納米顆粒對(duì)深部鹽水層中CO2運(yùn)移影響分析

章星

(中國(guó)石油大學(xué)(北京)克拉瑪依校區(qū)，新疆 克拉瑪依 834000)

楊龍，楊成克，葛玲，龍新滿(mǎn)，郭慧英

(中石油新疆油田分公司實(shí)驗(yàn)檢測(cè)研究院 新疆礫巖油藏實(shí)驗(yàn)室，新疆 克拉瑪依 834000)

在深部鹽水儲(chǔ)集層中進(jìn)行CO2埋存時(shí)，CO2相對(duì)于實(shí)際地層中的鹽水來(lái)說(shuō)具有低密度和低黏度的特點(diǎn)[1～4]，如果在鹽水層上面無(wú)封閉或滲透率低的蓋層，封存的CO2將會(huì)沿著蓋層中相對(duì)較大的通道上升從而產(chǎn)生泄漏重新回到大氣中[5～10]。一種潛在的方法可以使得CO2產(chǎn)生自封堵，即化學(xué)物質(zhì)包裹的納米顆粒讓CO2在鹽水中產(chǎn)生穩(wěn)定的泡沫。在實(shí)際運(yùn)移和封堵方面，含有納米顆粒的穩(wěn)定泡沫和(或)乳狀液(如果CO2為液相)與各自的單相流體相比具有較低的流動(dòng)性[11～13]。因此，CO2在通道中移動(dòng)時(shí)能夠自發(fā)地形成泡沫，該泡沫的產(chǎn)生將會(huì)大大降低CO2的流動(dòng)性，并且可以預(yù)防潛在的CO2泄漏。在埋存中采用這一方法，可以將納米顆粒注入到預(yù)期封存層位的上方或是最有可能、風(fēng)險(xiǎn)最大的地方[14～16]。納米顆粒遠(yuǎn)小于巖石孔喉，并且其表面的化學(xué)物質(zhì)可以減少與巖石的相互作用，納米顆?？梢院苋菀椎乇贿\(yùn)送到鹽水層[17～19]。如果埋存的CO2受浮力影響上升通過(guò)任何含有納米顆粒的地方，納米顆粒將會(huì)吸附到CO2與鹽水的表面。如果CO2是微小的液滴，這些液滴將會(huì)是穩(wěn)定的(不會(huì)合并)并且會(huì)形成CO2/鹽水乳狀液[20～23]。為此，筆者研究上述機(jī)制是否會(huì)在CO2驅(qū)替巖心試驗(yàn)中發(fā)生，并通過(guò)CT掃描的測(cè)量驅(qū)替過(guò)程中流體的飽和度，記錄巖心兩端的流動(dòng)壓差，分析與討論納米顆粒試驗(yàn)中乳狀液的形成機(jī)制。

1 試驗(yàn)部分

1.1 設(shè)備與巖心

圖1 巖心驅(qū)替試驗(yàn)流程

試驗(yàn)主體裝置是一臺(tái)經(jīng)過(guò)改造的Universal Systems HD-350醫(yī)療CT，試驗(yàn)中實(shí)際飽和度的測(cè)量是將巖心水平方向放置于CT掃描儀內(nèi)進(jìn)行掃描。由CT掃描儀測(cè)量材料的實(shí)際密度，通過(guò)線(xiàn)性修正飽和濕相和非濕相三維像素的CT數(shù)值，將實(shí)際測(cè)量的密度轉(zhuǎn)化為流體飽和度。沿著巖心每5mm掃描一次，掃描厚度為5mm，掃描所得圖像的最小分辨率是0.3mm。

試驗(yàn)所采用的巖心為圓柱形的Boise巖心，直徑7cm，長(zhǎng)度30cm，孔隙度27.5%，滲透率1D。為避免CO2的腐蝕，先在巖心表面包裹一層聚四氟乙烯熱縮膜，然后包裹4層鋁箔，最后再包裹一層聚四氟乙烯熱縮膜。鋁制巖心夾持器內(nèi)有一個(gè)AFLAS橡膠套筒。聚四氟乙烯熱縮膜是防水的一層保障，鋁箔是防止CO2擴(kuò)散到AFLAS橡膠套筒。鋁制巖心夾持器是用于避免夾持器和巖心的高密度對(duì)比，防止造成不利的CT掃描測(cè)量。Teledyne Isco泵提供13 MPa的圍壓，dual-Teledyne Isco泵用于不間斷地往巖心中注入CO2和鹽水等流體。巖心驅(qū)替試驗(yàn)流程如圖1所示。

1.2 流體參數(shù)

試驗(yàn)中用的非濕相流體是液態(tài)CO2，壓力9.3MPa，溫度20℃。飽和地層水的CO2是將地層水注入CO2中(流體流量0.1cm3/min，注入時(shí)間5h)，每1000cm3CO2中含有10cm3地層水，并在使用前使得CO2和地層水平衡40h。

試驗(yàn)中用的濕相流體是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的NaBr溶液(模擬地層水)和含有5 % 納米顆粒(型號(hào)3M)的2% NaBr溶液。這2種溶液都飽和過(guò)CO2，將CO2注入濕相流體中(流體流量0.5cm3/min，注入時(shí)間5h)，每1000cm3濕相流體中含有100cm3CO2，并在使用前使得濕相流體和CO2平衡40h。

試驗(yàn)流體參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)流體參數(shù)

1.3 試驗(yàn)方案

為準(zhǔn)確地獲得納米顆粒對(duì)驅(qū)替特征的影響效果，采用同一塊巖心進(jìn)行不同的驅(qū)替試驗(yàn)。

1)鹽水試驗(yàn)。巖心飽和鹽水，然后進(jìn)行CO2驅(qū)替(流體流量0.5cm3/min，注入時(shí)間12h)。

2)納米顆粒試驗(yàn)。巖心飽和納米顆粒溶液，然后進(jìn)行CO2驅(qū)替(流體流量0.5cm3/min，注入時(shí)間12h)。壓差通過(guò)連接在巖心進(jìn)口端和出口端的Rosemount傳感器測(cè)量。在CO2驅(qū)替的早期階段每15min掃描一次，在CO2突破后每1h掃描一次。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 巖心橫截面飽和度分布

圖2是CO2注入0.1PV時(shí)鹽水試驗(yàn)的部分掃描結(jié)果。由左向右，在距離巖心入口端1cm處開(kāi)始掃描，紅色表示完全飽和鹽水，藍(lán)色代表CO2。這些掃描圖片表明，CO2流體的驅(qū)替前緣是不一致的，有些高CO2飽和度區(qū)域緊鄰著高鹽水飽和度區(qū)域。整體來(lái)看，CO2的驅(qū)替前緣在巖心中形成了一條優(yōu)勢(shì)通道，產(chǎn)生指進(jìn)現(xiàn)象。從圖2(a)～(e)可以看出，其右手邊一直含有大量鹽水,圖2(e)、(f)顯示CO2開(kāi)始發(fā)生指進(jìn),圖2(g)、(h)能夠明顯發(fā)現(xiàn)在10點(diǎn)鐘方向出現(xiàn)CO2的單一指進(jìn)。在被CO2驅(qū)替過(guò)的區(qū)域，鹽水的平均飽和度為23%,而在鄰近的區(qū)域，鹽水的平均飽和度為94%(圖2(b))。

圖2 CO2注入0.1 PV時(shí)鹽水試驗(yàn)的部分CT結(jié)果

圖3 CO2注入0.1 PV時(shí)納米顆粒試驗(yàn)的部分CT結(jié)果

圖3是CO2注入0.1 PV時(shí)納米顆粒試驗(yàn)的部分掃描結(jié)果，對(duì)比圖2，圖3中CO2橫向流動(dòng)變化大，減緩甚至消除指進(jìn)。特別的是，當(dāng)注入相同體積的CO2時(shí)，CO2的移動(dòng)距離少于對(duì)照試驗(yàn)中CO2的移動(dòng)距離(減少約20%)，并且驅(qū)替前緣后的圖片變化規(guī)律都比較一致(顏色比較統(tǒng)一，鹽水試驗(yàn)中有明顯的紅色和藍(lán)色)，沒(méi)有明顯的指進(jìn)。盡管在被CO2驅(qū)替過(guò)的區(qū)域大部分充填的是CO2，但是鹽水的平均飽和度依然很高(42%)。因?yàn)镃O2和鹽水在自然情況下是不混溶的，如此高的剩余飽和度可以說(shuō)是巖心中形成乳狀液的一種標(biāo)志。

2.2 含水飽和度變化

圖4(a)為巖心飽和鹽水不同注入體積CO2的含水飽和度分布圖，含水飽和度為所對(duì)應(yīng)的掃描厚度為5mm巖心內(nèi)的平均含水飽和度?？梢钥闯?，在CO2驅(qū)替前緣的后方，飽和度曲線(xiàn)的整體斜率為0.06cm-1，曲線(xiàn)變化平緩，對(duì)于整個(gè)巖心來(lái)說(shuō)沒(méi)有明顯的CO2驅(qū)替前緣。在CO2注入體積達(dá)到0.31PV時(shí)，巖心出口就出現(xiàn)了CO2的突破，這表明CO2在巖心內(nèi)為非活塞式驅(qū)替，出現(xiàn)指進(jìn)現(xiàn)象，并且指進(jìn)隨著注入體積的增加更加明顯。

圖4(b)為巖心飽和納米顆粒溶液不同注入體積CO2的含水飽和度分布圖。相比于鹽水試驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)明顯的CO2驅(qū)替前緣，此時(shí)飽和度曲線(xiàn)變化陡峭，其斜率為0.12cm-1，為鹽水試驗(yàn)的2倍。在CO2驅(qū)替前緣的后方，含水飽和度的變化在橫向和縱向上是一致的(約為40%)，CO2指進(jìn)現(xiàn)象減緩，這種近似于活塞式的驅(qū)替，正是所期待的穩(wěn)定驅(qū)替。

圖4 不同注入體積CO2的含水飽和度分布

2.3 總壓力梯度變化

不同驅(qū)替試驗(yàn)中總壓力梯度隨注入體積變化曲線(xiàn)如圖5所示。鹽水試驗(yàn)中，總壓力梯度的增長(zhǎng)主要是巖心中的兩相流動(dòng)，總壓力梯度的降低是因?yàn)镃O2、飽和度的增加。在剩余水條件下，其最終的總壓力梯度要略小于鹽水流動(dòng)的總壓力梯度。納米顆粒試驗(yàn)中，總壓力梯度變化的大體趨勢(shì)與鹽水試驗(yàn)中的相同(先增大、再減小，最后趨于穩(wěn)定)。但是，對(duì)于納米顆粒試驗(yàn)，其總壓力梯度是鹽水試驗(yàn)的1.5～2.5倍。

3 討論與分析

圖5 不同驅(qū)替試驗(yàn)中總壓力梯度隨注入體積變化曲線(xiàn)

上述結(jié)果表明，鹽水中存在納米顆粒時(shí)，CO2驅(qū)替前緣變得穩(wěn)定或可以自動(dòng)調(diào)節(jié)。對(duì)比鹽水試驗(yàn)，其驅(qū)替前緣后方的含水飽和度越高，總壓力梯度越大。黏性指進(jìn)是十分普遍的現(xiàn)象，在鹽水試驗(yàn)中發(fā)生主要是因?yàn)镃O2的黏度要小于鹽水的黏度，由于注入相的流動(dòng)性要大于防御相的流動(dòng)性，使得前緣黏性不穩(wěn)定。所觀(guān)察到的納米顆粒試驗(yàn)的穩(wěn)定性，也只是相對(duì)于鹽水試驗(yàn)，注入的CO2流體可以和納米顆粒產(chǎn)生一個(gè)流動(dòng)性較低的相。

試驗(yàn)中采用粒徑為5nm的二氧化硅納米顆粒(型號(hào)3M)，該納米顆粒有一層5nm厚度的PEG(polyethylene-glycol，聚乙二醇)外層。納米顆粒的PEG外層可以減少納米顆粒在多孔介質(zhì)中的滯留量，從而增強(qiáng)納米顆粒在多孔介質(zhì)中的運(yùn)移能力。納米顆粒的主要效果就是產(chǎn)生穩(wěn)定的乳狀液，試驗(yàn)條件下的乳狀液可以減小流動(dòng)性，一方面增加了注入相流體的有效黏度，另一方面減小了其相對(duì)滲透率。

在上述驅(qū)替試驗(yàn)中，乳狀液的產(chǎn)生可以歸功于Roof snap-off現(xiàn)象。在局部孔喉處，非濕相飽和度的增加將會(huì)產(chǎn)生海恩斯跳躍(Haines jumps)，即當(dāng)非濕相流體的壓力足夠大時(shí)，其將會(huì)通過(guò)喉道跳躍到鄰近的孔道中。海恩斯跳躍將會(huì)造成喉道中局部毛管壓力的臨時(shí)減小，可以使得孔道中的濕相流體再次融合或者是發(fā)生跳躍。當(dāng)溶液中不存在納米顆粒時(shí)，在有非濕相流體再次進(jìn)入孔道時(shí)由于其連續(xù)受力將會(huì)發(fā)生融合。如果溶液中存在納米顆粒，當(dāng)非濕相流體變得分散時(shí)，它將會(huì)被納米顆粒所包裹，無(wú)法融合，將會(huì)成為穩(wěn)定的乳狀液。

4 結(jié)論

1)在納米顆粒試驗(yàn)中，CO2橫向流動(dòng)變化大起到減緩甚至消除指進(jìn)的作用，CO2驅(qū)替過(guò)的區(qū)域中鹽水的平均飽和度較高(42%)，海恩斯跳躍現(xiàn)象使得在巖心中形成乳狀液。

2)納米顆粒試驗(yàn)中流體流動(dòng)壓差變化趨勢(shì)與鹽水試驗(yàn)中的相同(先增大、再減小，最后趨于穩(wěn)定)，其流動(dòng)壓差是鹽水試驗(yàn)的1.5～2.5倍，最大的不同是在驅(qū)替過(guò)程中兩相流動(dòng)的時(shí)候。

3)在CO2埋存和CO2提高采收率中，納米顆粒對(duì)流體流動(dòng)性控制能夠起到很好的效果，能夠有效抑制CO2在孔隙介質(zhì)中的運(yùn)移。