曹 沖，張京倫，朱鴻昊，廖松林，湯 勇

(西南石油大學(xué) 石油與天然氣工程學(xué)院，成都 610500)

CO2-巖石-地層水相互作用實(shí)驗(yàn)

曹 沖，張京倫，朱鴻昊，廖松林，湯 勇*

(西南石油大學(xué) 石油與天然氣工程學(xué)院，成都 610500)

CO2-巖石-地層水相互作用；地質(zhì)封存；溶蝕作用

碳捕獲、利用與封存是應(yīng)對全球氣候變化的關(guān)鍵技術(shù)(CCUS，Carbon Capture，Utilization and Storage)之一[1-3]，而國內(nèi)以埋存為目的的油藏注CO2的項(xiàng)目和研究都很少[4-7]。因此，急需開展CO2與油氣水多相流體、儲(chǔ)層巖石之間的相互作用、封存機(jī)理等方面的研究[6-13]。由于巖石性質(zhì)在深部儲(chǔ)層情況不同于大氣條件，CO2注入后儲(chǔ)層溫度和壓力都會(huì)逐漸重新達(dá)到平衡[14-15]，特別是CO2注入后鹽巖可能發(fā)生溶解或沉淀作用，這將導(dǎo)致CO2注入井周圍及儲(chǔ)層滲透率發(fā)生改變[16]。因此，需要對CO2-地層水-巖石的相互作用機(jī)理進(jìn)行進(jìn)一步的研究[17]。

國外于20世紀(jì)80年代開始對CO2-水-砂巖相互作用的實(shí)驗(yàn)研究。其中CO2-天然巖礦相互作用及碳在礦物中“固化”的數(shù)值模擬研究成果突出；趙仁保等[18]和于志超等[19]分別進(jìn)行了巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，研究了埋存過程有關(guān)的化學(xué)反應(yīng)，得出了溶蝕作用會(huì)增大儲(chǔ)層滲透率的結(jié)論。但國內(nèi)CO2地質(zhì)埋存的研究尚在起步階段，關(guān)于CO2-砂巖相互作用及礦化反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)還需進(jìn)一步完善。本文采用掃描電鏡、X衍射、CO2-巖石-地層水靜態(tài)反應(yīng)和動(dòng)態(tài)反應(yīng)的CO2地質(zhì)封存對儲(chǔ)層影響的實(shí)驗(yàn)評價(jià)方法，重點(diǎn)研究了飽和CO2地層水注入后，儲(chǔ)層巖石礦物的溶蝕作用、新礦物沉淀現(xiàn)象以及地層水礦化度的變化規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 靜態(tài)飽和巖樣實(shí)驗(yàn)

1.1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置主要由短巖心驅(qū)替裝置、高溫高壓驅(qū)替泵及恒溫箱等構(gòu)成，如圖1所示

1—高壓驅(qū)替泵或高壓氣瓶；2—高壓容器；3—過濾器；4—壓力計(jì)； 5—多通閥座；6—環(huán)壓泵；7—巖心夾持器；8—回壓閥；9—出口流量計(jì)。

圖1 飽和CO2地層水驅(qū)實(shí)驗(yàn)裝置

1.1.2 樣品準(zhǔn)備

1)巖樣準(zhǔn)備。飽和CO2地層水的靜態(tài)封存實(shí)驗(yàn)砂巖巖心基本物性參數(shù)為：巖心長度3.225 cm，巖心直徑2.521 cm，巖心孔隙度28.45%，空氣滲透率36.43 mm2。

2)地層水的配制。根據(jù)巖心所在層段的地層水資料配制模擬地層水，將配好的模擬地層水倒入配樣器中，加熱至25 ℃，加壓至8 MPa，在恒壓8 Mpa下加入過量高純CO2，攪拌12 h后放出未溶解的多余氣體，則配得飽和CO2的地層水。

1.1.3 實(shí)驗(yàn)過程

1)將實(shí)驗(yàn)巖樣進(jìn)行端面切片及掃描電鏡分析；2)測試實(shí)驗(yàn)前模擬地層水pH值C1；3)分別在25 ℃、80 ℃時(shí)，恒壓8 MPa下用CO2飽和地層水完成加壓飽和；4)靜置7 d后取出巖屑進(jìn)行端面切片及掃描電鏡分析，并記錄不同條件下模擬地層水pH值C2；5)利用pH測試和掃描電鏡分析，定性分析碳酸對儲(chǔ)層滲透率影響程度。

1.2 動(dòng)態(tài)驅(qū)替巖樣實(shí)驗(yàn)

動(dòng)態(tài)驅(qū)替巖樣實(shí)驗(yàn)裝置與靜態(tài)飽和巖樣實(shí)驗(yàn)的飽和CO2地層水驅(qū)實(shí)驗(yàn)裝置相同；巖樣和地層水樣品與靜態(tài)飽和實(shí)驗(yàn)大致相同。

實(shí)驗(yàn)過程為：1)根據(jù)超臨界CO2所處的溫度和壓力條件，在恒溫箱上設(shè)定實(shí)驗(yàn)溫度；2)通過調(diào)節(jié)調(diào)壓泵給巖心夾持器施加2 MPa壓力；3)用模擬地層水以最小速度驅(qū)替巖樣，待穩(wěn)定后測試巖心滲透率及出口端流體的pH值；4)在8 MPa條件下飽和CO2的模擬地層水驅(qū)替巖樣，驅(qū)替出8～10PV后停止；5)讓流體與巖樣充分作用72 h后，測試巖樣滲透率及出口流體pH值；6)實(shí)驗(yàn)后取出巖樣，進(jìn)行端面切片和掃描電鏡分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 靜態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

1)實(shí)驗(yàn)前后地層水礦化度變化

實(shí)驗(yàn)前后地層水離子測試如表1所示。通過測試數(shù)據(jù)可知，飽和CO2的地層水靜態(tài)飽和巖樣后，水中的HCO3與巖石反應(yīng)，生成CO32-，且pH值由飽和前的7.5變?yōu)?.8，呈弱酸性。這與動(dòng)態(tài)驅(qū)替飽和CO2地層水結(jié)果一致。同樣，2個(gè)反應(yīng)釜中的地層水都存在黃色物質(zhì)。

表1 碳酸靜態(tài)飽和巖樣前后地層水離子及pH變化

2)實(shí)驗(yàn)后巖心及掃描電鏡分析

巖心在裝有地層水和CO2的反應(yīng)釜中靜置約30 d后，巖心變得松軟，用力壓，形如泥一樣，掃描電鏡測試結(jié)果如圖2所示?？傮w上，巖心中含黃鐵礦較多(見圖2(a))，粒狀黃鐵礦，呈正八面體結(jié)構(gòu)，粒間孔見霉球狀黃鐵礦。容易在酸性條件下生產(chǎn)沉淀，導(dǎo)致反應(yīng)后物性變差；溶蝕作用小(見圖2(b))，見高嶺石，發(fā)生弱溶蝕，局部見巖屑溶蝕，粒內(nèi)溶孔。離間雜基充填，片狀泥質(zhì)為主，使得物性變差(見圖2(c))。

(a)

(b)

(c)圖2 靜態(tài)反應(yīng)后巖心掃描電鏡圖

2.2 動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

1)滲透率變化

飽和CO2地層水動(dòng)態(tài)驅(qū)替巖樣實(shí)驗(yàn)主要分析驅(qū)替前后巖樣滲透率及反應(yīng)液中離子的變化，以研究CO2-地層水-巖石的相互作用對巖樣滲透率的影響[17-20]。動(dòng)態(tài)驅(qū)替滲透率測試結(jié)果如表2所示。由表2可知，飽和CO2地層水驅(qū)替巖心后滲透率降低幅度較大，降低約80%。

2)動(dòng)態(tài)驅(qū)替后地層水分析

驅(qū)替前后地層水離子分析如表3所示，通過測試數(shù)據(jù)可知，飽和CO2地層水驅(qū)替巖樣后，水中的HCO3與巖石反應(yīng)，生成CO32-。飽和CO2地層水驅(qū)后出口端水中有黃色沉淀物質(zhì)(可能為氫氧化鐵的沉淀)，可能使得儲(chǔ)層滲透率降低。

表2 動(dòng)態(tài)驅(qū)替巖樣實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表3 動(dòng)態(tài)驅(qū)替巖樣地層水離子變化

3)實(shí)驗(yàn)前后掃描電鏡分析

實(shí)驗(yàn)前掃描電鏡如圖3所示，實(shí)驗(yàn)后掃描電鏡如圖4所示。由圖分析可見，實(shí)驗(yàn)前，粒間雜基及泥巖含量較高，存在球形黃鐵礦；實(shí)驗(yàn)后，總體上CO2對巖石的溶蝕作用較弱，黃鐵礦的存在可能會(huì)在酸性環(huán)境下生成沉淀。掃描電鏡及能譜分析顯示均存在黃鐵礦(圖4(a))。溶蝕作用較弱，少量的巖屑溶蝕，形成粒內(nèi)溶孔(圖4(b))；粒間見少量高嶺石膠結(jié)物，呈蠕蟲狀，向伊利石轉(zhuǎn)化(圖4(c))；大部分斜長石未見溶解 (圖4(d))。

從巖心能譜分析資料也顯示：礦物中含有較高的黃鐵礦。而黃鐵礦在酸性環(huán)境下容易生成膠體沉淀，從而導(dǎo)致滲透率降低。Fe2+容易在pH=6左右的條件下生成膠體沉淀：

3FeO·Al2O3·2SiO2·3H2O+6HCl=3FeCl2+2Al(OH)3+2SiO2·3H2O= 2FeCl2+3H2O+3O=2Fe(OH)3↓+2Cl2

圖3 實(shí)驗(yàn)前掃描電鏡分析圖

(a)

(b)

3 結(jié)論

2)飽和CO2地層水驅(qū)替巖心后滲透率降低幅度較大，且出口端水中有黃色沉淀物質(zhì)Fe(OH)3，說明動(dòng)態(tài)驅(qū)替過程中同時(shí)存在CO2的溶蝕作用和沉淀作用。

3)CO2對巖石的沉淀作用較強(qiáng)，溶蝕作用較弱。少量的巖屑溶蝕，形成粒內(nèi)溶孔；粒間少量高嶺石膠結(jié)物，呈蠕蟲狀，向伊利石轉(zhuǎn)化；大部分斜長石未見溶解。

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Experimental Research on the Interaction Process between CO2-saturated Rocks and Formation Water

CAOChong,ZHANGJinglun,ZHUHonghao,LIAOSonglin,TANGYong*

(Petroleum and Natural Gas Engineering College，Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China)

In order to explore the influence of carbon dioxide storage and the injection processes on reservoir lithology and physical property, aiming at enhancing the oil recovery rates, static and dynamic experiments are designed to figure out the interaction process between CO2-saturated rocks and formation water. This experimental research mainly includes the process of mineral corrosion，dissolution while injecting the formation water saturated CO2precipitation phenomenon of new minerals, and changes of formation water's mineralization degree. The results show that firstly, in the static experiments, bicarbonate ions mixing in the reacting fluids react with rocks, producing carbonate ions and making the fluids weak acid; meanwhile, the existence of pyrite leads to ferric hydroxide precipitation, secondly, with the procession of dynamic experimental displacement, corrosion effects and precipitation effects exist at the same time. Owing to the weak corrosion effects and the precipitation effects, the physical properties of formation rocks become worse. These results from the experimental researches reveal the mechanism of interaction processes between carbon dioxide saturated rocks and formation water, and the reason why formation permeability changes, providing the geochemical evidence for scale capture, the storage of carbon dioxide and resource utilization.

interaction processes between carbon dioxide staturated rock and formation water；geological storage; corrosion effect

10.13542/j.cnki.51-1747/tn.2016.04.002

2016-09-27

國家自然科學(xué)基金“廢棄氣藏CO2封存機(jī)制及運(yùn)移規(guī)律研究”(51274173)

曹沖(1995— )，男(漢族)，湖北漢川人，在讀本科生，研究方向：油氣田開發(fā)。 湯勇(1975— )，男(漢族)，四川武勝人，教授，博士，研究方向：油氣相態(tài)理論及測試、CO2埋存及注氣提高采收率、氣田及凝析氣田開發(fā)，通信作者郵箱：tangyong2004@126.com。

TE341

A

2095-5383(2016)04-0003-06