液態(tài)CO2驅(qū)替對(duì)巖心滲透率影響實(shí)驗(yàn)研究

李洪建 蘭曉龍 宋振云 溫哲豪 李 勇 白建文 余先政

(1. 西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院， 成都 610500；2. 中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司油氣藏改造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室CO2壓裂增產(chǎn)研究室， 西安 710000；3. 長(zhǎng)慶油田分公司蘇里格氣田研究中心， 西安 710000)

CO2驅(qū)油技術(shù)是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)重要技術(shù)，并在國(guó)內(nèi)外油田得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。CO2是一種活性氣體，當(dāng)其注入地層后極易與地層中的地層水和巖石發(fā)生反應(yīng)[3]，并可能引起儲(chǔ)層滲透率的變化。

目前很多油田在注水后注入CO2，以期達(dá)到改善儲(chǔ)層滲透率的目的，然而不同的儲(chǔ)層得到的結(jié)果不盡相同[4-6]。液態(tài)CO2注入儲(chǔ)層后與地層水、儲(chǔ)層礦物發(fā)生復(fù)雜的物理及化學(xué)作用，導(dǎo)致儲(chǔ)層巖石可溶性礦物被溶蝕并產(chǎn)生新礦物沉淀(如CaCO3沉淀)，打破了地層水與儲(chǔ)層巖石之間原有的平衡狀態(tài)[7]。

本次實(shí)驗(yàn)研究了在飽和地層水條件下，液態(tài)CO2驅(qū)替巖心后巖心滲透率的變化及引起滲透率變化的原因，并對(duì)CO2驅(qū)替后的巖心進(jìn)行了掃描電鏡分析、X-射線能譜分析和全巖X-衍射分析，從微觀上對(duì)引起巖心滲透率變化的機(jī)理進(jìn)行了研究。

1 巖心地層水滲透率測(cè)試實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)步驟

選取編號(hào)為S9、S30的巖心進(jìn)行地層水基礎(chǔ)滲透率測(cè)試實(shí)驗(yàn)，因?yàn)檫@2塊巖心的孔隙度、滲透率與儲(chǔ)層平均孔隙度和滲透率接近。評(píng)價(jià)方法與實(shí)驗(yàn)操作程序參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SYT5358―2010進(jìn)行。

巖心S9選用3井盒8層模擬地層水，巖心S30采用9井山1層模擬地層水。將巖心飽和后正向放入巖心夾持器中，加3.5 MPa圍壓，使用恒速恒壓高精度驅(qū)替泵以不大于每塊巖心的臨界流速進(jìn)行驅(qū)替，直到巖心夾持器出口端液體的流量穩(wěn)定，測(cè)定單位時(shí)間內(nèi)被驅(qū)替出的液體體積，記錄驅(qū)替壓差，計(jì)算每一塊巖心的地層水基礎(chǔ)滲透率。

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

巖心S9、S30地層水基礎(chǔ)滲透率K水基測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 巖心地層水基礎(chǔ)滲透率測(cè)試數(shù)據(jù)

2 驅(qū)替實(shí)驗(yàn)研究

為了評(píng)價(jià)CO2對(duì)儲(chǔ)層巖心滲透率的影響，選取2塊巖心進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程為：先用地層水正向驅(qū)替巖心，測(cè)定K水基；然后用CO2反向驅(qū)替巖心，當(dāng)巖心出口端被驅(qū)出液體的體積為巖心孔隙體積的0.5倍時(shí)，停泵卸壓，然后再用地層水正向驅(qū)替巖心并測(cè)定巖心滲透率K驅(qū)后。

CO2反向驅(qū)替后利用地層水正向驅(qū)替巖心，測(cè)得滲透率變化曲線分別如圖1、圖2所示。

圖1 巖心S9滲透率比值曲線

圖2 巖心S30滲透率比值曲線

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)累計(jì)驅(qū)替倍數(shù)為14.5時(shí)，巖心S9、S30的滲透率分別從0.032 7×10-3、0.030 8×10-3μm2降為0.036 5×10-3、0.033 9×10-3μm2，其滲透率損害率分別為4.20%、3.69%。

3 驅(qū)替前后巖心微觀分析

3.1 巖心掃描電鏡分析

對(duì)S9號(hào)巖心進(jìn)行了掃描電鏡分析，結(jié)果如表2所示。

從CO2驅(qū)替后儲(chǔ)層巖心掃描電鏡分析結(jié)果可以看出：CO2驅(qū)替前，黏土礦物多分布于粒間粒表；CO2驅(qū)替后，黏土礦物顆粒發(fā)生運(yùn)移，在巖石表面堆積成片狀。隨著CO2驅(qū)替的進(jìn)一步開(kāi)展，微粒進(jìn)一步運(yùn)移最終導(dǎo)致孔喉堵塞。因此，根據(jù)巖心掃描電鏡分析可知，滲透率下降的主要原因是CO2進(jìn)入巖心使得巖心中黏土礦物發(fā)生運(yùn)移堵塞了孔喉(見(jiàn)圖3、圖4)。

表2 巖心S9驅(qū)替前后掃描電鏡結(jié)果

圖3 巖心S9驅(qū)替前(001)掃描電鏡圖(500×)

圖4 巖心S9驅(qū)替后(001)掃描電鏡圖(5000×)

對(duì)巖心S9進(jìn)行了能譜分析，其結(jié)果表明，地層水條件下CO2驅(qū)替后，所分析巖心質(zhì)點(diǎn)中的C、O、Ca元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為27.78%、33.93%、38.29%。C元素與O元素可能為巖石與黏土顆粒表面吸附的CO2的殘留物。而Ca元素的存在可能是CO2驅(qū)替過(guò)程中生成了CaCO3垢。因此，由巖心能譜分析可知，CO2進(jìn)入巖心后與地層水中的Ca2+發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成了難溶的CaCO3，進(jìn)而導(dǎo)致巖心滲透率下降(見(jiàn)圖5)。

圖5 巖心S9 CO2驅(qū)損害后的能譜分析圖像

對(duì)CO2驅(qū)替前后的巖心S9進(jìn)行了全巖 X-衍射分析，分析結(jié)果如表3、圖6、圖7所示。

從CO2驅(qū)替前后儲(chǔ)層巖心全巖X-衍射分析結(jié)果可以得出：CO2驅(qū)替后，巖心內(nèi)方解石質(zhì)量分?jǐn)?shù)從2.5%增加到3.2%。方解石是一種碳酸鈣礦物，說(shuō)明在驅(qū)替過(guò)程中產(chǎn)生了CaCO3垢。

表3 巖心S9 X-衍射全巖分析結(jié)果

圖6 巖心S9驅(qū)替前X-衍射圖

從圖8可以看出，CO2通入模擬地層水后出現(xiàn)結(jié)垢現(xiàn)象。從全巖分析結(jié)果可知，垢的類型為 CaCO3垢。當(dāng)CO2進(jìn)入儲(chǔ)層后可能與地層水中的Ca2+發(fā)生反應(yīng)，生成CaCO3垢堵塞儲(chǔ)層巖石的孔喉，導(dǎo)致巖心滲透率下降。

圖7 巖心S9驅(qū)替后X-衍射圖

4 結(jié) 語(yǔ)

液態(tài)CO2驅(qū)替巖心后導(dǎo)致巖心內(nèi)微粒運(yùn)移，微粒運(yùn)移至孔喉處堵塞了孔喉，導(dǎo)致滲透率有一定程度的降低。此外CO2與模擬地層水混合后，有CaCO3垢生成，因此在地層水條件下，用CO2驅(qū)替巖心，巖心中會(huì)生成CaCO3垢，進(jìn)而導(dǎo)致滲透率降低。

圖8 CO2通入模擬地層水現(xiàn)象圖

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