Characteristics of Crude Oil Mobilization and Displacement Mechanisms in Low-Permeability Conglomeratic Sandstone Reservoirs under Different Development Modes: An NMR-Based Study
本研究利用核磁共振（NMR）技术证明，虽然注水能有效驱替超低渗透砾岩储层中大孔隙中的原油，但超临界二氧化碳（CO₂）驱通过分子扩散和降低粘度作用，能显著提升小孔隙中的采收率，这表明采用互补的序贯开发策略对于实现原油动员最大化具有重要意义。
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在地球表面深处，在西北中国崎岖的盆地中，蕴藏着巨大的石油储层，这些石油被困在比常规油田多孔砂岩更难亲近的岩石之中。这些岩石是砾岩，由碎石、砂粒和泥浆混合并胶结而成。在这些地层中，隐藏石油的空间极其微小且难以穿行，形成了一个流体运动受到严重限制的复杂迷宫。几十年来，提取这种石油的标准方法是注水驱替，即通过向地下注入水，将石油推向生产井。然而，在这些致密的砾岩中，水往往会选择阻力最小的路径，迅速冲过最大的裂缝和通道，而将石油留在背后的微观缝隙和角落中。工业界长期以来一直在寻找一种方法来触及那些顽固的残留油，而一种极具前景的候选方案是二氧化碳——这是一种可以注入地下并以水无法实现的方式与石油发生相互作用的气体。
来自杨子大学（注：原文为Yangtze University，此处依原文翻译）和中国石油新疆油田公司的研究团队致力于深入了解这些特定岩石内部不同流体在微观层面的行为。他们聚焦于一个关键问题：当注入水或气体时，哪些微小的孔隙会释放出其中的石油，而哪些孔隙又会顽固地保持充满状态？为了回答这个问题，他们采用了核磁共lement共振技术，这种技术类似于医院使用的医学成像技术，只不过是缩小了规模，用于观察岩石样本内部。该技术并非通过拍摄人体图像，而是测量流体中氢原子弛豫所需的时间，这一信号可以揭示它们所占据的孔隙大小，以及这些孔隙是被石油还是水填充的。通过实时观察这些信号的变化，科学家们能够精确观察到石油在哪里移动，以及在哪里停滞不动。
研究人员首先观察了当水自然渗入岩石时会发生什么，这一过程被称为自发吸吮，是在没有任何外部泵送压力的情况下发生的。他们发现，在岩石最紧密、最困难的部分，水的自然吸引力足以将石油从最小的孔隙中吸出。然而，在稍大、更开放的部分，水更倾向于流经大的通道，从而完全绕过了较小的空间。这证实了虽然水擅长在大型路径中流动，但它难以触及隐藏在岩石最精细孔隙深处的石油，导致大量的资源无法被利用。
当研究人员转向压力注水时，结果更加显著。水涌入中等和大型孔隙，有效地清扫了这些区域。然而，微小孔隙中的石油基本保持原状。水产生的力量不足以克服连接这些微小空间的狭窄孔喉所带来的阻力。实验中的最终采收率在31%到46%之间，这意味着超过一半的石油仍被困在岩石中，主要存在于水无法渗透的最小孔隙里。
当研究人员引入超临界二氧化碳时，情况发生了戏剧性的变化。在这种状态下，二氧化碳表现得既像气体又像液体，它既具有像气体一样流动的能力，又具备像液体一样溶解物质的能力。当注入相同的岩石样本时，二氧化碳不仅仅是在推动石油，它还在分子水平上与石油进行相互作用。它使石油膨胀，降低了石油的粘度，使其更容易流动；同时它溶解于石油之中，帮助将其从最紧凑的角落中拉出来。结果令人瞩目：二氧化碳成功地动员了那些水完全无法触及的微小孔隙中的石油。最终采收率大幅跃升，在最佳情况下达到了61%至近80%。这种气体能够到达水无法到达的地方，证明了它能够触及更广泛的孔径范围。
为了测试这两种方法是否可以协同工作，团队尝试了一种顺序操作：先用水淹没岩石，随后跟进二氧化碳注入。水承担了“重体力活”，首先清扫掉那些易于到达的大型通道中的石油。随后，二氧化碳介入进行“收尾工作”，专门针对那些被水遗漏在较小孔隙中的石油。这种组合被证明非常有效，回收了大量水单独作用后留下的石油。然而，即使采用这种两步法，最微小的孔隙仍然是剩余石油的主要储存空间，这表明尽管这种组合非常强大，但在回收最微观空间的石油方面仍存在极限。
研究结论指出，注水驱替和二氧化碳驱替并非竞争关系，而是互补工具。水在清扫大型通道方面效率很高，而二氧化碳则擅长动员困在岩石精细结构中的石油。对于新疆油田的超低渗透砾岩储层而言，这意味着如果仅依赖单一方法，会导致过多的石油留在地下。通过理解流体在孔隙尺度的特定行为，工程师可以更好地设计开发策略，通过优化这些方法的先后顺序来最大化采收率，将曾经被认为无法触及的石油转化为可利用的资源。
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