賈海正 李柏楊 呂照 趙廷峰 趙海燕 牟建業(yè)

1.中國(guó)石油新疆油田公司工程技術(shù)研究院 2.中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院

目前，CO2在油田中的應(yīng)用日趨廣泛[1-3]，國(guó)內(nèi)外諸多成功的施工案例已經(jīng)證明CO2驅(qū)、吞吐可有效地提高采收率，CO2壓裂能有效提高裂縫復(fù)雜程度[4-8]。CO2前置蓄能壓裂作為一項(xiàng)新興的儲(chǔ)層改造技術(shù)，在新疆油田等已有成功施工的報(bào)道，取得了較好的改造效果。CO2前置蓄能壓裂除了在壓裂過(guò)程中促使形成復(fù)雜縫網(wǎng)之外，在燜井過(guò)程中CO2能夠持續(xù)與原油、儲(chǔ)層巖石發(fā)生作用，達(dá)到提高采收率的目的[9]。

CO2與原油之間相互作用的研究較為廣泛，但對(duì)CO2與儲(chǔ)層巖石之間物理化學(xué)作用的探索則相對(duì)較少[10-13]，甚至對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有不一致的結(jié)論。這是由于不同儲(chǔ)層礦物組成、孔喉分布、膠接強(qiáng)度等有所差異。肖娜[14]指出巖石孔隙結(jié)構(gòu)的變化受溶蝕作用、微粒運(yùn)移和新生礦物沉積的綜合影響，對(duì)于延長(zhǎng)油田石英質(zhì)長(zhǎng)石雜砂巖，在44 ℃、7 MPa的條件下，CO2與巖石相互作用后短時(shí)間內(nèi)孔隙度降低，長(zhǎng)期作用下孔隙度增加，而滲透率則持續(xù)降低。于志超[15]等對(duì)松遼盆地的砂巖巖心開(kāi)展高溫高壓條件下飽和CO2水驅(qū)巖心實(shí)驗(yàn)后提出黏土顆粒運(yùn)移、堵塞孔喉將導(dǎo)致驅(qū)替后巖心滲透率、孔隙體積和孔隙度均下降。

目前，也有多位學(xué)者開(kāi)展關(guān)于CO2對(duì)巖石礦物溶蝕規(guī)律的研究，研究結(jié)果普遍認(rèn)為CO2溶于水呈弱酸性，主要對(duì)碳酸鹽巖起作用。杜藝等[16]研究了CO2水溶液注入煤巖后的物理化學(xué)反應(yīng)，提出在CO2水溶液與煤巖的反應(yīng)體系中，白云石、方解石優(yōu)先被CO2水溶液溶蝕，長(zhǎng)石和黏土礦物次之，而石英、黃鐵礦與CO2幾乎不發(fā)生反應(yīng)。李四海等[17]進(jìn)一步研究CO2對(duì)黏土礦物的溶蝕作用，通過(guò)對(duì)致密砂巖開(kāi)展CO2水溶液浸泡實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)浸泡后的伊利石和綠泥石含量降低，高嶺石含量升高。

由于不同區(qū)塊物性條件、礦物組成差異極大，相同的實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)論并不完全一致甚至可能相反。因此，在吉木薩爾頁(yè)巖儲(chǔ)層開(kāi)展CO2前置蓄能壓裂施工，需要開(kāi)展CO2水溶液與巖石之間的相互作用研究，分析CO2對(duì)其滲透率、礦物組成和孔隙結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，進(jìn)而明確CO2對(duì)吉木薩爾頁(yè)巖性質(zhì)的影響。

1 CO2與吉木薩爾頁(yè)巖相互作用實(shí)驗(yàn)

地質(zhì)資料顯示，吉木薩爾頁(yè)巖中含碳酸鹽巖，一方面，CO2水溶液能溶蝕碳酸鹽巖，擴(kuò)大孔喉使?jié)B透率提高；另一方面，反應(yīng)后膠接強(qiáng)度降低，反應(yīng)生成物與脫落的碎屑顆?？赡軙?huì)隨著流體運(yùn)移堵塞孔喉，從而使?jié)B透率減小。在兩種機(jī)制的共同作用下，儲(chǔ)層滲透率如何變化將取決于何種機(jī)制占據(jù)主導(dǎo)。為了明確吉木薩爾頁(yè)巖在CO2水溶液作用下滲透率的變化規(guī)律及機(jī)理，開(kāi)展了高溫高壓下CO2浸泡實(shí)驗(yàn)與滲透率測(cè)試實(shí)驗(yàn)，并輔以X射線衍射實(shí)驗(yàn)和電鏡掃描實(shí)驗(yàn)，分析浸泡前后吉木薩爾頁(yè)巖礦物成分變化和微觀表面、孔喉變化情況，闡明滲透率變化的微觀機(jī)理。

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

CO2(體積分?jǐn)?shù)99%)、標(biāo)準(zhǔn)鹽水、去離子水、吉木薩爾儲(chǔ)層巖樣(根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)的需求，包括直徑2.5 cm巖心、隨機(jī)破碎的巖屑以及厚度為2～3 mm的巖片，分別用于滲透率測(cè)試實(shí)驗(yàn)、X射線衍射實(shí)驗(yàn)和電鏡掃描實(shí)驗(yàn))。

1.2 高溫高壓CO2浸泡實(shí)驗(yàn)

高溫高壓CO2浸泡實(shí)驗(yàn)是本研究的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，其原理是將巖樣置于一個(gè)充滿CO2的密閉環(huán)境中，通過(guò)外部加溫加壓，模擬燜井過(guò)程中儲(chǔ)層巖石與CO2或CO2水溶液持續(xù)接觸的過(guò)程，其流程示意圖見(jiàn)圖1。

在CO2反應(yīng)釜中模擬儲(chǔ)層巖石與CO2接觸，恒溫箱提供溫度，通過(guò)恒速恒壓泵提高體系壓力。具體實(shí)驗(yàn)步驟為：①將處理好的巖樣放入CO2反應(yīng)釜中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案選擇是否加入60 mL標(biāo)準(zhǔn)鹽水，并置于恒溫箱中在實(shí)驗(yàn)溫度下預(yù)熱2 h；②將氣瓶?jī)?nèi)CO2經(jīng)過(guò)中間容器和加熱盤(pán)管導(dǎo)入到CO2反應(yīng)釜中，通過(guò)恒速恒壓泵，將中間容器和CO2反應(yīng)釜這一聯(lián)通體系內(nèi)的壓力提高到實(shí)驗(yàn)壓力；③ 維持恒溫箱溫度為實(shí)驗(yàn)溫度，直至浸泡實(shí)驗(yàn)結(jié)束；④實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，排出反應(yīng)釜中CO2，打開(kāi)反應(yīng)釜取出巖樣。

1.3 滲透率測(cè)試實(shí)驗(yàn)

為明確中長(zhǎng)期浸泡時(shí)間下CO2對(duì)吉木薩爾儲(chǔ)層滲透率的改善和損傷哪個(gè)占據(jù)主導(dǎo)地位，在地層條件下(90 ℃，40 MPa)，對(duì)長(zhǎng)度為5 cm、直徑為2.5 cm的巖心分別開(kāi)展7天和14天的浸泡實(shí)驗(yàn)，測(cè)試浸泡前后滲透率，明確CO2對(duì)滲透率的影響規(guī)律。

1.4 X射線衍射實(shí)驗(yàn)

X射線衍射實(shí)驗(yàn)用于測(cè)試巖樣的礦物成分及含量，結(jié)合CO2浸泡實(shí)驗(yàn)，對(duì)比分析浸泡前后巖樣的礦物組成變化情況。本實(shí)驗(yàn)取5組巖樣(包括碎塊和巖片)，浸泡溫度、浸泡壓力均采用實(shí)際儲(chǔ)層的溫度壓力條件(90 ℃，40 MPa)。分別考慮了不同樣品規(guī)格、浸泡方式、浸泡時(shí)間3種條件對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。具體浸泡條件見(jiàn)表1。

1.5 電鏡掃描實(shí)驗(yàn)

電鏡掃描實(shí)驗(yàn)可以用于觀察樣品的表面形態(tài)細(xì)節(jié)以及度量微觀孔喉尺寸，結(jié)合CO2浸泡實(shí)驗(yàn)，對(duì)比分析浸泡前后相同位置處孔喉尺寸和表面形態(tài)變化，可以解釋宏觀物性(如滲透率)的改變?cè)颉１緦?shí)驗(yàn)樣品為兩塊厚度為2～3 mm的巖片，具體浸泡條件見(jiàn)表2。對(duì)浸泡前后的同一位置進(jìn)行電鏡掃描，對(duì)比兩次掃描結(jié)果的差異。

表2 浸泡實(shí)驗(yàn)(電鏡掃描實(shí)驗(yàn)對(duì)比用)方案編號(hào)樣品規(guī)格浸泡方式浸泡時(shí)間/d浸泡溫度/℃浸泡壓力/MPa1巖片CO22巖片水+CO279040

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 滲透率變化規(guī)律

選取4塊吉木薩爾儲(chǔ)層巖心進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)4塊巖心進(jìn)行原始滲透率測(cè)試后，將其分為2組，分別在90 ℃，40 MPa的條件下用CO2水溶液浸泡7天和14天，浸泡后再次測(cè)試滲透率，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 浸泡前后巖心滲透率變化編號(hào)浸泡時(shí)間/d原始滲透率/(10-3 μm2)浸泡后滲透率/(10-3 μm2)增幅/%1270.073 4310.124 39469.400.024 4900.040 23264.2834140.028 6260.066 129131.010.018 2000.047 085158.71

吉木薩爾頁(yè)巖較為致密，滲透率普遍小于0.1×10-3μm2。經(jīng)計(jì)算可知：在實(shí)際地層溫度壓力條件下，浸泡7天后，平均滲透率升高65%左右；浸泡14天后，平均滲透率升高1.4倍左右。

在CO2水溶液浸泡過(guò)程中，礦物的溶蝕和顆粒運(yùn)移堵塞孔道現(xiàn)象同時(shí)存在，前者會(huì)提高儲(chǔ)層滲透率，而后者則會(huì)降低。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，長(zhǎng)期浸泡后，吉木薩爾儲(chǔ)層滲透率升高。表明在長(zhǎng)期浸泡過(guò)程中，溶蝕作用占主導(dǎo)。后續(xù)礦物組成和微觀表面形態(tài)實(shí)驗(yàn)將對(duì)溶蝕作用作出進(jìn)一步分析。

2.2 礦物組成成分變化規(guī)律

分別取浸泡前后的巖樣制備成小于0.048 mm的顆粒，測(cè)試其礦物成分變化情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，碳酸鹽巖礦物組分含量明顯降低(其余組分含量升高)，故單獨(dú)將其進(jìn)行分析，其變化情況見(jiàn)表4。

表4 浸泡前后碳酸鹽巖含量變化組別w(碳酸鹽巖)/%浸泡前浸泡后減幅/%第1組25.013.745.2第2組16.415.46.1第3組13.513.03.7第4組20.819.94.3第5組53.840.325.1

綜合分析5組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：

(1) 第1組和第2組實(shí)驗(yàn)分別為使用CO2水溶液對(duì)碎塊巖樣浸泡5天和2天。從表5可看出，浸泡5天后，碳酸鹽巖礦物減少45.20%，遠(yuǎn)高于浸泡2天的6.1%，這表明延長(zhǎng)浸泡時(shí)間有利于碳酸鹽巖溶蝕；第5組實(shí)驗(yàn)使用CO2水溶液對(duì)完整巖片浸泡5天，最終碳酸鹽巖礦物減少了25.1%，表明CO2與巖樣接觸面積較小時(shí)，在長(zhǎng)時(shí)間浸泡下，CO2水溶液也可以侵入巖樣內(nèi)部進(jìn)行溶蝕，從而獲得優(yōu)異的溶蝕效果。因此，施工時(shí)延長(zhǎng)燜井時(shí)間，增加CO2水溶液與巖石的作用時(shí)間，對(duì)于加強(qiáng)溶蝕作用是非常有效的一種手段。

(2) 第2組和第3組實(shí)驗(yàn)分別使用CO2水溶液對(duì)碎塊巖樣和完整巖片浸泡2天，浸泡后兩組巖樣中碳酸鹽巖質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別降低6.1%和3.7%，說(shuō)明相比于完整巖片，碎塊巖樣與CO2水溶液有更大的接觸面，有利于碳酸鹽巖溶蝕。對(duì)比第1組和第5組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以得到相同的結(jié)論。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，延長(zhǎng)浸泡時(shí)間，巖樣破碎情況帶來(lái)的溶蝕差異進(jìn)一步增大。這一點(diǎn)說(shuō)明CO2前置蓄能壓裂施工中構(gòu)建復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)，不僅能夠獲得更多油氣通道，實(shí)現(xiàn)更高產(chǎn)量，對(duì)于溶蝕碳酸鹽巖礦物也具有重要意義。

(3) 第2組和第4組實(shí)驗(yàn)分別為使用CO2水溶液和純CO2(超臨界狀態(tài))浸泡碎塊巖樣2天。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，使用CO2水溶液浸泡后，碳酸鹽巖質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低6.1%，高于純CO2浸泡后的4.3%。說(shuō)明相比于純CO2，CO2水溶液有更好的溶蝕能力。在實(shí)際施工中，使用CO2前置蓄能壓裂這種“CO2+水(水基壓裂液)”的復(fù)合壓裂方式，相比于干法壓裂，在增強(qiáng)碳酸鹽巖溶蝕方面更具優(yōu)勢(shì)。

2.3 微觀孔喉尺寸及表面形態(tài)變化規(guī)律

在地層溫度、壓力的條件下使用純CO2浸泡巖樣7天后，原有孔喉形態(tài)幾乎未被影響，也幾乎未溶蝕出新的孔洞(見(jiàn)圖2)。分別對(duì)浸泡前后的孔隙尺寸進(jìn)行測(cè)量，浸泡前分別為10.120 μm、11.400 μm、3.877 μm，浸泡后分別為10.700 μm、11.700 μm及3.951 μm，分別增大了5.70%、2.63%和1.91%，表明純CO2對(duì)吉木薩爾儲(chǔ)層巖樣有較弱的溶蝕作用。

在地層溫度、壓力條件下使用CO2水溶液浸泡巖樣7天后，原有孔喉形態(tài)發(fā)生明顯變化，并在部分原本巖石(碳酸鹽巖)覆蓋的位置溶蝕出新的孔洞。如圖3所示，CO2水溶液浸泡后對(duì)原有孔喉形態(tài)、孔隙尺寸有一定影響，表面形貌發(fā)生顯著變化，如圖中紅框標(biāo)注位置，礦物(主要為白云石)被嚴(yán)重溶蝕。白云石大量溶蝕后暴露出破碎的孔隙結(jié)構(gòu)，由下部被覆蓋的礦物和孔隙組成，形成新的滲流通道。為了更直觀地展現(xiàn)溶蝕前后孔喉的變化情況，并進(jìn)一步明確孔滲改善的機(jī)理，選擇兩處典型區(qū)域放大觀察，如圖4和圖5所示。

從圖4可看出：CO2水溶液浸泡后表面變化有兩種情況，第1種是原本孔喉位置受到不同程度的溶蝕后尺寸變大，這取決于孔洞周圍礦物成分是否含有碳酸鹽巖(白云石或方解石)，碳酸鹽巖越多，溶蝕效果即孔喉擴(kuò)大越明顯。對(duì)該視野內(nèi)4個(gè)孔隙進(jìn)行尺寸標(biāo)定，浸泡前分別為4.322 μm、21.650 μm、22.380 μm和2.780 μm，浸泡后分別為4.974 μm、22.140 μm、22.660 μm及3.119 μm，分別增大了12.77%、2.26%、1.25%和12.19%。結(jié)果表明，相對(duì)于純CO2，CO2水溶液對(duì)吉木薩爾儲(chǔ)層巖石有很好的溶蝕作用，可起到增大滲透率的作用。第2種情況如圖中紅框位置所示，浸泡后原本是巖石的位置被溶蝕，形成新的孔隙。因此，擴(kuò)大原有孔隙和形成新的孔隙，甚至造成孔隙之間的溝通，是CO2水溶液浸泡巖樣提高孔滲的主要機(jī)理。

從圖5可看出，視域中心位置處填充為黏土礦物，CO2水溶液浸泡7天后，黏土礦物及周圍巖石形態(tài)均未發(fā)生變化。表明CO2水溶液對(duì)吉木薩爾儲(chǔ)層的黏土沒(méi)有明顯溶蝕作用。

電鏡掃描實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，吉木薩爾儲(chǔ)層CO2前置蓄能壓裂燜井期間，CO2水溶液與巖石充分接觸并溶蝕碳酸鹽巖，從而擴(kuò)大原有孔喉尺寸或形成新的孔喉，提高了儲(chǔ)層滲透率。

3 J10043_H井CO2前置蓄能壓裂現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

J10043_H井構(gòu)造位于準(zhǔn)噶爾盆地東部吉木薩爾凹陷致二疊系蘆草溝組，2019年10月，在主體工藝的基礎(chǔ)上，對(duì)J10043_H井開(kāi)展CO2前置蓄能壓裂提產(chǎn)試驗(yàn)，共注入2 618.2 m3液態(tài)CO2，燜井30天。生產(chǎn)資料顯示，J10043_H井同期壓力遞減速度降低30%以上，累產(chǎn)提高40%。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明，CO2前置蓄能壓裂措施對(duì)地層能量進(jìn)行了有效補(bǔ)充，經(jīng)過(guò)CO2燜井后，儲(chǔ)層滲流能力得到明顯改善。

4 結(jié)論

(1) 吉木薩爾頁(yè)巖較為致密，滲透率普遍小于0.1×10-3μm2，經(jīng)CO2長(zhǎng)期浸泡后，其滲透率表現(xiàn)出升高的趨勢(shì)。浸泡7天后，滲透率升高65%左右，浸泡14天后，滲透率升高1.4倍左右。

(2) 相比于純CO2，CO2水溶液具有更好的溶蝕能力，主要溶蝕對(duì)象為碳酸鹽巖。在實(shí)際地層溫度、壓力條件下(90 ℃，40 MPa)，使用CO2水溶液對(duì)碎塊巖樣浸泡2天后，碳酸鹽巖溶蝕率達(dá)到6.1%，5天后，溶蝕率可高達(dá)45.2%。

(3) 相比于巖塊，碎塊與CO2水溶液有更大的接觸面，有利于碳酸鹽巖溶蝕。相同條件下，使用CO2水溶液對(duì)不同巖樣浸泡5天后，碎塊巖樣中碳酸鹽巖礦物溶蝕率比完整巖片高20.1%。

(4) CO2對(duì)吉木薩爾頁(yè)巖浸泡過(guò)程中，溶蝕作用增大孔滲的效應(yīng)明顯，強(qiáng)于堵塞減小孔滲的效應(yīng)，最終表現(xiàn)出浸泡后滲透率升高的特點(diǎn)。

(5) 對(duì)吉木薩爾頁(yè)巖油儲(chǔ)層壓裂施工而言，延長(zhǎng)燜井時(shí)間可以增加CO2水溶液與巖石的作用時(shí)間；構(gòu)建復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)可以增大CO2水溶液與巖石的接觸面積；使用CO2前置蓄能壓裂這種“CO2+水(水基壓裂液)”的復(fù)合壓裂方式，有利于加強(qiáng)對(duì)碳酸鹽巖的溶蝕能力。

(6) 采用CO2前置蓄能壓裂工藝在新疆油田吉木薩爾區(qū)塊進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)先導(dǎo)試驗(yàn)，試驗(yàn)井壓力遞減速度降低30%以上，累產(chǎn)提高40%。