一种基于CO2‑原油传质提高绕流原油采收率的实验装置与方法

摘要

本发明公开了一种基于CO2‑原油传质作用提高绕流原油采收率的实验装置和实验方法，主要包括改进后的岩心夹持器，用于包覆饱和油的岩心，模拟绕流原油的赋存状态，同时提供CO2与原油传质作用的高温高压环境，实验装置可用于研究CO2‑原油传质作用提高绕流原油采收率的适应性、最佳注气方式与条件等。本发明的优点在于：用于研究CO2‑原油传质作用提高绕流原油采收率的适应性、最佳注气方式与条件等；提高绕流原油采收率的研究提供借鉴；提高绕流原油采收率的技术思路，即通过CO2与原油的传质作用提高绕流原油采收率，而不仅限于常规的吸气剖面调整。

说明书

技术领域

本发明涉及油气田开发工程技术领域，特别涉及一种基于CO₂-原油传质作用提高绕流原油采收率的实验装置与方法。

背景技术

CO₂驱油与埋存是当前提高原油采收率与抑制温室效应研究的焦点之一。CO₂具有良好的驱油能力，混相驱采收率理论上可达100％，并且同时实现CO₂的地下埋存。而CO₂是主要的温室气体之一，气候变暖66％以上与人类活动排放CO₂有关。哥本哈根气候大会上，我国承诺，到2020年，单位GDP>2排放比2005年下降40％～45％。因此，人们对利用CO₂驱油，同时实现CO₂埋存，寄予厚望。

由于油藏的非均质性，尤其是低渗、特低渗油藏中裂缝的影响，CO₂注入地层时，极易沿高渗或裂缝窜流，在低渗部位形成大量的绕流原油。气窜成为影响CO₂驱效果的主要问题之一。窜流后，CO₂不能直接驱动绕流原油，但是其与原油间仍存在质量传递，包括CO₂在原油中的溶解和对原油的萃取作用，这种传质作用成为绕流原油排驱和提高采收率的关键。CO₂在原油中的溶解能够膨胀原油、降低原油粘度，体积膨胀倍数可达1.4倍以上；CO₂对原油的萃取率可达60％以上。CO₂-原油传质作用提高绕流原油采收率适应性、绕流原油最佳排驱条件和注气方式研究，对改善CO₂驱至关重要，而鲜见相关研究报道。室内物理模拟实验，是研究CO₂驱油能力和特征的主要手段之一。模拟实验中，为了保证实验过程与实际油藏条件的相似性，真实模拟CO₂与绕流原油的作用特征，所用实验装置应能实现以下三点；1)保证CO₂不对原油形成直接驱替，而是通过CO₂-原油接触过程中的扩散、传质作用提高原油采收率；2)保证CO₂与绕流原油的充分接触，以实现CO₂-原油的传质；3)实验用模型渗透率和尺寸可控，以模拟不同渗透率和规模的绕流原油。由于通过CO₂-原油传质提高绕流原油采收率的相关研究较少，没有成熟的实验装置可以直接利用，传统的CO₂驱油装置，难以同时实现以上三点。

现有技术一：为了研究CO₂对原油的驱替能力，人们设计了一种常规的CO₂驱油装置，主要考察CO₂对原油的直接驱动能力，其不能直接用于研究CO₂-原油传质作用提高绕流原油采收率。本发明装置与常规CO₂驱油装置的不同主要体现在岩心夹持器上，包括：1.实验流程的不同。常规驱油实验中，CO₂从入口201注入，对原油形成直接的驱动作用，最后从出口采出。而在传质作用驱油实验中，CO₂从入口211注入，然后从出口212采出，CO₂不会对原油形成直接的驱替作用，仅能通过CO₂-原油传质作用提高采收率。2.装置的改进。在岩心夹持器右侧设置了一个接触腔213，这样从入口211注入的CO₂就可以在接触腔213内与原油形成充分的面接触，实现CO₂向原油中的溶解和对原油的萃取作用。改进的实验装置可以从以下几个方面，保证其对实际油藏中CO₂驱替滞留原油过程模拟的准确性：1.CO₂不会对原油形成直接驱动，仅能通过传质作用提高原油采收率，这与实际油藏中CO₂提高绕流原油采收率的主要机制一致。2.夹持器右侧的接触腔可保证CO₂与原油形成充分的面接触，模拟高渗通道或裂缝中CO₂与原油间的接触关系。3.可以通过改变岩心长度的方法，模拟实际地层中绕流原油的尺度或规模。4.利用化学胶粘剂对岩心右侧端面进行部分封堵，可以模拟实际地层中CO₂与原油接触面积的变化。

常规CO₂驱油装置中，CO₂会对原油形成直接驱动，不能模拟绕流原油的特点。绕流原油的最突出特点就是难以被CO₂直接驱动，只能通过CO₂-原油传质作用提高采收率。2)没有设置CO₂-原油接触腔，难以保证CO₂-原油的充分接触和传质。

现有技术二：人们在研究CO₂吞吐方式驱油时，在常规CO₂驱油装置的基础上，对实验流程进行了改进。CO₂从入口211注入，然后从出口212采出，减弱了CO₂对岩心中原油的直接驱动作用。但是实验装置中没有设置CO₂-原油的接触腔213，一方面难以保证CO₂-原油的充分接触，另一方面注入的高压CO₂缺少了在接触腔内的缓冲，容易直接进入岩心端部，对端部原油形成驱替，而不是通过分子扩散的形式进入，对CO₂-原油传质提高采收率的结果产生影响。而本发明得到的实验结果更能模拟绕流原油难以被直接驱动的特点。同时本发明在岩心夹持器中设置了密闭性假岩心205，能够通过调节假岩心205和饱和油岩心207长度的方法，来模拟不同尺度和规模的绕流原油，考察原油规模对CO₂-原油作用提高采收率的影响，而常规吞吐实验装置未设置该假岩心或者假岩心为非密闭性的，原油在高压下易向左侧流动，引起较大的采收率偏差。

1)CO₂吞吐实验装置未设置CO₂-原油接触腔213，难以保证CO₂-原油的充分接触；

2)岩心夹持器缺少接触腔的缓冲，高压CO₂易进入岩心端部，对端部原油形成驱替，影响CO₂-原油传质提高绕流原油采收率结果。

3)CO₂吞吐实验装置未设置密闭性假岩心205或者为非密闭性的假岩心，原油在高压下易向左侧流动，引起较大的原油采收率偏差。

4)未考虑通过密闭性假岩心205和饱和油岩心207长度的配合，调节并模拟不同尺寸和规模绕流原油的问题。

发明内容

本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种基于CO₂-原油传质作用提高绕流原油采收率的实验装置与方法，能有效的解决上述现有技术存在的问题。

为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：

一种基于CO₂-原油传质作用提高绕流原油采收率的实验装置，包括岩心夹持器200、一号压力表2、一号阀门3、一号计量泵4、二号阀门5、二号压力表6、恒温箱7；高压容器8、恒速恒压泵9、二号计量泵10、三号阀门11、三号压力表12、回压阀13和油气分离器14。

所述岩心夹持器200用于包覆饱和油的岩心，模拟绕流原油的赋存状态，同时提供CO₂与原油传质作用的高温高压环境；岩心夹持器200通过一号压力表2和一号阀门3与一号计量泵4相连，一号计量泵4用于对岩心夹持器200施加围压，实现对岩心的包覆。

所述岩心夹持器200通过二号压力表6和二号阀门5与高压容器8和恒速恒压泵9相连，实验中通过恒速恒压泵9将CO2注入岩心夹持器200的接触腔213内。

所述岩心夹持器200与回压阀13和油气分离器14相连，回压阀13用于控制岩心夹持器200内压力，油气分离器14用于实现减压后的油气分离，同时计量采出油体积。

所述回压阀通过三号压力表12和三号阀门11与二号计量10泵相连，二号计量泵10用于施加回压。

所述恒温箱7用于将实验装置加热到设定温度，并在其内部放置岩心夹持器200、高压容器8和回压阀13。

进一步地，所述岩心夹持器200包括：一号入口201、一号岩心塞202、一号围压堵头203、围压腔204、密闭性假岩心205、胶皮筒206、饱和油岩心207、压力舱体208、二号围压堵头209、二号岩心塞210、二号入口211、出口212和接触腔213；

所述一号入口201直接设置于一号岩心塞202中，在初始岩心饱和原油过程中开启，在传质作用提高采收率实验中始终处于关闭状态；

所述一号岩心塞202通过螺纹与一号围压堵头203连接，用于在岩心轴向上顶紧岩心；

所述一号围压堵头203通过螺纹分别与压力舱体208和一号岩心塞202相接，用于与压力舱体208、胶皮筒206和二号围压堵头209一起形成密闭的围压腔204；

所述围压舱204是由一号围压堵头203、二号围压堵头209、压力舱体208和胶皮筒206共同围绕形成；可在围压舱204内注入水，形成高压，用于向胶皮筒206施加包覆压力，使胶皮筒206紧密包裹一号岩心塞202、二号岩心塞210、密闭假岩心205和饱和油岩心207；

所述密闭性假岩心205直接放置于胶皮筒206中，在岩心塞202和饱和油岩心207之间，长度可调，用于配合调节饱和油岩心207长度，模拟不同规模的绕流原油，同时防止原油向左侧运移；

所述胶皮筒206，两端分别包覆在一号围压堵头203和二号围压堵头209上，同时在围压作用下对放置于胶皮筒206内的一号岩心塞202、密闭性假岩心205、饱和油岩心207、二号岩心塞210形成包裹，提供密闭性的高压环境，防止注入流体在岩心轴向的绕流；

所述饱和油岩心207长度可调，直接放置于胶皮筒206中，左侧与密闭性假岩心205相接，右侧与岩心塞210和接触腔213相接，用于模拟绕流原油；

所述压力舱体208，两端通过螺纹分别与一号围压堵头203和二号围压堵头209相接，配合胶皮筒206，形成围压腔204，用于施加围压，形成高压环境；

所述二号围压堵头209，通过螺纹分别与二号岩心塞210和压力舱体208相接，用于与压力舱体208、胶皮筒206和一号围压堵头203一起形成密闭的围压腔204；

所述二号岩心塞210，通过螺纹与二号围压堵头209连接，用于在岩心轴向上顶紧岩心；

所述二号入口211直接设置于二号岩心塞210上，用于注入高压CO₂；

所述出口212直接设置于二号岩心塞210上，用于高压CO₂与原油的采出；

所述接触腔213，形状为圆形凹槽状，直接设置于二号岩心塞210上，上部与二号入口211相通，下部与出口212相通，用于实现高压CO₂与原油的面接触、传质。

进一步地，所述接触腔213直径2.3cm、深度0.3cm。

进一步地，所述饱和油岩心207，直径2.5cm、长度可调范围为0-30cm。

进一步地，所述密闭性假岩心205长度可调范围为0-30cm。

一种基于上述实验装置的实验方法，包括如下步骤：

S1、开启恒温箱7，设置到实验温度；

S2、将饱和油岩心207置于岩心夹持器200中，所述饱和油岩心207通过常规驱替装置中的油驱水方法制得；

S3、根据饱和油岩心207长度放置密闭性假岩心205，拧紧岩心夹持器200两端一号岩心塞202和二号岩心塞210，其中右侧为带有接触腔213的岩心塞210；

S4、开启一号阀门3，通过一号计量泵4向夹持器的围压腔204施加围压，并始终保持围压高于夹持器内部压力2.0MPa，以实现胶皮筒206对一号岩心塞202、密闭性假岩心205、饱和油岩心207、二号岩心塞210的包裹；

S5、开启三号阀门11，通过二号计量泵10向回压阀13加压至实验压力，饱和油岩心207和接触腔213内CO₂压力低于所述回压时，CO₂和原油不会从出口采出；

S6、通过一号计量泵4施加围压使之高于CO₂压力2.0MPa，所述CO₂压力为二号压力表6，并同时开启二号阀门5，使CO₂进入夹持器的接触腔213内与饱和油岩心207接触；

S7、通过恒速恒压泵9逐步给CO₂升压至实验压力，同时通过一号计量泵4，保持围压始终高于CO₂压力约2.0MPa；

S8、CO₂压力达到实验压力时，停止升压，此时饱和油岩心207和接触腔213内CO₂压力等于回压，恰巧不会采出；

S9、保持高温、高压条件浸泡一定时间，使CO₂与原油充分接触、传质，实现CO₂向原油中的溶解、膨胀和对原油的萃取；

S10、浸泡一定时间后，利用恒速恒压泵9，恒速注入CO₂，使CO₂和原油逐渐从出口212采出，并在油气分离器14内分离，直至无原油继续流出；

S11、停止CO₂注入，保持高温、高压条件，继续浸泡；

S12、与步骤S10方案相同，采出原油；

S13、重复执行S11和S12，直至无原油采出，根据分离器14内采出原油体积，计算CO₂-原油传质提高绕流原油采收率幅度。

与现有技术相比本发明的优点在于：1.实验流程方面，高压CO₂从二号入口注入，从出口采出，不会对原油形成直接的驱动，只能通过CO₂-原油传质作用采出；2.在夹持器右端设置了接触腔，能够保证CO₂-原油的充分接触和传质，同时对高压CO₂形成缓冲，避免对岩心端部原油的直接驱动；3.在夹持器的中间设置了密闭性假岩心，可通过调整所述密闭性假岩心和实际饱和油岩心模型的长度，模拟绕流原油的尺度和规模，同时防止原油在高压下向左侧运移，造成采收率误差。用于研究CO2-原油传质作用提高绕流原油采收率的适应性、最佳注气方式与条件等；提高绕流原油采收率的研究提供借鉴；提高绕流原油采收率的技术思路，即通过CO2与原油的传质作用提高绕流原油采收率，而不仅限于常规的吸气剖面调整。

附图说明

图1为本发明实施例实验装置结构示意图；

图2为本发明实施例岩心夹持器的结构示意图。

附图标记说明

2、一号压力表；3、一号阀门；4、一号计量泵；5、二号阀门；

6、二号压力表；7、恒温箱；8、高压容器；9、恒速恒压泵；

10、二号计量泵；11、三号阀门；12、三号压力表；13、回压阀；

14、油气分离器；200、岩心夹持器；201、一号入口；

202、一号岩心塞；203、一号围压堵头；204、围压腔；

205、密闭性假岩心；206、胶皮筒；207、饱和油岩心；

208、压力舱体；209、二号围压堵头；210、二号岩心塞；

211、二号入口；212、出口；213、接触腔。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，一种基于CO₂-原油传质作用提高绕流原油采收率的实验装置，主要包括改进后的岩心夹持器200，用于包覆饱和油的岩心，模拟绕流原油的赋存状态，同时提供CO₂与原油传质作用的高温高压环境，实验装置还包括：一号压力表2、一号阀门3、一号计量泵4、二号阀门5、二号压力表6、恒温箱7；高压容器8、恒速恒压泵9、二号计量泵10、三号阀门11、三号压力表12、回压阀13和油气分离器14。

所述岩心夹持器200通过一号压力表2和一号阀门3与一号计量泵4相连，一号计量泵4用于对岩心夹持器200施加围压，实现对岩心的包覆。

所述岩心夹持器200通过二号压力表6和二号阀门5与高压容器8和恒速恒压泵9相连，实验中通过恒速恒压泵9将CO2注入岩心夹持器200的接触腔213内。

所述岩心夹持器200与回压阀13和油气分离器14相连，回压阀13用于控制岩心夹持器200内压力，油气分离器14用于实现减压后的油气分离，同时计量采出油体积。

所述回压阀通过三号压力表12和三号阀门11与二号计量10泵相连，二号计量泵10用于施加回压。

所述恒温箱7用于将实验装置加热到设定温度，并在其内部放置岩心夹持器200、高压容器8和回压阀13。

如图2所示，所述岩心夹持器200包括：一号入口201、一号岩心塞202、一号围压堵头203、围压腔204、密闭性假岩心205、胶皮筒206、饱和油岩心207、压力舱体208、二号围压堵头209、二号岩心塞210、二号入口211、出口212和接触腔213；

所述一号入口201直接设置于一号岩心塞202中，在初始岩心饱和原油过程中开启，在传质作用提高采收率实验中始终处于关闭状态；

所述一号岩心塞202通过螺纹与一号围压堵头203连接，用于在岩心轴向上顶紧岩心；

所述一号围压堵头203通过螺纹分别与压力舱体208和一号岩心塞202相接，用于与压力舱体208、胶皮筒206和二号围压堵头209一起形成密闭的围压腔204；

所述围压舱204是由一号围压堵头203、二号围压堵头209、压力舱体208和胶皮筒206共同围绕形成；可在围压舱204内注入水，形成高压，用于向胶皮筒206施加包覆压力，使胶皮筒206紧密包裹一号岩心塞202、二号岩心塞210、密闭假岩心205和饱和油岩心207；

所述密闭性假岩心205直接放置于胶皮筒206中，在岩心塞202和饱和油岩心207之间，长度在0-30cm可调，用于配合调节饱和油岩心207长度，模拟不同规模的绕流原油，同时防止原油向左侧运移；

所述胶皮筒206，两端分别包覆在一号围压堵头203和二号围压堵头209上，同时在围压作用下对放置于胶皮筒206内的一号岩心塞202、密闭性假岩心205、饱和油岩心207、二号岩心塞210形成包裹，提供密闭性的高压环境，防止注入流体在岩心轴向的绕流；

所述饱和油岩心207，直径2.5cm、长度0-30cm可调，直接放置于胶皮筒206中，左侧与密闭性假岩心205相接，右侧与岩心塞210和接触腔213相接，用于模拟绕流原油；

所述压力舱体208，两端通过螺纹分别与一号围压堵头203和二号围压堵头209相接，配合胶皮筒206，形成围压腔204，用于施加围压，形成高压环境；

所述二号围压堵头209，通过螺纹分别与二号岩心塞210和压力舱体208相接，用于与压力舱体208、胶皮筒206和一号围压堵头203一起形成密闭的围压腔204；

所述二号岩心塞210，通过螺纹与二号围压堵头209连接，用于在岩心轴向上顶紧岩心；

所述二号入口211直接设置于二号岩心塞210上，用于注入高压CO₂；

所述出口212直接设置于二号岩心塞210上，用于高压CO₂与原油的采出；

所述接触腔213，形状为直径2.3cm、深度0.3cm的圆形凹槽状，直接设置于二号岩心塞210上，上部与二号入口211相通，下部与出口212相通，用于实现高压CO₂与原油的面接触、传质。

一种基于上述实验装置的实验方法，包括如下步骤：

S1、开启恒温箱7，设置到实验温度；

S2、将饱和油岩心207置于岩心夹持器200中，所述饱和油岩心207通过常规驱替装置中的油驱水方法制得；

S3、根据饱和油岩心207长度放置密闭性假岩心205，拧紧岩心夹持器200两端一号岩心塞202和二号岩心塞210，其中右侧为带有接触腔213的岩心塞210；

S4、开启一号阀门3，通过一号计量泵4向夹持器的围压腔204施加围压，并始终保持围压高于夹持器内部压力2.0MPa，以实现胶皮筒206对一号岩心塞202、密闭性假岩心205、饱和油岩心207、二号岩心塞210的包裹；

S5、开启三号阀门11，通过二号计量泵10向回压阀13加压至实验压力，饱和油岩心207和接触腔213内CO₂压力低于所述回压时，CO₂和原油不会从出口采出；

S6、通过一号计量泵4施加围压使之高于CO₂压力2.0MPa，所述CO₂压力为二号压力表压力6，并同时开启二号阀门5，使CO₂进入夹持器的接触腔213内与饱和油岩心207接触；

S7、通过恒速恒压泵9逐步给CO₂升压至实验压力，同时通过一号计量泵4，保持围压始终高于CO₂压力约2.0MPa；

S8、CO₂压力达到实验压力时，停止升压，此时饱和油岩心207和接触腔213内CO₂压力等于回压，恰巧不会采出；

S9、保持高温、高压条件浸泡一定时间，使CO₂与原油充分接触、传质，实现CO₂向原油中的溶解、膨胀和对原油的萃取；

S10、浸泡一定时间后，利用恒速恒压泵9，恒速注入CO₂，使CO₂和原油逐渐从出口212采出，并在油气分离器14内分离，直至无原油继续流出；

S11、停止CO₂注入，保持高温、高压条件，继续浸泡；

S12、与步骤S10方案相同，采出原油；

S13、重复执行S11和S12，直至无原油采出，根据分离器14内采出原油体积，计算CO₂-原油传质提高绕流原油采收率幅度。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。