CO2與吉木薩爾儲層巖石相互作用實驗研究

賈海正 李柏楊 呂照 趙廷峰 趙海燕 牟建業(yè)

1.中國石油新疆油田公司工程技術(shù)研究院 2.中國石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院

目前，CO2在油田中的應(yīng)用日趨廣泛[1-3]，國內(nèi)外諸多成功的施工案例已經(jīng)證明CO2驅(qū)、吞吐可有效地提高采收率，CO2壓裂能有效提高裂縫復(fù)雜程度[4-8]。CO2前置蓄能壓裂作為一項新興的儲層改造技術(shù)，在新疆油田等已有成功施工的報道，取得了較好的改造效果。CO2前置蓄能壓裂除了在壓裂過程中促使形成復(fù)雜縫網(wǎng)之外，在燜井過程中CO2能夠持續(xù)與原油、儲層巖石發(fā)生作用，達到提高采收率的目的[9]。

CO2與原油之間相互作用的研究較為廣泛，但對CO2與儲層巖石之間物理化學(xué)作用的探索則相對較少[10-13]，甚至對實驗結(jié)果有不一致的結(jié)論。這是由于不同儲層礦物組成、孔喉分布、膠接強度等有所差異。肖娜[14]指出巖石孔隙結(jié)構(gòu)的變化受溶蝕作用、微粒運移和新生礦物沉積的綜合影響，對于延長油田石英質(zhì)長石雜砂巖，在44 ℃、7 MPa的條件下，CO2與巖石相互作用后短時間內(nèi)孔隙度降低，長期作用下孔隙度增加，而滲透率則持續(xù)降低。于志超[15]等對松遼盆地的砂巖巖心開展高溫高壓條件下飽和CO2水驅(qū)巖心實驗后提出黏土顆粒運移、堵塞孔喉將導(dǎo)致驅(qū)替后巖心滲透率、孔隙體積和孔隙度均下降。

目前，也有多位學(xué)者開展關(guān)于CO2對巖石礦物溶蝕規(guī)律的研究，研究結(jié)果普遍認為CO2溶于水呈弱酸性，主要對碳酸鹽巖起作用。杜藝等[16]研究了CO2水溶液注入煤巖后的物理化學(xué)反應(yīng)，提出在CO2水溶液與煤巖的反應(yīng)體系中，白云石、方解石優(yōu)先被CO2水溶液溶蝕，長石和黏土礦物次之，而石英、黃鐵礦與CO2幾乎不發(fā)生反應(yīng)。李四海等[17]進一步研究CO2對黏土礦物的溶蝕作用，通過對致密砂巖開展CO2水溶液浸泡實驗，發(fā)現(xiàn)浸泡后的伊利石和綠泥石含量降低，高嶺石含量升高。

由于不同區(qū)塊物性條件、礦物組成差異極大，相同的實驗得到的結(jié)論并不完全一致甚至可能相反。因此，在吉木薩爾頁巖儲層開展CO2前置蓄能壓裂施工，需要開展CO2水溶液與巖石之間的相互作用研究，分析CO2對其滲透率、礦物組成和孔隙結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，進而明確CO2對吉木薩爾頁巖性質(zhì)的影響。

1 CO2與吉木薩爾頁巖相互作用實驗

地質(zhì)資料顯示，吉木薩爾頁巖中含碳酸鹽巖，一方面，CO2水溶液能溶蝕碳酸鹽巖，擴大孔喉使?jié)B透率提高；另一方面，反應(yīng)后膠接強度降低，反應(yīng)生成物與脫落的碎屑顆?？赡軙S著流體運移堵塞孔喉，從而使?jié)B透率減小。在兩種機制的共同作用下，儲層滲透率如何變化將取決于何種機制占據(jù)主導(dǎo)。為了明確吉木薩爾頁巖在CO2水溶液作用下滲透率的變化規(guī)律及機理，開展了高溫高壓下CO2浸泡實驗與滲透率測試實驗，并輔以X射線衍射實驗和電鏡掃描實驗，分析浸泡前后吉木薩爾頁巖礦物成分變化和微觀表面、孔喉變化情況，闡明滲透率變化的微觀機理。

1.1 實驗材料

CO2(體積分數(shù)99%)、標準鹽水、去離子水、吉木薩爾儲層巖樣(根據(jù)不同的實驗的需求，包括直徑2.5 cm巖心、隨機破碎的巖屑以及厚度為2～3 mm的巖片，分別用于滲透率測試實驗、X射線衍射實驗和電鏡掃描實驗)。

1.2 高溫高壓CO2浸泡實驗

高溫高壓CO2浸泡實驗是本研究的基礎(chǔ)實驗，其原理是將巖樣置于一個充滿CO2的密閉環(huán)境中，通過外部加溫加壓，模擬燜井過程中儲層巖石與CO2或CO2水溶液持續(xù)接觸的過程，其流程示意圖見圖1。

在CO2反應(yīng)釜中模擬儲層巖石與CO2接觸，恒溫箱提供溫度，通過恒速恒壓泵提高體系壓力。具體實驗步驟為：①將處理好的巖樣放入CO2反應(yīng)釜中，根據(jù)實驗方案選擇是否加入60 mL標準鹽水，并置于恒溫箱中在實驗溫度下預(yù)熱2 h；②將氣瓶內(nèi)CO2經(jīng)過中間容器和加熱盤管導(dǎo)入到CO2反應(yīng)釜中，通過恒速恒壓泵，將中間容器和CO2反應(yīng)釜這一聯(lián)通體系內(nèi)的壓力提高到實驗壓力；③ 維持恒溫箱溫度為實驗溫度，直至浸泡實驗結(jié)束；④實驗結(jié)束后，排出反應(yīng)釜中CO2，打開反應(yīng)釜取出巖樣。

1.3 滲透率測試實驗

為明確中長期浸泡時間下CO2對吉木薩爾儲層滲透率的改善和損傷哪個占據(jù)主導(dǎo)地位，在地層條件下(90 ℃，40 MPa)，對長度為5 cm、直徑為2.5 cm的巖心分別開展7天和14天的浸泡實驗，測試浸泡前后滲透率，明確CO2對滲透率的影響規(guī)律。

1.4 X射線衍射實驗

X射線衍射實驗用于測試巖樣的礦物成分及含量，結(jié)合CO2浸泡實驗，對比分析浸泡前后巖樣的礦物組成變化情況。本實驗取5組巖樣(包括碎塊和巖片)，浸泡溫度、浸泡壓力均采用實際儲層的溫度壓力條件(90 ℃，40 MPa)。分別考慮了不同樣品規(guī)格、浸泡方式、浸泡時間3種條件對實驗結(jié)果的影響。具體浸泡條件見表1。

1.5 電鏡掃描實驗

電鏡掃描實驗可以用于觀察樣品的表面形態(tài)細節(jié)以及度量微觀孔喉尺寸，結(jié)合CO2浸泡實驗，對比分析浸泡前后相同位置處孔喉尺寸和表面形態(tài)變化，可以解釋宏觀物性(如滲透率)的改變原因。本實驗樣品為兩塊厚度為2～3 mm的巖片，具體浸泡條件見表2。對浸泡前后的同一位置進行電鏡掃描，對比兩次掃描結(jié)果的差異。

表2 浸泡實驗(電鏡掃描實驗對比用)方案編號樣品規(guī)格浸泡方式浸泡時間/d浸泡溫度/℃浸泡壓力/MPa1巖片CO22巖片水+CO279040

2 實驗結(jié)果分析

2.1 滲透率變化規(guī)律

選取4塊吉木薩爾儲層巖心進行實驗，對4塊巖心進行原始滲透率測試后，將其分為2組，分別在90 ℃，40 MPa的條件下用CO2水溶液浸泡7天和14天，浸泡后再次測試滲透率，結(jié)果見表3。

表3 浸泡前后巖心滲透率變化編號浸泡時間/d原始滲透率/(10-3 μm2)浸泡后滲透率/(10-3 μm2)增幅/%1270.073 4310.124 39469.400.024 4900.040 23264.2834140.028 6260.066 129131.010.018 2000.047 085158.71

吉木薩爾頁巖較為致密，滲透率普遍小于0.1×10-3μm2。經(jīng)計算可知：在實際地層溫度壓力條件下，浸泡7天后，平均滲透率升高65%左右；浸泡14天后，平均滲透率升高1.4倍左右。

在CO2水溶液浸泡過程中，礦物的溶蝕和顆粒運移堵塞孔道現(xiàn)象同時存在，前者會提高儲層滲透率，而后者則會降低。從實驗結(jié)果來看，長期浸泡后，吉木薩爾儲層滲透率升高。表明在長期浸泡過程中，溶蝕作用占主導(dǎo)。后續(xù)礦物組成和微觀表面形態(tài)實驗將對溶蝕作用作出進一步分析。

2.2 礦物組成成分變化規(guī)律

分別取浸泡前后的巖樣制備成小于0.048 mm的顆粒，測試其礦物成分變化情況。實驗結(jié)果表明，碳酸鹽巖礦物組分含量明顯降低(其余組分含量升高)，故單獨將其進行分析，其變化情況見表4。

表4 浸泡前后碳酸鹽巖含量變化組別w(碳酸鹽巖)/%浸泡前浸泡后減幅/%第1組25.013.745.2第2組16.415.46.1第3組13.513.03.7第4組20.819.94.3第5組53.840.325.1

綜合分析5組實驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：

(1) 第1組和第2組實驗分別為使用CO2水溶液對碎塊巖樣浸泡5天和2天。從表5可看出，浸泡5天后，碳酸鹽巖礦物減少45.20%，遠高于浸泡2天的6.1%，這表明延長浸泡時間有利于碳酸鹽巖溶蝕；第5組實驗使用CO2水溶液對完整巖片浸泡5天，最終碳酸鹽巖礦物減少了25.1%，表明CO2與巖樣接觸面積較小時，在長時間浸泡下，CO2水溶液也可以侵入巖樣內(nèi)部進行溶蝕，從而獲得優(yōu)異的溶蝕效果。因此，施工時延長燜井時間，增加CO2水溶液與巖石的作用時間，對于加強溶蝕作用是非常有效的一種手段。

(2) 第2組和第3組實驗分別使用CO2水溶液對碎塊巖樣和完整巖片浸泡2天，浸泡后兩組巖樣中碳酸鹽巖質(zhì)量分數(shù)分別降低6.1%和3.7%，說明相比于完整巖片，碎塊巖樣與CO2水溶液有更大的接觸面，有利于碳酸鹽巖溶蝕。對比第1組和第5組實驗數(shù)據(jù)，可以得到相同的結(jié)論。同時發(fā)現(xiàn)，延長浸泡時間，巖樣破碎情況帶來的溶蝕差異進一步增大。這一點說明CO2前置蓄能壓裂施工中構(gòu)建復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)，不僅能夠獲得更多油氣通道，實現(xiàn)更高產(chǎn)量，對于溶蝕碳酸鹽巖礦物也具有重要意義。

(3) 第2組和第4組實驗分別為使用CO2水溶液和純CO2(超臨界狀態(tài))浸泡碎塊巖樣2天。實驗結(jié)果顯示，使用CO2水溶液浸泡后，碳酸鹽巖質(zhì)量分數(shù)降低6.1%，高于純CO2浸泡后的4.3%。說明相比于純CO2，CO2水溶液有更好的溶蝕能力。在實際施工中，使用CO2前置蓄能壓裂這種“CO2+水(水基壓裂液)”的復(fù)合壓裂方式，相比于干法壓裂，在增強碳酸鹽巖溶蝕方面更具優(yōu)勢。

2.3 微觀孔喉尺寸及表面形態(tài)變化規(guī)律

在地層溫度、壓力的條件下使用純CO2浸泡巖樣7天后，原有孔喉形態(tài)幾乎未被影響，也幾乎未溶蝕出新的孔洞(見圖2)。分別對浸泡前后的孔隙尺寸進行測量，浸泡前分別為10.120 μm、11.400 μm、3.877 μm，浸泡后分別為10.700 μm、11.700 μm及3.951 μm，分別增大了5.70%、2.63%和1.91%，表明純CO2對吉木薩爾儲層巖樣有較弱的溶蝕作用。

在地層溫度、壓力條件下使用CO2水溶液浸泡巖樣7天后，原有孔喉形態(tài)發(fā)生明顯變化，并在部分原本巖石(碳酸鹽巖)覆蓋的位置溶蝕出新的孔洞。如圖3所示，CO2水溶液浸泡后對原有孔喉形態(tài)、孔隙尺寸有一定影響，表面形貌發(fā)生顯著變化，如圖中紅框標注位置，礦物(主要為白云石)被嚴重溶蝕。白云石大量溶蝕后暴露出破碎的孔隙結(jié)構(gòu)，由下部被覆蓋的礦物和孔隙組成，形成新的滲流通道。為了更直觀地展現(xiàn)溶蝕前后孔喉的變化情況，并進一步明確孔滲改善的機理，選擇兩處典型區(qū)域放大觀察，如圖4和圖5所示。

從圖4可看出：CO2水溶液浸泡后表面變化有兩種情況，第1種是原本孔喉位置受到不同程度的溶蝕后尺寸變大，這取決于孔洞周圍礦物成分是否含有碳酸鹽巖(白云石或方解石)，碳酸鹽巖越多，溶蝕效果即孔喉擴大越明顯。對該視野內(nèi)4個孔隙進行尺寸標定，浸泡前分別為4.322 μm、21.650 μm、22.380 μm和2.780 μm，浸泡后分別為4.974 μm、22.140 μm、22.660 μm及3.119 μm，分別增大了12.77%、2.26%、1.25%和12.19%。結(jié)果表明，相對于純CO2，CO2水溶液對吉木薩爾儲層巖石有很好的溶蝕作用，可起到增大滲透率的作用。第2種情況如圖中紅框位置所示，浸泡后原本是巖石的位置被溶蝕，形成新的孔隙。因此，擴大原有孔隙和形成新的孔隙，甚至造成孔隙之間的溝通，是CO2水溶液浸泡巖樣提高孔滲的主要機理。

從圖5可看出，視域中心位置處填充為黏土礦物，CO2水溶液浸泡7天后，黏土礦物及周圍巖石形態(tài)均未發(fā)生變化。表明CO2水溶液對吉木薩爾儲層的黏土沒有明顯溶蝕作用。

電鏡掃描實驗結(jié)果表明，吉木薩爾儲層CO2前置蓄能壓裂燜井期間，CO2水溶液與巖石充分接觸并溶蝕碳酸鹽巖，從而擴大原有孔喉尺寸或形成新的孔喉，提高了儲層滲透率。

3 J10043_H井CO2前置蓄能壓裂現(xiàn)場應(yīng)用

J10043_H井構(gòu)造位于準噶爾盆地東部吉木薩爾凹陷致二疊系蘆草溝組，2019年10月，在主體工藝的基礎(chǔ)上，對J10043_H井開展CO2前置蓄能壓裂提產(chǎn)試驗，共注入2 618.2 m3液態(tài)CO2，燜井30天。生產(chǎn)資料顯示，J10043_H井同期壓力遞減速度降低30%以上，累產(chǎn)提高40%。

現(xiàn)場試驗證明，CO2前置蓄能壓裂措施對地層能量進行了有效補充，經(jīng)過CO2燜井后，儲層滲流能力得到明顯改善。

4 結(jié)論

(1) 吉木薩爾頁巖較為致密，滲透率普遍小于0.1×10-3μm2，經(jīng)CO2長期浸泡后，其滲透率表現(xiàn)出升高的趨勢。浸泡7天后，滲透率升高65%左右，浸泡14天后，滲透率升高1.4倍左右。

(2) 相比于純CO2，CO2水溶液具有更好的溶蝕能力，主要溶蝕對象為碳酸鹽巖。在實際地層溫度、壓力條件下(90 ℃，40 MPa)，使用CO2水溶液對碎塊巖樣浸泡2天后，碳酸鹽巖溶蝕率達到6.1%，5天后，溶蝕率可高達45.2%。

(3) 相比于巖塊，碎塊與CO2水溶液有更大的接觸面，有利于碳酸鹽巖溶蝕。相同條件下，使用CO2水溶液對不同巖樣浸泡5天后，碎塊巖樣中碳酸鹽巖礦物溶蝕率比完整巖片高20.1%。

(4) CO2對吉木薩爾頁巖浸泡過程中，溶蝕作用增大孔滲的效應(yīng)明顯，強于堵塞減小孔滲的效應(yīng)，最終表現(xiàn)出浸泡后滲透率升高的特點。

(5) 對吉木薩爾頁巖油儲層壓裂施工而言，延長燜井時間可以增加CO2水溶液與巖石的作用時間；構(gòu)建復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)可以增大CO2水溶液與巖石的接觸面積；使用CO2前置蓄能壓裂這種“CO2+水(水基壓裂液)”的復(fù)合壓裂方式，有利于加強對碳酸鹽巖的溶蝕能力。

(6) 采用CO2前置蓄能壓裂工藝在新疆油田吉木薩爾區(qū)塊進行了現(xiàn)場先導(dǎo)試驗，試驗井壓力遞減速度降低30%以上，累產(chǎn)提高40%。