孔喉結(jié)構(gòu)對(duì)CO2驅(qū)儲(chǔ)層傷害程度的影響

唐梅榮 ，張同伍 ，白曉虎 ，王泫懿 ，李 川

（1.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司油氣工藝研究院，西安710018；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，西安710018）

0 引言

CO2驅(qū)是目前提高采收率的常用方法之一，已廣泛應(yīng)用于各類油藏，并取得了較好的驅(qū)油效果［1-3］。相比氮?dú)怛?qū)和空氣驅(qū)，采用CO2驅(qū)時(shí) CO2氣體在進(jìn)入地層之后，可大量溶解于原油中，進(jìn)而產(chǎn)生降低原油黏度、降低體系界面張力等多種作用，這些作用有利于降低原油在儲(chǔ)層孔喉中的流動(dòng)阻力，提高氣驅(qū)的驅(qū)油效率，改善開發(fā)效果［4-6］，但是，在CO2驅(qū)過(guò)程中，CO2與地層流體及孔喉基質(zhì)礦物的相互作用會(huì)對(duì)儲(chǔ)層造成一定程度的傷害［7-9］。

通過(guò)大量室內(nèi)實(shí)驗(yàn)及油田現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)發(fā)現(xiàn)，CO2在進(jìn)入地層后易與原油相互作用產(chǎn)生瀝青質(zhì)沉積現(xiàn)象，其作用產(chǎn)物固態(tài)瀝青質(zhì)會(huì)堵塞孔隙、喉道，對(duì)儲(chǔ)層孔喉系統(tǒng)產(chǎn)生一定程度的影響［10-11］。Behbahani等［12］通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，CO2驅(qū)替過(guò)程中的瀝青質(zhì)沉積量主要受控于注入壓力，隨著注入壓力的增大，瀝青質(zhì)沉積量會(huì)明顯上升，導(dǎo)致巖心樣品滲透率下降，進(jìn)而使CO2驅(qū)替效率及原油采收率均降低。王琛等［13］通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，瀝青質(zhì)對(duì)致密砂巖巖心的孔喉系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生明顯的堵塞作用，其堵塞程度最高可以達(dá)到55.22%；孔喉傷害規(guī)律顯示，巖心滲透率越大，孔喉系統(tǒng)被堵塞的程度越低。此外，研究發(fā)現(xiàn)CO2溶于地層流體后會(huì)形成弱酸性溶液，使地層流體在與孔喉壁面接觸的過(guò)程中發(fā)生礦物的溶蝕、溶解反應(yīng)，反應(yīng)過(guò)程及反應(yīng)產(chǎn)物會(huì)改變孔喉體積，封堵孔隙、喉道［14-15］。

目前，關(guān)于CO2驅(qū)儲(chǔ)層傷害的相關(guān)研究，主要評(píng)價(jià)了驅(qū)替實(shí)驗(yàn)條件，如實(shí)驗(yàn)溫度、注入壓力、反應(yīng)時(shí)間等參數(shù)對(duì)孔喉傷害程度的影響，以及巖心孔隙度、滲透率及其對(duì)孔喉傷害程度的影響，尚缺乏巖心孔喉結(jié)構(gòu)這一重要因素對(duì)CO2驅(qū)孔喉傷害程度影響的相關(guān)研究。針對(duì)現(xiàn)有研究的不足，采用高壓壓汞、掃描電鏡結(jié)合核磁共振技術(shù)，通過(guò)室內(nèi)物理模擬實(shí)驗(yàn)確定巖心樣品的孔喉堵塞程度，系統(tǒng)評(píng)價(jià)巖心的孔喉結(jié)構(gòu)對(duì)CO2驅(qū)儲(chǔ)層傷害程度的影響，明確CO2驅(qū)儲(chǔ)層傷害機(jī)理，以期為CO2驅(qū)現(xiàn)場(chǎng)高效應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料、儀器及步驟

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本次實(shí)驗(yàn)的巖心取自鄂爾多斯盆地西峰油田白馬南區(qū)，取心層位為長(zhǎng)8致密砂巖儲(chǔ)層，共取6塊巖心，實(shí)驗(yàn)前分別進(jìn)行了高壓壓汞、掃描電鏡測(cè)試。表1為巖心樣品尺寸、物性及孔喉特征參數(shù)，表2為巖心樣品X射線衍射全巖分析結(jié)果。實(shí)驗(yàn)中使用的原油樣品是由地層原油和高品質(zhì)煤油按照體積比2∶1配制而成，其黏度為4.8 mPa·s；通過(guò)細(xì)管實(shí)驗(yàn)測(cè)得該模擬油樣與CO2的最小混相壓力為18.5 MPa，瀝青質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.85%。為抑制水中的H+離子，模擬地層水采用Mn2+溶液，質(zhì)量濃為25 000 mg/L。實(shí)驗(yàn)用CO2氣體純度為99.9%，由西安工業(yè)氣體供應(yīng)站提供。

表1 巖心樣品信息Table 1 Data of core samples

表2 巖心X射線衍射全巖分析Table 2 X-ray diffraction whole-rock analysis of cores samples

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

本次實(shí)驗(yàn)裝置主要由2個(gè)部分組成，一部分是驅(qū)替系統(tǒng)，另一部分是核磁共振測(cè)試系統(tǒng)。驅(qū)替泵型號(hào)為美國(guó)制造的ISCO-260D型，壓力為0～51.7MPa，雙泵連續(xù)流動(dòng)流速為0.001～80.000 mL/min；核磁共振設(shè)備由英國(guó)牛津儀器科技有限公司制造，可監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)不同階段巖心內(nèi)部流體H+的弛豫行為，生成對(duì)應(yīng)的T2譜以進(jìn)一步分析孔喉系統(tǒng)的堵塞情況。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

本次研究主要通過(guò)物理模擬結(jié)合核磁共振分析CO2驅(qū)替前后的孔喉堵塞情況，實(shí)驗(yàn)步驟如下：①將巖心樣品進(jìn)行洗油、烘干，氣測(cè)滲透率；②對(duì)巖心抽真空飽和錳水24 h，稱重，計(jì)算孔隙度；③建立原始地層油水分布，以0.05 mL/min的速度注入原油，至出口流體含油量達(dá)到100%，進(jìn)行核磁共振T2譜采樣；④在實(shí)驗(yàn)溫度70℃（取心區(qū)塊長(zhǎng)8油藏平均溫度）條件下，以流速0.01 mL/min、壓力20 MPa將CO2注入巖心驅(qū)替原油，穩(wěn)定驅(qū)替壓差為0.5 MPa，驅(qū)替結(jié)束后進(jìn)行核磁共振T2譜采樣；⑤對(duì)6塊巖心重復(fù)①～③的操作，對(duì)比驅(qū)替前后飽和原油T2譜、孔隙度和滲透率。

驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，重復(fù)步驟①～③，在相同實(shí)驗(yàn)條件下再次建立原始地層油水分布，通過(guò)與驅(qū)替之前的初始油分布T2譜進(jìn)行對(duì)比，確定實(shí)驗(yàn)前后孔喉系統(tǒng)飽和油量的差異，定量評(píng)價(jià)孔喉的堵塞程度。同時(shí)，對(duì)比實(shí)驗(yàn)前后孔隙度和滲透率的差異，明確CO2驅(qū)對(duì)儲(chǔ)層物性的影響程度。

2 分析與討論

2.1 孔喉特征參數(shù)

本次實(shí)驗(yàn)選取3組具有不同孔喉結(jié)構(gòu)特征的巖心樣品，每組包括2塊樣品（參見表1、表2），進(jìn)行物理模擬實(shí)驗(yàn)。通過(guò)分析每組巖心樣品的堵塞程度，確定孔喉結(jié)構(gòu)對(duì)儲(chǔ)層傷害程度的影響。實(shí)驗(yàn)巖心樣品按孔喉結(jié)構(gòu)特征可分為3類，其毛管壓力曲線如圖1所示。

圖1 巖心樣品毛管壓力曲線Fig.1 Capillary pressurecurvesof coresamples

第1組巖心樣品的孔隙度為8.06%和7.78%，滲透率為0.42 mD和0.39 mD，在3組巖心樣品中物性最好；壓汞測(cè)試結(jié)果顯示，毛管壓力曲線形態(tài)平緩，整體向左下方靠攏，中值半徑為0.142 2μm和0.125 8μm，中值壓力和排驅(qū)壓力均最低，進(jìn)汞飽和度最高，整體反映了一個(gè)好的儲(chǔ)層物性特征，將其劃分為Ⅰ類孔喉結(jié)構(gòu)。通過(guò)鑄體薄片和掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，第1組巖心樣品的孔隙類型主要為粒間孔，其次為溶蝕孔［圖 2（a）—（b）］。

第2組巖心樣品的物性中等，孔隙度、滲透率均低于第1組巖心樣品，毛管壓力曲線位于中間位置，不偏向任何一個(gè)方向，中值半徑為0.10μm左右，中值壓力和排驅(qū)壓力均較高，整體反映儲(chǔ)層物性一般，將其劃分為Ⅱ類孔喉結(jié)構(gòu)。通過(guò)掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，第2組巖心樣品的孔隙類型主要為長(zhǎng)石溶孔，少見粒間孔，其典型孔隙形態(tài)如圖2（c）—（d）所示。

第3組巖心樣品的物性較差，滲透率分別為0.10 mD和0.08 mD，孔隙度僅為3%左右。壓汞數(shù)據(jù)顯示5號(hào)、6號(hào)巖心樣品的排驅(qū)壓力、中值壓力在3組巖心樣品中均較高，而中值半徑只有0.062 8μm和0.052 4μm，明顯低于其他2組巖心樣品；毛管壓力曲線形態(tài)上翹，孔喉進(jìn)汞飽和度低，整體反映儲(chǔ)層物性較差，將其劃分為Ⅲ類孔喉結(jié)構(gòu)。通過(guò)鑄體薄片和掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，其主要孔隙類型為溶蝕孔及微裂縫，未見粒間孔發(fā)育［圖 2（e）—（f）］。

圖2 巖心樣品孔隙特征

2.2 孔喉堵塞程度

通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)前后在同一條件下飽和原油T2譜的幅度差，進(jìn)一步定量計(jì)算了巖心樣品在CO2驅(qū)過(guò)程中孔喉系統(tǒng)的堵塞程度。圖3（a）所示黑色曲線為1號(hào)巖心樣品在CO2驅(qū)之前飽和原油的T2譜分布，在以20 MPa的恒定壓力注入CO2氣體4 PV之后驅(qū)替結(jié)束，測(cè)得巖心樣品的原油采收率為22.6%；隨后，對(duì)巖心樣品進(jìn)行洗油、烘干操作，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下二次飽和原油，測(cè)得的T2譜分布如圖3（a）中的紅色曲線所示。通過(guò)對(duì)比可知，巖心樣品在CO2驅(qū)之后飽和原油的量較實(shí)驗(yàn)之前有所下降，2條T2譜曲線的面積差值即視為巖心的孔喉堵塞率［15］。通過(guò)計(jì)算可得，1號(hào)巖心樣品的孔喉堵塞率為8.35%；雖然堵塞程度較低，但是該現(xiàn)象表明在CO2驅(qū)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，瀝青質(zhì)沉積和酸化作用可能會(huì)使巖心樣品的一部分孔喉被封堵，對(duì)飽和油量產(chǎn)生一定程度的影響，出現(xiàn)二次飽和油量下降的現(xiàn)象。2號(hào)巖心樣品的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與1號(hào)巖心樣品相似，在20 MPa壓力下注入CO2氣體4 PV后，原油采收率為25.48%。如圖3（b）所示，對(duì)比實(shí)驗(yàn)前后飽和原油T2譜可見，驅(qū)替后二次飽和原油量較實(shí)驗(yàn)前偏低，可見2號(hào)巖心的孔喉在驅(qū)替結(jié)束后也產(chǎn)生了一定程度的堵塞，孔喉堵塞率為9.32%。

第2組巖心樣品的T2譜分布曲線如圖3（c）—（d）所示，3號(hào)和4號(hào)巖心樣品在CO2驅(qū)替結(jié)束時(shí)的采收率分別為18.97%和17.25%，2塊巖心樣品的采收率均低于1號(hào)和2號(hào)巖心樣品，說(shuō)明較差的物性及孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)采收率有一定的影響。從圖3（c）—（d）可知，在CO2驅(qū)替結(jié)束后，3號(hào)和4號(hào)巖心樣品的二次飽和油量也低于驅(qū)替前的原始飽和油量，該現(xiàn)象也反映了在CO2驅(qū)替過(guò)程中存在孔喉堵塞的現(xiàn)象。通過(guò)計(jì)算得到，3號(hào)巖心和4號(hào)巖心的孔喉堵塞程度分別為14.78%和16.63%，第2組巖心樣品的孔喉堵塞程度已明顯高于第1組巖心樣品。

圖3（e）—（f）所示為第3組巖心樣品飽和油T2譜分布曲線，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示2塊巖心樣品在CO2注入量為4 PV時(shí)的采收率分別為12.34%和16.08%，驅(qū)油效率整體低于前2組巖心樣品，其主要原因在于孔喉結(jié)構(gòu)及物性與前2組樣品均存在較大差異。對(duì)比實(shí)驗(yàn)前后飽和原油T2譜曲線幅度差異可知，第3組巖心樣品的孔喉堵塞率較高，分別達(dá)到了29.05%和34.32%，說(shuō)明在同樣的實(shí)驗(yàn)條件下，CO2驅(qū)瀝青質(zhì)沉積和酸化作用對(duì)第3組巖心的孔喉系統(tǒng)影響最大。

2.3 物性傷害程度

在CO2驅(qū)替結(jié)束后，瀝青質(zhì)沉積和酸化作用使孔喉形成了一定程度的堵塞，孔喉結(jié)構(gòu)的改變必然會(huì)導(dǎo)致巖心孔隙度、滲透率等物性參數(shù)發(fā)生變化，因此，通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)前后孔隙度和滲透率的降低幅度，能夠評(píng)價(jià)CO2驅(qū)對(duì)巖心物性的影響。圖4（a）為6塊巖心樣品的孔隙度降低幅度曲線，從圖中可以看出，孔隙度的降幅沒有明顯的規(guī)律，整體降幅為1%左右，因此，認(rèn)為CO2驅(qū)對(duì)孔隙度的影響非常小，基本可忽略不計(jì)。圖4（b）為6塊巖心樣品的滲透率降低幅度曲線，從圖中可以看出，滲透率的降幅較大且具有一定的規(guī)律性。初始滲透率最低、孔喉結(jié)構(gòu)為Ⅲ類的巖心樣品，其滲透率降幅也最大，可達(dá)到25%，而初始滲透率最高、孔喉結(jié)構(gòu)為Ⅰ類的巖心樣品，其滲透率降幅為6%左右，明顯低于Ⅲ類巖心樣品，因此，認(rèn)為CO2驅(qū)過(guò)程會(huì)對(duì)滲透率產(chǎn)生明顯的影響，且滲透率越低、孔喉結(jié)構(gòu)越差，滲透率受到的傷害越大。

圖4 不同巖心樣品的孔隙度（a）和滲透率（b）降低幅度曲線Fig.4 Relative reduction in porosity（a）and permeability（b）of core samples

2.4 孔喉結(jié)構(gòu)特征

分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在CO2驅(qū)過(guò)程中，巖心樣品的孔喉堵塞程度與滲透率和孔喉結(jié)構(gòu)特征均存在相關(guān)性。巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果（表3）顯示，孔喉的堵塞程度及巖心滲透率的降幅均與孔喉結(jié)構(gòu)分類密切相關(guān)?？缀斫Y(jié)構(gòu)分類為Ⅰ類的1號(hào)和2號(hào)巖心樣品，經(jīng)過(guò)驅(qū)替實(shí)驗(yàn)之后孔喉堵塞程度為9%左右，滲透率降幅為6%左右，是3組巖心樣品中受到傷害最小的一組；孔喉結(jié)構(gòu)分類為Ⅱ類的3號(hào)和4號(hào)巖心樣品，其孔喉堵塞程度已達(dá)到15%左右，平均滲透率降幅為11.65%，這2塊巖心樣品受到的傷害已明顯高于第1組巖心樣品；孔喉結(jié)構(gòu)分類為Ⅲ類的5號(hào)和6號(hào)巖心樣品，孔喉堵塞程度是3組巖心樣品中最高的，孔喉堵塞程度超過(guò)了30%，滲透率降幅也達(dá)到了20%左右。

表3 巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table3 Resultsof CO2 flooding test

圖5為孔喉堵塞程度隨中值半徑的變化曲線。圖5顯示孔喉堵塞程度隨著中值半徑的增大而出現(xiàn)單調(diào)降低的趨勢(shì)，6號(hào)巖心的中值半徑最小，而其孔喉堵塞程度則高達(dá)34.32%；1號(hào)巖心的中值半徑最大，為0.142 2μm，其堵塞程度僅為8.35%。

圖5 孔喉堵塞程度與中值半徑關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between plugging degree and median radius of pore throat

本次實(shí)驗(yàn)巖心樣品中的長(zhǎng)石類礦物和碳酸鹽類礦物含量均較高。前人研究成果顯示，這2類礦物在CO2驅(qū)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)明顯的溶解現(xiàn)象，溶解過(guò)程中伴隨的黏土顆粒脫落是酸化作用堵塞孔喉的主要機(jī)理［11，14-15］，再結(jié)合瀝青質(zhì)沉積的堵塞作用，二者共同造成了實(shí)驗(yàn)巖心的孔喉堵塞和滲透率降低。通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，孔喉堵塞程度與孔喉結(jié)構(gòu)特征成正相關(guān)關(guān)系，即孔喉結(jié)構(gòu)越好，中值半徑越大，在CO2驅(qū)過(guò)程中儲(chǔ)層受到的傷害程度就越低，而孔喉結(jié)構(gòu)越差，中值半徑越小，在CO2驅(qū)過(guò)程中儲(chǔ)層受到的傷害程度就越高。因此，Ⅲ類孔隙結(jié)構(gòu)巖心樣品中大量發(fā)育的溶蝕孔及微裂縫由于孔隙尺度有限，容易發(fā)生堵塞，而Ⅰ類孔隙結(jié)構(gòu)巖心樣品中較發(fā)育的粒間孔由于孔隙尺度大，不易被沉積顆粒堵塞，受到的傷害程度也就較低。

3 結(jié)論

（1）在CO2驅(qū)過(guò)程中，瀝青質(zhì)沉積及酸化作用會(huì)對(duì)儲(chǔ)層的孔隙度產(chǎn)生影響，但影響較小，實(shí)驗(yàn)巖心樣品的孔隙度降幅為1%左右。

（2）CO2驅(qū)過(guò)程會(huì)對(duì)巖心的滲透率造成一定程度的傷害，且滲透率越低、孔喉結(jié)構(gòu)越差，滲透率受到的傷害程度越高，Ⅲ類孔隙結(jié)構(gòu)巖心的滲透率降幅達(dá)20.55%。

（3）巖心孔喉堵塞程度受孔喉結(jié)構(gòu)的影響較大，二者成正相關(guān)關(guān)系，即孔喉結(jié)構(gòu)越差，中值半徑越小，巖心孔喉在CO2驅(qū)過(guò)程中的堵塞程度就越高，Ⅲ類孔隙結(jié)構(gòu)巖心的堵塞程度最高達(dá)34.32%。