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混相驱油驱替机理-低场核磁共振驱替研究

随着EOR技术的发展，气驱特别是混相驱油将是提高我国低渗透油藏采收率非常有前景的方法。本文介绍低场核磁法研究混相驱油驱替机理。

混相驱油驱替机理

混相驱油是在地层高温条件下，原油中轻质煌类分子被CO2析取到气相中，形成富含烧类的气相和溶解CO2的液相(原油)两种状态。

混相驱油驱替机理主要包括以下三个方面：

(1)当压力足够高时，CO2析取原油中轻质组分后，原油溶解沥青、石蜡的能力下降,重质成分从原油中析出，原油黏度大幅度下降，提高了油的流动能力达到CO2混相驱油的目的。

(2)CO2在地层油中具有较高的溶解能力，从而有助于地层油膨胀，充分发挥地层油的弹性膨胀能，推动流体流人井底。

(3)油气相互作用的结果可以使原油表面张力减小。原油-CO2体系的界面张力随着压力增加而快速下降。

基于高温高压低场核磁共振在线表征技术，可以对裂缝型致密砂岩循环注入CO2过程中核磁信号进行实时监测，从孔隙尺度了解注CO2过程中岩石基质与裂缝间的质量交换行为（即原油的流动轨迹），从而探究混相驱油驱替机理，以及注CO2在提高裂缝型致密储层原油采收率的机理。

混相驱油驱替机理：裂缝型致密砂岩 CO2 循环注入 NMR 在线监测装置示意图

混相驱油驱替机理：致密基质/裂缝间质量交换机制示意图

混相驱油驱替机理以及CO2注入提高原油采收率主要由三个因素决定:CO2的驱替作用、CO2与原油之间的相互作用(主要是萃取作用和溶解作用)和压降作用，结合CO2提高采收率的三个过程对岩石基质与裂缝间的质量交换作如下总结：

CO2注入阶段: 注入的CO2在裂缝中推进的同时迅速将岩心系统压力增加至35 MPa，由于内部压力梯度的存在使CO2快速驱替取代了裂缝附近的原油。

浸泡阶段: 在此过程中注入的CO2进一步扩散到岩石基质中，并溶解在基质油中，此时以萃取作用和溶解作用为主，溶解的CO2导致局部高压，从而将油驱向裂缝。

降压阶段: 随着系统压力下降，裂缝中的油和裂缝附近基质中的油在压力梯度的影响下被输送到生产井中。

混相驱油驱替机理：CO2循环注入过程中岩心的T2谱特征

低场核磁微观驱替实验

油气资源是我国能源的重要组成部分，国家能源局、科学技术部日前印发的《“十四五”能源领域科技创新规划》指出，绿色高效油气开发利用主要聚焦增强油气安全保障能力，特别强调了增强油气供应能力，提高发展水平，在技术方面开展化学驱油、纳米驱油、CO2驱油、精细化勘探、智能化注采等相关核心技术，提升低渗老油田、高含水油田、深层油气、常规油气以及其他非常规油气的采收率和储量动用率。

通过模拟不同地层条件进行驱替实验研究油水在地层中的渗流规律，可为油气勘探与开发提供科学指导。

低场核磁微观驱替实验

低场核磁共振作为一种高新技术，在驱替实验油水可视化研究领域发展成熟，助力国家能源安全保障。

低场核磁微观驱替实验

低场核磁微观驱替实验油水可视化研究应用

核磁对氢信号优秀的捕捉能力，在油气藏储层研究中发挥了巨大的作用。

搭配多场耦合配件，可以模拟地层真实高温高压环境，岩心不同尺寸孔隙中的油水信号在核磁T2 谱中对应的弛豫时间不同，随着驱替实验的进行，核磁T2 谱随着岩心内部油水相态的变化而发生变化，可以定量研究地层的油气开采过程。同时基于核磁成像功能，可对整个驱替过程的各个阶段进行成像，实现驱替过程中油水迁移的可视化。

低场核磁剩余油可视化实验中，驱替后仍有部分油剩余的原因如下：

岩心内部小孔的毛细管压力阻碍了这部分油的迁移流动

岩心内部在驱替过程中形成的优势通道使得驱替压力得到快速突破，忽略了部分非优势通道中的油

低场核磁微观驱替实验

水驱油核磁共振原理图

随着水驱开发的进行，国内大多数油田皆已进入高含水、高采出程度的“双高”阶段，针对二次采油未能采出的未波及区的剩余油和波及区的残余油，认识剩余油为油田二次采油及三次采油提供重要依据尤为重要。

剩余油分布是指剩余油在地层中的分布情况，影响剩余油分布的因素众多，主要受静态储层(地质的)和动态注采状况(开发的)双重因素的影响。静态储层因素是根本的、内在的因素，注采状况(开发条件)是影响剩余油分布的外部因素。

水驱油核磁共振原理

基于核磁对氢信号优秀的捕捉能力，在油气藏储层研究中，发挥了巨大的作用。搭配多场耦合配件，可以模拟地层真实高温高压环境，岩心（水驱油核磁共振实验、水驱剩余油分布实验、微观驱替实验、多相驱替实验）不同尺寸孔隙中的油水信号在核磁T2谱中对应的弛豫时间不同，随着驱替实验（水驱油核磁共振实验、水驱剩余油分布实验、微观驱替实验、多相驱替实验）的进行，核磁T2谱随着岩心内部油水相态（多相驱替）的变化而发生变化，可以用定量来研究地层的油气开采过程。同时基于核磁成像功能，可以实现对整个驱替过程（水驱油核磁共振实验、水驱剩余油分布实验、微观驱替实验、多相驱替实验）的各个阶段进行成像，生动形象的观察动态变化。实现驱替过程（水驱油核磁共振实验、水驱剩余油分布实验、微观驱替实验、多相驱替实验）中油水变化的可视化。

水驱油核磁共振原理图

水驱油核磁共振仪器

MacroMR高温高压岩心驱替可视化系统能够结合传统的外围驱替系统，实现模拟地层高温高压环境，对岩心进行全过程可视化驱替研究，可视化可以定性的评价岩心驱替情况，通过谱图变化可定量计算出驱替量的多少；可以任意层面、多角度对岩心进行无损切片选层观测和分析；

岩心驱替可视化系统

随着水驱开发的进行，国内大多数油田皆已进入高含水、高采出程度的“双高”阶段，针对二次采油未能采出的未波及区的剩余油和波及区的残余油，认识剩余油为油田二次采油及三次采油提供重要依据尤为重要。

剩余油分布是指剩余油在地层中的分布情况，影响剩余油分布的因素众多，主要受静态储层(地质的)和动态注采状况(开发的)双重因素的影响。静态储层因素是根本的、内在的因素，注采状况(开发条件)是影响剩余油分布的外部因素。

岩心驱替核磁共振原理

基于核磁对氢信号优秀的捕捉能力，在油气藏储层研究中，发挥了巨大的作用。搭配多场耦合配件，可以模拟地层真实高温高压环境，岩心（水驱油核磁共振实验、水驱剩余油分布实验、微观驱替实验、多相驱替实验）不同尺寸孔隙中的油水信号在核磁T2谱中对应的弛豫时间不同，随着驱替实验（水驱油核磁共振实验、水驱剩余油分布实验、微观驱替实验、多相驱替实验）的进行，核磁T2谱随着岩心内部油水相态（多相驱替）的变化而发生变化，可以用定量来研究地层的油气开采过程。同时基于核磁成像功能，可以实现对整个驱替过程（水驱油核磁共振实验、水驱剩余油分布实验、微观驱替实验、多相驱替实验）的各个阶段进行成像，生动形象的观察动态变化。实现驱替过程（水驱油核磁共振实验、水驱剩余油分布实验、微观驱替实验、多相驱替实验）中油水变化的可视化。

岩心驱替可视化系统框架图

岩心驱替可视化系统

MacroMR高温高压岩心驱替可视化系统能够结合传统的外围驱替系统，实现模拟地层高温高压环境，对岩心进行全过程可视化驱替研究，可视化可以定性的评价岩心驱替情况，通过谱图变化可定量计算出驱替量的多少；可以任意层面、多角度对岩心进行无损切片选层观测和分析；

岩心驱替可视化系统

聚合物驱替机理-核磁共振成像技术

什么是聚合物驱

聚合物驱是指向地层中注入聚合物进行驱油的一种增产措施。在宏观上，它主要靠增加驱替液粘度，降低驱替液和被驱替液的流度比，从而扩大波及体积；在微观上，聚合物由于其固有的粘弹性，在流动过程中产生对油膜或油滴的拉伸作用，增加了携带力，提高了微观洗油效率。

zhong所周知,在非均质油层中聚合物驱油效果要比均质油层好,实际油层大部分存在不同程度的非均质性,因而研究非均质油层中聚合物驱油过程更具实用价值。然而采用常规实验方法,只能将实际地层模型看成一个“黑匣子”,人们只能通过监测注人、采出的流量和压力来分析聚合物驱油的状况,这种实验方法对非均质油层的驱油研究显然存在一定的局限性。

岩心驱替实验是一种公认的研究岩心内流体流动的方法,传统的岩心流动实验通常将实际地层模型看成一个“黑匣子”,只能通过测试岩心出入口压力、围压、流量、电阻率等宏观的参数,推演凝胶在岩心内部的流动状况以及驱替效果,无法确定岩心内部凝胶的运移和流体分布情况。随着现代高新科技的迅猛发展,无损检测技术广泛应用到石油勘探开发领域,核磁共振技术是研究多孔物质内部结构与渗流性质的有力工具,它能够快速无损地显示岩石内部结构,监测流体侵入、渗透及驱替过程,及时检测到驱替过程中凝胶在岩心内部的真实流动分布以及调驱效果。

低场核磁技术简介

低场核磁共振技术主要检测为H质子，也可以用于F信号测试。含H样品经过特定频率的射频激励后，产生核磁共振信号。H核磁共振信号对应有T1、T2两个主要参数，通过测试T1、T2弛豫时间并进行建模，可用于石油勘探、岩土、能源等多方面研究。

核磁共振成像技术研究聚合物驱替机理

核磁共振成像技术在石油勘探与开发领域的应用越来越广泛。在应用于储层岩石孔隙结构评价和室内岩心驱替实验分析时,其优点是可以通过T2谱弛豫时间定量计算岩心孔喉尺寸分布以及不同尺寸孔喉内的原油动用情况。基于在线核磁共振成像技术开展的聚合物岩心驱替实验,可用于研究水驱和聚合物驱过程中不同尺寸孔喉内的流体分布,以及各阶段不同尺寸孔喉的氟油动用程度占总动用程度的比例进行量化表征及分析。

聚合物驱替机理-核磁共振成像技术

水驱剩余油分布-低场核磁技术

随着水驱开发的进行，国内大多数油田皆已进入高含水、高采出程度的“双高”阶段，针对二次采油未能采出的未波及区的剩余油和波及区的残余油，认识剩余油为油田二次采油及三次采油提供重要依据尤为重要。

剩余油分布是指剩余油在地层中的分布情况，影响剩余油分布的因素众多，主要受静态储层(地质的)和动态注采状况(开发的)双重因素的影响。静态储层因素是根本的、内在的因素，注采状况(开发条件)是影响剩余油分布的外部因素。

水驱剩余油分布-低场核磁技术

基于核磁对氢信号优秀的捕捉能力，在油气藏储层研究中，发挥了巨大的作用。搭配多场耦合配件，可以模拟地层真实高温高压环境，岩心（水驱油核磁共振实验、水驱剩余油分布实验、微观驱替实验、多相驱替实验）不同尺寸孔隙中的油水信号在核磁T2谱中对应的弛豫时间不同，随着驱替实验（水驱油核磁共振实验、水驱剩余油分布实验、微观驱替实验、多相驱替实验）的进行，核磁T2谱随着岩心内部油水相态（多相驱替）的变化而发生变化，可以用定量来研究地层的油气开采过程。同时基于核磁成像功能，可以实现对整个驱替过程（水驱油核磁共振实验、水驱剩余油分布实验、微观驱替实验、多相驱替实验）的各个阶段进行成像，生动形象的观察动态变化。实现驱替过程（水驱油核磁共振实验、水驱剩余油分布实验、微观驱替实验、多相驱替实验）中油水变化的可视化。

水驱剩余油分布-低场核磁仪器

MacroMR高温高压岩心驱替可视化系统能够结合传统的外围驱替系统，实现模拟地层高温高压环境，对岩心进行全过程可视化驱替研究，可视化可以定性的评价岩心驱替情况，通过谱图变化可定量计算出驱替量的多少；可以任意层面、多角度对岩心进行无损切片选层观测和分析；

岩心注聚合物驱油实验低场核磁技术

什么是聚合物驱油

聚合物驱油是指向地层中注入聚合物进行驱油的一种增产措施。在宏观上，它主要靠增加驱替液粘度，降低驱替液和被驱替液的流度比，从而扩大波及体积；在微观上，聚合物由于其固有的粘弹性，在流动过程中产生对油膜或油滴的拉伸作用，增加了携带力，提高了微观洗油效率。

聚合物驱油技术由于其机理比较清楚、技术相对简单，世界各国开展研究比较早，美国于五十年代末、六十年代初开展了室内研究，1964年进行了矿场试验。1970年以来，前苏联、加拿大、英国、法国、罗马尼亚和德国等国家都迅速开展了聚合物驱矿场试验。从20世纪60年代至今，荃世界有200多个油田或区块进行了聚合物驱试验。聚合物驱是在注入水中加入少量水溶性高分子聚合物，通过增加水相粘度和降低水相渗透率来改善流度比、提高波及系数，从而提高原油采油率。

注聚合物驱油实验是一种较为经济的强化采油方法。一般认为,聚合物的主要作用是增加水相粘度,及因聚合物滞留5I起渗透率下降.从而导致驱替液在油层中的流度明显降低。核磁共振成像研究结果表明聚合物驱油可以提高孔隙利用系数,从而提高驱油效果。研究还表明聚合物溶液的粘弹性对提高驱油效果也有一定的作用。

低场核磁技术简介

低场核磁共振技术主要检测为H质子，也可以用于F信号测试。含H样品经过特定频率的射频激励后，产生核磁共振信号。H核磁共振信号对应有T1、T2两个主要参数，通过测试T1、T2弛豫时间并进行建模，可用于石油勘探、岩土、能源等多方面研究。

岩心注聚合物驱油实验低场核磁技术原理与装置

在线核磁共振成像技术通过核磁共振成像扫描仪使用强磁场、电场梯度扫描待测试样信号,在石油勘探开发行业中,常用于分析储层流体的弛豫时间对储层中的油水分布进行成像。核磁共振测试信号来自氢原子,氢原子越多则信号就越强,然而,由于水及原油中均有氢原子,难以区分水相和油相的信号。由于氟油无氢原子,故选用氟油替代原油进行实验,使所测信号均为水相。由于实验中仅水相存在氢原子,故岩心中的剩余油饱和度与核磁共振T2谱信号相关,因此可以通过分析核磁共振T2谱弛豫时间来计算水驱、聚合物驱后剩余油分布的变化并进行对比分析。

低场核磁驱替实验装置

二氧化碳气驱强化采油方法-核磁共振驱替实验

在二次采油结束时，由于毛细作用，不少原油残留在岩石缝隙间，而不能流向生产井， 不论用水或蜂类气体驱油都是一种非均相驱，油与水（或气体）均不能相溶形成一相，而是 在两相之间形成界面。必须具有足够大的驱动力才能将原油从岩石缝隙间挤出，否则一部分 原油就停留下来。如果能注入一种同油相混溶的物质，即与原油形成均匀的一相，孔隙中滞 留油的毛细作用力就会降低和消失，原油就能被驱向生产井。二氧化碳气驱强化采油方法能通过逐级提取原油中的轻组分与原油达到完全互溶。

二氧化碳气驱强化采油方法提高采收率的机理主要有以下几点：

（1）二氧化碳气驱强化采油降低原油粘度

CO2溶于原油后，降低了原油粘度，原油粘度越高，粘度降低程度越大。原油粘度降低 时，原油流动能力增加，从而提高了原油产量。

（2）二氧化碳气驱强化采油使原油体积膨胀

CO2大量溶于原油中，可使原油体积膨胀，原油体积膨胀的大小，不但取决于原油分子 量的大小，而且也取决于C02的溶解量。CO2溶于原油，使原油体积膨胀，也增加了液体内 的动能，从而提高了驱油效率。

（3）二氧化碳气驱强化采油混相效应

混相的最小压力称为最小混相压力（MMP）。最小混相压力取决于C02的纯度、原油组分 和油藏温度。最小混相压力随着油藏温度的增加而提高；最小混相压力随着原油中C5以上组 分分子量的增加而提高；最小混相压力受C02纯度（杂质）的影响，如果杂质的临界温度低 于CO2的临界温度，最小混相压力减小，反之，如果杂质的临界温度高于C02的临界温度， 最小混相压力增大。

二氧化碳气驱强化采油方法-核磁共振驱替实验装置

核磁共振驱替实验装置

利用核磁共振驱替实验装置，在高压条件下对含油岩心(页岩、砂岩)进行二氧化碳气驱强化采油混相驱实验。根据核磁共振T2谱分布曲线，将页岩中的油分为两部分：固定油和游离油。通过二氧化碳气驱强化采油混相驱过程中核磁共振T2谱分布曲线的变化，可以得到不同赋存状态油(固定油和游离油)的采收率。

核磁共振驱替实验装置为二氧化碳气驱强化采油混相驱过程吸附和吸收量动态变化测量提供了很好的解决方案。核磁共振是通过测试流体中的氢信号核来测量的，核磁共振信号的幅值与氢原子核的数量成正比。横向弛豫时间T2与孔尺寸成正比。在核磁共振T2分布中，泥页岩中的水的响应分为三部分：粘土结合水、束缚水和自由水。

二氧化碳混相驱过程T2谱分布

co2驱替实验强化采油方法-核磁共振驱替实验

在二次采油结束时，由于毛细作用，不少原油残留在岩石缝隙间，而不能流向生产井， 不论用水或蜂类气体驱油都是一种非均相驱，油与水（或气体）均不能相溶形成一相，而是 在两相之间形成界面。必须具有足够大的驱动力才能将原油从岩石缝隙间挤出，否则一部分 原油就停留下来。如果能注入一种同油相混溶的物质，即与原油形成均匀的一相，孔隙中滞 留油的毛细作用力就会降低和消失，原油就能被驱向生产井。co2驱替实验强化采油方法能通过逐级提取原油中的轻组分与原油达到完全互溶。

co2驱替实验强化采油方法提高采收率的机理主要有以下几点：

（1）co2驱替实验强化采油降低原油粘度

CO2溶于原油后，降低了原油粘度，原油粘度越高，粘度降低程度越大。原油粘度降低 时，原油流动能力增加，从而提高了原油产量。

（2）co2驱替实验强化采油使原油体积膨胀

CO2大量溶于原油中，可使原油体积膨胀，原油体积膨胀的大小，不但取决于原油分子 量的大小，而且也取决于C02的溶解量。CO2溶于原油，使原油体积膨胀，也增加了液体内 的动能，从而提高了驱油效率。

（3）co2驱替实验强化采油混相效应

混相的最小压力称为最小混相压力（MMP）。最小混相压力取决于C02的纯度、原油组分 和油藏温度。最小混相压力随着油藏温度的增加而提高；最小混相压力随着原油中C5以上组 分分子量的增加而提高；最小混相压力受C02纯度（杂质）的影响，如果杂质的临界温度低 于CO2的临界温度，最小混相压力减小，反之，如果杂质的临界温度高于C02的临界温度， 最小混相压力增大。

co2驱替实验强化采油方法-核磁共振驱替实验装置

核磁共振驱替实验装置

利用核磁共振驱替实验装置，在高压条件下对含油岩心(页岩、砂岩)进行co2驱替实验强化采油混相驱实验。根据核磁共振T2谱分布曲线，将页岩中的油分为两部分：固定油和游离油。通过co2驱替实验强化采油混相驱过程中核磁共振T2谱分布曲线的变化，可以得到不同赋存状态油(固定油和游离油)的采收率。

核磁共振驱替实验装置为co2驱替实验强化采油混相驱过程吸附和吸收量动态变化测量提供了很好的解决方案。核磁共振是通过测试流体中的氢信号核来测量的，核磁共振信号的幅值与氢原子核的数量成正比。横向弛豫时间T2与孔尺寸成正比。在核磁共振T2分布中，泥页岩中的水的响应分为三部分：粘土结合水、束缚水和自由水。

二氧化碳混相驱过程T2谱分布