基于核磁共振技术的超低渗透性水库中二氧化碳脉冲注入提高采收率的机理研究

《ACS Omega》：Mechanism Study of Enhanced Oil Recovery by CO2 Huff-n-Puff in Ultralow-Permeability Reservoirs Based on Nuclear Magnetic Resonance

超低渗透率储层因孔隙结构复杂、渗透率极低，传统注水或注氮技术难以有效提升采收率。本研究通过室内核磁共振（NMR）扫描、微流控可视化实验及多周期同步注采实验，系统对比了CO2、N2、水及表面活性剂四种介质在4.21-30 mD超低渗透储层中的驱油性能。实验表明CO2驱油效率达70-80%，显著高于其他介质，其优势源于CO2的溶解膨胀效应（降低原油黏度）、超临界状态下高渗透性及毛细管张力降低作用。微流控实验发现CO2能突破孔喉瓶颈，形成连续油流通道，残余油以孤立薄膜形式存在，分布面积较其他介质减少约40%。同步注采实验显示，每增加1个循环周期，CO2驱油前沿推进深度增加2-3 cm，经3个循环后整体推进深度达16 cm，且NMR谱中长弛豫时间信号强度下降幅度最大（降幅达35%）。研究结果为CCUS技术协同油藏开发提供了关键参数：最佳CO2注入压力梯度需达0.5-0.8 MPa/cm，多周期注采可使中低孔渗层采收率提升12-15个百分点，同时实现年封存CO2量超200万吨级。

　　在当前全球能源结构转型和碳减排目标的背景下，低渗透性储层因其独特的地质特征和开发难度，成为油气资源勘探开发的重点领域之一。这类储层通常具有低孔隙度、极低渗透率、狭窄的孔喉半径分布以及较强的毛细力，使得原油的流动能力受限，压力传递困难，进而导致储层利用率较低。这些复杂的地质和流体特性，使得常规开发方法如水驱难以实现高效的油藏利用，往往出现提前突破、原油难以有效驱替等问题，严重制约了低渗透性油气资源的开发效率和经济可行性。因此，开发高效的提高采收率（EOR）技术，特别是结合碳捕集、利用与封存（CCUS）技术，成为当前研究的重要方向。

近年来，CCUS技术在低渗透性储层开发中展现出巨大的潜力。其中，二氧化碳（CO?）因其独特的物理化学性质，如膨胀效应、粘度降低以及界面张力的减弱，被认为是极具前景的驱替介质。CO?不仅可以有效驱替原油，还具有碳封存功能，能够实现“碳利用 + 碳存储”的双重价值，为实现低碳能源开发提供了可行的技术路径。此外，CCUS技术的应用范围不仅限于低渗透性或致密储层，在中高渗透性储层、轻质油储层以及进入高含水阶段的成熟油田中，CCUS同样展现出显著的增产潜力和协同效益。在全球范围内，CCUS技术已经取得了诸多试点试验和工业应用的成功案例，为低渗透性储层的开发提供了坚实的理论基础和技术支持。

为了进一步优化低渗透性储层的开发策略，本研究聚焦于低渗透性储层的代表性区域——苏北盆地，通过多种实验手段系统评估不同驱替介质在低渗透性储层中的驱替性能。实验方法主要包括变压差岩心驱替实验、微流控驱替实验以及同步气驱（huff-n-puff）模拟实验。通过这些实验，研究人员能够深入理解不同驱替介质在微观和宏观尺度上的作用机制，从而为提升油藏利用率和实现更高效的油气开发提供科学依据。

在变压差岩心驱替实验中，研究采用了四种不同的驱替介质：水、表面活性剂溶液、氮气（N?）和二氧化碳（CO?）。实验结果显示，所有介质的驱油效率均随着驱替压力的增加而提高。值得注意的是，CO?在较低的驱替压力下仍能展现出较高的驱油效率，其最终采收率达到了70%至80%，显著高于氮气驱替（65%至70%）以及水驱或表面活性剂驱替（60%至65%）。这一结果表明，在相同的驱替条件下，气体驱替（尤其是CO?）在提升油藏利用率方面具有明显优势。此外，实验还揭示了驱替压力对所有驱替系统的积极影响，特别是在水驱和表面活性剂驱替中，驱替压力的增加对提升采收率起到了更为显著的作用。

从微观层面来看，微流控实验结合光学显微镜观测，系统地比较了四种驱替介质在孔隙尺度上的驱油特性、突破行为以及残余油分布模式。实验结果表明，水驱主要依赖于压力驱动，倾向于优先进入大孔隙区域，但在低渗透性储层中，其驱油效率较低，容易形成筛状、块状或孤立的岛状残余油。相比之下，CO?驱替展现出更优越的孔隙尺度驱油能力，除了优先进入高渗透性通道外，还能通过膨胀效应、粘度降低、贾敏效应以及油相溶解等机制，显著提升油相流动性，扩大驱替范围，减少残余油饱和度。虽然局部气驱通道现象仍然存在，但CO?在孔隙尺度上的驱油能力远高于其他介质，特别是在深层和低渗透性区域，表现出良好的驱油潜力。

此外，实验还揭示了CO?驱替在同步气驱操作中与驱替周期之间的关系。通过长岩心的同步气驱实验，研究人员发现，随着驱替周期的增加，驱替深度逐渐扩大，最终采收率显著提升。例如，在第一周期，驱替深度约为12 cm，而在第三周期，驱替深度增加至16 cm，并在后续周期中趋于稳定。这一现象表明，同步气驱能够逐步进入初始残余油含量较高的区域，实现从浅层到深层的逐步驱替。同时，结合核磁共振（NMR）T?弛豫谱分析，研究人员进一步明确了CO?在孔隙尺度上的驱油机制，揭示了驱替过程中不同孔隙尺寸区域的响应变化。在初期，短弛豫时间区域（对应于微孔和狭窄孔喉）的驱替效果有限，但随着驱替周期的增加，短弛授时间区域的信号逐渐减弱，表明CO?能够逐步进入更小的孔隙区域，实现对残余油的驱替。这一结果充分展示了CO?在低渗透性储层中的“优先驱替”特性，即驱替过程从大孔隙向小孔隙逐步推进。

综上所述，本研究通过系统的实验方法，全面评估了CO?在低渗透性储层中的驱油性能。实验结果表明，CO?不仅在宏观尺度上表现出更高的采收率，还在微观尺度上展现出更优的驱替效率和孔隙尺度上的驱油潜力。这些研究成果为优化同步气驱方案和驱替介质选择提供了重要的理论依据和实验支持，有助于提升低渗透性储层的开发效率。同时，研究还强调了在实际开发过程中，需要根据储层的异质性，合理设计同步气驱的周期和注入-产出参数，以充分发挥CO?在驱替深层和中低渗透性区域方面的潜力。此外，CO?在实现碳封存方面也具有重要价值，使其成为一种兼具经济性和环境效益的高效驱替介质，为低渗透性储层的可持续开发提供了新的思路和方法。