致密砂巖油藏CO2吞吐瀝青質(zhì)沉積對儲層的傷害特征*

石 磊

（中國地質(zhì)大學(xué)資源學(xué)院，湖北武漢 430074）

0 前言

隨著常規(guī)油氣資源的不斷勘探與開發(fā)，國內(nèi)大部分的常規(guī)油氣田已經(jīng)進入中后期開發(fā)階段，而油氣資源的需求量卻在不斷的增加，因此，加快非常規(guī)油氣資源的勘探與開發(fā)成為一項十分迫切的任務(wù)。致密油作為一種非常規(guī)油氣資源，近年來受到越來越多的關(guān)注，致密油儲層由于滲透率低、孔喉細(xì)小以及孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜等原因，導(dǎo)致注水等常規(guī)開采方式無法取得明顯的效果［1-3］。

眾多研究表明，注CO2開發(fā)是提高致密砂巖油藏采收率的一種有效手段，CO2注入地層后溶解于原油中，能夠通過降低原油黏度、改善原油物性、降低表/界面張力以及提高原油流動能力等作用來提高原油的采收率，且與常規(guī)注水開發(fā)相比，CO2更易注入地層，使部分小孔隙中的原油得到有效動用［4-8］。但是CO2的注入會使原油性質(zhì)發(fā)生一定的改變，導(dǎo)致原油中瀝青質(zhì)組分容易發(fā)生沉積，堵塞地層孔隙，降低儲層孔隙度和滲透率，從而對儲層造成一定的傷害。研究表明，在注CO2過程中瀝青質(zhì)的沉積量與注入壓力、注入速率、溫度以及瀝青質(zhì)含量等有關(guān)，瀝青質(zhì)沉積不僅會降低儲層滲透率，改變地層孔隙結(jié)構(gòu)組成，還可能通過改變巖石表面潤濕性等作用影響致密砂巖油藏的采收率［9-13］。因此，研究注CO2過程中瀝青質(zhì)沉積對儲層的傷害特征，對預(yù)防瀝青質(zhì)沉積，提高致密砂巖油藏采收率具有十分重要的意義。目前國內(nèi)外針對CO2驅(qū)油過程中瀝青質(zhì)沉積對儲層的傷害研究較多，且取得了較多的研究成果［14-20］，而針對致密砂巖油藏CO2吞吐過程中瀝青質(zhì)沉積的相關(guān)研究則相對較少［21］。因此，筆者以陸上某致密砂巖油藏儲層巖心和原油為研究對象，開展了CO2吞吐過程中瀝青質(zhì)沉積對致密砂巖儲層的傷害特征研究，主要包括瀝青質(zhì)沉積對滲透率、孔隙度、孔隙結(jié)構(gòu)、潤濕性以及采收率的影響，為致密砂巖油藏CO2吞吐現(xiàn)場施工提供一定的技術(shù)支持。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

實驗用水為模擬地層水，礦化度為35 150 mg/L，根據(jù)目標(biāo)區(qū)塊儲層段地層水離子組成，在1 L 蒸餾水中加入1.978 g氯化鈣、0.509 g氯化鎂、1.272 g硫酸鈉、5.949 g 碳酸氫鈉、4.202 g 氯化鉀和21.324 g氯化鈉配制而成；實驗用油為儲層脫氣原油，瀝青質(zhì)含量分別為1.52%、2.87%和4.35%時，地層溫度條件下對應(yīng)的黏度分別為9.13、9.35、9.89 mPa·s，原油與CO2的最小混相壓力為18.3 MPa；實驗用巖心為致密砂巖天然巖心，取自目標(biāo)區(qū)塊儲層段，具體物性參數(shù)見表1；實驗用CO2氣體，純度為99.99%。

表1 實驗用致密砂巖巖心的基本物性參數(shù)

BH-2型巖心抽空加壓飽和裝置、QKL-4型巖心氣體孔-滲聯(lián)測儀，南通儀創(chuàng)實驗儀器有限公司；HARKE-SPCA-3型接觸角測定儀，北京哈科試驗儀器廠；MesoMR23-060H 型核磁共振分析儀，上海紐邁電子科技有限公司；CO2吞吐實驗裝置，主要包括巖心夾持器、平流泵、恒溫裝置、中間容器、壓力表、回壓閥和手搖泵等，CO2吞吐實驗流程見圖1。

圖1 CO2吞吐實驗流程示意圖

1.2 實驗步驟

（1）準(zhǔn)備實驗

①實驗用巖心處理。將儲層天然巖心洗油、洗鹽、烘干后，測定其氣測滲透率和孔隙度，然后抽真空、飽和模擬地層水，備用。

②實驗用油樣處理。將取自目標(biāo)油田儲層段的脫氣原油按照原始?xì)庥捅龋?6∶1 sm3/sm3）與天然氣進行混合，在高溫高壓中間容器中進行攪拌反應(yīng)，配制成原始?xì)庥捅鹊哪M油，備用。

（2）CO2吞吐實驗

①將天然巖心放入夾持器中，以0.3 mL/min 的流速驅(qū)替模擬地層水，測定其初始液相滲透率；

②以0.01 mL/min 的流速驅(qū)替巖心飽和模擬油，并計算巖心含油飽和度，巖心飽和模擬油后，為防止模擬油脫氣，在巖心夾持器出口端加上與實驗壓力相同的回壓；

③待實驗壓力穩(wěn)定后，關(guān)閉巖心夾持器的出口端閥門，以相同的壓力往巖心中以0.1 mL/min 的流速注入2 PV（折算成實驗溫度和壓力條件下的CO2體積）的高純CO2氣體，然后關(guān)閉巖心夾持器的進口端閥門，模擬“燜井”12 h；

④開井生產(chǎn)，記錄不同時間后壓力和采收率，當(dāng)壓力降低至儲層原油飽和壓力值時停止實驗；

⑤對CO2吞吐實驗后的巖心繼續(xù)驅(qū)替石油醚，將其中的剩余原油驅(qū)替出來（瀝青質(zhì)不溶于石油醚），直至出口端產(chǎn)出液為無色時停止，然后將巖心烘干處理，測定其滲透率和孔隙度；

⑥改變實驗條件（實驗壓力、模擬油中瀝青質(zhì)含量），重復(fù)步驟①—⑤，上述實驗溫度均80 ℃。

（3）實驗結(jié)果的處理

①瀝青質(zhì)沉積率計算。通過測定產(chǎn)出原油中瀝青質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，并與初始模擬油中瀝青質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)進行對比，按式（1）計算CO2吞吐過程中的瀝青質(zhì)沉積率δ：

式中：δ—瀝青質(zhì)沉積率，%；W1—初始模擬油中瀝青質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；W2—產(chǎn)出原油中瀝青質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

②瀝青質(zhì)沉積對巖心滲透率和孔隙度的影響。測定CO2吞吐實驗后巖心的滲透率和孔隙度，并與初始滲透率和孔隙度進行對比，按式（2）、（3）計算巖心滲透率傷害率θ和孔隙度傷害率η：

式中：θ—巖心滲透率傷害率，%；K1—巖心的初始滲透率，10-3μm2；K2—CO2吞吐實驗后巖心的滲透率，10-3μm2。

式中：η—巖心孔隙度傷害率，%；φ1—巖心的初始孔隙度，%；φ2—CO2吞吐實驗后巖心的孔隙度，%。

③CO2吞吐過程中瀝青質(zhì)沉積對巖心孔隙結(jié)構(gòu)的影響。采用核磁共振儀測定CO2吞吐實驗前后巖心飽和模擬地層水后的T2譜圖，以此判斷CO2吞吐實驗后巖心孔隙結(jié)構(gòu)的變化情況。為避免地層水對核磁共振信號的影響，需要加入一定量的MnCl2來屏蔽水中的氫信號。

④瀝青質(zhì)沉積對巖心潤濕性的影響。使用接觸角測定儀測量水在CO2吞吐實驗前天然巖心進口端面的接觸角，以及在吞吐實驗后距離進口端面不同長度的巖心切片表面的接觸角，以此考察瀝青質(zhì)沉積對巖心潤濕性的影響。

⑤瀝青質(zhì)沉積對原油采收率的影響。在相同的實驗壓力條件下，考察原油中不同瀝青質(zhì)含量時對采收率的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 瀝青質(zhì)的沉積率

在不同實驗壓力、不同原油瀝青質(zhì)含量下，經(jīng)過CO2吞吐后的瀝青質(zhì)在天然巖心中的沉積率見圖2。由圖2 可以看出，在相同的實驗壓力條件下，原油中瀝青質(zhì)含量越高，CO2吞吐實驗后瀝青質(zhì)的沉積率越大；而當(dāng)原油中瀝青質(zhì)含量一定時，隨著CO2吞吐實驗壓力的增大，瀝青質(zhì)沉積率呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，當(dāng)原油的瀝青質(zhì)含量為4.35%、實驗壓力為25 MPa 時，瀝青質(zhì)的沉積率最大可達60%以上。

圖2 不同實驗壓力、不同原油瀝青質(zhì)含量下的瀝青質(zhì)沉積率

實驗壓力越高，溶解于原油中的CO2越多，這些CO2更多地占據(jù)了原本包裹在瀝青質(zhì)外層膠質(zhì)的空間，使瀝青質(zhì)之間更容易相互締合聚并，從而造成瀝青質(zhì)沉積量增大；而當(dāng)實驗壓力升高至一定程度后，再繼續(xù)增大壓力，CO2分子與原油混相體系的密度會有所增大，使瀝青質(zhì)更容易溶解，從而使其沉積量有所降低。

2.2 CO2吞吐過程中瀝青質(zhì)沉積對儲層的傷害

2.2.1 對滲透率和孔隙度的影響

在不同實驗壓力、不同原油瀝青質(zhì)含量下，經(jīng)過CO2吞吐后，瀝青質(zhì)沉積對巖心滲透率和孔隙度的傷害情況見圖3和圖4。由圖3可知，在相同的實驗壓力條件下，原油的瀝青質(zhì)含量越高，CO2吞吐實驗后瀝青質(zhì)沉積對巖心滲透率的傷害率就越大；而當(dāng)原油的瀝青質(zhì)含量相同時，隨著CO2吞吐實驗壓力的增大，瀝青質(zhì)沉積對巖心滲透率的傷害率呈現(xiàn)出先增大后降低趨勢，這與2.1 中的實驗結(jié)果相吻合。瀝青質(zhì)沉積對天然巖心滲透率的傷害程度相對較高，當(dāng)原油中瀝青質(zhì)的含量為4.35%、實驗壓力為25 MPa時，瀝青質(zhì)沉積對巖心的滲透率傷害率最高可達40%以上。

圖3 瀝青質(zhì)沉積對巖心滲透率的傷害情況

圖4 瀝青質(zhì)沉積對巖心孔隙度的傷害情況

由圖4 可知，CO2吞吐實驗后瀝青質(zhì)沉積對巖心孔隙度的傷害率與上述滲透率的傷害率變化趨勢相同，但巖心孔隙度傷害率相對較小，當(dāng)原油的瀝青質(zhì)含量為4.35%、實驗壓力為25 MPa 時，瀝青質(zhì)沉積對巖心的孔隙度傷害率最大，但仍小于10%。

分析原因認(rèn)為，瀝青質(zhì)沉積導(dǎo)致的吸附和橋塞損害作用中，橋塞損害起主導(dǎo)作用，從而使致密砂巖天然巖心的孔喉堵塞嚴(yán)重，滲透率降低幅度較大，而吸附損害作用的影響相對較小，從而使天然巖心的孔隙度降低幅度較小。

2.2.2 對孔隙結(jié)構(gòu)的影響

在實驗壓力為25 MPa 下，不同瀝青質(zhì)含量時CO2吞吐實驗前后巖心飽和模擬地層水后的T2譜圖見圖5。由圖5可以看出，由于實驗用巖心為致密砂巖巖心，T2譜圖弛豫時間主要集中在0.1～100 ms之間，且0.1～10 ms 之間的波峰明顯大于10～100 ms，說明巖心主要以小孔隙為主，大孔隙則相對較少。當(dāng)原油的瀝青質(zhì)含量為1.52%時，CO2吞吐后巖心T2譜圖中小孔隙對應(yīng)的信號幅度基本沒有變化，而大孔隙對應(yīng)的信號幅度則有所減少；隨著原油的瀝青質(zhì)含量的增大，CO2吞吐后巖心T2譜圖中小孔隙對應(yīng)的信號幅度稍有減少，但變化幅度較小，而大孔隙對應(yīng)的信號幅度則明顯減少，當(dāng)瀝青質(zhì)含量增至4.35%時，CO2吞吐后巖心T2譜圖中大孔隙對應(yīng)的信號幅度顯著減少。這說明在CO2吞吐過程中，瀝青質(zhì)主要沉積在巖心的大孔隙中，使大孔隙所占的比例有所減小；且瀝青質(zhì)含量越高，大孔隙被瀝青質(zhì)沉積堵塞的程度越大，使部分大孔隙變成中、小孔隙，甚至變成死孔隙，導(dǎo)致巖心中孔隙之間的連通性降低。因此，在致密砂巖油藏實施CO2吞吐礦場實驗時，應(yīng)盡量降低瀝青質(zhì)的沉積量，避免瀝青質(zhì)沉積對致密砂巖孔隙結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重的堵塞損害。

圖5 CO2吞吐實驗前后巖心的T2譜圖

2.2.3 對潤濕性的影響

通過接觸角的測試來考察瀝青質(zhì)沉積對致密砂巖巖心潤濕性的影響。水在CO2吞吐實驗前后天然巖心進口端面的接觸角，以及在實驗壓力為25 MPa、不同瀝青質(zhì)含量時CO2吞吐實驗后距離進口端面不同長度的巖心切片表面的接觸角見表2。

表2 瀝青質(zhì)沉積對巖心潤濕性的影響

由表2 可知，CO2吞吐實驗前，水在目標(biāo)區(qū)塊儲層致密砂巖巖心表面的接觸角約為30°，表現(xiàn)為親水性，而在CO2吞吐實驗后，巖心表面接觸角則明顯增大，潤濕性由親水性向親油性轉(zhuǎn)變，其中當(dāng)瀝青質(zhì)含量為4.35%時，接觸角增大至85°以上。對巖心進行切片時，隨著切片距離進口端長度的增大，切片表面的接觸角逐漸減小，當(dāng)切片距離進口端6 cm時，切片表面接觸角與CO2吞吐實驗前的接觸角基本一致，潤濕性表現(xiàn)為親水性。這是由于CO2吞吐過程瀝青質(zhì)主要沉積在巖心端面上，運移至巖心內(nèi)部的瀝青質(zhì)則相對較少。但瀝青質(zhì)的沉積會對巖石表面潤濕性產(chǎn)生比較嚴(yán)重的影響，少量的瀝青質(zhì)沉積就會使?jié)櫇裥杂捎H水性向親油性轉(zhuǎn)變，親油性的增強不利于原油的滲流，進而影響致密砂巖油藏的開發(fā)效率。

2.2.4 對原油采收率的影響

在實驗壓力為25 MPa下，不同原油瀝青質(zhì)含量時CO2吞吐不同時間后的采收率結(jié)果見圖6。由圖6 可知，巖心采收率均隨著開采時間的延長而逐漸升高，在0～45 min內(nèi)采收率的增幅較大，這是由于CO2吞吐開采初期壓差較大，采收率的提升速率較快，而隨著時間的延長，壓差逐漸減小，采收率的提升速率則逐漸趨于緩慢。此外，在相同的實驗條件下，原油中瀝青質(zhì)的含量越高，采收率相對越小，這是由于原油的瀝青質(zhì)含量越高，在CO2吞吐過程中瀝青質(zhì)的沉積量越大，對巖心滲透率、孔隙度、孔隙結(jié)構(gòu)以及潤濕性所造成的影響越嚴(yán)重，進而降低了CO2吞吐實驗的采收率。因此，在致密砂巖油藏現(xiàn)場實施CO2吞吐作業(yè)時，應(yīng)盡可能采取措施降低原油中瀝青質(zhì)的沉積量，比如往地層中先注入瀝青質(zhì)沉積抑制劑等化學(xué)處理劑，降低瀝青質(zhì)沉積對儲層的傷害程度，從而提高致密砂巖油藏CO2吞吐的效果。

圖6 瀝青質(zhì)含量對采收率的影響

3 結(jié)論

在實驗壓力相同的情況下，油樣中瀝青質(zhì)含量越高，CO2吞吐后瀝青質(zhì)的沉積率越大；而當(dāng)原油的瀝青質(zhì)含量相同時，隨著CO2吞吐實驗壓力的升高，瀝青質(zhì)的沉積率先增大后減小，當(dāng)實驗壓力為25 MPa時，瀝青質(zhì)的沉積率達到最大。

CO2吞吐過程中瀝青質(zhì)沉積，對滲透率的傷害程度較大，對孔隙度的傷害程度較小。瀝青質(zhì)主要沉積在大孔隙中，隨著瀝青質(zhì)含量的增大，大孔隙的堵塞程度逐漸增大。瀝青質(zhì)沉積對巖心進口端面的潤濕性影響較大，能使其由親水性向親油性發(fā)生轉(zhuǎn)變，而對巖心內(nèi)部潤濕性的影響相對較小。

在相同的實驗條件下，原油瀝青質(zhì)含量越高，瀝青質(zhì)沉積量越大，原油的采收率相對越小。因此，在致密砂巖油藏CO2吞吐開采過程中應(yīng)注意減少瀝青質(zhì)的沉積量，以最大程度提高原油的采收率。