唐凡 朱永剛 張彥明 孟偉 張濤 徐春梅

1.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司油氣工藝研究院 2.陜西鼎和源瑞環(huán)境工程有限公司 3.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第七采油廠 4.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司宜黃天然氣項(xiàng)目部

低滲油藏通常是指滲透率低于10×10-3μm2的儲(chǔ)層。隨著我國(guó)勘探開(kāi)發(fā)的逐步深入，該部分油藏所控制的地質(zhì)儲(chǔ)量逐年增加。對(duì)該部分儲(chǔ)層，常規(guī)的注水開(kāi)發(fā)由于面臨注入水難以注入、地下能量虧空嚴(yán)重的矛盾而很難滿足開(kāi)發(fā)要求[1-8]。CO2驅(qū)因其具有改善油水流度比、溶解膨脹、降低油水界面張力等作用，且減排效果良好，從而受到廣泛關(guān)注，并已在國(guó)內(nèi)外多個(gè)油藏開(kāi)展了先導(dǎo)試驗(yàn)[9-11]。

在油藏注入CO2過(guò)程中，CO2對(duì)儲(chǔ)層巖石礦物的溶蝕作用及其溶蝕后的礦物組分運(yùn)移，CO2與地層水中礦物離子的化學(xué)反應(yīng)及其與儲(chǔ)層巖石礦物反應(yīng)后離子在地層水中的溶解，CO2對(duì)地層原油的抽提萃取作用和作用后剩余油中瀝青質(zhì)的沉積及其對(duì)孔隙和喉道的堵塞，均會(huì)對(duì)地層多孔介質(zhì)及其賦存流體的性質(zhì)產(chǎn)生影響[12-18]，明晰這一影響是分析CO2驅(qū)油提高采收率機(jī)理的重要環(huán)節(jié)。因此，明確CO2注入對(duì)儲(chǔ)層多孔介質(zhì)及儲(chǔ)層賦存流體性質(zhì)的影響至關(guān)重要。目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)CO2注入對(duì)儲(chǔ)層多孔介質(zhì)及賦存流體性質(zhì)的影響多為理論分析，且通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段分析CO2注入對(duì)儲(chǔ)層及流體的影響多集中在三者作用后對(duì)儲(chǔ)層孔隙度和滲透率等宏觀物性參數(shù)的影響方面，而通過(guò)CO2巖心實(shí)驗(yàn)研究其注入對(duì)儲(chǔ)層微觀孔喉結(jié)構(gòu)及流體性質(zhì)的影響則少有報(bào)道。通過(guò)開(kāi)展CO2與巖心靜態(tài)接觸實(shí)驗(yàn)和巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，并測(cè)試不同壓力條件下CO2注入前后巖心多孔介質(zhì)及賦存流體相關(guān)特征參數(shù)，分析CO2注入對(duì)儲(chǔ)層物性及流體性質(zhì)的影響，以提升對(duì)CO2驅(qū)油理論的認(rèn)識(shí)和指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)驅(qū)油試驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

(1) 實(shí)驗(yàn)儀器。T50電位滴定儀、DCAT21型接觸角測(cè)定儀、KDSF-Ⅱ型高溫高壓反應(yīng)釜、MINI-MR型核磁共振儀、ASPE-730恒速壓汞儀、HAS-100HSB型恒壓恒速泵、巖心夾持器、回壓閥、CS200型氣體流量計(jì)、壓差傳感器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、氣液分離和收集裝置。

(2) 實(shí)驗(yàn)巖心。直徑為2.5 cm的柱狀天然巖心，平均滲透率0.11×10-3μm2，平均孔隙度10.65%。

(3) 實(shí)驗(yàn)用油、水和氣。地層脫氣原油，其地面原油密度0.87 g/cm3，地面原油黏度4.3 mPa·s。實(shí)驗(yàn)用水為按地層水礦化度配制的模擬地層水(核磁共振測(cè)試實(shí)驗(yàn)部分，地層水中加入質(zhì)量濃度為15 000 mg/L的氯化錳)。實(shí)驗(yàn)用CO2氣體純度為99.99%。

(4) 實(shí)驗(yàn)方案。CO2與巖心靜態(tài)接觸實(shí)驗(yàn)：在地層溫度下，將巖心薄片分別靜置于盛有地層水和地層流體(原油飽和度約40%)的反應(yīng)釜內(nèi)，將反應(yīng)壓力依次升至5 MPa、10 MPa、15 MPa、20 MPa，每組壓力維持時(shí)間為7天，并在切換下一組實(shí)驗(yàn)壓力前測(cè)試流體中主要離子、巖心表面潤(rùn)濕性和CO2在地層流體中的擴(kuò)散系數(shù)、溶解度。

巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)(CO2注入速度均為0.1 mL/min)：①對(duì)初始實(shí)驗(yàn)巖心進(jìn)行滲透率和壓汞測(cè)試(為保證實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性，通過(guò)恒速壓汞實(shí)驗(yàn)篩選實(shí)驗(yàn)用巖心，孔喉結(jié)構(gòu)盡可能相近)，開(kāi)展CO2驅(qū)水實(shí)驗(yàn)，直至采出端發(fā)生氣竄不出水，驅(qū)替結(jié)束后再次對(duì)巖心進(jìn)行滲透率和壓汞測(cè)試。該部分驅(qū)替實(shí)驗(yàn)共4組，每組實(shí)驗(yàn)壓力與靜態(tài)接觸實(shí)驗(yàn)壓力逐一對(duì)應(yīng)，并對(duì)原始巖心在15 MPa和20 MPa壓力下注入CO2后的巖心進(jìn)行恒速壓汞測(cè)試；②對(duì)初始實(shí)驗(yàn)巖心進(jìn)行核磁共振測(cè)試，在實(shí)驗(yàn)壓力為20 MPa條件下開(kāi)展CO2驅(qū)水實(shí)驗(yàn)直至采出端發(fā)生氣竄不出水，驅(qū)替結(jié)束后再次對(duì)巖心做核磁共振測(cè)試；③開(kāi)展CO2巖心驅(qū)油實(shí)驗(yàn)直至采出端發(fā)生氣竄不出油，驅(qū)替結(jié)束后對(duì)采出原油進(jìn)行組分分析、黏度和瀝青質(zhì)含量測(cè)試。該部分實(shí)驗(yàn)壓力與巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)①中實(shí)驗(yàn)壓力相同。

2 結(jié)果與分析

2.1 CO2注入對(duì)儲(chǔ)層性質(zhì)的影響

圖1為不同壓力下注入CO2后儲(chǔ)層巖心孔隙度和滲透率變化曲線。從圖1可知，隨著注入壓力的升高，孔隙度和滲透率變化率均呈先迅速增大后降低的趨勢(shì)，且后者降低趨勢(shì)更為明顯。(孔隙度/滲透率變化率是指CO2注入后巖心孔隙度/滲透率與CO2注入前巖心孔隙度/滲透率的差值的絕對(duì)值與CO2注入前巖心孔隙度/滲透率的比值)。這主要是由于隨著注入壓力升高，注入巖心中的CO2與地層水反應(yīng)生成H2CO3，H2CO3電離出的H+與巖心中的鉀長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石、方解石等礦物發(fā)生反應(yīng)(X射線衍射分析結(jié)果顯示：巖心中鉀長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石、方解石質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為18.2%、30.1%和0.5%)，從而對(duì)巖心形成溶蝕，造成巖心孔隙度迅速增大。同時(shí)，溶蝕形成的碎屑顆粒沿著驅(qū)替方向向采出端運(yùn)移，堵塞巖心中部分原生微孔隙和由溶蝕形成的次生微孔隙，受喉道和微孔隙控制的巖心滲透率隨之下降；隨著注入壓力進(jìn)一步升高，由于CO2與多孔介質(zhì)的接觸面積相對(duì)有限，CO2對(duì)巖心的溶蝕相對(duì)減緩，巖心孔隙度基本不變。由于前期CO2溶蝕產(chǎn)生的碎屑顆粒在CO2注入過(guò)程中逐步向巖心深部運(yùn)移，此時(shí)溶蝕顆粒運(yùn)移造成的堵塞問(wèn)題占相對(duì)主導(dǎo)作用，巖心滲透率降低，但降低幅度較緩。

圖2為CO2注入前后巖心孔隙直徑(毛管直徑)分布變化曲線。從圖2可知，隨著注入壓力增大，直徑小于0.01 μm的孔隙數(shù)量明顯增多，但當(dāng)注入壓力由15 MPa升高至20 MPa時(shí)，小孔隙數(shù)量卻有所減少。核磁共振結(jié)果顯示：在20 MPa壓力下注入CO2后，其T2圖譜曲線較注入前T2圖譜曲線左移明顯。進(jìn)一步計(jì)算發(fā)現(xiàn)：與巖心初始狀態(tài)相比，20 MPa壓力下注入CO2后，巖心微孔隙(T2<1 ms)占比由1.50%增至2.31%[19-21]，說(shuō)明注入CO2對(duì)巖心溶蝕作用明顯。

圖3為15 MPa和20 MPa壓力下注入CO2后巖心孔隙和喉道尺寸的變化。結(jié)合圖2和圖3可知，注入CO2后，直徑為100～150 μm的孔隙數(shù)量有所增多，尤其是在巖心由初始狀態(tài)轉(zhuǎn)至CO2注入壓力為10 MPa時(shí)，說(shuō)明CO2對(duì)巖心孔隙的溶蝕主要集中在直徑為100～150 μm的孔隙空間。具體表現(xiàn)為：巖心在初始狀態(tài)、CO2注入壓力為15 MPa和20 MPa狀態(tài)下，巖心直徑為100～150 μm的孔隙頻率分別為71.55%、79.86%和81.28%。而CO2對(duì)喉道的影響卻十分明顯，具體表現(xiàn)為：CO2溶蝕產(chǎn)生的碎屑受CO2沿運(yùn)移方向的“攜帶”作用，直徑小于1.5 μm的喉道數(shù)量顯著增多，巖心在原始狀態(tài)、CO2注入壓力為15 MPa和20 MPa狀態(tài)下，該部分尺寸喉道頻率分別為23.81%、37.78%和39.64%，這說(shuō)明CO2對(duì)巖心的溶蝕造成喉道變窄明顯。該結(jié)果與注入CO2后巖心滲透率降低結(jié)果一致。

圖4為注入CO2前后巖心接觸角變化。從圖4可知，巖心薄片與CO2作用后，隨著注入壓力的升高，其接觸角均降低，且降低幅度呈先迅速升高后下降的趨勢(shì)，具體表現(xiàn)為：當(dāng)注入壓力由5 MPa升高至20 MPa時(shí)，巖心薄片接觸角降低幅度分別為6.41%、14.60%、39.51%和18.69%。這說(shuō)明在不同壓力下注入CO2后，巖心薄片的親水性均增強(qiáng)，且總體表現(xiàn)為注入壓力越高，CO2對(duì)巖心薄片潤(rùn)濕性的影響越明顯。巖心薄片與CO2作用后，親水性增強(qiáng)，有利于CO2驅(qū)油。

2.2 CO2注入對(duì)流體性質(zhì)的影響

圖6為不同壓力條件下CO2在地層流體中的擴(kuò)散系數(shù)和溶解度變化的情況。由圖6可知，隨著注入壓力的升高，CO2在地層流體中的溶解度呈先迅速增大后基本保持平穩(wěn)的態(tài)勢(shì)，這主要是由于在壓力升高初期，CO2在地層流體(主要是原油)中迅速溶解，當(dāng)壓力升高至15 MPa左右時(shí)，該壓力值接近CO2-原油最小混相壓力(細(xì)管實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該區(qū)域CO2-原油最小混相壓力值為14.28 MPa)，其溶解度達(dá)到最大值。同時(shí)，CO2在地層流體中的擴(kuò)散系數(shù)隨壓力的升高呈先緩后快的增大趨勢(shì)，這主要是由于隨著壓力的升高，CO2在地層流體中先以溶解為主，當(dāng)其溶解度達(dá)到最大值后，其在流體中以物理擴(kuò)散的形式進(jìn)行。

圖7為巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)中不同注入壓力下采出液中原油組分、黏度及瀝青質(zhì)含量變化。從圖7(a)可以看出，隨著注入壓力升高，采出原油中C5～C9、C10～C14、C15～C19、C20～C24及C25～C33含量均增大，說(shuō)明CO2對(duì)上述組分均存在萃取作用，且CO2對(duì)C5～C9、C10～C14及C15～C19的萃取作用較對(duì)C20～C24和C25～C33萃取作用強(qiáng)。具體表現(xiàn)為：當(dāng)注入壓力由5 MPa升高至10 MPa和15 MPa時(shí)，各組分含量分別增加4.12%、12.12%、4.03%、0.93%、1.43%和8.75%、19.62%、7.08%、2.28%、2.65%，出現(xiàn)這一結(jié)果的主要原因是由于壓力的升高，促使了CO2由氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榕R界態(tài)，其對(duì)原油的萃取能力驟然增強(qiáng)。當(dāng)注入壓力由15 MPa升高至20 MPa時(shí)，各組分的含量基本保持不變(各組分含量?jī)H增加0.02%、0.13%、0.16%、1.15%及0.22%)，說(shuō)明在該壓力條件下，CO2與原油已達(dá)到混相狀態(tài)。

各壓力條件下對(duì)應(yīng)巖心出口端原油采收率分別為29.65%、56.58%、76.69%、78.32%，該結(jié)果是CO2驅(qū)油過(guò)程對(duì)多孔介質(zhì)及流體的綜合影響出現(xiàn)的結(jié)果，另外，驅(qū)油實(shí)驗(yàn)結(jié)果也正好印證了在15～20 MPa條件下CO2與原油基本達(dá)到混相狀態(tài)。

從圖7(b)可看出，隨著注入壓力升高，采出原油黏度及瀝青質(zhì)含量均大幅下降。具體表現(xiàn)為：當(dāng)注入壓力由5 MPa升高至10 MPa和15 MPa時(shí)，兩者的降低幅度分別達(dá)到27.91%、21.31%和41.62%、50.46%。結(jié)合圖7(a)可知，這是因?yàn)镃O2大量溶入原油，大幅降低了原油黏度，同時(shí)不斷萃取出原油中的輕質(zhì)組分，使得大部分瀝青質(zhì)(重質(zhì)組分)滯留在巖心中，造成采出原油黏度及瀝青質(zhì)含量迅速降低。而當(dāng)注入壓力在15～20 MPa時(shí)，采出原油黏度及瀝青質(zhì)組分則基本不變(20 MPa注入壓力下采出原油黏度及瀝青質(zhì)含量分別較15 MPa時(shí)分別降低幅度僅3.59%和5.40%)，這說(shuō)明該壓力區(qū)間CO2對(duì)原油的降黏效果有限，且其中輕質(zhì)組分已基本被萃取完畢。

3 結(jié)論

(1) 在CO2注入壓力由5 MPa升高至20 MPa過(guò)程中，儲(chǔ)層多孔介質(zhì)平均孔隙度增加19.16%，且總體呈先增大后不變的趨勢(shì)；平均滲透率降低11.23%，且滲透率降低幅度總體呈先增大后降低的趨勢(shì)；直徑為100～150 μm的孔隙空間增多9.73%；直徑小于1.5 μm的喉道空間增多15.83%；巖心親水性顯著增強(qiáng)。

(2) 在CO2注入壓力由5 MPa升高至20 MPa過(guò)程中，地層水中Ca2+和HCO3-含量增大，CO2在地層流體中的溶解度呈先增大后不變的趨勢(shì)，擴(kuò)散系數(shù)總體呈增大的趨勢(shì)，采出原油中C5～C33組分含量呈現(xiàn)先增大后基本不變的規(guī)律，采出原油黏度及瀝青質(zhì)含量呈現(xiàn)先迅速降低后保持不變的規(guī)律。