CO2_驱气体赋存特征微观可视化实验

文章编号：1000 − 7393(2023)03 − 0358 − 10 DOI: 10.13639/j.odpt.202208025
CO 2驱气体赋存特征微观可视化实验
赵乐坤1 刘同敬2 张营华3 陈辉3 韩富强2 周建4 江绍静5 姚约东1
1. 中国石油大学(北京)石油工程学院；
2. 中国石油大学(北京)非常规油气科学技术研究院；
3. 中石化胜利油田分公司勘探开发研究院；
4. 北京金士力源科技有限公司；
5. 陕西延长石油(集团)有限责任公司
引用格式：赵乐坤，刘同敬，张营华，陈辉，韩富强，周建，江绍静，姚约东. CO 2驱气体赋存特征微观可视化实验［J ］. 石油钻采工艺，2023，45（3）：358-367.
摘要：CO 2微观赋存特征对现场利用CO 2驱油提高采收率具有重要意义，然而目前的实验手段无法直观揭示CO 2驱油过程中的赋存状态，相关研究成果较少。

采用微观渗流模拟技术，通过刻蚀不同孔喉特征二维微观可视模型，开展了CO 2混相与非混相驱及气驱后水驱微观可视化驱替实验，明确了不同驱替方式、不同驱替阶段和不同孔喉特征下CO 2的赋存特征。

结果表明，CO 2赋存特征受驱替方式、驱替阶段和孔喉特征的共同影响，CO 2驱阶段，CO 2赋存特征主要受驱替方式影响，其次是孔喉特征影响；气驱过程中CO 2主要以连续相形式存在，但混相驱时局部CO 2富集且处于超临界状态，部分溶解在残余油中，而非混相驱富集现象不明显；气驱后转水驱过程中，CO 2赋存特征受驱替方式和孔喉特征的共同影响，混相驱替时，低渗透模型中气体赋存形式呈分散的泡状，细小喉道中存在段塞，高渗透模型中以密集的段塞为主、分散的泡状为辅；非混相驱替时，低渗透模型细小喉道中存在段塞，高渗透模型以小段塞为主，集中分布于喉道中间。

研究成果有助于研究CO 2微观驱油机理和CO 2赋存特征，对提高CO 2驱油效率和辅助CO 2埋存研究具有理论指导意义。

关键词：CO 2驱油；赋存特征；混相驱；非混相驱；微观可视化实验中图分类号：TE357.4 文献标识码： A
Microscopic visualization experiment on gas occurrence characteristics in CO 2 flooding
ZHAO Lekun 1, LIU Tongjing 2, ZHANG Yinghua 3, CHEN Hui 3, HAN Fuqiang 2, ZHOU Jian 4, JIANG Shaojing 5, YAO Yuedong 1
1. College of Petroleum Engineering , China University of Petroleum (Beijing ), Beijing 102249, China ;
2. Unconventional Petroleum Research Institute , China University of Petroleum (Beijing ), Beijing 102249, China ;
3. Exploration and Development Research Institute , SINOPEC Shengli Oilfield Company , Dongying 257000, Shandong , China ;
4. Beijing Jinshiliyuan Technology Co., Ltd., Beijing 102200, China ;
5. Shaanxi Yanchang Petroleum (Group ) Co., Ltd., Xi’an 710075, Shaanxi , China
Citation: ZHAO Lekun, LIU Tongjing, ZHANG Yinghua, CHEN Hui, HAN Fuqiang, ZHOU Jian, JIANG Shaojing, YAO Yuedong. Microscopic visualization experiment on gas occurrence characteristics in CO 2 flooding ［J ］. Oil Drilling & Production Technology, 2023, 45(3): 358-367.
Abstract: The CO 2 microscopic occurrence characteristics are significant for the study of CO 2 flooding to enhance the oil recovery. However, the form variation and occurrence characteristics of gas in CO 2 flooding have been rarely discussed so far. By
基金项目: 国家重点研发计划项目“CO 2驱油技术及地质封存安全监测”(编号：2018YFB0605500)；中国石化重点科技项目“低丰度特
低渗滩坝砂油藏CO 2驱技术研究与示范”(编号：P18088-2)。

第一作者: 赵乐坤(1993-)，在读博士研究生，主要从事油气田开发、提高采收率等方面的研究。

通讯地址：(102249)北京市昌平区府学路
18号。

E-mail ：通讯作者: 刘同敬(1972-)，2008年毕业于中国石油大学(北京)油气田开发工程专业,获博士学位，主要从事油气田开发工程方向的研究
与教学工作，副研究员。

通讯地址：(102249)北京市昌平区府学路18号。

E-mail ：第 45 卷 第 3 期石 油 钻 采 工 艺
Vol. 45 No. 3
2023 年 5 月OIL DRILLING & PRODUCTION TECHNOLOGY May 2023
using the microscopic flow simulation technology, a two-dimensional microscopic visualization model considering different pore throat characteristics was built. With the model, microscopic visualization displacement experiments were performed on CO2 miscible flooding, CO2 immiscible flooding, and water flooding after gas flooding, to clarify the occurrence characteristics of CO2 under different displacement processes, displacement stages and pore throat characteristics. The results show that the occurrence characteristics of CO2 are jointly controlled by displacement process, displacement stage and pore throat characteristics. During CO2 flooding, the occurrence characteristics of CO2 are mainly affected by displacement process, followed by pore throat characteristics. During gas flooding, CO2 occurs mainly as a continuous phase. During miscible flooding, CO2 is enriched and in a supercritical state locally, and partially dissolved in the residual oil. The phenomenon is unobvious during immiscible flooding. During water flooding after gas flooding, the occurrence characteristics of CO2 are jointly affected by displacement process and pore throat characteristics. During miscible flooding, the low-permeability model exhibits the gas occurrence in dispersive bubble form, and as slugs in fine throats, while the high-permeability model demonstrates the gas occurrence dominantly as dense slugs, supplemented by dispersive bubble form. During immiscible flooding, the low-permeability model shows slugs in fine throats, while the high-permeability model reveals the dominance of small slugs, which are concentrated between throats. The research findings are conducive to the study of CO2 microscopic displacement mechanism and occurrence characteristics, and of theoretical guiding significance for research on improvement of CO2 flooding efficiency and contribution to CO2 storage.
Key words: CO2 flooding; occurrence characteristics; miscible flooding; immiscible flooding; microscopic visualization experiment
0 引言
低渗透油藏具有储量丰富、分布广泛、生产周期长等特点，是全球油气勘探中的重要资源。

然而，受到储层物性差的影响，其开采难度大且采收率较低［1］。

传统的采油技术已无法满足低渗透油藏开发的效率要求，因此寻找新的提高采收率方法已成为重要的研究趋势［2］。

随着油田注水开发进入高含水阶段，水驱开发效果变差。

CO2驱技术以其降黏和膨胀等作用被普遍认为是高含水油田有效开发的手段之一［3-4］。

该技术已在吉林油田、胜利油田、长庆油田和冀东油田等多个油田得到了应用，并取得了显著效果。

实践证明，CO2驱技术是一种有效的提高原油采收率的方法，尤其对于低渗透非均质油藏，可以获得较好的增油效果［5］。

目前针对CO2驱提高采收率技术的研究主要集中在CO2混相驱和CO2超临界驱替等方面，对于CO2赋存方面的研究相对较少［6-7］。

同时，国际社会对环保问题的重视不断增加，欧美等发达国家在CO2驱油过程中实施CO2地质封存来减少温室气体排放已成为常态［8］。

相比之下，我国在这方面的研究起步较晚，而CO2地质封存的关键在于明确驱油过程中CO2的赋存特征［9］。

因此，深入研究CO2的赋存特征不仅对进一步提高低渗储层的CO2驱提高采收率技术具有重要的经济意义，而且对于科学开展CO2的捕集和埋存、减少CO2排放、保护自然环境具有重要的社会意义［10-12］。

CO2驱是一个复杂的物理过程，涉及到相态变化、组分传质以及油气水三相流体在多孔介质中的相互作用与运移，因此需要从实验中出发，直观地观察流体间的相互作用［13-16］。

微观渗流模拟技术是近年来兴起的一种微观可视化驱油技术［17-20］，该技术将真实岩心的孔隙结构和形态特征刻蚀到玻璃片制作模型，用来研究微观驱油机理［21］。

一方面，该技术利用玻璃刻蚀模型进行微观渗流模拟，能直接观察到流体在储层的微观渗流动态，弥补了人造岩心的不足；另一方面，该技术能够记录多孔介质中油、气、水三相的流动特征，并对实验过程中的录制图像进行动态分析，从而研究不同驱替方式下流体的微观渗流机理及不同孔喉中的赋存特征［22］。

蚀刻玻璃微模型由于其视觉清晰度，能够看到流体界面运动使人们能区分在多孔介质中可能发生的各种机制。

杜建芬等［23］通过高压微观可视化模型，开展CO2非混相驱、近混相驱和混相驱等驱油实验，总结CO2驱有效波及面积和驱油机理。

Liu 等［24］利用高分辨率微型计算机断层扫描影像，建立微观孔隙尺度模型，揭示了CO2驱和水驱在多孔介质中的渗流机理，为可视化的CO2驱油研究提供了新的思路。

李南等［25］、李明等［26］利用真实砂岩微观模型进行CO2驱油实验，分析了CO2驱过程
赵乐坤等：CO2驱气体赋存特征微观可视化实验359
中孔喉分布对驱油效率的影响。

Song等［27］采用2种均匀微观模型，通过高分辨率显微镜对CO2饱和度及其分布研究，表明微模型结构、注入速率等因素对CO2驱替效率的影响。

王业飞等［28］利用核磁共振技术可视化研究了CO2驱剩余油分布情况，结果表明，对于不同非均质性的岩心，CO2驱油效果良好，但存在未波及面积。

赵博文等［29］通过高温高压微观可视化研究，研究了裂缝对低渗透油藏CO2驱油效果、波及面积的影响，实验结果表明，随着压力的不断升高，CO2驱油效果越好、波及面积越大。

邓瑞健等［30］利用微观可视化模型对比了水驱和水驱后CO2驱的驱油效果。

结果显示，CO2通过溶解、膨胀、降黏和抽提等作用，转化了原来不可动的盲端、壁面油膜和柱状剩余油为可动油，有效利用了孔喉直径超过10−2 μm的微观储集空间。

Zhang 等［31］利用光学显微镜和高速摄影技术，实时观察了水-气-油三相界面在CO2注入过程中的变化，对不同注入模式(包括连续CO2注入和间歇CO2注入)下，CO2-EOR效果进行了系统研究，揭示了不同条件下油气在岩石中运移的差异。

通过对国内外文献调研，诸多学者对多孔介质中CO2驱可视化微观
驱替进行研究，但是在温度、压力等多重介质影响下，CO2驱油机理、有效波及面积、渗流规律、剩余油分布及CO2赋存特征情况尚不明确。

笔者利用微观渗流模拟技术，基于低渗透和高渗透两组玻璃刻蚀模型，开展了CO2混相驱、非混相驱及后续水驱微观驱替可视化实验，观察不同模型在不同微观驱替实验中的流体渗流规律和CO2分布特征，并分析了驱替过程中的驱油机理和CO2变化特征。

同时，总结了低渗透模型和高渗透模型在不同驱替阶段所对应的CO2赋存特征。

研究成果为深入理解CO2驱油机理、多孔介质中CO2流动规律和赋存特征提供了科学依据和技术支持，对于提高致密储层CO2驱油效率和辅助二氧化碳埋存等研究具有理论指导意义。

1 实验部分
1.1 实验材料
(1)模型制作。

根据图1所示的实际岩心的电镜扫描结果，利用激光刻蚀技术，在光学玻璃板上刻蚀微观二维孔隙结构，制作成可供摄像用的透明微观CO2驱渗流实验模型。

玻璃刻蚀微观渗流实验模型的整体孔隙结构特征为仿真、均质。

孔喉尺寸、玻璃颗粒差异分布，孔喉特征参数详见表1。

玻璃刻蚀微观渗流实验模型采用一注一采的方式，右注左采。

模型制作完成后，将其镶嵌在胶套中并利用高温胶密封在夹持器上。

表 1 实验模型孔喉特征参数
Table 1 Pore throat characteristic parameters of the
experimental model
模型类型面孔率配位数孔喉比
低渗透模型0.099 73~5，平均3 2.13~21.15，平均5.90
高渗透模型0.365 31~5，平均2 1.72~20.31，平均5.41
(2)实验流体。

实验用水为蒸馏水。

常温常压和高温高压实验用油为模拟油，密度0.78 g/cm3，黏度10.23 mPa · s。

实验气体为纯度99.9%的CO2。

(3)围压液采用乙二醇溶液。

为方便观察与记录，将水和模拟油染色，水的染色剂采用亚甲基蓝，模拟油的染色剂采用油红。

1.2 实验装置
本次实验采用微观可视化物理模拟装置，耐压20 MPa、耐温90 ℃，主要装置包括：微观模型、QIZC泵、显微镜、成像系统、吊瓶等。

(1)显微镜参数：徕卡M205，变焦范围5~40倍，无级变焦，具备图像分析系统接口(CCD接口)
，变
(a) 低渗透岩心电镜扫描
(b) 高渗透岩心电镜扫描
图 1　实际岩心电镜扫描图
Fig. 1 SEM image of real cores
360石油钻采工艺 2023年 5 月（第 45 卷）第 3 期
距倍数1.25~16.0倍，透射可调冷光源。

(2)变速相机参数：PHOTRON高性能工业级摄像头，实验使用频率范围50~1 000 帧/s。

(3)计算机参数：配置PD500，内存64 G，硬盘1.0 T，配备USB3.0，便于图像及数据备份。

1.3 实验方法
利用玻璃刻蚀微观渗流实验模型，对CO2混相驱、非混相驱及后续水驱的CO2赋存状态开展微观可视化物理模拟驱替实验研究，实验流程见图2。

光源
图 2　微观可视化实验流程图
Fig. 2 Process of the microscopic visualization experiment
CO2混相驱及后续水驱微观驱替实验步骤为：(1)向微观模型夹持器内注乙二醇溶液增加围压至15 MPa，加热并维持实验温度50 ℃，恒温90 min后加回压至14 MPa；(2)以特定流速向微观模型注入水冲洗，打开显微摄像头调节焦距至图像清晰，同时使用压力检测系统测定稳定时模型进出口端压力差；(3)饱和模拟油至整个模型孔隙的98%，关闭模拟油控制阀；(4)注入端压力14.5 MPa，恒压注入CO2，轻微打开出口端阀门，发现出口端有红色饱和油排出时，表示饱和油过程中残存在管线里的模拟油已被CO2从模型驱替出来，此时按下拍摄键记录CO2进入模型过程和在多孔介质中的赋存状态；
(5)待出口端不出油后，关闭CO2控制阀进行后续水驱，注入端压力14.5 MPa，恒压注入2倍孔隙体积的蒸馏水，录像观察CO2在多孔介质中的赋存状态；
(6)观察实验过程中不同阶段剩余油分布情况及流体在模型中的赋存情况，统计不同阶段采出程度。

CO2非混相驱及后续水驱微观驱替实验步骤：(1)设定实验温度为室温(25 ℃)，实验压力为室内大气压(0.101 MPa)；(2)以特定流速向微观模型注入水冲洗，打开显微摄像头调节焦距至图像清晰，同时测定稳定时模型进出口端压力差；(3)饱和模拟油至整个模型孔隙的98%，关闭模拟油控制阀；(4)注入端压力0.15 MPa，恒压注入CO2，按下拍摄键，记录CO2进入模型的过程和在多孔介质中的赋存状态；
(5)待出口端不出油后，关闭CO2控制阀进行后续水驱，注入端压力0.15 MPa，恒压注入2倍孔隙体积蒸馏水，录像观察CO2在多孔介质中的赋存状态；
(6)观察实验过程中不同阶段剩余油分布情况及流体在模型中的赋存情况，统计不同阶段采出程度。

2 CO2混相驱及后续水驱微观驱替实验
2.1 实验结果分析
根据CO2混相驱及后续水驱微观驱替实验，分别得到低渗模型和高渗模型不同驱替阶段结束时对应的采收率。

从表2可看出，高渗模型各阶段采收率整体上高于低渗模型，但差距不大。

气驱结束及后续水驱结束时高渗模型采收率比低渗模型分别高3.7个百分点和5个百分点。

由此可见，不论是高渗模型还是低渗模型，在CO2混相驱及后续水驱阶段都能获得较高采收率。

高渗模型效果优于低渗模型的主要原因为高渗模型中相对细小喉道较少，注入流体更易进入驱替出其中的模拟油，而低渗模型中相对细小喉道占比较多，注入流体不易进入。

表 2 CO2混相驱微观驱替实验结果
Table 2 Results of the CO2 miscible flooding microscopic
displacement experiment
模型类型气驱采收率/%后续水驱采收率/%
低渗透模型88.490.4
高渗透模型92.195.4
在混相驱条件下，气后水驱有助于进一步提高最终采收率。

低渗模型后续水驱结束时的采收率，较气驱结束时的采收率提高了2.0个百分点；高渗模型后续水驱结束时的采收率，较气驱结束时的采收率提高了3.3个百分点。

由此可见，CO2混相驱后继续水驱，有助于提高最终采收率，但高渗模型相较于低渗模型提高的采收率幅度更大。

高渗模型后续水驱效果好的主要机理为注入水能进一步挤压CO2进入细小喉道，驱替出其中模拟油。

2.2 渗流特征分析
受孔隙结构复杂性的影响，油、气、水三相同时在多孔介质内流动时，呈现出不同的渗流规律。

CO2混相驱时具有较强的溶解降黏作用，使得CO2在注入模型的过程中不断萃取和汽化原油中的轻烃。

经过多次混相接触，原油和注入CO2之间的
赵乐坤等：CO2驱气体赋存特征微观可视化实验361
界面张力几乎为0，没有明显的油气界面［32］。

通过本次实验，观察到了低渗模型和高渗模型在CO2混相驱及后续水驱过程中，各相流体微观驱替的渗流规律及变化形态，实验照片见图3。

(a) 低渗透模型，饱和油后
(c) 低渗透模型，气驱前期
(e) 低渗透模型，气驱结束
(g) 低渗透模型，后续水驱结束
(b) 高渗透模型，饱和油后
(d) 高渗透模型，气驱前期
(f) 高渗透模型，气驱结束
(h) 高渗透模型，后续水驱结束
图 3　CO2混相驱微观驱替实验照片
Fig. 3 Photos of the CO2 miscible flooding microscopic displacement experiment
从图3可看出，CO2混相驱时驱油机理以
CO2溶解和驱替作用为主。

气驱初期CO2充分溶
解在原油中并萃取原油中轻质组分，孔喉中颜色逐
渐变浅。

随注气量逐渐增加，CO2与孔喉中原油充
分饱和，多余的CO2处于游离态。

因压力较高，这
些CO2处于超临界状态，透光性较弱，呈现为暗灰
色。

此时CO2赋存形式以溶解状态为主，较难观察
到单个气泡存在。

气驱结束时，大部分原油被
CO2驱替出来，CO2以连续相存在于孔喉中，局部
CO2富集，此时观察到暗灰色所占的区域较大。

CO2混相驱结束后继续水驱时驱油机理主要是
注入水与CO2相互作用进一步扩大波及体积。

气
驱后转水驱过程中，在较大的孔隙喉道内，注入水会
很快充满孔隙空间，并且驱出原先处于赋存状态的
CO2及残余油。

在相对较小的喉道内则存在2种情
况，一是同大孔喉一样，注入水能够进入该喉道；二
是对于部分阻力较大的喉道，注入水难以进入，导
致CO2局部富集。

总体而言至水驱阶段结束，注入
水会占据模型的大部分孔道，但颜色深浅不一，局部
有暗灰色，表明有残余的CO2赋存于孔隙喉道中。

362石油钻采工艺 2023年 5 月（第 45 卷）第 3 期
2.3 CO2赋存特征
基于CO2混相驱及后续水驱微观驱替实验，分别对低渗模型和高渗模型中观察得到的CO2在各渗流阶段的赋存特征进行了总结归纳，见表3。

表 3 CO2混相驱及后续水驱阶段CO2赋存特征
Table 3 CO2 occurrence characteristics during CO2 miscible flooding and subsequent water flooding
模型类型驱替阶段相态特征分布特征流动特征微观特征微观模型局部图
低渗模型气驱前期溶解态混相饱和油部位颜色变浅①气驱后期游离态密集状、连续相段塞流大量CO2富集呈暗灰色②后续水驱游离态分散状、分散相泡状流整体呈蓝色，局部CO2富集呈暗灰色③
高渗模型气驱前期溶解态混相
饱和油部位颜色变浅，局部CO2富集
呈暗黑色
④气驱后期游离态密集状、连续相段塞流大量CO2富集呈暗黑色⑤后续水驱游离态密集为主，分散为辅段塞为主，泡状为辅整体呈蓝色，富集CO2段塞和气泡⑥
①②③④⑤
⑥
CO2混相驱过程中，低渗模型和高渗模型呈现
出的CO2赋存特征具有相似性，但高渗模型呈现出
的现象更明显。

高温高压实验中CO2处于超临界
状态，气驱前期CO2溶解在原油里，赋存形式以溶
解态为主，饱和油部位颜色逐渐变浅，较难观察到单
个气泡存在。

气驱后期原油中溶解的CO2已饱和，
未溶于原油的CO2以连续相形式存在于孔喉中。

后续水驱过程中，低渗透模型和高渗透模型的
CO2赋存特征呈现出明显的差异性。

其中，对于低
渗透模型，由于孔喉尺寸较小，黏性指进、重力分离
等因素影响较小，水驱前缘较为均匀，较难发生水相
突进，因此，水锁现象滞留的CO2较少，CO2赋存特
征表现为分散的泡状流。

而对于高渗透模型，由于
孔喉尺寸较大，水驱前缘非活塞驱替效应相对明显，
注入水首先沿孔喉壁面运移，将孔喉中央的CO2流
体分隔成段塞或者泡状(在尺寸较大的孔喉中央易
形成泡状，在尺寸较小的喉道易形成较为集中的段
塞)，因此CO2赋存特征以密集的段塞为主，分散的
泡状为辅。

3 CO2非混相驱及后续水驱微观驱替实验
3.1 实验结果分析
根据CO2非混相驱及后续水驱微观驱替实验，
分别得到了低渗透模型和高渗透模型不同驱替阶段
结束时对应的采收率，见表4。

表 4 CO2非混相驱微观驱替实验结果
Table 4 Results of the CO2 immiscible flooding microscopic
displacement experiment
模型类型气驱采收率/%后续水驱采收率/%
低渗透模型75.176.8
高渗透模型91.692
分析表4数据，气驱结束时高渗透模型的采收
率比低渗透模型高16.5个百分点，后续水驱结束时
高渗透模型的采收率比低渗透模型高15.2个百分
点。

高渗透模型采收率整体高于低渗透模型，且受
驱替方式影响较小。

CO2非混相驱对低渗透模型的
气驱采收率以及后续水驱采收率的影响很大，但对
高渗透模型的影响较小，地层渗透率相对较高的油
藏在不易达到最小混相压力前提下可以使用
CO2非混相驱进一步提高采收率
CO2非混相驱后继续水驱提高的采收率幅度，
小于混相驱后继续水驱提高的采收率幅度。

其中，
低渗模型后续水驱结束时的采收率，相较于气驱结
束时的采收率提高了1.7个百分点；高渗模型后续
水驱结束时的采收率，相较于气驱结束时的采收率赵乐坤等：CO2驱气体赋存特征微观可视化实验363
提高了0.4个百分点。

由此可见，CO2非混相驱后继续水驱，对高渗模型提高采收率的作用很小，但有助于低渗模型进一步提高采收率。

3.2 渗流特征分析
CO2非混相驱主要机理包括降低原油黏度、使原油膨胀及溶解气驱等［18］。

同时，由于注入气不与原油混相，CO2以游离态气相形式存在，溶解态较少。

通过本次实验，观察了低渗模型和高渗模型在CO2非混相驱及后续水驱过程中，各相流体微观驱替的渗流规律及形态变化，实验照片见图4。

(a) 低渗透模型，饱和油后
(c) 低渗透模型，气驱前期
(e) 低渗透模型，气驱结束
(g) 低渗透模型，后续水驱结束
(b) 高渗透模型，饱和油后
(d) 高渗透模型，气驱前期
(f) 高渗透模型，气驱结束
(h) 高渗透模型，后续水驱结束
图 4　CO2非混相驱微观驱替实验照片
Fig. 4 Photos of the CO2 immiscible flooding microscopic displacement experiment
从图4可以看出，CO2非混相驱时驱油机理主
要以CO2溶解和驱替作用为主。

气驱初期，CO2首
先沿阻力较小的孔喉流动。

一部分溶于原油中，使
孔喉中饱和油的颜色逐渐变浅；还有一部分以游离
态存在孔喉中，在驱替压力下逐步推动原油往出口
端运移。

随着注入气量的不断增加，CO2开始逐渐
进入半径更小的孔喉，由于小孔喉中渗流阻力较大，
因此CO2在小孔喉中处于气泡状。

气驱结束时，大
孔道中的CO2突破形成连续相，剩余油只存在油膜
中；而孔喉中的CO2较为分散，剩余油较多。

其中，
低渗透模型中剩余油以油滴状存在于孔喉壁面，受
孔喉大小影响，孔喉内的原油较难被驱替。

高渗透
模型中剩余油以油滴状存在于孔喉壁面，同时由于
孔喉尺寸相对较大，孔喉内的原油基本被驱替，因此364石油钻采工艺 2023年 5 月（第 45 卷）第 3 期
未有较大体积的剩余油存在于孔喉中。

CO2非混相驱结束后继续进行水驱，驱替过程主要为非活塞式驱替。

对于低渗透模型，当注入水进入模型后向中部扩展，逐渐将CO2驱出。

然而由于孔道大小不一，驱替速度不均衡，注入水首先沿大孔道前进。

当驱替趋于平稳后，注入水占据了模型的大部分孔道，不连续的CO2气体减少，至水驱阶段结束，残余CO2主要存在于喉道中。

对于高渗透模型，当注入水进入模型后，首先沿主流线向采出端推进。

当驱替趋于平稳后，注入水占据模型大部分孔道，但是不连续的CO2气体较多，CO2以密集的段塞为主，集中分布于尺寸较小的孔喉内。

3.3 CO2赋存特征
基于CO2非混相驱及后续水驱微观驱替实验，分别对低渗模型和高渗模型中观察得到的CO2在各渗流阶段赋存特征进行了总结归纳，见表5。

表 5 CO2非混相驱及后续水驱阶段CO2赋存特征
Table 5 CO2 occurrence characteristics during CO2 immiscible flooding and subsequent water flooding
模型类型驱替阶段相态特征分布特征流动特征微观特征微观模型局部图
低渗模型气驱前期游离态为主密集状、连续相段塞流饱和油部位颜色变浅，存在泡状CO2①气驱后期游离态密集状、连续相段塞流
CO2占据大部分孔喉，
局部存在油滴状剩余油
②后续水驱游离态分散状、分散相泡状流整体呈蓝色，局部有分散的CO2气泡③
高渗模型气驱前期游离态为主密集状、连续相段塞流饱和油部位颜色变浅，存在泡状CO2④气驱后期游离态密集状、连续相段塞流
CO2占据大部分孔喉，
局部存在油滴状剩余油
⑤后续水驱游离态密集状、连续相段塞流整体呈蓝色，大量富集CO2段塞⑥①②③④⑤
⑥
CO2非混相驱过程中，低渗透模型和高渗透模
型所呈现出的CO2赋存特征具有相似性。

由于
CO2非混相驱时油藏压力相对较低，因此CO2的赋
存特征以游离态为主。

实验观察到：大量气泡状的
CO2气体驱替原油，气相占据了孔喉的中心位置驱
替孔喉内的原油，而剩余油以油滴状或薄膜状分布
于孔隙壁面；孔喉内的大部分原油被CO2驱出，而
CO2以连续气相形式存在于模型中，局部CO2聚
集。

相对于超临界状态的CO2，由于非混相驱时压
力较低，透光性相对较强，因此CO2富集部位不会
呈现混相驱替时明显的暗灰色。

后续水驱过程中，低渗模型和高渗模型的
CO2赋存特征呈现出明显差异性。

低渗透模型至水
驱阶段结束，残余CO2主要存在于喉道中，CO2赋
存特征为分散的泡状流。

这是由于尺寸较小的孔喉
内贾敏效应较强、附加阻力较大，导致CO2较难被
水驱替。

高渗模型至水驱阶段结束，残余的不连续
CO2气体较多，且集中分布在尺寸较小的孔喉内。

这是由于注入水进入模型后首先沿主流线向采出端
推进，而非主流线区域水驱波及程度较低，受水锁影
响滞留的CO2较多，因此表现为在尺寸较小的孔喉
内大量富集CO2段塞。

4 结论
(1)高渗透模型或低渗透模型在混相或非混相
状态下，二氧化碳驱替后气体的赋存均呈现密集状
分布。

油藏特征和混相条件对二氧化碳驱替纯油后
的赋存状态没有影响。

(2)低渗透模型在混相或非混相状态下，二氧化
碳后续水驱结束后，气体的赋存形态从密集状变为
分散状。

分散状气泡形成圈闭后，起到了暂时堵塞
的作用，增加了后续水驱过程中的阻力，并通过将气
相推进小孔隙来扩大波及体积。

赵乐坤等：CO2驱气体赋存特征微观可视化实验365。