魯守飛，翟亮，楊雯欣，胡小茜，武楊青

(長江大學(xué) 石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100)

0 引言

CO2驅(qū)油技術(shù)是將CO2注入到儲(chǔ)層中提高原油的采收率的一種技術(shù)，其降低原油黏度、增大原油膨脹系數(shù)、改善油水流度比、降低界面張力、萃取和汽化原油中的輕烴、溶解氣驅(qū)等機(jī)理會(huì)促使驅(qū)替過程的進(jìn)行，提高原油的采收率[1]。如今應(yīng)用較多的CO2驅(qū)技術(shù)有：水氣交替、CO2輔助重力驅(qū)、CO2泡沫驅(qū)、碳化水驅(qū)、裂縫及高滲帶封堵技術(shù)等[2]。由于油藏條件復(fù)雜，CO2注入地層后會(huì)有很多的不確定性，本文將對(duì)CO2對(duì)原油的適應(yīng)性和對(duì)巖石的適應(yīng)性展開討論，探究注入CO2后儲(chǔ)層巖石以及原油的物性參數(shù)變化，分析CO2驅(qū)下巖石及原油的物性參數(shù)變化規(guī)律。

1 CO2驅(qū)技術(shù)面臨的問題

1.1 CO2注入后易發(fā)生氣竄

李德祥[3]首先通過氣體示蹤劑監(jiān)測(cè)以及在注入井周圍進(jìn)行微地震監(jiān)測(cè)，得到CO2發(fā)生氣竄主要是由于自然及人工裂縫、大孔道、高滲透率通道等優(yōu)勢(shì)通道的出現(xiàn)，加劇了地層的非均質(zhì)性，使CO2發(fā)生氣竄；其次，在驅(qū)替過程中CO2注入量增大，相對(duì)滲透率提高，CO2黏度比地層流體低，使得流度比變大，誘發(fā)了黏性指進(jìn)，進(jìn)而導(dǎo)致氣竄或過早突破，降低了波及系數(shù)，減小了原油采收率及CO2埋存效率。因此，抑制CO2的氣竄是CO2驅(qū)能夠順利進(jìn)行的關(guān)鍵。

眾多學(xué)者研發(fā)了多種手段，以期實(shí)現(xiàn)對(duì)地層狀況和流體性質(zhì)改善，達(dá)到有效封堵優(yōu)勢(shì)通道和控制流度的目的。例如：交替注入CO2和水的段塞；對(duì)非均質(zhì)性強(qiáng)的油藏，采用泡沫輔助水氣交替注入技術(shù)；在CO2內(nèi)溶解增稠劑，利用增大CO2流體黏度的大分子直接對(duì)CO2增稠；將表面活性劑溶液和CO2注入到油層內(nèi)，生成CO2泡沫或乳狀液的低流度體系。

1.2 混相條件對(duì)驅(qū)油效率的影響

通過細(xì)管實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，我國油藏混相壓力較高，混相狀態(tài)不易實(shí)現(xiàn)。另外，在進(jìn)行CO2驅(qū)過程時(shí)，CO2萃取和汽化原油中的輕烴，導(dǎo)致剩余油中的重質(zhì)烴含量增大，堵塞孔隙喉道，對(duì)注氣驅(qū)油效果造成一定的不利影響。眾多學(xué)者研究出了原油重質(zhì)組分解堵劑、原油組分分離裝置、兩親分子瀝青穩(wěn)定劑、兩親聚合物瀝青穩(wěn)定劑、納米流體瀝青穩(wěn)定劑、離子液體瀝青穩(wěn)定劑等辦法，將原油中較重的組分轉(zhuǎn)換為輕質(zhì)組分，降低原油黏度，有利于CO2與原油的混相。

1.3 地層能否對(duì)CO2進(jìn)行地質(zhì)埋存

在CO2封存過程中，可能發(fā)生CO2逃竄的原因[4]主要有3種：

(1)注入井或廢棄井發(fā)生泄漏；

(2)未被發(fā)現(xiàn)的斷層、斷裂帶或裂隙發(fā)生泄漏；

(3)蓋層的滲漏。

CO2從地下封存的構(gòu)造中泄漏到大氣、海洋或其他地質(zhì)構(gòu)造中，使大氣中局部CO2濃度過高、地下水或土壤被污染，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生不利的影響。現(xiàn)在學(xué)者主要依靠化學(xué)劑進(jìn)行封堵。

2 CO2對(duì)油藏的適應(yīng)性研究

2.1 CO2對(duì)巖石的適應(yīng)性研究

2.1.1 CO2對(duì)不同類型巖石的溶蝕作用

(1)砂巖

湯瑞佳等[5]分析了CO2與巖砂巖石反應(yīng)前后礦物組成的變化，得到CO2會(huì)對(duì)巖石產(chǎn)生溶蝕作用。這是因?yàn)镃O2會(huì)與地層水反應(yīng)生成碳酸，碳酸極易電解為H+和HCO3-，儲(chǔ)層中的巖石會(huì)與其發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)，例如鉀長石、斜長石會(huì)與H+反應(yīng)生成高嶺石，CO2和水、長石反應(yīng)會(huì)生成方解石，最終CO2會(huì)通過酸巖反應(yīng)生成碳酸氫鹽。隨著CO2的注入，砂巖中的鉀長石和斜長石會(huì)被溶蝕得更加明顯，地層水礦化度逐漸增加，地層水中Na+、K+、Ca2+和HCO3-質(zhì)量濃度呈增加趨勢(shì)。

(2)頁巖

金軍等[6]通過觀察CO2注入前后頁巖巖石礦物的SEM圖像，發(fā)現(xiàn)頁巖中的方解石被大量溶蝕，不僅如此，注入越多的CO2，使得pH值降低，更加促進(jìn)了硅酸鹽、SiO2的溶解。實(shí)驗(yàn)研究表明，發(fā)生溶解礦物的種類和數(shù)量與頁巖礦物組分、地層溫度和孔滲特征等多種因素有關(guān)。比如，由于CO2注入與水生成碳酸降低了環(huán)境的pH值，促進(jìn)了長石礦物的溶蝕，鈣長石和鈉長石的溶蝕更加明顯，但鉀長石的溶蝕作用較弱。

(3)泥巖

周冰等[7]研究了CO2對(duì)泥巖的溶蝕改造作用，得到以下結(jié)論。因?yàn)槟鄮r礦物成分復(fù)雜，熱力學(xué)性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定的礦物溶蝕較慢，熱力學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定的礦物會(huì)較快發(fā)生溶蝕，Si2+、Mg2+等析出速率較為緩慢。在地質(zhì)體中，CO2流體在100 ℃條件下，1 d能溶蝕泥巖中全部方解石。通過溶蝕釋放至地層流體中的金屬離子的濃度不斷增加，H+不斷消耗，地層流體的pH值由酸性轉(zhuǎn)變?yōu)閴A性，流體環(huán)境達(dá)到碳酸鹽礦物和其他黏土類礦物的沉淀?xiàng)l件，次生礦物在泥巖孔隙中形成，占據(jù)孔隙空間，降低蓋層物性，利于油氣保存及CO2固存。

2.1.2 巖石的孔隙度變化

苗小瑞等[8]通過使用氦孔隙度儀測(cè)定巖心孔隙度，得到CO2注入會(huì)使儲(chǔ)層的孔隙度產(chǎn)生變化，孔隙度隨壓力的變化關(guān)系如表1所示，由表1可知孔隙度變化率隨著壓力的增大先升高后減小。這是因?yàn)镃O2注入后，會(huì)溶蝕巖石骨架及表面，使得離子進(jìn)入地層水成為自由離子，消耗了大量巖石原有礦物，生成大量的次生孔隙，使得孔隙度增加。當(dāng)實(shí)驗(yàn)壓力超過10 MPa時(shí)出現(xiàn)孔隙度下降的現(xiàn)象，是因?yàn)镃O2、水與長石反應(yīng)生成水鋁礦、菱鐵礦等沉淀，同時(shí)生成高嶺石和綠泥石在壓力的作用下運(yùn)移，堵塞了孔隙，使孔隙度變化率下降。

表1 CO2與巖石反應(yīng)前后儲(chǔ)層孔隙度變化

2.1.3 巖石的滲透率變化

湯瑞佳等[9]通過測(cè)定CO2驅(qū)替前后巖心的滲透率，得到不同溫度、壓力條件下，巖心的滲透率變化關(guān)系，如圖1所示，巖心的滲透率會(huì)在CO2驅(qū)替后呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，這是因?yàn)閹r石被溶蝕導(dǎo)致的。經(jīng)過溶蝕作用后巖石的孔隙半徑會(huì)增大，大孔道增多，因此巖石的滲透率增大。但并非所有時(shí)候巖石的滲透率都是增大的，隨著注入壓力的不斷增加，儲(chǔ)層流體的沖刷作用越來越強(qiáng)，溶解產(chǎn)生的沉淀及微粒發(fā)生運(yùn)移。微粒運(yùn)移起主要作用，運(yùn)移的微粒堵塞了儲(chǔ)層孔道，導(dǎo)致儲(chǔ)層滲透率降低[10]。

圖1 驅(qū)替前后巖心滲透率的變化

2.1.4 巖石的潤濕性變化

姚振杰等[10]在地層注入了CO2后，測(cè)定了CO2驅(qū)替前后巖石的潤濕角變化，如表2所示，分析潤濕角的變化可得CO2注入會(huì)使得巖石的親水性增強(qiáng)。這是因?yàn)镃O2與地層水反應(yīng)生成碳酸，碳酸與地層反應(yīng)生成的鹽會(huì)溶于水中。鹽在水中電離出帶電離子，因?yàn)閹щ婋x子同性相斥、異性相吸的特性，當(dāng)帶電離子以斥力為主時(shí)，對(duì)儲(chǔ)層巖石表面的薄水膜起穩(wěn)定作用，儲(chǔ)層表現(xiàn)出強(qiáng)親水性。

表2 巖石潤濕角的變化

2.2 CO2對(duì)原油的適應(yīng)性研究

2.2.1 原油的黏度變化

閆鵬[11]使CO2和原油在一定的溫度、壓力下進(jìn)行反應(yīng)，得到原油的黏度隨溫度、壓力的變化關(guān)系，如圖2和圖3所示。當(dāng)溫度一定時(shí)，隨著作用壓力的增加，原油的黏度先減小后增大最后趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)镃O2溶于原油后，當(dāng)壓力低于某個(gè)壓力時(shí)，隨著壓力的上升，CO2溶于原油使其黏度降低。當(dāng)壓力高于某個(gè)值時(shí)，原油中溶解的CO2已飽和，此時(shí)原油的體積被壓縮，原油的密度增加，使得CO2分子間距離變小，分子之間的摩擦力增加，使得原油的黏度增加。當(dāng)壓力等于某個(gè)壓力時(shí)，原油中的溶解氣量最大，黏度最小。

圖2 不同作用壓力下的原油黏度

圖3 不同溫度下的原油黏度

當(dāng)作用壓力一定時(shí)，原油的黏度隨溫度的增大而降低，呈指數(shù)變化。這是因?yàn)樵椭腥苋肓薈O2氣體，原油中的輕質(zhì)組分被萃取，原油的組分發(fā)生了變化，原油密度降低，分子間作用力變小，使得原油的黏度減小。

2.2.2 原油的密度變化

李巖等[12]在地層溫度95 ℃條件下，進(jìn)行膨脹實(shí)驗(yàn)及原油黏度測(cè)試實(shí)驗(yàn)，測(cè)定地層原油的密度隨CO2注氣量的變化情況，如表3所示。原油的密度隨CO2注入量的增加先升高，當(dāng)CO2注入物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)達(dá)到70%時(shí)，CO2與原油混相，原油的密度減小。這是因?yàn)樽⑷雺毫υ黾訒r(shí)，CO2在原油中的溶解量增加，使得原油體積膨脹，作用壓力越高時(shí)，CO2作用后重組分沉淀越多，從而使得原油的密度降低。

表3 原油密度變化

2.2.3 原油的組分變化

閆鵬[11]使CO2和原油在一定的溫度、壓力下進(jìn)行反應(yīng)，得到原油中C30+以上組分含量的變化關(guān)系，如表4和表5所示。當(dāng)溫度一定時(shí)，隨著作用壓力的增加，C30+以上組分的含量降低。這是因?yàn)樵谧饔眠^程中，CO2一方面不斷抽提原油中的輕質(zhì)組分，另一方面使得原油中的重質(zhì)組分不斷沉積，瀝青質(zhì)發(fā)生沉淀，原油中的重質(zhì)組分減少。

表4 不同作用壓力下的C30+以上的含量

表5 不同溫度下的C30+以上的含量

當(dāng)作用壓力一定時(shí)，隨溫度的增加，C30+以上組分的含量減少，但減小幅度不明顯。這是因?yàn)樵偷拿芏葧?huì)隨著溫度升高而減小，膠質(zhì)與瀝青質(zhì)的相互作用力在不斷減弱，導(dǎo)致吸附在瀝青質(zhì)表面的膠質(zhì)游離出來，瀝青質(zhì)失去了保護(hù)。

3 結(jié)語

通過CO2對(duì)油藏的適應(yīng)性的文獻(xiàn)調(diào)研，可以得到CO2的注入會(huì)使原油以及巖石的性質(zhì)產(chǎn)生變化，本文研究的具體結(jié)論如下：

(1)隨著CO2注入時(shí)間的增加，巖石的孔隙半徑、滲透率增大、不變或減小，親油性增強(qiáng)。

(2)隨著溫度以及作用壓力增加，CO2會(huì)使原油的密度降低。

(3)在溫度一定時(shí)，隨著作用壓力的增加，原油的黏度會(huì)先減小后增加最后趨于穩(wěn)定；在作用壓力一定時(shí)，隨著溫度的增加，原油的黏度會(huì)降低。

(4)在溫度一定時(shí)，隨著作用壓力的增加，原油中C30+的含量會(huì)降低；在作用壓力一定時(shí)，隨著溫度的增加，原油中C30+的含量降低幅度不明顯。