关于“径向喷射钻井+二氧化碳脉冲注入”技术用于页岩油开发的可行性实验研究

《ACS Omega》：Experimental Study on the Feasibility of “Radial Jet Drilling + CO2 Huff-n-Puff” for the Development of Shale Oil

提高低渗透页岩油采收率，径向喷射钻井（RJD）与二氧化碳吞吐（huff-n-puff）结合技术可行，通过核心实验分析循环次数、浸泡时间、注入压力及径向孔长度的影响。最佳参数为4次循环、6小时浸泡、20MPa压力及最长径向孔，采收率最高达100%提升。

　　在当前能源开发的背景下，低渗透性页岩油的高效开采成为一项重要的研究课题。页岩油因其储量巨大且分布广泛，被视为非常规油气资源开发中的关键组成部分。然而，由于页岩油储层具有纳米级孔隙、低渗透性和狭窄的孔喉结构，传统的开采方式难以实现有效的资源回收。在常规的耗尽式开采模式下，页岩油的回收率通常低于10%，这表明需要更先进的技术手段来提升其开发效率。

为解决这一问题，研究者们提出了一种创新性的集成技术，即将二氧化碳驱替（CO? huff-n-puff）与径向喷射钻井（Radial Jet Drilling, RJD）技术相结合，简称为“RJD + CO? huff-n-puff”。该技术通过在垂直井筒中进行径向钻井，形成多层多分支的高速流体迁移通道，从而增强驱替效率，提高油藏的渗透性，降低开采过程中的能耗与环境影响。同时，CO? huff-n-puff技术能够通过增加油藏压力、诱导原油膨胀、降低原油粘度以及改善流体流动性，进一步提升页岩油的回收率。这种技术的结合不仅能够有效改善页岩油的流动特性，还能够优化流体路径，提高CO?与原油的接触效率，从而实现更高效的资源回收。

为了验证该技术的可行性，研究团队进行了核心尺度的实验。实验采用来自苏北盆地的页岩岩心，并通过模拟径向井筒的方式，分析了不同操作参数对油回收率的影响。这些参数包括CO?驱替的循环次数、浸泡时间、注入压力以及径向井筒的长度。实验结果显示，“RJD + CO? huff-n-puff”技术在低渗透性页岩油储层中表现出显著的增产效果。与未设置径向井筒的岩心相比，设置径向井筒的岩心在实验条件下实现了接近100%的油回收率提升。这表明，径向井筒的引入极大地改善了CO?在储层中的扩散能力，扩展了有效排水区域，从而显著提高了页岩油的可采范围。

在实验中，CO?驱替的循环次数对油回收率具有明显的影响。随着循环次数的增加，油回收率呈现出对数增长的趋势。其中，前四次循环占据了最终回收率的85%左右，说明在核心尺度条件下，四次循环已经能够实现较为理想的油回收效果。因此，研究建议在核心尺度实验中采用四次CO?驱替循环作为最佳操作方案。这一结论为实际工程应用提供了重要的理论依据，表明在实际操作中，过多的循环次数并不会带来显著的回收率提升，反而可能增加操作成本。

浸泡时间的长短同样影响着CO?与原油的接触效率。实验表明，随着浸泡时间的延长，油回收率逐渐上升，但提升幅度逐渐减小。当浸泡时间从1小时延长至6小时时，油回收率分别提高了3.70%和4.13%。然而，当浸泡时间进一步延长至10小时时，提升幅度仅为1.83%和1.17%。这说明存在一个最佳的浸泡时间，过长的浸泡时间并不能显著提高油回收率，反而可能导致成本增加。因此，研究建议将浸泡时间设定为6小时，以在保证回收效率的同时降低能耗。

注入压力是影响CO?驱替效率的另一个关键因素。实验发现，随着注入压力的增加，油回收率也相应提升。当注入压力接近混相压力时，油回收效率显著增强。这主要是因为，CO?在接近混相压力时能够更好地与原油混合，降低其粘度并增强流动性。然而，过高的注入压力可能导致岩心破裂，影响实验的稳定性。因此，在实验中选择了6 MPa、15 MPa和20 MPa三个压力等级进行测试，最终建议将注入压力设定为20 MPa，以实现较高的回收率并兼顾实验的安全性。

此外，径向井筒的长度对油回收率的影响也十分显著。实验结果显示，随着径向井筒长度的增加，油回收率呈线性增长趋势。例如，当径向井筒长度为30毫米时，油回收率相比无井筒的岩心提高了近一倍。这表明，径向井筒的长度直接影响CO?在储层中的扩散范围和接触面积，进而影响原油的回收效率。因此，研究建议尽可能增加径向井筒的长度，以提高油回收率和开采效率。

在实验过程中，研究团队还通过核磁共振（NMR）技术对岩心中的油相分布和流体动态进行了分析。NMR T?谱的测量结果显示，CO?在第一次驱替循环中表现出较高的回收效率，而后续循环的回收增量逐渐减小。这可能是由于在多次驱替后，岩心入口处的油饱和度逐渐降低，导致后续循环的驱替效果减弱。同时，页岩岩心的低渗透性也限制了原油的高效迁移。因此，在实际应用中，需要综合考虑多种因素，以优化驱替参数并提高整体回收效率。

该研究的实验结果不仅为“RJD + CO? huff-n-puff”技术的工程应用提供了理论支持，还揭示了多个关键参数对页岩油回收率的影响机制。例如，径向井筒的引入显著提升了CO?的扩散能力，使更多的CO?分子能够进入中等和小孔隙，从而促进原油与CO?的充分混合。同时，较高的注入压力和适当的浸泡时间也有助于提高回收效率。这些发现对于未来页岩油开发技术的优化和推广具有重要的指导意义。

尽管实验结果表明该技术在提升页岩油回收率方面具有显著优势，但研究也指出了一些潜在的问题和改进方向。例如，在实验过程中，岩心表面的油污去除和称重操作可能对回收率的测量产生一定影响，导致结果偏高。因此，未来的研究需要进一步优化实验方法，以确保数据的准确性。此外，实验中发现，随着注入压力的增加，岩心可能会出现裂缝，尤其是在存在径向井筒的情况下，裂缝的分布呈现出明显的径向特征。这表明，在实际操作中需要合理控制注入压力，以避免岩心的破坏。同时，实验过程本身存在一定的复杂性和挑战，例如气体膨胀和热散失的不稳定问题，这些因素可能会影响实验的重复性和可靠性。因此，未来的研究应致力于调整和优化实验流程，以提高实验的稳定性和可重复性。

综上所述，该研究通过核心尺度实验验证了“RJD + CO? huff-n-puff”技术在低渗透性页岩油开发中的可行性，并揭示了多个关键参数对油回收率的影响规律。研究结果表明，该技术能够有效提升页岩油的回收效率，尤其是在结合径向井筒的情况下。同时，实验还表明，CO?驱替的循环次数、浸泡时间和注入压力均对回收率产生重要影响，其中四次循环、6小时浸泡时间和20 MPa的注入压力被推荐为最佳参数组合。此外，径向井筒的长度对油回收率具有显著的线性影响，因此应尽可能延长径向井筒的长度以提高生产效率。这些研究成果不仅为页岩油的高效开发提供了新的思路和技术手段，也为碳捕集、利用与封存（CCUS）技术的推广提供了重要的理论依据和实践参考。未来的研究应进一步关注该技术在实际油田中的应用效果，并针对实验过程中存在的问题进行优化，以推动页岩油开发向更加高效、环保和可持续的方向发展。