李 蕾， 周晓梅， 苏玉亮， 郝永卯， 张 雪， 高小刚
（中国石油大学（华东）石油工程学院，非常规油气开发教育部重点实验室，山东 青岛 266580）
随着石油、天然气的勘探与开发，常规油气资源日益减少，如今对传统能源的需求仍不断增加，我国非常规油气资源具有巨大的开发潜力［1-2］。非常规储层通常需要依靠重复压裂、井网加密等措施来提高产量，但这仅可解决初期产能问题且投入成本高，其生产特征突出表现为地层能量衰减快、单井产量快速递减、稳产难［3］。因此，要提高非常规油气资源如致密油气藏、页岩油气藏的开发效益，必须依靠提高采收率技术和理论的突破。借鉴常规储层提高采收率方法，众多研究人员开展了一系列物理模拟实验和数值模拟研究，包括注气（天然气、氮气、二氧化碳）、表面活性剂驱、低矿化度水驱、纳米流体等［4-6］。其中，CO2驱油是油田开发的常用手段，其优势具体表现为CO2易与原油混相可以改善原油物性、对储层伤害小、同时可实现碳埋存兼顾环境效益［7］。
CO2气体具有黏度低、流动性好、降低界面张力等特征，适合非常规油藏的开发，众多学者对CO2驱油进行了评估。岩心尺度实验和数值模拟结果表明，CO2驱油可提高储层采收率10% ～30%，且CO2混相驱提高采收率效果显著。同时，国内外矿场研究表明，CO2驱油可在水驱基础上提高采收率10%以上［8-11］，具有较好的应用前景。驱油过程中CO2与原油的溶解、扩散作用对提高原油采收率具有重要意义，因此探究在储层高温高压环境中和降压开采过程中注入介质-地层流体间的相互作用机制、油气的分布对推进非常规油藏提高采收率技术与理论发展具有重要的现实意义。目前主要通过一些微观可视化实验对CO2与原油间的相互作用进行研究，研究结果大多基于图像分析对流体流动状态、油水接触关系等进行分析，对微观作用过程中的定量表征较少，CO2驱油提高采收率的主要作用机理缺乏研究［12-15］。
目前针对CO2与原油微观作用机制的实验大多都是进行微观可视化实验，即利用微观实验系统研究在一定温度、压力下CO2驱油过程中的变化状态，结合图像分析油气界面、驱替前缘、模拟油颜色变化、剩余油的分类等。但微观作用研究大多基于图像分析对流体流动状态、油水接触关系等进行分析，对微观作用过程中的定量分析较少，CO2吞吐提高采收率的主要作用机理缺乏研究。
本文探索设计了一套基于微流控实验平台的超临界CO2驱油系统，采用高速摄像仪记录多孔介质中的微观驱替过程，并对CO2和原油间的微观作用机理和剩余油的动用程度进行提取和定量表征。
该实验项目涉及实验模型设计、实验装置组装、超临界CO2驱替模拟操作及图像处理等诸多方面，可以让学生深入认识驱替过程的基本原理，进而让学生更好地探索高温高压下超临界CO2与原油间的相互作用机制及驱替规律。在学生培养过程中加强实践教育，激发学生创造力，并具有根据实际工程需要设计实验方法及组装实验仪器的动手实践能力，成为国际化创新型人才［16］。
1.1 实验装置
基于微流控平台的高温高压条件下超临界CO2驱油实验装置如图1 所示。该装置由注入系统、围压加载系统、采出系统和数据采集系统三部分组成。其中，注入系统由3 个中间容器、真空泵、恒速恒压泵、空气压缩机和气体增压泵组成；
围压加载系统由高温高压仓、微观可视化模型夹持器、围压跟踪泵、循环泵和控温系统组成；
采出系统由冷凝器和回压跟踪泵组成，数据采集系统由三维视频显微镜和计算机组成。微观可视化模型夹持器通过管线与3 个中间容器相连，3个中间容器里分别盛放模拟油、模拟水和CO2。中间容器下部与恒速恒压泵相连，用于将驱替介质以恒速恒压注入微观刻蚀模型的微通道内。微观可视化模拟器通过管线与真空泵相连，用来抽真空。中间容器通过管线与气体增压泵、空气压缩机等相连，用来提供动力。微观可视化模型夹持器下方通过管线与围压跟踪泵、循环泵、控温系统相连，用来控制夹持器中的围压和温度，模拟真实储层的温压条件。微观可视化模型出口端通过管线与冷凝器、回压跟踪泵相连，高精度回压跟踪泵控制末端压力。微观刻蚀模型放置于微观可视化模型夹持器中，原油在微观刻蚀模型微尺度通道中的作用过程通过数据采集系统记录储存。
图1 超临界CO2 驱油微观可视化实验装置
实验所用的微观刻蚀芯片由玻璃制成，具有耐高温高压、键合能力强、透视成像效果好等优点。从典型储层提取实际孔喉特征，采用激光刻蚀技术得到不同的微观通道，微观刻蚀模型如图2 所示。
图2 微观刻蚀模型
微尺度通道中的作用全程通过数据采集系统记录储存，使实验现象更加直观，将有助于学生深入认识高温高压超临界CO2驱油过程中的微观作用机制。本装置集建立驱替、加压CO2、分析CO2在不同压力下与原油相互作用、研究驱替后剩余油分布等功能，推广性强，且实验可重复性强。
1.2 实验方法
利用上述装置进行超临界CO2驱油微观可视化实验方法设计如下：①将微观刻蚀模型安装在微观可视化模型夹持器中，利用真空泵对系统进行抽真空；
②使夹持器中充满围压液（水），实验过程中应始终保证围压始终高于微观刻蚀模型中流体压力1 ～2 MPa，以保护微观刻蚀模型。设置夹持器中的温度为实验温度；
③利用真空泵对微观可视模型的微通道进行抽真空；
④调节数据采集系统，确保采集清晰的微尺度通道内微观流体的作用过程；
⑤利用注入系统的流体中间容器使微观可视化模型饱和原油；
⑥打开夹持器进口端通入CO2，关闭微观可视模型的出口端，观察注入气体与原油的微观作用过程。实验过程中利用注入泵对注入气体加压，压力增加至实验设置的压力值时，稳定一定时间，观察CO2与原油作用过程，记录实验温度实验时间，直至压力达到实验设计的最大压力；
⑦利用回压跟踪泵对驱替系统进行降压模拟开井生产过程；
⑧保存实验过程图像，清理仪器。
超临界CO2与原油间的相互作用受多因素影响，包括原油的基础物性如密度、黏度、原油组成以及饱和压力等，另外像地层压力、温度、压降程度都是影响其驱替效果的主要参数。实验要求获得不同实验参数下超临界CO2与原油的微观作用、剩余油分布、渗流特征等。在实验过程中，需要考虑原油黏度、油藏温度、压力等影响因素。因此在该实验设计上要求学生对自己感兴趣的进行多因素实验设计，分析不同因素对CO2与原油相互作用的影响，从而明确驱替过程中的微观作用机制。该实验对学生掌握科学的实验设计方法，培养学生的自主学习能力、提高学生设计和实验操作能力等具有重要帮助。
利用本文的超临界CO2驱油微观可视化实验装置及方法可以进行高温高压条件下的超临界CO2与原油的微观作用机制实验。具体实验步骤为：①根据实际储层抽提得到孔喉特征，并得到微观刻蚀模型（本实验所用模型最小喉道直径30 μm）后，将模型安装在微观可视化模型夹持器中，利用真空泵对系统进行抽真空；
②使夹持器中充满围压液（水），实验过程中应始终保证围压始终高于微观刻蚀模型中流体压力1 ～2 MPa，以保护微观刻蚀模型。设置夹持器中的温度为实验温度（本实验为80 ℃）；
③利用真空泵对微观可视模型的微通道进行抽真空；
④调节数据采集系统，确保采集清晰的微尺度通道内微观流体的作用过程；
⑤利用注入系统的流体中间容器使微观可视化模型饱和原油；
⑥打开夹持器进口端通入CO2，关闭微观可视模型的出口端，观察注入气体与原油的微观作用过程。实验过程中利用注入泵对注入气体加压，压力增加至实验设置的压力值时，稳定一定时间，观察CO2与原油作用过程，记录实验温度实验时间，直至压力达到实验设计的最大压力（本实验为20 MPa）；
⑦利用回压跟踪泵对驱替系统进行降压模拟开井生产过程；
⑧保存实验过程图像，清理仪器。
3.1 不同压力下CO2 与原油的微观作用
基于高温高压微观可视化实验得到的图片，从渗流特征、颜色变化、原油形态等方面对实验中的微观机理进行分析。分别对比了5、8、15、20 MPa 下CO2与原油的微观作用，如图3 所示。低压下，油气界面分明。随着压力增加，CO2溶解进入原油，原油颜色明显变浅。CO2为多次接触混相，随着压力的增加，CO2与页岩油的接触更加充分，CO2不断萃取原油中的轻质组分，CO2不断富化从而气体颜色逐渐加深。在这个过程中，气体的液相特征逐渐显现，液体的气相特征不断加强，气液之间的相界面逐渐变得模糊，混相能力逐渐加强，直至20 MPa时，观察不到相界面，认为已达到混相状态。在这个过程中，主要为CO2与原油的溶解及萃取混相作用。
图3 不同压力下超临界CO2 与原油的微观作用对比
压力上升至20 MPa后，CO2与原油间的相互作用强烈，在CO2的携带抽提作用下，油滴形态不稳定，观察到油滴快速被拉长拉断、膜状油被剥离以及部分油呈丝状流动，如图4 所示。
图4 20 MPa、80 ℃下原油形态图
气体首先以连续相进入大孔道内，如图4（a）所示。当气体进入小孔道并受到其他方向的力时，连续气体被卡断，以气泡的形式分布，如图5（a）所示。由于气体具有压缩性，随着气体延伸压力梯度逐渐降低，注入气体膨胀并不断驱替原油，小气泡膨胀，不断变大，如图5（b）所示。随着时间的增加，气泡的面积不断变大，气泡不断膨胀。随着气体的不断压缩膨胀，被分割的气体又逐渐汇聚，如图5（c）所示，在压缩膨胀作用下占据更多的孔隙并动用原油。
图5 气体压缩膨胀示意
3.2 降压开采过程中CO2 与原油的微观作用
降压初期在大孔道和角隅处出现膜状和角隅状的透明液体，和气体间存在相界面，如图6（a）所示。随着压力的继续降低，液体的颜色进一步加深，气体的颜色逐渐变浅，直至出现清晰的油气界面。流体颜色的变化说明在压力降低的过程中，气体等轻质组分从原油中析出使得原油中重质组分比例增加，原油颜色加深；
气体中的轻质组分重新凝结进原油中，气体颜色变浅，如图6 所示。在降压过程中，原油首先以膜状、角隅状的形式存在于大孔道和角隅处，随着原油的不断聚集，逐渐出现柱状、簇状等连续相剩余油。降压结束后，对小孔道的动用效果较好。
图6 降压过程CO2 与原油的微观作用
3.3 剩余油分布
基于剩余油的分布形状以及与骨架的接触关系，并根据已有研究，将剩余油划分为膜状、柱状、多孔状、簇状以及角隅状剩余油5 类，如表1 所示。按照分类要求，利用图像分割技术对剩余油进行标记，建立面积占比方法，对每一类剩余油进行定量表征，如图7 ～9所示。
图7 不同压力下剩余油表征
表1 剩余油分类标准
随着CO2与原油的作用更加充分，微观作用波及到更小孔隙，改善小孔道内原油物性，模型内簇状剩余油的比例不断降低。多孔状剩余油主要位于半径较大的孔道内，此类剩余油的比例较大，并在压力升高过程中，由于其他比例剩余油的减少以及部分剩余油的汇聚，多孔状剩余油出现比例上升的趋势。但随着压力的增加多孔状剩余油的动用程度增加。簇状、多孔状剩余油被动用后，在某些部位产生柱状、角隅状以及膜状剩余油，剩余油非连续相程度加剧。当压力由5 MPa升高到20 MPa 时，剩余油含量由58%降低至15%，原油动用效果较好。
图8 剩余油动态趋势
图9 剩余油随压力变化
3.4 实验拓展及预期效果
基于对超临界CO2驱油微观可视化实验设计的理解，学生可以自主设计其他流体如N2、CH4、混合气体、化学助剂等与原油的微观作用实验，研究不同因素如温度、压力、压降梯度、注入介质性质、原油性质等对作用机制和提高采收率效果的影响。该设计方法可扩展性强，通过根据实际储层孔喉特征得到具有不同尺度的刻蚀模型可以扩展到常规砂岩储层、页岩油储层等的研究。对于石油工程学科的教学来说，该实验可重复性强，实验结果直观易懂，将实验和理论知识相结合，为石油工程专业知识如渗流过程、微观作用机制提供辅助。在实践过程中，学生在实验方案设计和对结果分析过程中，可以激发学生的科研兴趣和创新思维，培养学生的自主学习能力和创新能力。并将理论知识和实际工程问题相结合，提高学生分析和解决实际问题的能力。
（1）结合油藏注CO2开发技术，设计了一套基于微流控实验平台的超临界CO2驱油实验，实现了高温高压条件下超临界CO2与原油间的微观作用研究，可以作为注气提高采收率机理研究的重要辅助手段。
（2）采用高温高压实验平台实现了CO2与原油的多次接触混相过程，直观演示了CO2萃取原油中的轻质组分及CO2富化后颜色加深过程，利用微流控实验快速准确地测量了CO2与原油的混相压力。
（3）实现了原位地层环境不同开采压力下CO2与原油间的作用机理、渗流特征和剩余油分布研究，对于明确CO2与原油间的微观作用机制具有重要意义。
（4）该实验结合实际工程问题，方法扩展性强，将来可进一步扩展到N2、CH4、混合气体、化学助剂等与原油的微观作用实验中，对于激发学生的创新思维和提高学生解决实际工程问题具有重要意义。
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