液态CO2驱替对岩心渗透率影响实验研究

李洪建 兰晓龙 宋振云 温哲豪 李 勇 白建文 余先政

(1. 西南石油大学石油与天然气工程学院， 成都 610500；2. 中国石油天然气集团公司油气藏改造重点实验室CO2压裂增产研究室， 西安 710000；3. 长庆油田分公司苏里格气田研究中心， 西安 710000)

CO2驱油技术是20世纪80年代发展起来的一项重要技术，并在国内外油田得到了广泛应用[1-2]。CO2是一种活性气体，当其注入地层后极易与地层中的地层水和岩石发生反应[3]，并可能引起储层渗透率的变化。

目前很多油田在注水后注入CO2，以期达到改善储层渗透率的目的，然而不同的储层得到的结果不尽相同[4-6]。液态CO2注入储层后与地层水、储层矿物发生复杂的物理及化学作用，导致储层岩石可溶性矿物被溶蚀并产生新矿物沉淀(如CaCO3沉淀)，打破了地层水与储层岩石之间原有的平衡状态[7]。

本次实验研究了在饱和地层水条件下，液态CO2驱替岩心后岩心渗透率的变化及引起渗透率变化的原因，并对CO2驱替后的岩心进行了扫描电镜分析、X-射线能谱分析和全岩X-衍射分析，从微观上对引起岩心渗透率变化的机理进行了研究。

1 岩心地层水渗透率测试实验

1.1 实验步骤

选取编号为S9、S30的岩心进行地层水基础渗透率测试实验，因为这2块岩心的孔隙度、渗透率与储层平均孔隙度和渗透率接近。评价方法与实验操作程序参照行业标准SYT5358―2010进行。

岩心S9选用3井盒8层模拟地层水，岩心S30采用9井山1层模拟地层水。将岩心饱和后正向放入岩心夹持器中，加3.5 MPa围压，使用恒速恒压高精度驱替泵以不大于每块岩心的临界流速进行驱替，直到岩心夹持器出口端液体的流量稳定，测定单位时间内被驱替出的液体体积，记录驱替压差，计算每一块岩心的地层水基础渗透率。

1.2 实验结果

岩心S9、S30地层水基础渗透率K水基测试数据如表1所示。

表1 岩心地层水基础渗透率测试数据

2 驱替实验研究

为了评价CO2对储层岩心渗透率的影响，选取2块岩心进行实验。具体实验过程为：先用地层水正向驱替岩心，测定K水基；然后用CO2反向驱替岩心，当岩心出口端被驱出液体的体积为岩心孔隙体积的0.5倍时，停泵卸压，然后再用地层水正向驱替岩心并测定岩心渗透率K驱后。

CO2反向驱替后利用地层水正向驱替岩心，测得渗透率变化曲线分别如图1、图2所示。

图1 岩心S9渗透率比值曲线

图2 岩心S30渗透率比值曲线

由实验数据可知，当累计驱替倍数为14.5时，岩心S9、S30的渗透率分别从0.032 7×10-3、0.030 8×10-3μm2降为0.036 5×10-3、0.033 9×10-3μm2，其渗透率损害率分别为4.20%、3.69%。

3 驱替前后岩心微观分析

3.1 岩心扫描电镜分析

对S9号岩心进行了扫描电镜分析，结果如表2所示。

从CO2驱替后储层岩心扫描电镜分析结果可以看出：CO2驱替前，黏土矿物多分布于粒间粒表；CO2驱替后，黏土矿物颗粒发生运移，在岩石表面堆积成片状。随着CO2驱替的进一步开展，微粒进一步运移最终导致孔喉堵塞。因此，根据岩心扫描电镜分析可知，渗透率下降的主要原因是CO2进入岩心使得岩心中黏土矿物发生运移堵塞了孔喉(见图3、图4)。

表2 岩心S9驱替前后扫描电镜结果

图3 岩心S9驱替前(001)扫描电镜图(500×)

图4 岩心S9驱替后(001)扫描电镜图(5000×)

对岩心S9进行了能谱分析，其结果表明，地层水条件下CO2驱替后，所分析岩心质点中的C、O、Ca元素的质量分数分别为27.78%、33.93%、38.29%。C元素与O元素可能为岩石与黏土颗粒表面吸附的CO2的残留物。而Ca元素的存在可能是CO2驱替过程中生成了CaCO3垢。因此，由岩心能谱分析可知，CO2进入岩心后与地层水中的Ca2+发生化学反应，生成了难溶的CaCO3，进而导致岩心渗透率下降(见图5)。

图5 岩心S9 CO2驱损害后的能谱分析图像

对CO2驱替前后的岩心S9进行了全岩 X-衍射分析，分析结果如表3、图6、图7所示。

从CO2驱替前后储层岩心全岩X-衍射分析结果可以得出：CO2驱替后，岩心内方解石质量分数从2.5%增加到3.2%。方解石是一种碳酸钙矿物，说明在驱替过程中产生了CaCO3垢。

表3 岩心S9 X-衍射全岩分析结果

图6 岩心S9驱替前X-衍射图

从图8可以看出，CO2通入模拟地层水后出现结垢现象。从全岩分析结果可知，垢的类型为 CaCO3垢。当CO2进入储层后可能与地层水中的Ca2+发生反应，生成CaCO3垢堵塞储层岩石的孔喉，导致岩心渗透率下降。

图7 岩心S9驱替后X-衍射图

4 结 语

液态CO2驱替岩心后导致岩心内微粒运移，微粒运移至孔喉处堵塞了孔喉，导致渗透率有一定程度的降低。此外CO2与模拟地层水混合后，有CaCO3垢生成，因此在地层水条件下，用CO2驱替岩心，岩心中会生成CaCO3垢，进而导致渗透率降低。

图8 CO2通入模拟地层水现象图

[1] 秦积舜,韩海水,刘晓蕾.美国CO2驱油技术应用及启示[J].石油勘探与开发,2015,42(2):209-216.

[2] 舟丹.CO2驱油技术[J].中外能源,2012(12):103.

[3] 赫永亮.利用CO2驱油技术提高采收率[J].中国石油和化工标准与质量,2014,34(8):80.

[4] 于志超,杨思玉,刘立,等.饱和CO2地层水驱过程中的水-岩相互作用实验[J].石油学报,2012,33(6):1032-1042.

[5] 朱子涵,李明远,林梅钦,等.储层中CO2-水-岩石相互作用研究进展[J].矿物岩石地球化学通报,2011,30(1):104-112.

[6] ZHU Z, LI M Y, LIN M Q, et al. Experimental Investigation on CO2-Water-Rock Interactions during CO2Flooding[C]∥IEEE.Power and Energy Engineering Conference. [s.l.:s.n.], 2011:1-5.

[7] SHAW J, BACHU S. Screening, evaluation and ranking of oil reservoirs suitable for CO2flood EOR and carbon dioxide sequestration[J].Journal of Canadian Petroleum Technology, 2002,41(9):51-61.