微觀可視化薄片殘餘油分佈面積減少、飽和度降低，驅油效率增大。

圖 4  雙重介質模型 CO₂ 驅原油動態運移影像

2. 殘餘油賦存特徵

傳統實驗模型因孔隙結構簡化，難以全面反映殘餘油分佈。本文透過高解析度成像技術，觀察殘餘油在孔隙中的滯留位置、形態及其與周圍流體的相互作用。從 圖 5 單一介質二氧化碳點注驅替後殘餘油分佈特徵來看，驅替時二氧化碳先沿著高滲透壓通道流動，再擴散至邊緣區域，使驅替前緣紅色區域顯著減少並變淺。不同二氧化碳波及程度導致了殘餘油賦存特徵的顯著差異。氣相驅替階段，孔隙連通性好區域殘餘油分佈較少，呈片狀或寬條帶狀（圖 5a）；超臨界狀態下，原油動用程度上升，高滲通道及週邊殘餘油減少，邊緣呈葉片狀（圖 5b）；混相驅替階段，基質與小滲流通道原油有效動用，僅在高滲透壓通道週邊形成條帶狀殘餘油（圖 5c）；注入壓力達到混相壓力時，整體動用程度顯著提高，殘餘油面積減少，表現為較大油滴油柱狀（圖 5d）。

圖 5 單一介質殘餘油賦存特徵

在雙介質模型驅替過程中，二氧化碳不斷波及到遠離裂縫區域，剩餘油富集區顏色逐漸變淺。由於緻密砂岩孔喉結構分佈強烈非均質性，裂縫週邊岩石顆粒周圍賦存斑點狀剩餘油。二氧化碳優先沿高滲透壓裂縫流動，逐步擴散波及至遠離裂縫邊緣區域，驅替前緣紅色區域減少變淺。二氧化碳波及程度不同，殘餘油賦存特徵差異較大。氣相驅替階段，孔隙連通性較好的區域殘餘油呈團狀（圖 6a）；超臨界狀態下，原油動用程度增加，裂縫及其周邊殘餘油較少，遠離裂縫區域形成片狀殘餘油（圖 6b）；混相驅替時，遠離裂縫區域的原油被有效動用，僅在裂縫週邊形成條帶狀殘餘油（圖 6c）；注入壓力達到混相壓力後，整體動用程度大，由於賈敏效應，較小孔隙中殘餘油表現為油滴（圖 6d）。

圖 6 雙重介質殘餘油賦存特徵

3. 原油動用規律

緻密砂岩儲層二氧化碳的擴散能力及其與原油的相互作用對提高驅替效率顯得特別重要。如 圖 7 所示，在註入壓力較低時，二氧化碳整體驅油效率較低，單一介質和雙重介質可視化模型驅油效率分別為 27.96% 和 15.95%。超臨界驅替階段，二氧化碳能夠更大程度動用微、奈米孔隙介質中原油，同時驅替前緣帶相較於氣相二氧化碳驅替階段不斷向裂縫兩側波及延伸，驅油效率不斷上升。此時，單一介質和雙重介質可視化模型驅油效率分別為 32.99% 和 18.62%。增加註入壓力達到近混相驅替階段時，可視化模型驅油效率大幅提高，單一介質和雙重介質可視化模型驅油效率分別提高至 45.58% 和 21.35%。當二氧化碳注入壓力大於最小混相壓力時，二氧化碳與原油形成混相，二氧化碳波及範圍達到最大值，此時單一介質與雙重介質模型驅油效率分別達到最高值 57.69% 及 28.49% (圖 7）。

圖 7  驅油效率與注入壓力關係

綜上可知，雙重介質整體驅油效率低於單一介質。由於裂縫的存在，注入的二氧化碳優先沿著裂縫擴散，遠離裂縫區域原油動用程度較低。整體來看，無論是單一介質或雙重介質，在較低的注入壓力下，原油動用程度低，驅油效果差；隨著注入壓力的增加，原油動用程度提高，驅油效果改善。微觀可視化實驗結果表明，混相驅替狀態下，二氧化碳驅油效率最高，驅替效果最好。

比較單一介質和雙重介質模型驅油效率增幅發現（圖 8），在較低注入壓力下，超臨界二氧化碳狀態下雙重介質的驅油效率增幅相對較小，僅 2.67%，而單一介質的增幅為 5.03%。隨著注入壓力的增加，單一介質的驅油效率增幅逐步增大，達到 17.62%，而雙重介質的增幅僅5.4%。進入混相驅替階段，單一介質的驅油效率增幅顯著高於雙重介質，分別為 29.73% 及 12.54%。由此可見，隨著注入壓力的增加，二氧化碳驅油效率增幅逐漸增大，雙重介質驅油效率增幅整體低於單一介質。最終雙重介質的整體驅油效率較低，殘餘油分佈範圍較大。

圖 8  驅油效率增幅變化規律

驅油效率與二氧化碳注入量呈正相關 (圖 9)，隨著注入量的增加，單一介質和雙重介質原油使用規律有較大的差異。對於單一介質，隨著注入量的增加，二氧化碳能夠進入到更多孔隙中，波及體積增大，驅油效率隨之增加，驅油效率表現為快速上升。當二氧化碳注入量持續增加時，驅油效率持續增加，但是增幅減少。當二氧化碳注入量超過 3PV 時，繼續增加註入量，驅油效率增幅基本不變(圖 9a)。由於裂縫的存在，雙重介質驅油效率整體較低。注入的二氧化碳主要沿著裂縫逃竄，難以有效動用裂縫遠端的原油。在不同註入量下，二氧化碳驅油效率上升幅度較緩慢，最終驅油效率較低 (圖 9b)。

圖 9  驅油效率與注入量關係

4. 二氧化碳驅原油動用主控因素

如 圖 10 所示，注入壓力與微觀原油動用程度 (驅油效率) 呈正相關關係，雙重介質擬合得到曲線斜率為 0.6953，較小的斜率顯示隨著注入壓力的增加，二氧化碳驅油效率增幅相對較低。而對於單一介質而言，擬合所得的曲線斜率為 1.8013，遠大於雙介質擬合所得的曲線斜率。分析可得，提高注入壓力對於提高單一介質驅油效果較好。改變二氧化碳相態以及驅替狀態，更容易動用基質殘餘油，進而提高緻密油藏採收率。

不同介質微觀可視化驅油特性與注入量的相關性如圖11所示。根據驅油效率的增幅，可以將二氧化碳驅油過程分為兩個階段。第1階段二氧化碳驅油效率隨著注入量的增加快速上升，第2階段驅油效率增加幅度小。對於單一介質而言，第1階段單一介質擬合曲線斜率相對較大，特別是二氧化碳進入近混相和混相驅替時，單一介質和雙重介質擬合得到曲線斜率差值進一步增加。第2階段驅替時，單一介質驅油效率增加較大，雙重介質擬合所得的曲線斜率接近零（表 3）。顯示驅替後期，二氧化碳在雙重介質難以有效動用殘餘油，增加註入量對於提高驅油效率貢獻小。

圖 10  不同註入壓力下相關性分析

圖 11  不同註入量下相關性分析

表 3   不同註入量與驅油效率擬合關係式

5. 二氧化碳微觀驅油機理

綜合實驗表明，在單一介質模型中(圖 12a)，二氧化碳混相驅可顯著提高緻密砂岩儲層原油動用程度。低注入壓力下，驅油效率受孔隙結構限制，二氧化碳沿著大孔隙擴散，對小孔隙原油動用效果較差。此時，二氧化碳透過溶解作用提高了原油採收率；隨著注入壓力升高，二氧化碳在原油中溶解度增加，原油的流動能力增強，減少了毛管阻力，提高了採收率，注入壓力超過最小混相壓力時，二氧化碳能夠滲入更小的孔隙空間，減少儲層非均質性對動用的影響。而此階段二氧化碳還能抽提原油中的輕烴，降低驅替相與被驅替相之間的界面張力，進而提高波及效率、波及體積。注入壓力為 20 MPa 時原油採收率最高。在雙重介質中 (圖 12b)，二氧化碳波及區域不均勻，遠離裂縫區域的微奈米孔隙喉道中的殘餘油呈葉片狀或斑點狀分佈，難以動用。低注入壓力時，二氧化碳需克服毛管力，優先沿裂縫及較大孔隙流動，驅油效率低；注入壓力增加後二氧化碳可擴散至更多孔隙，波及麵積擴大，驅替前緣呈條帶狀向裂縫兩邊延伸，達到最大波及範圍時，基質孔喉中殘餘油呈斑點狀分佈。此時二氧化碳主要靠膨脹作用驅替原油，同時伴隨萃取、抽提與溶解作用輔助動用，裂縫邊緣區域原油動用程度較高。隨著驅替過程的推進，二氧化碳驅替前緣向裂縫兩邊擴展，逐漸提高雙重介質驅油效率。

圖 12  CO₂ 驅原油微觀動用機制

三、結論

1）二氧化碳驅原油動用面積與注入壓力呈正相關關係，隨著注入壓力的增加，不同介質內二氧化碳的波及體積均逐漸增大，驅油效率顯著提高；混相驅階段原油動用面積達到最大值，驅油效果最佳。

2）單一介質模型中的二氧化碳能夠更有效地進入微、奈米孔隙介質中，波及體積較大，雙重介質中的裂縫結構優先引導二氧化碳沿裂縫擴散，導致遠離裂縫區域的原油動用程度較低，驅油效率較單一介質低。

3）二氧化碳驅替後殘餘油賦存特徵受孔喉非均質性與注入壓力的影響，二氧化碳優先沿高滲流通道或裂縫流動，在氣相驅替階段，殘餘油多以片狀或團狀形式分佈。壓力達到混相後，殘餘油動用程度顯著提升，僅在高滲透壓區域週邊滯留少量條帶狀或油滴狀殘餘油。

本文作者：王 琛 ，高 輝 ，羅開慶，李 騰 ，程志林 ，劉月亮。文章來自《中國海上油氣》由油媒方整理發布，內容不做商用，僅用於技術交流，如有侵權，請聯絡小編，歡迎業內朋友投稿交流，共同傳播油氣創新知識。