CO₂驱包括溶解降黏、膨胀原油、降低界面张力等驱油机理^[1-3]，并且将 CO₂注入油藏实现地质埋存具有缓解温室效应和提高原油采收率的双重效益，对诸多油田开发具有较好的适应性^[4-6]。对于油层厚度较大的低渗透油藏而言，CO₂与原油存在密度差，在重力作用下CO₂会超覆至油层上部，运移至生产井，降低油藏纵向波及效率，因而重力超覆造成的气窜问题也是CO₂驱技术矿场应用应该考虑的问题^[7]。目前在中国有关 CO₂驱重力超覆的研究较少，更多的是有关蒸汽超覆规律的认识^[8-10]，其虽与 CO₂驱重力超覆具有相似性，但CO₂与原油之间的相互作用与蒸汽有所不同，蒸汽超覆规律不能反映 CO₂驱重力超覆的真实性，而国外更多的是以数值模拟方式研究多种因素综合影响下的重力超覆，很少对单因素下的重力超覆变化规律进行室内物理模拟，并且室内模拟难以接近油藏条件^[11-14]。

渗透率作为油气渗流能力的衡量尺度，是重力超覆过程中不可忽略的因素，且不同低渗透油藏渗透率差异较大，重力超覆在不同渗透率油藏的情况可能存在差异，不利于认识和缓解重力超覆，因而需明确渗透率对重力超覆的影响规律。数值模拟研究发现渗透率的增加将加剧重力超覆程度^[15]，但室内物理模拟实验结果可能与数值模拟存在差异。为此，笔者根据低渗透厚油层油藏特征设计了高温高压气驱超覆物理模型，并根据重力超覆产生时产出端的产出特征设计不同的产出层位，通过上、下层产出流体差异表征重力超覆程度，并以此来研究不同渗透率及不同CO₂驱替类型下的重力超覆变化规律，以便明确渗透率对 CO₂驱重力超覆的影响规律及机理，为低渗透油藏CO₂驱避免重力超覆、改善波及效率提供理论依据。

1 实验器材与方法

1.1 实验器材

实验仪器  实验仪器主要包括 ISCO 泵、1 000 mL活塞中间容器、六通阀、2 cm×8 cm×60 cm的岩心夹持器以及采出计量装置（包括误差极小的回压阀、气液分离收集装置、bronkhorst 气体流量计）、压力传感器及其配套的压力数据计量设备、手摇计量泵、自控恒温箱（图1）。

实验材料  实验岩心为人工压制的均质低渗透岩心，尺寸为 2 cm×8 cm×60 cm。实验用油为 SL 脱气原油，黏度和密度分别为1.24 mPa·s和0.788 g/ cm³（实验温度为 60℃），与 CO₂的最小混相压力经 Winprop计算约为18 MPa，实验用水为模拟地层水，总矿化度为72 597 mg/L，CaCl₂水型。实验用气为纯度为99.9%的CO₂。实验流体性质如表1所示。

1.2 实验方法

实验步骤主要包括：①将采用露头砂压制的低渗透岩心在温度为80℃的空气浴中烘干12 h以上，并对岩心外观尺寸进行测量，确保岩心尺寸符合规格，岩心表面除注入端和产出端之外，均涂刷环氧树脂防腐层。②将岩心放置在岩心夹持器内，加环压至 5 MPa，利用真空泵将岩心抽真空 4 h 以上，并将模拟地层水通过手摇计量泵注入抽真空后的岩心内填充孔隙体积，直到手摇计量泵上的压力示数不变为止，并通过饱和地层水前后的手摇计量泵示数差值计算饱和水体积，从而确定岩心孔隙体积。 ③使用 ISCO-100DX 高压恒压恒速泵，将地层水以 0.1，0.2，0.3，0.4，0.5 mL/min 的注入速度注入岩心，通过岩心两端驱替压差及注入速度，依据达西公式计算岩心平均渗透率。④将装有原油及CO₂的中间容器及岩心夹持器升温至实验温度为60℃，待压力传感器监测的岩心夹持器环压稳定后，转动岩心夹持器将岩心水平放置，以0.05 mL/min的注入速度将原油注入岩心，驱替地层水至无水产出为止，再将产出端与回压阀相连，固定回压阀压力为实验所需压力，继续饱和原油至上、下层出口产出原油相近，计算饱和油体积，得出含油饱和度。⑤关闭岩心所有出入口，将岩心老化 24 h 以上，转动岩心夹持器使岩心竖直放置，将 CO₂以 0.1 mL/min 的注入速度驱替岩心内原油，同时打开上、下产出端出口，分别计量其产出油、气量，气驱至任意产出端气油比超过3 000 m³ /m³ 后停止实验，对岩心上、下产出端产出油、气量进行计算。⑥更换岩心，进行下一组实验 （表2）。

2 实验结果与分析

2.1 非混相驱

2.1.1 流体产出状况

从图2可以看出，渗透率由3.5 mD增至17.6 mD时，岩心上、下层产出差异明显，岩心上层先产出油，下层产出油极少，上、下层采收率差异也较大，采收率主要由岩心上层贡献，因而当注气速度为 0.1 mL/min时，不同渗透率岩心CO₂非混相驱均有严重的重力超覆产生，非混相驱实验压力为 10 MPa，实验温度为 60℃，油气密度差高达 0.5 g/cm³，在较低注气速度下，油气密度差引起的重力作用明显，因而形成了明显的重力超覆。在CO₂重力超覆影响下原油由岩心上层产出，将进一步降低其对岩心下层的波及效率，见气后不同渗透率岩心下层采收率均缓慢增加，直至岩心上层形成气窜后，岩心下层仍缓慢产出油，可见重力超覆的形成使注入气过早突破，严重降低CO₂对岩心下层的波及效率，岩心下层较多原油滞留在岩心孔隙内无法产出。

2.1.2 重力超覆规律

为了直观反映重力超覆程度及分析其变化规律，气体突破时的岩心上层采收率所占总采收率比重表征重力超覆程度，从 3 组渗透率岩心非混相驱上层采收率比重随渗透率变化（图3）可以看出，随渗透率的变化，气体突破时岩心上层采收率比重有略微上升的趋势，说明渗透率由 3.5 mD 增至 17.6 mD 时，重力超覆有略微的加剧，但变化不明显，分析认为实验中岩心渗透率的变化范围较小，对黏性力和重力比值的影响效果不明显，黏性力与重力的综合作用效果变化幅度小，因而形成的重力舌进长度随渗透率的增大而缓慢增大，若进一步增大渗透率，可能会扩大重力的作用效果，使重力逐渐占据主导，重力超覆将加剧；最终上层采收率比重随渗透率增加略降低，原因是见气后岩心渗透率较大， CO₂沿上层的驱替阻力相对较低，降低了油气同产阶段岩心上层的采收率，从而降低了上层最终采收率比重。

将岩心上、下层驱替数据及整体情况进行对比，可进一步了解重力超覆随渗透率的变化规律 （表3）。

随渗透率的增加，气体突破时间缩短，重力超覆增加幅度小，结合气体突破时的上、下层采收率变化认为，渗透率增加，气驱阻力降低，气驱前缘移动速度增加，CO₂与原油的接触时间和驱油效率有所降低，因而随渗透率增加，岩心上、下层气体突破时的采收率均降低，分别由 55.2% 降至 26%，1.6% 降至 0，总体采收率也因此由 56.8% 降至 26%；CO₂ 突破时上层采收率所占总采收率比重则随渗透率的增大而缓慢增加，由 97.2% 增至 100%，最终采收率也因重力超覆加剧而明显降低，说明渗透率的增加不但增大了 CO₂非混相驱的重力超覆程度，同时还降低了驱油效率，使岩心整体采收率进一步降低，因而渗透率较高的岩心，最终采收率仅为 37%，而重力超覆程度相对较弱的渗透率为 3.5 mD 岩心的最终采收率为59.9%。

重力超覆的形成和发展主要受制于黏性力和重力的综合作用效果，油、气密度差引起的重力是重力超覆形成的根本原因，而黏性力则影响重力超覆的发展状态，2 种力的综合作用关系可用黏性力与重力的比值关系式^[16] 表示为：

在仅改变渗透率的情况下，随渗透率的增大，$R_{\mathrm{v}/\mathrm{g}}$减小，意味着黏性力与重力的比值减小，黏性力对重力的限制程度减弱，重力超覆加强。对于渗透率分布变化的厚油层而言，若渗透率较高的层位位于油层上部，即反韵律油层，重力超覆将在渗透率的影响下快速形成并发展，而若渗透率较高的层位位于油层下部，即正韵律油层，渗透率差异将抵消重力作用，舌进趋于向渗透率较高的层位发展，重力超覆将减弱。

2.2 混相驱

2.2.1 流体产出状况

CO₂混相驱涉及到油气混相，与非混相驱明显不同，因而渗透率对重力超覆的影响规律存在差异。从 CO₂混相驱 2 组实验不同渗透率岩心上、下层驱油动态变化（图4）可以看出，渗透率为 4.6 和 12.5 mD的岩心上、下层采收率差均较小且见气，表明混相驱时重力超覆程度较非混相驱时弱，原因是混相驱实验压力较高，为 20 MPa，60℃下的油气密度差仅为 0.069 g/cm³，油气密度差引起的重力作用微弱，相同注气速度0.1 mL/min下，黏性力作用效果相近，而重力作用减弱，重力受到黏性力的抑制程度增加，重力超覆减缓。此外，渗透率由 4.6 mD 增至 12.5 mD 后，岩心上、下层采收率差异相近，产气情况类似，重力超覆程度增加均不明显。

2.2.2 重力超覆规律

从混相驱时岩心上层采收率比重随渗透率变化（图5）可以看出，不论是气体突破时的上层采收率比重还是最终上层采收率比重，随渗透率增加均未发生明显变化，渗透率对重力超覆的影响规律与非混相驱相似，但影响程度较小。因而分析认为，渗透率对CO₂混相驱重力超覆以及黏性力和重力比值的影响程度均较小，原因是混相驱存在油气混相且实验压力较高，油气黏度差和密度差均相对较小，在较小的渗透率变化范围内，黏性力与重力综合作用效果变化幅度也较小，因此随渗透率增加，重力超覆程度增加不明显。

将2组实验岩心上、下层驱替数据进行对比，由表4可知，当渗透率由 4.6 mD增至 12.5 mD后，气体突破时间基本未变，而渗透率的增加降低了 CO₂与原油的混相程度，渗透率较大岩心的孔隙度和孔隙空间相对较大，不利于油气混相的快速进行，因而气体突破时上、下层采收率分别由 20.47% 降至 17.63% 和 13.85% 降至 11.58%，突破时总采收率也由 34.33% 降至 29.21%；气体突破时的上层采收率所占总采收率比重未因渗透率增加而明显增加，仅由59.6%增至60.3%，说明对于渗透率不同的2块岩心，在CO₂混相驱中形成的重力舌进大小相近，在相同的波及效率下，随着渗透率的增加，降低了油气混相程度，从而使驱油效率下降，并且导致渗透率相对较高的岩心最终采收率降低，由 51.7% 降至 44.7%。

根据（1）式可知，$R_{\mathrm{v}/\mathrm{g}}$随渗透率的增大而增大，但由于混相驱CO₂与原油互溶使油气密度差异和黏度差异均较小，渗透率增加对两种力的作用程度较小，$R_{\mathrm{v}/\mathrm{g}}$的降低以及 CO₂混相驱重力超覆程度变化均不明显，因而油藏非均质性或韵律分布对 CO₂混相驱开发影响较小，但正韵律油层的渗透率分布有利于缓解重力超覆程度，能改善 CO₂混相驱开发效果。

由于CO₂非混相及混相驱实验中所使用的的岩心渗透率变化范围较小，实验结果所呈现的重力超覆变化规律不明显，根据 CO₂非混相驱和混相驱实验结果及理论分析可知，若增加渗透率变化范围，重力超覆随渗透率增加而增加的程度将更为明显。

3 结论

非混相驱中，由于油、气密度差较大而形成严重的重力超覆，渗透率增加对 CO₂非混相驱的重力超覆加剧程度较小，渗透率影响下岩心整体波及效率因重力超覆略微加剧而降低，加之渗透率增加导致的气驱前缘移动速度的增加，岩心最终采收率下降；在混相驱中，油气密度差较小，形成的重力超覆微弱，而渗透率对 CO₂驱重力超覆影响较非混相驱小，重力超覆随渗透率增加而增大的幅度更小，而渗透率增加将降低油气混相程度，波及区域的驱油效率下降导致岩心最终采收率降低；根据渗透率对 CO₂驱重力超覆的影响规律，对于韵律油层而言，尤其是实施 CO₂非混相驱的油层，正韵律油层渗透率分布将有助于缓解重力超覆程度，改善开发效果，反韵律油层将加剧重力超覆程度，严重降低 CO₂驱波及效率。

由于所选渗透率范围较小，渗透率对 CO₂驱重力超覆影响规律不明显，但分析其影响机理认为，渗透率对黏性力和重力均有影响，对重力超覆的影响幅度较小，而油、气密度差对重力超覆影响明显，因而应适当提高驱替压力，降低油、气密度差，缓解重力超覆程度。

符号解释

g ——重力加速度，m/s²；

H ——岩心厚度，cm；

K ——岩心渗透率，cm²；

L ——岩心长度，cm；

$R_{\mathrm{v}/\mathrm{g}}$——黏性力与重力的比值；

μ——线速度，cm/s；

μ_o——原油黏度，mPa⋅s；

Δρ ——油气密度差，g/cm³。

参考文献