循环二氧化碳注入技术在分类深部地层中的回收行为研究

《ACS Omega》：Cyclic CO2 Injection Process Recovery Behavior in Classified Deep Formations

高分辨率汞注入和核磁共振（NMR）技术用于分类致密油藏孔隙类型，分析CO2注入对原油相态及流动特性的影响。研究表明，CO2驱油效率与孔隙尺寸、注入压力及体积密切相关，高压下micropores可被有效激活，Type I岩性采收率达70%-80%，而Type II因微-中孔占比高仅约20%-30%。吸附态原油在第二阶段后贡献显著，NMR T2谱可量化不同孔隙中原油解吸效率。

　　在当今能源开发与环境保护并重的背景下，二氧化碳（CO?）驱油技术（CO? EOR）因其在提高原油采收率和实现碳封存的双重作用，成为非常规油气资源开发的重要手段。本文系统地探讨了CO?驱油技术在致密油储层中的应用，重点分析了不同孔隙结构对油驱效率的影响，并结合实验手段揭示了CO?与储层岩石之间的相互作用机制。通过高压力汞注入（HPMI）和核磁共振（NMR）技术对储层孔隙类型进行分类，结合相行为分析和薄管实验，为CO?驱油过程中的油驱机制研究提供了理论依据。同时，利用NMR技术对不同孔隙尺寸下的油驱效果进行了定量分析，进一步明确了微观油驱特性及其影响因素，从而为CO?驱油和碳封存技术在致密油储层中的应用提供了关键指导。

### 一、CO?驱油技术的挑战与机遇

在传统CO?驱油技术中，气体与原油的密度差异和流动性差异是影响驱油效果的关键因素。这种差异可能导致气体突破、粘滞指进以及重力覆盖等不利现象，从而降低油驱效率和CO?的封存能力。特别是在中高渗透性储层中，CO?驱油技术容易形成气体通道，使驱油效果大打折扣。因此，CO?驱油技术在某些储层中并不适用。相比之下，混相CO?驱油技术能够显著提高油驱效率，因为CO?与原油之间能够形成均相混合，从而改善驱替过程。然而，实现混相驱油在大多数储层中仍面临挑战，主要体现在CO?与原油的混相条件难以满足，导致驱替效率未能达到理想水平。

尽管如此，CO?驱油技术仍具有显著的优势。通过实验研究发现，CO?的注入能够显著降低原油的粘度，并增强其体积膨胀能力，从而提高原油的流动性。这一过程不仅提升了油驱效率，还改善了储层岩石的润湿性，使得原油更容易从岩石表面被驱出。因此，CO?驱油技术在致密油储层中展现出巨大的潜力，尤其是在那些孔隙结构复杂、渗透性较低的储层中。

### 二、储层地质特征与孔隙分类

本文的研究对象是位于中国准噶尔盆地的吉木萨尔致密油储层。该储层主要由细粒沉积岩构成，包括白云岩粉砂岩、泥质白云岩以及有机质丰富的泥岩。储层的总有机碳（TOC）含量在4%至12%之间，表明其具有较强的生油能力。储层的有效孔隙度在7.8%至25.5%之间，平均为13.8%。渗透率范围为0.010至9.470毫达西（mD），平均为0.096 mD。这些地质参数表明，吉木萨尔储层属于典型的致密油储层，其孔隙结构复杂，储层岩石的物理性质对CO?驱油效果具有重要影响。

为了更准确地理解储层孔隙结构，研究者采用高压力汞注入和核磁共振技术对储层岩石进行分类。通过这两种技术的结合，研究者能够将孔隙半径与NMR T?弛豫谱数据进行关联，从而建立孔隙半径转换系数。基于这一转换系数，研究者将储层岩石分为两种类型：类型I和类型II。类型I储层的孔隙半径分布主要集中在微孔（<0.2 μm）、介孔（0.2–10 μm）和大孔（>10 μm），其中微孔和介孔的占比分别为27.12%–31.99%和35.66%–40.68%。类型II储层则以微介孔为主，孔隙半径在0.1–5 μm之间，占比达到58.31%–63.57%，而大孔的占比相对较低，仅为9.21%–16.80%。这种孔隙结构的差异直接影响了CO?在储层中的流动路径和油驱效率。

### 三、实验方法与流程

为了系统研究CO?驱油技术在致密油储层中的应用效果，研究者设计了一系列实验，包括CO?–原油相行为实验、CO?驱油实验以及核磁共振技术的使用。相行为实验主要包括恒组分膨胀（CCE）、差释（DL）和恒体积耗竭（CVD）实验，这些实验用于分析CO?注入对原油性质的影响，如饱和压力、膨胀因子和粘度变化等。通过这些实验，研究者能够确定CO?注入的最佳条件，如注入压力、注入体积和注入速率，从而优化驱油效果。

在CO?驱油实验中，研究者首先将干燥的岩心样品置于高压力容器中，并注入原油以达到饱和状态。随后，将岩心样品放置在80°C的恒温箱中进行饱和处理，时间为1个月。处理完成后，将岩心样品装入岩心夹持器中，并在设定的条件下进行CO?注入。注入过程中，研究者通过核磁共振技术实时监测油驱效果，并记录不同孔隙尺寸下的油驱情况。实验结果表明，CO?注入能够显著改变原油的物理性质，降低其粘度，并增强其流动性，从而提高油驱效率。

### 四、实验结果与分析

实验结果显示，CO?注入对油驱效率的影响具有显著的孔隙依赖性。在类型I储层中，随着CO?注入循环次数的增加，不同孔隙尺寸下的油驱效果逐渐提升。特别是在前两个注入循环中，大孔和介孔的油驱效率显著提高，而微孔的油驱效果相对较低。这一现象表明，CO?在大孔中更容易扩散并与原油发生作用，从而提升油驱效率。而在类型II储层中，微介孔的油驱效率较高，且在后续注入循环中表现出更显著的油驱效果。这可能与类型II储层中微介孔的结构特性有关，如较高的孔隙连通性和较低的流动阻力。

此外，实验还表明，CO?注入压力对油驱效率具有重要影响。在类型I储层中，随着注入压力的增加，油驱效率显著提升。例如，在15 MPa、20 MPa和25 MPa的注入压力下，类型I储层的累计油驱效率分别为32.78%、35.39%和40.62%。而在类型II储层中，注入压力对油驱效率的影响相对较小，表明其孔隙结构对CO?的流动路径具有较强的限制作用。因此，优化注入压力对于不同类型储层的油驱效率至关重要。

### 五、CO?注入体积与速率的影响

CO?注入体积和速率也是影响油驱效率的重要因素。实验表明，类型I储层在注入体积为0.5 PV（孔隙体积）时，累计油驱效率达到最佳水平。而类型II储层则在注入体积为0.75 PV时表现出更高的油驱效率。这表明，不同类型储层对CO?注入体积的需求存在差异，可能与储层的孔隙结构和原油性质有关。

在注入速率方面，研究者发现较低的注入速率能够提高油驱效率。对于类型I储层，当注入速率从0.1 mL/min降低至0.02 mL/min时，累计油驱效率从2.26%提升至4.40%。而对于类型II储层，较低的注入速率同样能够提高油驱效率，但其提升幅度相对较小。这一现象可能与注入速率对CO?与原油接触时间的影响有关。较低的注入速率能够延长CO?与原油的接触时间，从而增强其与原油的相互作用，提高油驱效率。

### 六、NMR技术在油驱分析中的应用

核磁共振技术（NMR）在油驱分析中发挥了重要作用。通过NMR T?弛豫谱，研究者能够区分不同孔隙尺寸下的油驱情况，并定量分析油驱效果。实验结果表明，CO?驱油过程中，不同孔隙尺寸的油驱效率存在显著差异。大孔的油驱效率最高，而微孔的油驱效率相对较低。这可能与大孔中较低的流动阻力和较高的连通性有关。

此外，NMR技术还能够监测CO?驱油过程中原油的吸附与解吸行为。实验表明，在CO?驱油的第二循环中，吸附态原油的油驱效率显著提高。这表明，CO?在驱油过程中不仅能够改善原油的流动性，还能够通过吸附作用进一步提高油驱效率。因此，NMR技术在分析CO?驱油过程中不同孔隙尺寸的油驱行为方面具有不可替代的优势。

### 七、油驱机制与储层改造

CO?驱油技术不仅能够提高原油的流动性，还能够通过储层改造进一步提升油驱效率。CO?注入储层后，会与储层中的孔隙水发生反应，生成碳酸，进而溶解储层中的碳酸盐矿物。这一过程能够增加储层的孔隙度和渗透率，从而改善CO?的注入效率和驱替能力。然而，在硅酸盐矿物丰富的储层中，CO?与水的反应可能导致离子的释放，形成新的矿物沉积，从而堵塞孔隙，降低储层的渗透率。

因此，CO?驱油技术在储层改造过程中需要权衡其对储层孔隙结构的影响。在某些情况下，CO?的注入可能会导致储层孔隙结构的改变，进而影响油驱效率。因此，在实际应用中，需要根据储层的具体特性，优化CO?注入参数，以实现最佳的油驱效果。

### 八、结论与展望

综上所述，CO?驱油技术在致密油储层中具有显著的应用潜力。通过高压力汞注入和核磁共振技术对储层孔隙结构进行分类，能够更准确地理解CO?在不同孔隙尺寸下的驱油行为。实验结果表明，CO?注入对油驱效率的影响具有孔隙依赖性，且不同类型的储层对CO?注入参数的需求存在差异。因此，在实际应用中，需要根据储层的具体特性，优化CO?注入压力、注入体积和注入速率，以实现最佳的油驱效果。

此外，CO?驱油技术不仅能够提高原油采收率，还能够实现碳封存，对环境保护具有重要意义。然而，该技术在实际应用中仍面临诸多挑战，如储层改造过程中的矿物沉积问题、CO?与原油的混相条件等。因此，未来的研究应更加关注这些关键问题，并探索更加高效的CO?驱油方法，以进一步提升油驱效率和碳封存能力。同时，结合先进的实验技术和数值模拟方法，能够为CO?驱油技术的优化提供更加科学的依据。