CO2驅(qū)替方式對特低滲砂巖儲層物理性質(zhì)變化的影響

王 千, 楊勝來, 韓海水, 錢 坤, 王 璐, 李佳峻

(1.中國石油大學(xué)(北京)油氣資源與工程國家重點實驗室,北京 102249;2.中國石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院,北京 102249;3.提高石油采收率國家重點實驗室,北京 100083)

特低滲透油藏儲層物理性質(zhì)差含水程度高,開發(fā)難度大。CO2具有良好的驅(qū)油特性,向儲層中注CO2不僅能大幅提高油氣藏的油氣產(chǎn)量,而且能實現(xiàn)CO2封存[1-5]。但是CO2注入地層后會引發(fā)巖石-CO2-地層水相互作用,改變儲層巖石的物理性質(zhì)。對于特低滲砂巖儲層,這些物理性質(zhì)的變化會嚴(yán)重影響流體在儲層中的滲流,最終影響注CO2提高采收率及CO2埋存的效果[6-7],特別是在具有高含水飽和度注入井周圍的巖石中,礦物、CO2、地層水接觸充分,導(dǎo)致儲層注水和CO2的能力嚴(yán)重下降。不同的CO2驅(qū)替方式也會對儲層造成不同的影響,礦場在選擇CO2驅(qū)替方式時必須考慮不同CO2驅(qū)替方式驅(qū)替后儲層物理性質(zhì)變化的差異,所選的驅(qū)替方式在提高油氣采收率的同時必須減少CO2驅(qū)替過程中對儲層的損害。對CO2在驅(qū)替及埋存過程中巖石物理性質(zhì)研究,主要是通過室內(nèi)實驗借助X射線衍射(XRD)、掃描電鏡(SEM)、核磁共振(NMR)、CT掃描、壓汞測試等手段,對比分析儲層巖石、CO2和地層水接觸后,巖石的孔隙度、滲透率、礦物種類及含量、孔隙微觀形態(tài)、孔隙半徑分布等方面的變化,其中實驗過程中巖石、CO2和地層水接觸方式通常為高溫高壓下碳酸水浸泡、CO2驅(qū)替、碳酸水驅(qū)替、氣水交替驅(qū)替等[8-15]。這些研究大多是針對某種單一CO2驅(qū)替方式對儲層物理性質(zhì)的影響,缺乏在相同條件下不同CO2驅(qū)替方式之間的橫向?qū)Ρ妊芯?且針對特低滲砂巖儲層的系統(tǒng)研究比較少見。另外實驗過程會對巖心的物理性質(zhì)造成不可逆的改變,巖心不能重復(fù)使用,同時要使多組實驗的結(jié)果具有可比性,所有實驗所用巖心必須具有相同或相似的初始物理性質(zhì)。除此之外,在研究驅(qū)替前后孔隙半徑分布時,多通過取小塊巖石樣品采用壓汞測試的方式[16]。壓汞會破壞和污染巖心,不能通過壓汞直接得到整塊巖心驅(qū)替前后孔隙半徑分布的變化。針對上述問題,筆者實驗前將巖心樣品截成3塊并取樣,在實驗前通過NMR、SEM、 XRD、氣測孔隙度、滲透率等手段對巖心物理性質(zhì)進行分析,確保選出作為實驗材料的巖心物理性質(zhì)相近,壓汞測試僅在實驗后的巖心取樣進行。設(shè)計3組模擬地層條件下室內(nèi)CO2驅(qū)替飽和地層水巖石實驗,實驗對比CO2驅(qū)及CO2-WAG驅(qū)前后巖石的滲透率、孔隙度、孔隙微觀形態(tài)及孔隙半徑分布,并對物理性質(zhì)變化差異產(chǎn)生的機制進行分析。

1 實 驗

1.1 實驗材料

實驗所用巖心HU24取自長慶油田黃3區(qū)塊特低滲儲層(深度2 137.65 m),巖心所含主要礦物為石英、長石、巖屑、碳酸鹽礦物、黏土礦物,巖性為砂巖。為了不影響實驗結(jié)果,實驗使用的巖心取自未注過CO2的儲層,且在實驗前洗去巖心的無機鹽和有機雜質(zhì),此外巖心質(zhì)地均勻無層理及裂縫。實驗所用CO2為高純度的CO2(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.99%),并根據(jù)現(xiàn)場提供的資料配置地層水(組分及其質(zhì)量濃度為:31.64 g/L CaCl2,0.06 g/L MgCl2,0.18 g/L Na2SO4,19.13 g/L NaCl,0.19 g/L NaHCO3),總礦化度為51.2 g/L。

1.2 巖心的處理及分析

圖1 巖心HU24分割示意圖Fig.1 Schematic diagram of segmentation on HU24

實驗前將巖心HU24分割為HU24-1、HU24-2、HU24-3塊等分樣品,并分別從每個巖心上切下一片厚度為2 mm的薄片,編號為HU24-A,HU24-B和HU24-C(圖1)。為了得到分割后巖石樣品基本參數(shù),同時也對巖石樣品物理性質(zhì)的相似性進行驗證,實驗前對HU24-1、HU24-2及HU24-3進行滲透率(氦氣滲透率儀)、孔隙度(氦氣孔隙度儀)及核磁共振(NMR,SPEC-023-B核磁共振高溫高壓滲流實驗分析儀)測試,得到巖心的孔滲參數(shù)及孔隙半徑分布,對HU24-A,HU24-B和HU24-C取樣,利用掃描電鏡(SEM,SU8010冷場發(fā)射掃描電鏡)觀察新鮮面上孔隙的微觀形態(tài), HU24-A,HU24-B和HU24-C剩余部分通過X射線衍射(XRD,D8 Focus X射線衍射儀)分析巖心所含礦物種類及其含量。

HU24巖心樣品的基本參數(shù)如表1、2和圖2所示。

表1 巖心樣品基本參數(shù)

表2 巖心樣品礦物種類及質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 2 Type and mass fraction of mineral in the core samples %

巖心HU24-2與HU24-3測得的滲透率及孔隙度較為接近,且T2譜重合程度高,表明巖心HU24-2與HU24-3孔隙半徑分布較為接近,另外XRD分析結(jié)果顯示3塊巖心礦物種類及含量相似,可以認(rèn)為巖心HU24-2與HU24-3具有相近的物理性質(zhì)。所以選用巖心HU24-2和HU24-3分別進行CO2WAG驅(qū)和CO2驅(qū)實驗。巖心HU24-1與另外2塊巖心的T2譜和孔隙度、滲透率有所差異,但是差異并不大,所以巖心HU24-1作為參照組進行地層水驅(qū)實驗。

圖2 驅(qū)替實驗前3塊巖心的核磁共振T2譜Fig.2 NMR T2 spectrum of three cores before experiment

1.3 實驗設(shè)備及實驗條件

實驗裝置主要由恒溫箱、2個中間容器(1 000 mL)、3臺ISCO泵(注射泵、圍壓泵、回壓泵)、巖心夾持器、5個壓力傳感器、氣液分離器、氣體流量計及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。巖心夾持器豎直放置,避免驅(qū)替過程中由于氣水兩相密度差異的原因造成巖心中非均質(zhì)的物理性質(zhì)變化,而影響后續(xù)對巖心的分析。實驗溫度和壓力參考實際儲層條件(溫度65.6～74.3 ℃,壓力17.5～19.8 MPa),溫度和壓力設(shè)置分別為70 ℃和18 MPa。

圖3 驅(qū)替實驗裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of flooding experiment

1.4 實驗流程

實驗前將設(shè)備置于恒溫箱中用抗腐蝕管線連接,將CO2及地層水分別裝入中間容器中,同時將巖心HU24-3抽真空飽和地層水之后放入巖心夾持器中,并用地層水驅(qū)替3VP(VP為孔隙體積)確保巖心完全飽和。調(diào)節(jié)恒溫箱溫度至實驗溫度,并保持24 h后,開始用CO2驅(qū)替巖心,出口端壓力設(shè)置為18 MPa,設(shè)置驅(qū)替速度為1 mL/h,監(jiān)控入口端和出口端壓力,當(dāng)壓差小于1 h保持不變且總驅(qū)替時間大于150 h時停止驅(qū)替。

巖心HU24-3驅(qū)替結(jié)束后,以相同的條件對巖心HU24-2進行CO2-地層水交替驅(qū)實驗(氣水段塞體積比為2∶1,段塞體積為0.3VP[18]),當(dāng)總驅(qū)替時間達到150 h時停止驅(qū)替。最后以相同的實驗條件對巖心HU24-1進行地層水驅(qū),當(dāng)入口端和出口端壓力保持不變且總驅(qū)替時間達到150 h時停止驅(qū)替。

每塊巖心驅(qū)替結(jié)束后將其烘干測滲透率和孔隙度,之后重新將巖心抽真空飽和地層水進行NMR測試,得到每塊巖心的T2譜。由于NMR 測試的是巖心孔隙地層水中氫原子的信號，因此每次NMR測試前采用稱重法確定巖心中地層水飽和的狀態(tài)相近且飽和充分,避免測得的孔隙半徑分布存在較大偏差。從每個巖心驅(qū)替上游相同位置截取長度1 cm的圓柱進行壓汞測試。最后分別從每塊巖心剩余的部分取樣利用掃描電鏡觀察其孔隙形態(tài),每塊巖心取3～5塊觀察樣品,觀察時所選取的孔隙均為在掃描電鏡下特征明顯且容易識別尺寸較大的孔隙。

2 實驗結(jié)果

2.1 滲透率與孔隙度

圖4 驅(qū)替前后巖心樣品孔隙度Fig.4 Porosity of core samples before and after flooding experiments

圖5 驅(qū)替前后巖心樣品滲透率Fig.5 Permeability of core samples before and after flooding experiments

圖4和圖5分別為實驗前后3塊巖心孔隙度和滲透率測試結(jié)果。可以看出,HU24-1巖心經(jīng)過地層水驅(qū)替后滲透率下降2.52%,下降幅度很小,但HU24-2、HU24-3在驅(qū)替前后滲透率都有明顯的下降,HU24-2經(jīng)過CO2-地層水交替驅(qū)后,滲透率下降幅度最大(32.75%),HU24-3經(jīng)CO2驅(qū)替后滲透率下降幅度(14.92%)小于HU24-2。而3塊巖心的孔隙度在驅(qū)替前后變化為1%～2%,幅度很小。

2.2 孔隙半徑分布

T2譜中弛豫時間與孔隙半徑一一對應(yīng),弛豫時間越大代表對應(yīng)的孔隙半徑越大,信號幅度則代表該半徑孔隙分布比例,信號幅度越大孔隙分布比例越高。T2譜弛豫時間分布的變化就代表了巖心孔隙半徑分布的變化,根據(jù)公式(1)將弛豫時間轉(zhuǎn)化為孔隙半徑[17],并將信號幅度歸一化處理:

T2=Cr.

(1)

式中,T2為弛豫時間,ms;r為孔隙半徑,μm;C為轉(zhuǎn)換系數(shù),取值27.52 ms/μm。

巖心的孔隙半徑分布見圖6和圖7。由圖6看出,巖心HU24-1在地層水驅(qū)替前后T2譜重合程度較高,表明巖心HU24-1在驅(qū)替前后孔隙半徑分布幾乎沒有變化。而巖心HU24-2和HU24-3在注入CO2驅(qū)之后,T2譜發(fā)生偏移,右側(cè)大孔隙分布比例下降,中等半徑孔隙分布比例增加,而左側(cè)小孔隙分布與驅(qū)替前相差較小。

圖6 巖心HU24-1地層水驅(qū)前后核磁共振T2譜Fig.6 NMR T2 spectra of core HU24-1 before and after water flooding

對比巖心HU24-2和HU24-3驅(qū)替前后T2譜,雖然兩塊巖心驅(qū)替前后孔隙半徑分布變化類似,但是巖心HU24-2的T2譜驅(qū)替前后變化范圍和幅度要大于HU24-3(表3),驅(qū)替后巖心HU24-2孔隙半徑分布更加集中,巖心HU24-2的T2譜由驅(qū)替前的雙峰變?yōu)轵?qū)替后的單峰,巖心HU24-3驅(qū)替后的T2譜仍是雙峰,但是雙峰的寬度變窄。兩塊巖心孔隙半徑分布變化的差異對應(yīng)了驅(qū)替前后滲透率下降幅度的差異。

壓汞測試結(jié)果見圖8?？梢钥闯?驅(qū)替后3塊巖心的孔隙半徑分布之間的差異與T2譜表達的信息相近,尤其是大孔隙的分布狀況,驗證了2種測試方法的可靠性。然而與T2譜相比,對于同一塊巖心壓汞測試結(jié)果顯示大孔隙的比例相對較大,而小孔隙的比例相對較小,這可能是由于3塊巖心在壓汞測試時平均最大進汞飽和度為91%,小于NMR測試時平均地層水飽和度(98%),汞作為非潤濕相很難進入微孔,而且壓汞測試僅在巖心的一部分進行。

圖7 巖心HU24-2CO2-WAG驅(qū)前后及HU24-3CO2驅(qū)前后T2譜Fig.7 NMR T2 spectrum of core HU24-2 before and after CO2-WAG flooding and core HU24-3 before and after CO2 flooding

表3 巖心HU24-2、HU24-3驅(qū)替前后孔隙半徑分布變化
Table 3 Changes of pore radius distribution in coresHU24-2、HU24-3 before and after flooding experiments

巖心編號驅(qū)替方式孔隙半徑分布r/μm不變增大減小 HU24-2CO2-WAG驅(qū)r<0.0360.0360.51 HU24-3CO2驅(qū)r<0.120.121.26

圖8 驅(qū)替3塊巖心后壓汞測試結(jié)果Fig.8 Pore size distribution obtained by results of mercury injection measured on rest of three cores after flooding

2.3 孔隙微觀形態(tài)

圖9 巖心在驅(qū)替前后孔隙的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.9 SEM images of pores before and after flooding experiments

SEM觀察結(jié)果見圖9?？梢钥闯?孔隙形態(tài)和充填狀況分為2類:一類孔隙主要存在于驅(qū)替之前的巖心(HU24-A、HU24-B、HU24-C)及地層水驅(qū)替后的巖心HU24-1中,掃描電鏡照片顯示部分大孔隙壁面較為光滑,且充填物較少(圖9(a)),部分孔隙壁面分布蜂窩狀蒙脫石、球絨狀綠泥石和極少量書頁狀高嶺石,但是這些礦物排列緊密,并沒有過多占據(jù)孔隙空間以至于喉道被完全堵塞(圖9(b)、(c)),此類孔隙形態(tài)特征是孔隙和喉道之間有較好的連通性,流體在其中的流動阻力小;另一類孔隙主要存在于CO2-WAG驅(qū)替后HU24-2和CO2驅(qū)替后HU24-3巖心中,此類大孔隙中有散落的高嶺石堆積或者被碎屑充填,孔隙和喉道連通性較差(圖9(d)、(e)),另有鹽結(jié)晶在部分孔隙內(nèi)形成橋堵(圖9(f)),此類孔隙形態(tài)對巖石的滲透率是不利的。綜上所述巖石注入CO2后,巖心部分孔隙的尺寸及形態(tài)發(fā)生了較大變化,在整個巖心尺度上表現(xiàn)為巖心孔隙半徑分布發(fā)生了變化。

對比巖心HU24-2及HU24-3驅(qū)替后SEM觀察結(jié)果發(fā)現(xiàn),巖心HU24-2中被堵塞孔隙的充填物多為松散的片狀高嶺石和碎屑,鹽橋狀堵塞較為少見,而在巖心HU24-3中,相對較多的孔隙中出現(xiàn)鹽橋形式的堵塞。根據(jù)SEM觀察的統(tǒng)計結(jié)果,巖心HU24-2中大孔隙被堵塞的程度總體上要比巖心HU24-3嚴(yán)重,且?guī)r心HU24-2中被堵塞大孔隙數(shù)量也較多,也對應(yīng)了巖心HU24-2孔隙分布變化大于巖心HU24-3。

3 分析與討論

3.1 巖石物理性質(zhì)變化的機制

3.1.1 滲透率與孔隙度

由巖心HU24-1的結(jié)果可以看出,地層水驅(qū)替后巖心滲透率和孔隙度的變化很小,幾乎可以忽略,與SEM觀察結(jié)果及NMR測試結(jié)果一致,表明在本文中實驗條件下該驅(qū)替速度并沒有引發(fā)速敏,地層水也沒有引起黏土礦物的膨脹,但巖心HU24-2和HU24-3在驅(qū)替后氣測滲透率都下降了,排除了驅(qū)替過程中地層水對實驗結(jié)果的影響,證明CO2的注入才是巖心驅(qū)替后滲透率下降的原因。上述結(jié)果與之前類似實驗的結(jié)果相近,例如Sayegh等[19]觀察到,巖心的滲透率在CO2驅(qū)替早期階段迅速下降,然后逐漸增加,但滲透率恢復(fù)不到原始值。Yu等[20]對3塊組合的低滲砂巖巖心進行了碳酸水驅(qū)替實驗,驅(qū)替后3塊巖心的滲透率均有下降,但是下游的巖心滲透率下降要大于上游。Saeedi等[21]利用西澳大利亞CO2埋存場所的砂巖巖心進行了碳酸水和CO2充分的交替驅(qū)替實驗,觀察到驅(qū)替后的巖心滲透率有明顯下降而孔隙度變化較小。前人的研究認(rèn)為CO2注入巖心后溶于地層水形成碳酸,引發(fā)巖石-CO2-地層水相互作用,使碳酸鹽膠結(jié)物及基質(zhì)中長石發(fā)生溶解并釋放顆粒,在驅(qū)替過程中這些顆粒的運移導(dǎo)致了孔隙的堵塞,最終引起巖石滲透率下降[19-20]。

在本文實驗中所使用的巖心為特低滲巖心,滲透率的下降更加明顯,但孔隙度變化仍然很小,是由于巖心內(nèi)部發(fā)生顆粒運移,導(dǎo)致巖心總孔隙空間體積變化不大,但是顆粒在喉道處的堵塞及在孔隙空間的堆積嚴(yán)重降低了巖石內(nèi)滲流通道的流通能力。在驅(qū)替過程中雖然礦物溶解會導(dǎo)致孔隙增大,能一定程度上增加巖石滲透率,但實驗結(jié)果表明在本文中實驗條件下,尤其是孔喉結(jié)構(gòu)更加細(xì)小的特低滲巖心,相對于顆粒運移造成的堵塞而言,礦物溶解引發(fā)的滲透率增加并不占主要地位,礦物溶解造成的孔隙度變化也可以忽略。滲透率和孔隙度是巖石物理性質(zhì)變化的宏觀體現(xiàn),孔隙微觀形態(tài)結(jié)構(gòu)的變化引起巖心整體孔隙半徑分布的變化是巖石滲透率下降的直接原因。

3.1.2 孔隙微觀形態(tài)

驅(qū)替前后巖心HU24-2、HU24-3掃描電鏡照片對比顯示在CO2長時間注入過程中自生黏土礦物原有緊湊的結(jié)構(gòu)被破壞,造成脫落或新生成的片狀高嶺石松散的堆積在孔隙內(nèi),隨著礦物的溶解碎屑顆粒也被釋放并運移最終堆積在喉道處或滯留在孔隙壁面,孔隙內(nèi)流體中的鹽析出形成橋堵。這些變化均是巖石-CO2-地層水相互作用及流體的驅(qū)替引起的,在砂巖巖石中發(fā)生的反應(yīng)一般包括碳酸鹽礦物、堿性長石和黏土礦物的溶解以及新生礦物的沉淀[21-22]。

鉀長石:

(2)

綠泥石:

(3)

碳酸鹽礦物:

(4)

(5)

高溫高壓下在酸性環(huán)境中,基質(zhì)表面鉀長石會發(fā)生溶解,生成可移動的高嶺石碎片釋放到孔隙中。碳酸鹽礦物能夠與碳酸迅速反應(yīng),巖石顆粒的穩(wěn)定性會遭到破壞,釋放碎屑顆粒,引起更大規(guī)模顆粒運移,另外碳酸鹽礦物的溶解會導(dǎo)致流體中的Ca2+、Mg2+等濃度增加,當(dāng)濃度、pH值、溫度或壓力等外界條件改變時極有可能重新沉淀析出,造成堵塞孔隙[23]。黏土礦物對其表層化學(xué)環(huán)境的變化很敏感,黏土礦物與超臨界CO2之間的相互作用可能導(dǎo)致黏土礦物分解,自生或者新生成的黏土礦物會從巖石基質(zhì)中釋放出來。CO2也會改變黏土礦物層間電荷并引起排斥力,導(dǎo)致黏土礦物分散并在孔隙內(nèi)運移[24]。因此碳酸鹽礦物的溶解和黏土礦物的變化在相對較短的時間內(nèi)就會造成孔隙空間幾何形態(tài)發(fā)生變化,特別是當(dāng)各種類型的顆粒隨著流體運移,優(yōu)先堵塞尺寸較小的喉道,而孔隙與喉道的連通性是影響巖心滲透率的關(guān)鍵因素。隨后顆粒繼續(xù)堆積在喉道處,進而引起孔隙尺寸發(fā)生變化(圖10(c)、(d))。

當(dāng)含有NaCl的酸性地層水在毛細(xì)管壓力作用下被抽提到礦物表面后,NaCl溶液會充分暴露在超臨界CO2下,發(fā)生鹽霜反應(yīng),析出NaCl晶體[25]。本文實驗中高礦化度的地層水在孔隙中與超臨界CO2接觸,有一定數(shù)量孔隙發(fā)現(xiàn)鹽結(jié)晶形成的橋堵,尤其是CO2驅(qū)替的巖心內(nèi),不僅將大孔隙分割為多個較小的孔隙,也降低了流體在其中流動的能力(圖9(f))。

上述原因引起的孔隙微觀形態(tài)的變化都將嚴(yán)重?fù)p害特低滲巖石的滲透率,而孔隙度受到的影響較小。特別是巖石中對巖石滲透率貢獻較大的大孔喉,在驅(qū)替過程中是流體主要流動通道和顆粒運移的主要場所,因此SEM照片中顯示大孔隙微觀形態(tài)變化明顯,在孔隙半徑分布中反映出大孔隙比例下降顯著。

3.1.3 孔隙半徑分布

巖心HU24-2和巖心HU24-3驅(qū)替前后T2譜的變化顯示,巖心在注入CO2后,孔隙半徑分布會發(fā)生變化,而巖心的孔隙總體積并沒有明顯的變化,這代表巖心內(nèi)不同尺寸的孔隙之間發(fā)生了相互轉(zhuǎn)化[10-11,21],且在本文中主要是大孔隙向中等孔隙的轉(zhuǎn)化。孔隙半徑分布的變化是巖石所有孔隙微觀形態(tài)變化的宏觀表現(xiàn),根據(jù)孔隙微觀形態(tài)的變化可以分析驅(qū)替過程中孔隙尺寸的轉(zhuǎn)化。對于某個半徑孔隙分布比例的變化,可能是由2方面的因素造成:一是該半徑的孔隙會發(fā)生礦物溶解、顆粒釋放(孔隙空間增大),顆粒運移、孔隙堵塞(孔隙空間減小),導(dǎo)致孔隙形態(tài)有較大變化,同時可能轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌叽绲目紫叮欢瞧渌叽绲目紫兑部赡芤驗橄嗤脑蜣D(zhuǎn)化為該半徑的孔隙,這兩種相反的轉(zhuǎn)化共同決定了某個半徑孔隙的數(shù)量變化情況。但是不同半徑的孔隙發(fā)生轉(zhuǎn)化的幾率及轉(zhuǎn)化的趨勢不同:大孔隙發(fā)生轉(zhuǎn)化的幾率大且大孔隙容易向較小孔隙轉(zhuǎn)化。這是因為在驅(qū)替過程中CO2作為非潤濕相主要存在大孔隙中,因此大孔隙容易發(fā)生礦物溶解,且是流體主要的流動空間,孔隙被堵塞的幾率大。另外對于砂巖巖心顆粒運移堵塞孔隙的效果要大于礦物溶解擴大孔隙的效果,雖然礦物溶解及顆粒釋放能一定程度增加孔隙空間,但顆粒從孔隙壁面脫落及新生成的黏土顆粒在隨流體流動時,可能松散的附著、堆積在此孔隙或其他參與流動的大孔隙中,形成橋堵或完全堵塞吼道,減小被堵塞孔隙的空間甚至將孔隙分割為多個較小的孔隙,使總體孔隙半徑更平均也更小[26]。雖然中等孔隙也可能轉(zhuǎn)化為其他尺寸的孔隙,導(dǎo)致比例下降,但根據(jù)實驗結(jié)果,顯然這種下降小于由于大孔隙的轉(zhuǎn)變而導(dǎo)致比例的上升。對于更小的孔隙(例如巖心HU24-2中的半徑小于0.036 μm),認(rèn)為這些孔隙中的流體在驅(qū)替過程中不流動,不發(fā)生顆粒運移,因此這些孔隙幾乎沒有發(fā)生轉(zhuǎn)化的機會。

綜上所述,巖心在注入CO2之后物理性質(zhì)變化的機制主要是礦物的溶解及顆粒的運移，主要包含3個要素:可發(fā)生運移的顆粒、顆粒運移的場所、攜帶顆粒運移的流體。其中巖心中巖石-CO2-地層水相互作用的程度和范圍決定可發(fā)生運移顆粒的數(shù)量,而在巖心孔隙半徑分布已確定的前提下,注入流體的類型以及驅(qū)替方式?jīng)Q定了另外2個因素,最終影響巖石物理性質(zhì)的變化。

3.2 驅(qū)替方式對巖石物理性質(zhì)變化的影響

由于在驅(qū)替前驗證了實驗所用3塊短巖初始性質(zhì)的一致性,在驅(qū)替實驗結(jié)束后,巖心物理性質(zhì)變化的差異(尤其是巖心HU24-2、HU24-3)只能是不同驅(qū)替方法造成的。根據(jù)巖心物理性質(zhì)變化機制,結(jié)合3種驅(qū)替的特征得出不同驅(qū)替方式下物理性質(zhì)變化存在差異的原因主要有3個方面:巖石-CO2-地層水相互作用的程度和范圍;發(fā)生顆粒運移孔隙的半徑范圍;顆粒運移的動力。

首先巖石-CO2-地層水相互作用是產(chǎn)生可運移顆粒的原因,是巖石在驅(qū)替過程中巖石物理性質(zhì)變化的前提條件。巖心HU24-1在排除速敏和黏土礦物膨脹等因素后,在驅(qū)替過程中不會產(chǎn)生可運移的顆粒,所以巖石物理性質(zhì)基本無變化。對于CO2-WAG驅(qū)的巖心HU24-2及CO2驅(qū)的巖心HU24-3,兩者在驅(qū)替過程中巖石-CO2-地層水相互作用的程度和范圍存在較大的差異。CO2驅(qū)替巖心時,大孔隙內(nèi)的部分地層水會先被驅(qū)出,CO2主要存在大孔隙中央,剩余地層水多以水膜的形態(tài)出現(xiàn),CO2進入較小孔隙空間主要靠擴散作用,且在多孔介質(zhì)中的擴散速度較慢。因此在巖心內(nèi)形成的碳酸的量要少,礦物溶解程度較小,在此過程中主要是鹽結(jié)晶的生長和黏土礦物原有的緊密的結(jié)構(gòu)遭到破壞,造成釋放顆粒的規(guī)模小。CO2-WAG驅(qū)時巖心內(nèi)不斷補充CO2和地層水,CO2、巖石、地層水接觸更充分,巖石-地層水-CO2相互作用的程度相對大。但在CO2驅(qū)替時,巖心內(nèi)超臨界CO2量相對大,巖心孔隙出現(xiàn)鹽結(jié)晶的現(xiàn)象要多。另外氣水交替驅(qū)的方式具有擴大波及的作用,CO2可以在驅(qū)替壓差的作用下進入次一級的孔隙中,擴大了巖心中巖石-地層水-CO2相互作用的范圍,產(chǎn)生更大規(guī)?？蛇\移的顆粒(圖10(a)、(b))。

其次在發(fā)生顆粒運移孔隙的半徑范圍方面,相對于CO2驅(qū),在CO2-WAG驅(qū)過程中在巖心中顆粒運移的范圍更廣。單純CO2驅(qū)替時,隨著含水飽和度的逐漸下降,CO2在大孔道中成為連續(xù)相[27],顆粒的運移與堵塞作用也主要發(fā)生在這些大孔道。CO2-WAG驅(qū)過程中,一個周期內(nèi)氣驅(qū)結(jié)束后,氣體主要滯留在大孔道內(nèi),再進行地層水驅(qū)時,由于賈敏效應(yīng),流體在大孔道內(nèi)的流動會受阻[28-29],進而溶有CO2的地層水也會在較小的孔隙流動,次一級的孔隙中也會發(fā)生顆粒運移堵塞現(xiàn)象,形態(tài)和尺寸發(fā)生變化的孔隙會更多,導(dǎo)致更大范圍孔隙的半徑分布發(fā)生變化(圖10(a)、(b))。

圖10 巖心HU24-2、HU24-3驅(qū)替過程中礦物溶解顆粒運移及孔隙堵塞示意圖Fig.10 Schematic diagram of particle migration, mineral dissolution and pore blockage in core HU24-2 and HU24-3 during flooding process

最后在顆粒運移動力方面,CO2驅(qū)過程中顆粒運移動力要弱于CO2-WAG驅(qū)。低速流動的氣體攜帶顆粒能力弱,在CO2驅(qū)時非潤濕相的CO2氣體長時間存在巖心的大孔隙中央,顆粒的運移主要靠液膜或者少量參與流動的地層水。CO2-WAG驅(qū)時攜帶顆粒的主要是地層水,液體攜帶顆粒運移的能力要遠(yuǎn)大于氣體,并且在氣水注入切換時產(chǎn)生壓力的波動更加劇了顆粒的釋放及運移。

基于以上原因,巖心HU24-2中孔隙堵塞的規(guī)模更大,表現(xiàn)為孔隙半徑分布變化的范圍、幅度和滲透率下降的程度都大于巖心HU24-3。

4 結(jié) 論

(1)特低滲砂巖巖心被CO2以不同方式驅(qū)替后,巖心滲透率均會下降但孔隙度幾乎保持不變,驅(qū)替后巖石部分孔隙被碎屑顆粒、黏土礦物及鹽結(jié)晶堵塞,孔隙半徑分布向左偏移。巖石-CO2-地層水相互作用引發(fā)巖心中礦物溶解釋放顆粒、顆粒運移堵塞孔隙的現(xiàn)象導(dǎo)致了巖心滲透率下降、孔隙微觀形態(tài)變化及孔隙半徑分布變化。

(2)CO2-WAG驅(qū)后巖心滲透率下降幅度大于CO2驅(qū)替后的巖心,前者大孔隙堵塞數(shù)量及程度較為嚴(yán)重,孔隙半徑分布變化幅度和范圍更大。巖石-CO2-地層水相互作用的程度、參與流動孔隙半徑的范圍、顆粒運移的動力3方面的差異導(dǎo)致2種驅(qū)替方式下巖石物理性質(zhì)變化存在差異。

(3)雖然CO2-WAG驅(qū)具有擴大注入CO2波及的效果,但對高含水特低滲砂巖儲層物理性質(zhì)的損害明顯大于CO2驅(qū),更加劇了氣水交替注入的難度,礦場有必要針對這兩種驅(qū)替方式,綜合評價驅(qū)替后儲層的傷害和提高油氣采收率效果,從而選擇合理的CO2驅(qū)替方式。