郭德明，潘 毅，孫 揚(yáng)，巢忠堂，李曉楠，程詩勝

（1.西南石油大學(xué)，四川成都610500；2.中國石化江蘇油田分公司，江蘇揚(yáng)州225009）

CCUS（碳捕集、利用與封存）技術(shù)，即將生產(chǎn)過程中排放的CO2捕集后投入到新的生產(chǎn)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)CO2的利用和封存，這是石化能源大規(guī)模低碳利用的關(guān)鍵技術(shù)，也是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和的重要途徑。早在1958年，美國就在德克薩斯州Dollarhide Deveonian 油田實(shí)施了第一個(gè)CO2混相驅(qū)礦場(chǎng)試驗(yàn)，我國對(duì)注CO2提高采收率技術(shù)的研究也從未停止過，“十一五”期間在中國吉林油田建成了第一個(gè)CO2天然氣藏開發(fā)和CO2驅(qū)油與埋存一體化的CO2驅(qū)工業(yè)化推廣項(xiàng)目，提高原油采收率13.8%。雖然將CO2注入油藏能夠?qū)崿F(xiàn)提高采收率與溫室氣體埋存的雙贏，但中國大部分油田屬于陸相沉積儲(chǔ)層，具有非均質(zhì)性強(qiáng)，原油黏度高的特點(diǎn)[1-7]，CO2驅(qū)油時(shí)氣竄、黏性指進(jìn)現(xiàn)象嚴(yán)重，不僅無法實(shí)現(xiàn)對(duì)CO2的有效埋存，同時(shí)也會(huì)降低CO2的利用率。為此，CO2復(fù)合驅(qū)技術(shù)受到越來越多的關(guān)注[8-18]，結(jié)合江蘇油田Z-13斷塊油藏的實(shí)際特點(diǎn)，選用水溶性降黏劑作為復(fù)合驅(qū)段塞以改善開發(fā)效果，結(jié)合CO2—EOR 技術(shù)，提出水溶性降黏劑-CO2復(fù)合驅(qū)油體系。通過開展地層油注CO2膨脹實(shí)驗(yàn)、不同體系黏溫曲線測(cè)試以及長巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，明確了CO2-降黏劑復(fù)合驅(qū)提高采收率機(jī)理。以期為稠油油藏探索基于CO2—CCUS技術(shù)的高效開發(fā)技術(shù)提供參考。

1 CO2、降黏劑對(duì)稠油黏度的影響

Z-13 斷塊構(gòu)造埋深為2 160 m，地質(zhì)儲(chǔ)量為142×104t，油藏平均滲透率為16.6×10-3μm2，地層油黏度為80 mPa·s，地層油密度為0.877 g/cm3，屬低滲稠油油藏。以Z-13 斷塊儲(chǔ)層條件為出發(fā)點(diǎn)，探究CO2、降黏劑對(duì)稠油物性的影響，旨在認(rèn)識(shí)注入劑與提高采收率相關(guān)的驅(qū)油機(jī)理。

1.1 CO2對(duì)稠油的溶脹降黏作用

主要以研究CO2在Z-13 區(qū)塊稠油中的溶脹特征為基礎(chǔ)來認(rèn)識(shí)注氣提高采收率機(jī)理。利用PVT 相態(tài)分析儀測(cè)試原油注CO2相態(tài)特征，借助實(shí)驗(yàn)得到的一系列高壓物性參數(shù)，從熱力學(xué)角度來認(rèn)識(shí)注氣驅(qū)物理化學(xué)驅(qū)油機(jī)理，評(píng)價(jià)Z-13 斷塊注CO2技術(shù)的可行性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 地層溫度91℃下注CO2膨脹實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Experimental data of CO2 injection at formation temperature（91 ℃）

注CO2能有效提高采收率的一個(gè)重要依據(jù)是注入的CO2溶解到原油后可以使原油黏度降低，而降黏的效果與驅(qū)油效果密切相關(guān)[19]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨著CO2的注入量的增加，原油溶解CO2降低了原油密度，對(duì)稠油的稀釋作用越明顯[20-21]，原油黏度從88.08 mPa·s降至62.68 mPa·s，當(dāng)注氣摩爾分?jǐn)?shù)達(dá)到60%時(shí)，降黏率為28.84%。黏度降低可以增加稠油流度和驅(qū)替劑的波及面積。

在分析地層油注氣膨脹能力時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)注氣摩爾分?jǐn)?shù)達(dá)到60%時(shí)，原油體積膨脹系數(shù)可達(dá)到1.16，而體積膨脹可以使孔隙中的含油飽和度增加，進(jìn)而使得儲(chǔ)層中可動(dòng)油飽和度增加，油藏也會(huì)因此獲得更高的采收率。

隨CO2注入量的增加，CO2的密度也會(huì)不斷升高，與原油的密度差不斷減小，原油與CO2之間的界面張力也在不斷減小，當(dāng)注氣摩爾分?jǐn)?shù)達(dá)到60%時(shí)，界面張力降低至超低界面張力范圍（10-2mN/m），極大地降低了低微孔隙驅(qū)油過程的界面滲流阻力，提升CO2微觀驅(qū)替過程的洗油效率[21]，進(jìn)一步證實(shí)了Z-13斷塊注氣提采的可行性。

1.2 降黏劑對(duì)稠油的降黏作用

采用國產(chǎn)CHY-V 型稠油黏度計(jì)，在原始地層壓力條件下，對(duì)比地層油、地層油-降黏劑體系、CO2-降黏劑-地層油復(fù)合驅(qū)油體系的黏溫曲線，通過不同體系的黏度變化認(rèn)識(shí)復(fù)合驅(qū)油體系的驅(qū)油機(jī)理，測(cè)試結(jié)果見圖1。

圖1 壓力21.3 MPa下黏度隨溫度變化曲線Fig.1 Viscosity curves change with temperature at 21.3 MPa

在分析不同體系降黏效果時(shí)發(fā)現(xiàn)：在地層條件下，KD-45A 型降黏劑對(duì)地層油的降黏率僅為14.8%，并不能起到很好地降黏效果?？紤]到實(shí)驗(yàn)過程以及降黏劑密度的影響，在靜態(tài)條件下，水溶性降黏劑只能乳化油/劑界面層，無法進(jìn)入油層深處，所以降黏效果較差。

CO2在原油的溶解度較大，能夠使原油間的分子力部分轉(zhuǎn)變?yōu)闅?液分子間的引力，以此來降低原油間的內(nèi)摩擦力從而起到降黏效果[22]，因此，地層油-降黏劑-CO2體系降黏效果較好。通過以上曲線也不難看出，注入CO2可以使地層油-降黏劑混合體系黏度降低52.7%。原始地層條件下降黏劑與CO2的復(fù)合體系對(duì)地層油的降黏率可達(dá)59.7 %。由此可見，復(fù)合體系對(duì)地層油的降黏效果更加理想。

2 長巖心模型降黏劑溶液-CO2驅(qū)油實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

主要實(shí)驗(yàn)儀器：加拿大RUSKA 長巖心驅(qū)替設(shè)備。主要實(shí)驗(yàn)材料：標(biāo)準(zhǔn)巖心組成的組合長巖心模型（巖心基礎(chǔ)參數(shù)如表2 所示）；根據(jù)Z-13 斷塊實(shí)際地層水性質(zhì)配制而成的地層水，總礦化度為17 276 mg/L，K++Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-、CO32-的質(zhì)量濃度分別為6 404，144，21，9 140，496，970，99 mg/L；地層油；體積分?jǐn)?shù)為0.5%的KD-45A型水溶性降黏劑；注入氣為工業(yè)CO2。

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)為對(duì)比性實(shí)驗(yàn)，分別設(shè)計(jì)了7種不同的驅(qū)替方式，具體為前置不同尺寸（0.1，0.2，0.3，0.4 HCPV，注：HCPV表巖心烴類孔隙體積）降黏劑段塞-CO2驅(qū)（即先注入一定量的降黏劑，后用CO2連續(xù)驅(qū)替）、降黏劑-CO2交替驅(qū)、CO2連續(xù)驅(qū)、降黏劑驅(qū)。以下具體實(shí)驗(yàn)步驟為：

1）通過加權(quán)平均計(jì)算得出巖心排序從入口到出口依次為Z13-3、4、7、5、6、1、2。將巖心按順序依次裝入巖心夾持器，在地層溫度91℃下用兩臺(tái)真空泵在巖心兩端將巖心抽空，使其真空度達(dá)0.01 mmHg后再抽空24 h。

2）以0.1 mL/min 的流速飽和地層水，待出口流速穩(wěn)定后計(jì)算巖心中飽和水的體積，隨后以同樣的速度飽和脫氣油，計(jì)量產(chǎn)出水體積，若出口不產(chǎn)水且產(chǎn)油速度穩(wěn)定時(shí)可斷定巖心中束縛水已建立完成，此時(shí)逐步提升回壓使得出入口壓力均為地層壓力（21 MPa），同時(shí)計(jì)算束縛水飽和度、含油飽和度。

3）用模擬地層油驅(qū)替脫氣原油直至出口氣油比恒定，在地層條件下老化72 h 備用。首先開展0.1 HCPV降黏劑段塞-CO2復(fù)合驅(qū)實(shí)驗(yàn)。

4）以0.1 mL/min的速度向老化后的巖心中注入降黏劑1.445 mL（0.1 HCPV），后轉(zhuǎn)注CO2連續(xù)驅(qū)替，記錄出口產(chǎn)出油、氣體積，當(dāng)驅(qū)替倍數(shù)到達(dá)1.2 HCPV后結(jié)束驅(qū)替。

表2 Z-13組合長巖心模型巖心孔滲參數(shù)Table 3 Core and permeability parameters of Z-13 displacement experimental core

5）重復(fù)前三步，改變第四步的段塞大小，得到不同前置段塞所對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

6）重復(fù)前三步，隨后將降黏劑與CO2交替注入巖心，每次注入量均為0.1 HCPV，注入速度均為0.1 mL/min，當(dāng)CO2突破后進(jìn)行連續(xù)CO2驅(qū)，注入倍數(shù)達(dá)到1.2 HCPV時(shí)結(jié)束驅(qū)替，得到交替驅(qū)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

7）重復(fù)前三步，后恒速向巖心注降黏劑（CO2），注入速度為（0.1 mL/min），驅(qū)替倍數(shù)到達(dá)1.2 HCPV后結(jié)束實(shí)驗(yàn)，得到降黏劑驅(qū)（CO2驅(qū)）實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了探究降黏劑段塞的驅(qū)油機(jī)理及段塞大小對(duì)采收率的影響，開展了前置0.1，0.2，0.3，0.4 HCPV 降黏劑段塞-CO2復(fù)合驅(qū)油實(shí)驗(yàn)。圖2 給出不同前置段塞采收率、氣油比隨注入倍數(shù)變化的曲線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)注入段塞小于0.3 HCPV，段塞越大采收率越高，此時(shí)段塞越大越能“降低”氣相向出口推進(jìn)的速度，段塞對(duì)CO2的調(diào)驅(qū)作用越明顯，CO2的波及面積越大，剩余油飽和度越低；當(dāng)段塞大于0.3 HCPV時(shí)，降黏劑段塞的調(diào)驅(qū)作用更加明顯，此時(shí)CO2最晚突破，如圖2b 所示，但段塞過大也會(huì)阻礙降黏劑與CO2的協(xié)同關(guān)系，復(fù)合驅(qū)油體系變?yōu)閱我唤叼?qū)，累積采收率反而會(huì)降低。

圖2 不同前置段塞采收率、氣油比隨注入倍數(shù)變化Fig.2 Variation curves of different pre-slug recovery factor and gas-oil ratio with injection ratio

降黏劑與CO2的協(xié)同作用機(jī)理可以通過以下分析來確定：

1）對(duì)于CO2驅(qū)，油氣兩相黏度差會(huì)導(dǎo)致驅(qū)替過程中形成不規(guī)則的油氣驅(qū)替前緣，隨著CO2的連續(xù)注入，造成嚴(yán)重的指進(jìn)現(xiàn)象，CO2快速突破油相到達(dá)出口，僅形成狹長的高滲波及區(qū)，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)CO2的有效利用，圖3 可以看出，CO2驅(qū)最先突破，突破后累積采出程度曲線馬上趨于平緩。

圖3 不同注入方式累積采收率、氣油比隨注入倍數(shù)變化Fig.3 Variation curve of cumulative recovery factor and gas-oil ratio with injection ratio under different injection methods

2）對(duì)于復(fù)合驅(qū)油體系，降黏劑段塞使原本的CO2/原油界面轉(zhuǎn)換為降黏劑/原油界面，根據(jù)流度比的定義可以表示為：

式中：M1、M2為CO2與原油、降黏劑與原油間的流度比；λc、λo、λj為CO2、地層油、降黏劑的流度；Ki為有效滲透率，μm2；μi為流體黏度，mPa·s。

根據(jù)相滲透率的定義：

流度比可表示為：

則

式中：Qi為在壓差ΔP下，流體通過巖心的流量，cm3/s；μi為通過巖心的流體黏度，mPa·s；C為常數(shù)。

儲(chǔ)層對(duì)氣相的通過能力遠(yuǎn)大于液相，故M1遠(yuǎn)大于M2。降黏劑段塞很大程度上緩解了原本的氣油兩相黏度差，降低了油氣兩相間的流度比，增加了CO2波及面積。

以上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，對(duì)比不同注入方式來認(rèn)識(shí)復(fù)合驅(qū)體系驅(qū)油機(jī)理。不同驅(qū)替方式的累積采出程度存在較大差異，表明不同驅(qū)替方式形成了不同的驅(qū)油機(jī)理（圖3）。圖3a、圖3b 分別給出不同注入方式累積采收率、氣油比隨注入倍數(shù)變化曲線，從圖3b 可以看出，含降黏劑段塞的復(fù)合驅(qū)油體系比CO2驅(qū)突破更晚。當(dāng)驅(qū)替倍數(shù)為1.2 HCPV 時(shí)，0.3 HCPV 降黏劑段塞-CO2驅(qū)的最終采收率比CO2驅(qū)高6.09%，交替驅(qū)比CO2驅(qū)高13.44%，降黏劑與CO2協(xié)同關(guān)系顯著。首先，降黏劑段塞能夠改善因黏度差引起的油氣過大的流度比，有效的控制CO2沿氣流通道迅速突進(jìn)，此時(shí)的CO2不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)狹長帶狀波及區(qū)的有效波及，還能夠進(jìn)入遠(yuǎn)離主流線的區(qū)域，實(shí)現(xiàn)對(duì)更遠(yuǎn)、更小孔道的有效波及[23]；另外，高溫會(huì)加劇降黏劑分子的布朗運(yùn)動(dòng)，這種分子的無規(guī)律運(yùn)動(dòng)會(huì)引起降黏劑分子的“擴(kuò)散”，段塞中的降黏劑分子通過界面運(yùn)移擴(kuò)散至油相，“破壞”稠油分子之間的作用力，“解聚”稠油大分子向低層次轉(zhuǎn)化[24]，隨后，活性劑親油基團(tuán)向內(nèi)包裹住油相，親水基團(tuán)向外形成連續(xù)相，形成低黏度的O/W 形乳狀液[25]，此時(shí)的乳狀液過渡帶黏度接近水相，能夠防止水溶性降黏劑的指進(jìn)，降黏劑段塞對(duì)CO2的調(diào)驅(qū)作用更加明顯，CO2的波及面積更大。

分析復(fù)合驅(qū)提高采收率機(jī)理時(shí)也需要考慮CO2在降黏劑中的溶解，湯勇在研究CO2在地層水中溶解的驅(qū)油特征時(shí)提出考慮CO2在地層水中的溶解時(shí)，含油飽和度剖面比不考慮CO2溶解時(shí)滯后，形成的油墻需要更長的時(shí)間才能推進(jìn)到生產(chǎn)井[26]。SUTJIADI-SIA 等的研究結(jié)果也表明采用純水密度計(jì)算出的體系界面張力值比采用飽和CO2后水的密度計(jì)算出的界面張力值要高3 mN/m[27]。因此，CO2在降黏劑中的溶解會(huì)降低CO2-降黏劑體系的界面張力，充分發(fā)揮二者的協(xié)同驅(qū)油作用，形成碳化水可以大幅降低重力和黏度差異的影響，形成較為穩(wěn)定連續(xù)的驅(qū)替界面[28]，將更多殘余油置于降黏劑波及范圍之內(nèi)，進(jìn)一步增加油藏的動(dòng)用儲(chǔ)量。

3 CO2復(fù)合驅(qū)提高采收率機(jī)理數(shù)值模擬研究

3.1 復(fù)合韻律儲(chǔ)層機(jī)理模型建立

1）數(shù)值模擬網(wǎng)格劃分

在物模實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，基于Z-13 斷塊實(shí)驗(yàn)區(qū)塊建立不規(guī)則井組模型，通過建立復(fù)合韻律縱向精細(xì)網(wǎng)格機(jī)理模型，開展降黏劑-CO2復(fù)合驅(qū)協(xié)同作用機(jī)理研究。設(shè)計(jì)了一注一采復(fù)合韻律特征儲(chǔ)層機(jī)理模型，分別開展水驅(qū)、降黏劑驅(qū)、CO2驅(qū)、降黏劑/CO2交替驅(qū)模擬對(duì)比研究。模型設(shè)計(jì)為單層一注一采正交塊狀網(wǎng)格模型。注采井距200 m，縱向總厚度5 m，為保證驅(qū)替的滲流精細(xì)流動(dòng)計(jì)算，合理網(wǎng)格亦考慮使兩口井之間網(wǎng)格數(shù)較多為優(yōu)，注采井間Y方向網(wǎng)格步長為4 m，平面網(wǎng)格數(shù)劃分為5×50 網(wǎng)格系統(tǒng)，縱向上細(xì)分為50個(gè)模擬層，Z方向上網(wǎng)格步長設(shè)計(jì)為0.1 m，最終形成的三維網(wǎng)格系統(tǒng)總網(wǎng)格數(shù)為5×50×50=12 500個(gè)（圖4）。

圖4 復(fù)合韻律儲(chǔ)層概念模型網(wǎng)格圖與屬性Fig.4 Grid diagram and attribute of the conceptual model of composite rhythm reservoir

2）模型儲(chǔ)層參數(shù)

建模所用的參數(shù)均來自Z-13 斷塊取心井資料，表3為建模所用參數(shù)及取值。

表3 Z-13斷塊建模參數(shù)匯總Table 3 Summary of modeling parameters of Z-13 fault block

3）相滲曲線，如圖5所示。

圖5 相滲關(guān)系曲線Fig.5 Relative permeability curves

4）驅(qū)替方案設(shè)計(jì)如表4所示。

表4 復(fù)合韻律模型不同驅(qū)替方式方案設(shè)計(jì)Table 4 Scheme design of different displacement modes of the compound rhythm model

3.2 復(fù)合驅(qū)機(jī)理分析

1）相比于水驅(qū)，降黏劑驅(qū)前緣形成的O/W 型乳狀液存在賈敏效應(yīng)，在滲流過程中會(huì)改善驅(qū)替前緣（圖6），致使降黏劑的波及系數(shù)更高。而水驅(qū)、降黏劑驅(qū)受重力影響較大，復(fù)合韻律模型底部一旦被水淹，模型底部含水飽和度也會(huì)迅速增高，水相滲透率增大，進(jìn)而縱向上的流度比增大，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)模型上部區(qū)域的有效波及（圖6），模型預(yù)計(jì)10年后累計(jì)提高采收率3.94%。

圖6 水驅(qū)、降黏劑驅(qū)縱向剖面含油飽和度等值線對(duì)比Fig.6 Contrast of oil saturation contours in longitudinal profiles of water flooding and viscosity reducer flooding

2）與水驅(qū)相比，CO2驅(qū)受氣體重力超覆作用，驅(qū)替波及到縱向剖面上部，提高了波及體積，同時(shí)普通稠油CO2非混相驅(qū)具有降黏、膨脹和抽提等多種作用，也可以達(dá)到較高的驅(qū)油效率[2]。但受油氣流度比以及超覆作用的影響，CO2會(huì)沿縱向上部低滲層位進(jìn)（圖7），無法實(shí)現(xiàn)對(duì)縱向下部區(qū)域的波及，模型CO2驅(qū)10年后預(yù)計(jì)貢獻(xiàn)采收率4.8%左右。

圖7 水驅(qū)、CO2驅(qū)縱向剖面含油飽和度等值線對(duì)比Fig.7 Contrast of oil saturation contours in longitudinal profiles of water flooding and CO2 flooding

3）CO2與降黏劑的交替注入，CO2將降黏劑攜帶至正韻律砂體的高部位（圖8、圖9），對(duì)頂部剩余油實(shí)現(xiàn)有效波及，改善縱向波及的同時(shí)提高微觀驅(qū)油效率，從而實(shí)現(xiàn)驅(qū)油效率與波及系數(shù)的雙重目標(biāo)。其次，降黏劑受重力影響會(huì)對(duì)砂體的低部位進(jìn)行有效波及。交替驅(qū)也可減少降黏劑在近井帶巖石顆粒表面的吸附，將更多殘余油置于降黏劑波及范圍之內(nèi)，提高單純注入降黏劑時(shí)的波及體積，特別是超覆作用下，CO2會(huì)攜帶少量降黏劑進(jìn)入更小、更遠(yuǎn)的孔隙介質(zhì)中，進(jìn)一步增加油藏的動(dòng)用儲(chǔ)量，提高原油采收率。與水驅(qū)相比，復(fù)合驅(qū)模型預(yù)計(jì)可為整體貢獻(xiàn)采收率7.25%。

圖8 水驅(qū)、交替驅(qū)縱向剖面含油飽和度等值線對(duì)比Fig.8 Contrast of oil saturation contours of longitudinal profiles of water flooding and alternate flooding

圖9 交替驅(qū)縱向剖面CO2摩爾分?jǐn)?shù)、降黏劑體積分?jǐn)?shù)等值線Fig.9 Contours of CO2 mole fraction and viscosity reducer concentration in longitudinal profile of alternating flooding

4 結(jié)論

1）水溶性降黏劑只能乳化原油表層以起到降黏效果，降黏效果較差，但降黏劑段塞能夠改善因黏度差引起的油氣過大的流度比，從而有效控制CO2沿氣流通道突進(jìn)。

2）段塞越大對(duì)CO2的調(diào)驅(qū)作用會(huì)越明顯，但是當(dāng)前置段塞大于0.3 HCPV 時(shí)，就會(huì)影響降黏劑與CO2的協(xié)同關(guān)系，采收率反而會(huì)降低。

3）水溶性降黏劑乳化形成的O/W 形乳狀液過渡帶黏度接近水相，能夠防止水溶性降黏劑的指進(jìn)，使降黏劑段塞對(duì)CO2的調(diào)驅(qū)作用更加明顯、CO2的波及面積更大。

4）CO2在降黏劑中的溶解會(huì)降低CO2-降黏劑體系的界面張力，可以充分發(fā)揮二者的協(xié)同驅(qū)油作用；形成的碳化水可以大幅降低重力和黏度差異對(duì)波及面積的影響，形成較為穩(wěn)定連續(xù)的驅(qū)替界面，提高波及效率，復(fù)合驅(qū)油體系能夠?qū)崿F(xiàn)模型波及面積的最大化，比單一降黏劑驅(qū)和CO2驅(qū)效果好。