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        長慶油田CO2驅(qū)儲層溶蝕與地層水結(jié)垢規(guī)律*

        2020-10-15 06:41:58周志平李瓊瑋戚建晶
        油田化學 2020年3期

        周 佩,周志平,李瓊瑋,戚建晶,何 淼

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

        國內(nèi)外實踐表明,CO2驅(qū)在提高低滲透儲層的有效動用率和單井產(chǎn)量方面效果明顯,可同時提高原油采收率與CO2地質(zhì)埋存[1-5]。長慶油田多為低滲、超低滲油藏,具有裂縫發(fā)育不明顯,隔夾層發(fā)育及蓋層穩(wěn)定性好的特點,CO2驅(qū)油與埋存應用前景廣闊。長慶油田黃3 CO2先導試驗區(qū)共有注氣井9口,采油井37 口,于2017 年7 月實施CO2驅(qū)油與埋存試驗。由于長慶油田地層水礦化度高,鈣、鎂、鋇、鍶金屬離子含量高,儲層巖石易溶蝕,應用CO2驅(qū)油技術(shù)可能會造成結(jié)垢。

        目前對于CO2驅(qū)導致的結(jié)垢評價較為單一,大部分針對的是鈣鎂結(jié)垢的研究,且多為靜態(tài)實驗,評價方法有局限性[6-13]。因此亟需設(shè)計動態(tài)模擬實驗裝置來進行結(jié)垢機理的研究,并結(jié)合靜態(tài)實驗結(jié)果,真實反映油田實際工況下結(jié)垢的原因及機理。本文主要以長慶油田CO2先導試驗區(qū)為研究對象,結(jié)合靜態(tài)與動態(tài)實驗,考察不同條件下儲層溶蝕與地層水結(jié)垢規(guī)律。

        1 實驗部分

        1.1 材料與儀器

        CO2氣體,純度>99.95%,西安泰達低溫設(shè)備有限責任公司;長8模擬地層水,水型為CaCl2,礦化度80 g/L,無機鹽組成(單位mg/L)為:CaCl24178、SrCl2·6H2O 3451、BaCl2·2H2O 7326、NaHCO3178、NaCl 70000,無機鹽均為分析純,國藥集團化學試劑有限公司;巖石取自長慶油田長8儲層,主要由高嶺石、方解石、白云石、綠泥石組成。

        D/MAX-2500 型X-射線衍射儀(XRD),日本理學電機公司;E5637-C型高溫高壓界面張力儀,法國ST 公司;LSM-6360LV 數(shù)字化低真空掃描電鏡(SEM),日本電子儀器制造有限公司;哈氏合金反應釜,威海匯鑫化工機械有限公司;AUY120精密天平,日本Shimadzu公司。

        1.2 實驗方法

        (1)CO2-地層水相互作用

        將60 mL 模擬地層水注入高壓反應釜中,注CO2至指定壓力。將高壓反應釜置于恒溫箱內(nèi)反應,每隔4 h 取樣檢測不同壓力與溫度下溶液的離子濃度。

        (2)CO2-巖石-地層水相互作用

        ①將巖石切片、打磨,稱量質(zhì)量m1;②將巖石片和適量模擬地層水放入反應釜密封(見圖1),打開閥門v2,通入CO2氣體,釜內(nèi)空氣排出后關(guān)閉v2,繼續(xù)通CO2,當釜內(nèi)壓力達所需值后,關(guān)閉閥門v1,把反應釜放在恒溫箱內(nèi)1 d 至反應完成,取出巖石片稱重(m2);③用SEM觀察反應前后巖石片的微觀形貌,用XRD 分析礦物組成,按國家標準GB/T 7477—87《水質(zhì)鈣和鎂總量的測定EDTA 滴定法》測定反應前后的溶液離子濃度。巖石切片在不同溫度、壓力下和模擬水或者去離子水反應前后的質(zhì)量差與反應前質(zhì)量的比值[(m1-m2)/m1×100%],即巖石切片的溶蝕率η。④將巖心片用去離子水洗滌后烘干,用界面張力儀測定去離子水-巖心片-空氣的接觸角。然后將巖心片置于高壓容器中,加入50 mL模擬地層水或去離子水,通入一定壓力的CO2,置于恒溫箱中充分反應。1 d后取出巖心片,測定接觸角,通過接觸角的變化來判斷巖心片潤濕性的變化。

        圖1 高溫高壓反應釜裝置示意圖

        (3)CO2驅(qū)對儲層巖石的影響

        ①將巖石樣品制成直徑為25 mm 的圓柱型巖石。②測量長度L 與橫截面積A,在干燥箱中烘干并稱重(m3)。③用真空泵對巖石抽真空6 h 后,注入模擬地層水,隨后取出稱重(m4)。按式(1)計算巖石孔隙度φ。

        其中,ρ為巖石密度,g/cm3。④測定巖石水相滲透率。烘箱預熱至實驗溫度。將巖石置入巖石夾持器,向腔體內(nèi)注水,加圍壓。之后向夾持器恒速注入模擬地層水,直到出口沒有氣泡且注入端傳感器示數(shù)穩(wěn)定為止,記錄此時壓力(表壓)。巖石夾持器出口處與大氣相連通,收集計量出口排水,并進行離子分析。⑤通過達西定律計算巖石的水相滲透率,計算公式見式(2)。

        其中,Q—流量,mL/min;μw—水的黏度,1 mPa·s;p—巖石夾持器前端壓力,MPa;Kw—水相滲透率,μm2。⑥將CO2注入巖石,用CO2驅(qū)替巖石至特定殘余水飽和度,封閉夾持器出口。保持壓力,讓CO2、殘余地層水、巖石在夾持器中相互作用12 h。實驗中驅(qū)替裝置置于恒溫箱中。⑦實驗步驟⑥結(jié)束后,取出巖石,重復②數(shù)⑤步,測定反應后巖石的水相滲透率。⑧改變實驗條件,重復實驗步驟②數(shù)⑦。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 CO2-地層水體系參數(shù)改變對結(jié)垢的影響

        2.1.1 pH值的影響

        為考察溶液pH 值變化對結(jié)垢的影響,向地層水中通入CO2。由圖2可見,隨著壓力增大,溶液pH值迅速降低,并在3.5數(shù)4.0 之間波動,實驗中未觀察到無機垢生成。在酸性條件下,地層水中溶解的CO2主要以HCO3-和H2CO3存在,不會與二價離子生成沉淀。因此,在長8儲層CO2驅(qū)的過程中,注氣井近井地帶不會有無機垢生成。

        圖2 地層水pH值與CO2注入壓力的關(guān)系

        2.1.2 壓力、溫度的影響

        不同壓力、溫度對長8 地層水沉淀的影響見圖3、圖4。由圖可知,壓力、溫度的改變對地層水中的陽離子濃度幾乎沒有影響,且反應釜中沒有無機垢生成,因此,CO2的注入不會使長8地層水產(chǎn)生沉淀。

        圖3 80°C下CO2注入壓力對陽離子濃度的影響

        圖4 15 MPa下溫度對陽離子濃度的影響

        2.2 CO2-巖石-地層水相互作用

        2.2.1 壓力和溫度對巖石溶蝕率的影響

        由圖5 可知,一定壓力下,溫度越高,巖石切片的溶蝕率越低,說明溫度升高抑制了溶蝕反應。在去離子水環(huán)境中,巖石切片的溶蝕狀況和地層水環(huán)境中相似。在注氣井近井地帶,溫度上升,CO2在溶液中的溶解度下降,溶液pH 值升高,因此CaCO3溶解度隨著溫度的升高而降低。在溫度和pH的綜合作用下,CaCO3溶蝕率降低。

        圖5 壓力和溫度對巖石溶蝕率的影響

        2.2.2 CO2對巖石礦物組成的影響

        巖石切片反應前后的X-射線衍射圖譜中,反應前后的峰位置、峰個數(shù)均相同,表明反應前后巖石片上并未有新的礦物生成。由放大1600 倍的掃描電鏡照片(見圖6)可見,在巖石片表面附著少量沉淀。經(jīng)酸溶實驗分析,該沉淀主要是CaCO3、BaCO3等碳酸鹽類物質(zhì)。

        圖6 巖石切片表面微觀形貌照片

        2.2.3 CO2對地層水離子組成的影響

        CO2-巖石-水反應前后,溶液中離子組成的變化見圖7。在不同的反應條件下,溶液中的Ca2+、Ba2+、Sr2+質(zhì)量濃度均隨注入壓力的增加而增大。隨著CO2-巖石-水的反應,越來越多的巖石切片被溶蝕,導致溶液中Ca2+、Ba2+、Sr2+濃度增加。在同種溶液中,溫度越高,溶液中離子的濃度越低,這和巖石切片的質(zhì)量損失規(guī)律一致。

        2.2.4 CO2對巖石潤濕性的影響

        圖7 溫度、壓力對陽離子濃度的影響

        在不同壓力和溫度下,巖心片與CO2作用前后接觸角的變化見圖8。反應前巖心片的接觸角為85.7°。巖心片與CO2作用后,巖心片的接觸角均降低,巖心片的潤濕性發(fā)生改變。表明巖心片與CO2作用后,巖心片的潤濕性會發(fā)生改變,巖心變得更加親水,從而有利于CO2采油。

        2.3 CO2驅(qū)對儲層巖石的影響

        2.3.1 CO2驅(qū)替前后巖石滲透率的變化

        圖8 CO2作用前后儲層巖心片接觸角的減少量隨壓力的變化

        由表1可知,在不同的溫度和壓力條件下,在采出井近井地帶CO2驅(qū)替后儲層巖石的滲透率均呈減小的趨勢。主要是由于注入的CO2與巖石的反應使巖石溶蝕,而溶蝕后的顆粒隨著流體在儲層內(nèi)運移,當顆粒尺寸與孔隙孔喉尺寸匹配時就會堵塞孔道,隨著驅(qū)替后壓力的降低,CO2逸出,使溶解于地層水中的碳酸鹽沉淀析出,新礦物生成,使得孔隙體積減小,巖石滲透率降低。

        表1 CO2驅(qū)替前后巖石滲透率的變化

        相同溫度條件下,驅(qū)替壓力較高的一組巖石的滲透率降幅較大。這可能是由于隨著反應壓力的增加,巖石的溶蝕加劇,溶蝕的顆粒隨著流體運移,堵塞了部分孔喉,尤其是對滲透率貢獻最大的大孔喉,部分孔喉的堵塞也使得巖石的連通性變差。同時CO2的注入改變了巖石內(nèi)流體的pH值,這也可能改變巖石的潤濕性,進而影響滲透率。相同壓力條件下,水相滲透率降幅隨著溫度的升高而增大。另外,隨著溫度的升高,反應速率增加,沉淀-溶解平衡不斷進行,沉積加劇,高溫條件下的顆粒運移更加明顯,孔喉堵塞的幾率變大。

        2.3.2 CO2驅(qū)替前后巖石孔隙度的變化

        不同溫度和壓力下,CO2-地層水-巖石相互作用12 h 后,巖石孔隙度的變化見表2。反應后巖石的孔隙度均減小,且孔隙度降幅隨著溫度、壓力的增加而增加。溶蝕擴孔及次生孔隙的生成使得孔隙度增大,但是反應產(chǎn)生的礦物在孔隙孔喉處的沉積使得孔隙減小,二者的綜合作用使得孔隙度減小。另外,由于溫度或壓力的升高提高了化學反應速率,更易產(chǎn)生沉積顆粒,顆粒運移更加明顯,孔喉堵塞的幾率變大。

        表2 CO2驅(qū)替前后巖石孔隙度的變化

        2.3.3 巖石與CO2作用后離子濃度的變化

        采出水空白樣(常溫常壓、未注CO2)中Ca2+、Ba2+、Sr2+的質(zhì)量濃度分別為1637.6、4108.0、1135.6 mg/L。由CO2驅(qū)替后采出水的離子濃度(見表3)可見,驅(qū)替采出水中,Ca2+濃度上升,Ba2+和Sr2+濃度下降。3種離子的碳酸鹽溶度積常數(shù)為:Ksp(CaCO3)=4.96×10-9、Ksp(BaCO3)=2.58×10-9、Ksp(SrCO3)=5.60×10-10。巖石中可能發(fā)生的反應為Ca2+、Ba2+和Sr2+分別與CO32-反應生成CaCO3、BaCO3和SrCO3。

        表3 CO2驅(qū)替后采出水離子組成

        巖石中大量存在的方解石成分為CaCO3,反應中CO2的參與會對CaCO3產(chǎn)生溶蝕作用,提升溶液中Ca2+的含量。由于Ksp(SrCO3)<Ksp(CaCO3)、Ksp(BaCO3)<Ksp(CaCO3),因此反應過程中Ba2+和Sr2+更傾向于將溶解度較大的CaCO3轉(zhuǎn)變?yōu)槿芙舛容^小的BaCO3和SrCO3,并在此過程中生成Ca2+。因此反應中更多的CaCO3發(fā)生溶蝕,Sr2+和Ba2+析出沉淀,反應后溶液中的Sr2+和Ba2+含量下降,而Ca2+含量上升。由驅(qū)替后采出水的離子組成可以看出,巖石中發(fā)生溶蝕的部分大多是方解石中的CaCO3,而沉淀的成分主要是SrCO3和BaCO3。產(chǎn)生的這些小顆粒沉淀的運移會對巖石中的孔喉造成堵塞,對采出井附近的儲層造成一定的傷害,不利于采油。

        3 結(jié)論

        長慶油田長8儲層地層水中Ca2+、Ba2+、Sr2+含量高,在CO2采油過程中易出現(xiàn)儲層巖石的溶蝕和結(jié)垢問題。CO2與地層水不會產(chǎn)生無機垢。但在注氣井近井地帶,由于注入壓力不斷升高,導致溶解在地層水中的CO2增加,溶液pH 值下降,使儲層巖石發(fā)生溶蝕。巖心片與CO2作用后,巖心片更加親水,這有利于改善儲層物性,提高原油采收率。在采出井近井地帶,由于壓力的降低,使原本溶解于地層水中的CO2大量逸出,地層水中的碳酸氫鹽礦物分解成不溶性的碳酸鹽沉淀,導致儲層滲透率降低,孔隙度減小,對儲層造成傷害,不利于長8儲層低滲油藏采油。

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