唐梅榮 ，張同伍 ，白曉虎 ，王泫懿 ，李 川

（1.中國石油長慶油田分公司油氣工藝研究院，西安710018；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，西安710018）

0 引言

CO2驅是目前提高采收率的常用方法之一，已廣泛應用于各類油藏，并取得了較好的驅油效果［1-3］。相比氮氣驅和空氣驅，采用CO2驅時 CO2氣體在進入地層之后，可大量溶解于原油中，進而產(chǎn)生降低原油黏度、降低體系界面張力等多種作用，這些作用有利于降低原油在儲層孔喉中的流動阻力，提高氣驅的驅油效率，改善開發(fā)效果［4-6］，但是，在CO2驅過程中，CO2與地層流體及孔喉基質礦物的相互作用會對儲層造成一定程度的傷害［7-9］。

通過大量室內實驗及油田現(xiàn)場作業(yè)發(fā)現(xiàn)，CO2在進入地層后易與原油相互作用產(chǎn)生瀝青質沉積現(xiàn)象，其作用產(chǎn)物固態(tài)瀝青質會堵塞孔隙、喉道，對儲層孔喉系統(tǒng)產(chǎn)生一定程度的影響［10-11］。Behbahani等［12］通過實驗證明，CO2驅替過程中的瀝青質沉積量主要受控于注入壓力，隨著注入壓力的增大，瀝青質沉積量會明顯上升，導致巖心樣品滲透率下降，進而使CO2驅替效率及原油采收率均降低。王琛等［13］通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，瀝青質對致密砂巖巖心的孔喉系統(tǒng)會產(chǎn)生明顯的堵塞作用，其堵塞程度最高可以達到55.22%；孔喉傷害規(guī)律顯示，巖心滲透率越大，孔喉系統(tǒng)被堵塞的程度越低。此外，研究發(fā)現(xiàn)CO2溶于地層流體后會形成弱酸性溶液，使地層流體在與孔喉壁面接觸的過程中發(fā)生礦物的溶蝕、溶解反應，反應過程及反應產(chǎn)物會改變孔喉體積，封堵孔隙、喉道［14-15］。

目前，關于CO2驅儲層傷害的相關研究，主要評價了驅替實驗條件，如實驗溫度、注入壓力、反應時間等參數(shù)對孔喉傷害程度的影響，以及巖心孔隙度、滲透率及其對孔喉傷害程度的影響，尚缺乏巖心孔喉結構這一重要因素對CO2驅孔喉傷害程度影響的相關研究。針對現(xiàn)有研究的不足，采用高壓壓汞、掃描電鏡結合核磁共振技術，通過室內物理模擬實驗確定巖心樣品的孔喉堵塞程度，系統(tǒng)評價巖心的孔喉結構對CO2驅儲層傷害程度的影響，明確CO2驅儲層傷害機理，以期為CO2驅現(xiàn)場高效應用提供理論依據(jù)。

1 實驗材料、儀器及步驟

1.1 實驗材料

本次實驗的巖心取自鄂爾多斯盆地西峰油田白馬南區(qū)，取心層位為長8致密砂巖儲層，共取6塊巖心，實驗前分別進行了高壓壓汞、掃描電鏡測試。表1為巖心樣品尺寸、物性及孔喉特征參數(shù)，表2為巖心樣品X射線衍射全巖分析結果。實驗中使用的原油樣品是由地層原油和高品質煤油按照體積比2∶1配制而成，其黏度為4.8 mPa·s；通過細管實驗測得該模擬油樣與CO2的最小混相壓力為18.5 MPa，瀝青質質量分數(shù)為1.85%。為抑制水中的H+離子，模擬地層水采用Mn2+溶液，質量濃為25 000 mg/L。實驗用CO2氣體純度為99.9%，由西安工業(yè)氣體供應站提供。

表1 巖心樣品信息Table 1 Data of core samples

表2 巖心X射線衍射全巖分析Table 2 X-ray diffraction whole-rock analysis of cores samples

1.2 實驗儀器

本次實驗裝置主要由2個部分組成，一部分是驅替系統(tǒng)，另一部分是核磁共振測試系統(tǒng)。驅替泵型號為美國制造的ISCO-260D型，壓力為0～51.7MPa，雙泵連續(xù)流動流速為0.001～80.000 mL/min；核磁共振設備由英國牛津儀器科技有限公司制造，可監(jiān)測實驗不同階段巖心內部流體H+的弛豫行為，生成對應的T2譜以進一步分析孔喉系統(tǒng)的堵塞情況。

1.3 實驗步驟

本次研究主要通過物理模擬結合核磁共振分析CO2驅替前后的孔喉堵塞情況，實驗步驟如下：①將巖心樣品進行洗油、烘干，氣測滲透率；②對巖心抽真空飽和錳水24 h，稱重，計算孔隙度；③建立原始地層油水分布，以0.05 mL/min的速度注入原油，至出口流體含油量達到100%，進行核磁共振T2譜采樣；④在實驗溫度70℃（取心區(qū)塊長8油藏平均溫度）條件下，以流速0.01 mL/min、壓力20 MPa將CO2注入巖心驅替原油，穩(wěn)定驅替壓差為0.5 MPa，驅替結束后進行核磁共振T2譜采樣；⑤對6塊巖心重復①～③的操作，對比驅替前后飽和原油T2譜、孔隙度和滲透率。

驅替實驗結束后，重復步驟①～③，在相同實驗條件下再次建立原始地層油水分布，通過與驅替之前的初始油分布T2譜進行對比，確定實驗前后孔喉系統(tǒng)飽和油量的差異，定量評價孔喉的堵塞程度。同時，對比實驗前后孔隙度和滲透率的差異，明確CO2驅對儲層物性的影響程度。

2 分析與討論

2.1 孔喉特征參數(shù)

本次實驗選取3組具有不同孔喉結構特征的巖心樣品，每組包括2塊樣品（參見表1、表2），進行物理模擬實驗。通過分析每組巖心樣品的堵塞程度，確定孔喉結構對儲層傷害程度的影響。實驗巖心樣品按孔喉結構特征可分為3類，其毛管壓力曲線如圖1所示。

圖1 巖心樣品毛管壓力曲線Fig.1 Capillary pressurecurvesof coresamples

第1組巖心樣品的孔隙度為8.06%和7.78%，滲透率為0.42 mD和0.39 mD，在3組巖心樣品中物性最好；壓汞測試結果顯示，毛管壓力曲線形態(tài)平緩，整體向左下方靠攏，中值半徑為0.142 2μm和0.125 8μm，中值壓力和排驅壓力均最低，進汞飽和度最高，整體反映了一個好的儲層物性特征，將其劃分為Ⅰ類孔喉結構。通過鑄體薄片和掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，第1組巖心樣品的孔隙類型主要為粒間孔，其次為溶蝕孔［圖 2（a）—（b）］。

第2組巖心樣品的物性中等，孔隙度、滲透率均低于第1組巖心樣品，毛管壓力曲線位于中間位置，不偏向任何一個方向，中值半徑為0.10μm左右，中值壓力和排驅壓力均較高，整體反映儲層物性一般，將其劃分為Ⅱ類孔喉結構。通過掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，第2組巖心樣品的孔隙類型主要為長石溶孔，少見粒間孔，其典型孔隙形態(tài)如圖2（c）—（d）所示。

第3組巖心樣品的物性較差，滲透率分別為0.10 mD和0.08 mD，孔隙度僅為3%左右。壓汞數(shù)據(jù)顯示5號、6號巖心樣品的排驅壓力、中值壓力在3組巖心樣品中均較高，而中值半徑只有0.062 8μm和0.052 4μm，明顯低于其他2組巖心樣品；毛管壓力曲線形態(tài)上翹，孔喉進汞飽和度低，整體反映儲層物性較差，將其劃分為Ⅲ類孔喉結構。通過鑄體薄片和掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，其主要孔隙類型為溶蝕孔及微裂縫，未見粒間孔發(fā)育［圖 2（e）—（f）］。

圖2 巖心樣品孔隙特征

2.2 孔喉堵塞程度

通過對比實驗前后在同一條件下飽和原油T2譜的幅度差，進一步定量計算了巖心樣品在CO2驅過程中孔喉系統(tǒng)的堵塞程度。圖3（a）所示黑色曲線為1號巖心樣品在CO2驅之前飽和原油的T2譜分布，在以20 MPa的恒定壓力注入CO2氣體4 PV之后驅替結束，測得巖心樣品的原油采收率為22.6%；隨后，對巖心樣品進行洗油、烘干操作，在相同的實驗條件下二次飽和原油，測得的T2譜分布如圖3（a）中的紅色曲線所示。通過對比可知，巖心樣品在CO2驅之后飽和原油的量較實驗之前有所下降，2條T2譜曲線的面積差值即視為巖心的孔喉堵塞率［15］。通過計算可得，1號巖心樣品的孔喉堵塞率為8.35%；雖然堵塞程度較低，但是該現(xiàn)象表明在CO2驅實驗過程中，瀝青質沉積和酸化作用可能會使巖心樣品的一部分孔喉被封堵，對飽和油量產(chǎn)生一定程度的影響，出現(xiàn)二次飽和油量下降的現(xiàn)象。2號巖心樣品的實驗結果與1號巖心樣品相似，在20 MPa壓力下注入CO2氣體4 PV后，原油采收率為25.48%。如圖3（b）所示，對比實驗前后飽和原油T2譜可見，驅替后二次飽和原油量較實驗前偏低，可見2號巖心的孔喉在驅替結束后也產(chǎn)生了一定程度的堵塞，孔喉堵塞率為9.32%。

第2組巖心樣品的T2譜分布曲線如圖3（c）—（d）所示，3號和4號巖心樣品在CO2驅替結束時的采收率分別為18.97%和17.25%，2塊巖心樣品的采收率均低于1號和2號巖心樣品，說明較差的物性及孔隙結構對采收率有一定的影響。從圖3（c）—（d）可知，在CO2驅替結束后，3號和4號巖心樣品的二次飽和油量也低于驅替前的原始飽和油量，該現(xiàn)象也反映了在CO2驅替過程中存在孔喉堵塞的現(xiàn)象。通過計算得到，3號巖心和4號巖心的孔喉堵塞程度分別為14.78%和16.63%，第2組巖心樣品的孔喉堵塞程度已明顯高于第1組巖心樣品。

圖3（e）—（f）所示為第3組巖心樣品飽和油T2譜分布曲線，實驗結果顯示2塊巖心樣品在CO2注入量為4 PV時的采收率分別為12.34%和16.08%，驅油效率整體低于前2組巖心樣品，其主要原因在于孔喉結構及物性與前2組樣品均存在較大差異。對比實驗前后飽和原油T2譜曲線幅度差異可知，第3組巖心樣品的孔喉堵塞率較高，分別達到了29.05%和34.32%，說明在同樣的實驗條件下，CO2驅瀝青質沉積和酸化作用對第3組巖心的孔喉系統(tǒng)影響最大。

2.3 物性傷害程度

在CO2驅替結束后，瀝青質沉積和酸化作用使孔喉形成了一定程度的堵塞，孔喉結構的改變必然會導致巖心孔隙度、滲透率等物性參數(shù)發(fā)生變化，因此，通過對比實驗前后孔隙度和滲透率的降低幅度，能夠評價CO2驅對巖心物性的影響。圖4（a）為6塊巖心樣品的孔隙度降低幅度曲線，從圖中可以看出，孔隙度的降幅沒有明顯的規(guī)律，整體降幅為1%左右，因此，認為CO2驅對孔隙度的影響非常小，基本可忽略不計。圖4（b）為6塊巖心樣品的滲透率降低幅度曲線，從圖中可以看出，滲透率的降幅較大且具有一定的規(guī)律性。初始滲透率最低、孔喉結構為Ⅲ類的巖心樣品，其滲透率降幅也最大，可達到25%，而初始滲透率最高、孔喉結構為Ⅰ類的巖心樣品，其滲透率降幅為6%左右，明顯低于Ⅲ類巖心樣品，因此，認為CO2驅過程會對滲透率產(chǎn)生明顯的影響，且滲透率越低、孔喉結構越差，滲透率受到的傷害越大。

圖4 不同巖心樣品的孔隙度（a）和滲透率（b）降低幅度曲線Fig.4 Relative reduction in porosity（a）and permeability（b）of core samples

2.4 孔喉結構特征

分析實驗結果發(fā)現(xiàn)，在CO2驅過程中，巖心樣品的孔喉堵塞程度與滲透率和孔喉結構特征均存在相關性。巖心驅替實驗結果（表3）顯示，孔喉的堵塞程度及巖心滲透率的降幅均與孔喉結構分類密切相關?？缀斫Y構分類為Ⅰ類的1號和2號巖心樣品，經(jīng)過驅替實驗之后孔喉堵塞程度為9%左右，滲透率降幅為6%左右，是3組巖心樣品中受到傷害最小的一組；孔喉結構分類為Ⅱ類的3號和4號巖心樣品，其孔喉堵塞程度已達到15%左右，平均滲透率降幅為11.65%，這2塊巖心樣品受到的傷害已明顯高于第1組巖心樣品；孔喉結構分類為Ⅲ類的5號和6號巖心樣品，孔喉堵塞程度是3組巖心樣品中最高的，孔喉堵塞程度超過了30%，滲透率降幅也達到了20%左右。

表3 巖心驅替實驗結果Table3 Resultsof CO2 flooding test

圖5為孔喉堵塞程度隨中值半徑的變化曲線。圖5顯示孔喉堵塞程度隨著中值半徑的增大而出現(xiàn)單調降低的趨勢，6號巖心的中值半徑最小，而其孔喉堵塞程度則高達34.32%；1號巖心的中值半徑最大，為0.142 2μm，其堵塞程度僅為8.35%。

圖5 孔喉堵塞程度與中值半徑關系曲線Fig.5 Relationship between plugging degree and median radius of pore throat

本次實驗巖心樣品中的長石類礦物和碳酸鹽類礦物含量均較高。前人研究成果顯示，這2類礦物在CO2驅過程中會出現(xiàn)明顯的溶解現(xiàn)象，溶解過程中伴隨的黏土顆粒脫落是酸化作用堵塞孔喉的主要機理［11，14-15］，再結合瀝青質沉積的堵塞作用，二者共同造成了實驗巖心的孔喉堵塞和滲透率降低。通過分析實驗結果發(fā)現(xiàn)，孔喉堵塞程度與孔喉結構特征成正相關關系，即孔喉結構越好，中值半徑越大，在CO2驅過程中儲層受到的傷害程度就越低，而孔喉結構越差，中值半徑越小，在CO2驅過程中儲層受到的傷害程度就越高。因此，Ⅲ類孔隙結構巖心樣品中大量發(fā)育的溶蝕孔及微裂縫由于孔隙尺度有限，容易發(fā)生堵塞，而Ⅰ類孔隙結構巖心樣品中較發(fā)育的粒間孔由于孔隙尺度大，不易被沉積顆粒堵塞，受到的傷害程度也就較低。

3 結論

（1）在CO2驅過程中，瀝青質沉積及酸化作用會對儲層的孔隙度產(chǎn)生影響，但影響較小，實驗巖心樣品的孔隙度降幅為1%左右。

（2）CO2驅過程會對巖心的滲透率造成一定程度的傷害，且滲透率越低、孔喉結構越差，滲透率受到的傷害程度越高，Ⅲ類孔隙結構巖心的滲透率降幅達20.55%。

（3）巖心孔喉堵塞程度受孔喉結構的影響較大，二者成正相關關系，即孔喉結構越差，中值半徑越小，巖心孔喉在CO2驅過程中的堵塞程度就越高，Ⅲ類孔隙結構巖心的堵塞程度最高達34.32%。