狄 偉

(中石化華北油氣分公司石油工程技術(shù)研究院)

CO2驅(qū)技術(shù)是三次采油有效的技術(shù)手段，在國內(nèi)外很多油田已有成功的先例[1-2]，我國的儲(chǔ)層條件相對復(fù)雜，針對具體儲(chǔ)層實(shí)施CO2驅(qū)需要開展大量論證，其中CO2對儲(chǔ)層的傷害研究就是最關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)。目前，我國在CO2驅(qū)技術(shù)機(jī)理及應(yīng)用方面已經(jīng)開展了大量的研究[3-10]，但是對于超低滲儲(chǔ)層CO2開發(fā)的研究還很有限[11-16]，針對現(xiàn)場注CO2開發(fā)過程中出現(xiàn)的新問題研究還較少。為此，需要對該過程所引起的儲(chǔ)層傷害進(jìn)行細(xì)致的分析和評價(jià)[17]。本文以中石化華北油氣分公司某區(qū)塊一儲(chǔ)層為研究對象，通過先進(jìn)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)手段，深入分析注CO2所引起的主要的儲(chǔ)層傷害，希望能為同類油藏的開發(fā)和技術(shù)方案的制定提供重要的參考。

一、儲(chǔ)層特征

目標(biāo)儲(chǔ)層位于甘肅省境內(nèi)，油藏埋深2 250 m。巖石類型以灰色、深灰色長石巖屑砂巖、巖屑長石砂巖為主，礦物成分中石英、長石、巖屑的平均含量分別為36.33%、31.4%和27.17%，其中鉀長石、斜長石含量分別為5%～20%，12%～30%；膠結(jié)物主要為碳酸鹽膠結(jié)物，平均含量9.1%，以方解石膠結(jié)為主，平均含量為6.4%，白云石膠結(jié)物平均含量為2.7%，高嶺石、綠泥石與石英膠結(jié)物次之，含量分別為0.2%～8%、0.2%～6%、0.1%～5%?？紫督M合以粒間孔-溶蝕孔型、溶蝕孔型為主，平均孔隙半徑33.09 μm；地層溫度69℃，地層壓力20 MPa，平均滲透率0.4 mD，平均孔隙度10.8%，屬于低孔超低滲儲(chǔ)層，地層水的總礦化度為45 640 mg/L，以Na+和Cl-的含量最多；原油中瀝青質(zhì)的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為7.57%，總體來說，儲(chǔ)層較差，水驅(qū)開發(fā)困難。

二、實(shí)驗(yàn)部分

基于儲(chǔ)層的巖石學(xué)性質(zhì)和地層流體的物理性質(zhì)，對于注氣過程中引起的儲(chǔ)層傷害主要考慮注氣引起的儲(chǔ)層物性的變化、有機(jī)固相沉積等。

1. 溶解CO2的地層水對巖石的傷害

采用高壓反應(yīng)釜設(shè)備研究高溫高壓水氣巖反應(yīng)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要包括高溫高壓反應(yīng)釜、高溫高壓驅(qū)替裝置、巖心夾持器、高壓手動(dòng)計(jì)量泵(環(huán)壓泵)、ISCO泵(排量0.001～80 mL/min，最高壓力為50 MPa)、高精度壓力傳感器(精度：誤差<5%)、天平(精度：0.001 g)等。

實(shí)驗(yàn)步驟：①巖心飽和地層水，測定孔隙度和水相滲透率；②將巖心置于高壓反應(yīng)釜中，向釜中注水沒過巖心，接著向釜內(nèi)注入CO2氣體，直至釜內(nèi)壓力不再變化，停止注入；③每隔一定時(shí)間間隔取出巖心測定水相滲透率，并做能譜分析。

2. 注CO2引起的原油有機(jī)固相沉積

實(shí)驗(yàn)儀器主要包括高溫高壓驅(qū)替裝置、恒速恒壓泵、中間容器、巖心夾持器、恒溫箱、PVT儀、流體激光測試儀、手搖泵、回壓閥等。

實(shí)驗(yàn)步驟：①將巖心前處理后，測量氣體滲透率；②將巖心飽和地層水，按拼裝成長巖心，放入巖石夾持器中，升溫至65℃下恒溫2 h以上；③使用模擬油驅(qū)巖心至末端不出水，老化24 h；④出口端加回壓至設(shè)定數(shù)值，以0.1 mL/min的流量進(jìn)行CO2驅(qū)油，記錄進(jìn)出口壓力及出口段油氣體積，至出口端沒有原油流出；⑤改用汽油以低流速驅(qū)替10 PV以上，將原油中輕質(zhì)組分及膠質(zhì)驅(qū)出；再改地層水驅(qū)替巖心10 PV以上，驅(qū)出巖心中汽油；⑥巖心置于索氏抽提儀中，用甲醇除鹽10 d以上；⑦巖心置于干燥箱120℃下恒溫4 d以上至巖心質(zhì)量恒定，測定氣體滲透率。

同時(shí)在上述相同的回壓數(shù)值下開展CO2抽提原油透光度分析實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)步驟為：①量取一定量原油注入PVT儀中，升溫至65℃下；②逐級增壓將CO2注入PVT儀內(nèi)置玻璃管中，直至壓力值增至上述回壓值等值的壓力，停止注氣；③在恒定壓力下，測量透光度隨時(shí)間的變化，在透光度達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，多次輕晃儀器，重新測定穩(wěn)定后的透光度，實(shí)驗(yàn)結(jié)束，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與空白試驗(yàn)進(jìn)行對比。

三、結(jié)果與分析

1. 溶解CO2的地層水對巖石的傷害

注入地層中的CO2首先會(huì)溶解于地層水中，使地層水呈現(xiàn)弱酸性，結(jié)合目標(biāo)儲(chǔ)層的礦物含量，可知易引起酸敏傷害，同時(shí)，弱酸水也易與巖石礦物中的長石、方解石等發(fā)生溶蝕作用，是導(dǎo)致儲(chǔ)層滲透性變化的一個(gè)重要原因[18-19]。

實(shí)驗(yàn)選取的巖心氣體滲透率分別為0.306、0.593 mD，實(shí)驗(yàn)用水礦化度為43 429 mg/L。實(shí)驗(yàn)初期測定兩塊巖心的液測滲透率分別為0.0372、0.0706 mD，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1中，兩塊巖心滲透率最終傷害率分別為11.56%、14.87%，滲透率傷害經(jīng)歷了兩個(gè)階段：以150 h為分界點(diǎn)，0～150 h為第一階段，該階段滲透率傷害率變化幅度較大，分別達(dá)到了約10%和13%；在150 h之后，滲透率傷害變化幅度較小，并有趨于穩(wěn)定的趨勢，該階段的滲透率傷害幅度僅為1.5%和1.8%。可見，滲透率越高的巖石傷害幅度相對越大，這與巖石的微觀結(jié)構(gòu)和孔隙組合方式有關(guān)，超低滲儲(chǔ)層的滲透率主要為大孔道貢獻(xiàn)，滲透率越高，存在的大孔道相對越多，大孔道在溶蝕作用下不同粒徑級別無機(jī)顆粒脫落也較多，顆粒在運(yùn)移過程中堵塞會(huì)更嚴(yán)重，滲透率低的巖石微細(xì)孔道分布較多，脫落顆粒粒徑也較小，形成的堵塞與滲透率高的巖石相比就沒有那么嚴(yán)重。

圖1 溶解CO2地層水對巖石滲透性傷害

巖石滲透性的上述變化為溶蝕作用所致，這與巖石的礦物成分密切相關(guān)，目標(biāo)儲(chǔ)層長石含量較高，極易與酸性流體發(fā)生溶蝕反應(yīng)；其次，填隙物中方解石、白云石含量較高，方解石、白云石也極易與碳酸水發(fā)生溶蝕反應(yīng)。反應(yīng)產(chǎn)生新的次生礦物，而且也會(huì)導(dǎo)致分散的黏土礦物及無機(jī)小顆粒脫落，固相顆粒會(huì)滯留在孔隙和喉道中，不能完全被驅(qū)出，從而導(dǎo)致滲透率下降。

高溫條件下，長石更容易與酸性流體發(fā)生溶蝕反應(yīng)，鉀長石(KAlSi3O8)和鈉長石(NaAlSi3O8)與酸性流體作用方程式為：

2KAlSi3O8+2H++9H2O=Al2Si2O5(OH)4+2K++4H4SiO4↓

2NaAlSi3O8+2H++9H2O=Al2Si2O5(OH)4+2Na++4H4SiO4↓

鈉長石的溶蝕作用能夠自發(fā)進(jìn)行，為放熱反應(yīng)；鉀長石的溶蝕作用在較高溫度條件下才能進(jìn)行，是吸熱反應(yīng)。隨溫度升高鉀長石溶蝕程度有增強(qiáng)趨勢，而鈉長石溶蝕程度則有減弱趨勢，高溫條件下，鉀長石更容易與酸性流體發(fā)生溶蝕作用，而鈉長石在高溫酸性條件下則變得相對穩(wěn)定。鉀長石在溶蝕反應(yīng)50 h時(shí)樣品表面形成大量溶蝕坑洞，有少量片狀次生礦物；在反應(yīng)150 h后，次生礦物在數(shù)量上明顯增多且不斷疊加在早生成的次生礦物之上，形成類似玫瑰花簇的形狀，越來越多，越來越密，最終形成薄而不連續(xù)的似網(wǎng)狀多孔層附著在長石表面，經(jīng)能譜分析知網(wǎng)狀多孔層為高嶺石、H4SiO4膠狀沉淀和重碳酸鹽，當(dāng)巖心滲透率較低時(shí)，固相物質(zhì)不能完全被驅(qū)出，導(dǎo)致滲透率下降。

溶解大量CO2的地層水與巖石中的方解石和白云石極易反應(yīng)，反應(yīng)生成的新物質(zhì)堵塞儲(chǔ)集層。

CaCO3+CO2+H2O→Ca(HCO3)2

方解石溶蝕初期形成條柱狀的溶蝕晶錐，之后溶蝕不斷破壞晶錐，致其斷裂破碎，并逐漸消失。在反應(yīng)300 h后，條柱狀的晶錐的前端被進(jìn)一步溶蝕成尖錐狀，溶蝕程度逐漸加深。溶蝕巖石中的方解石和白云石等碳酸鹽礦物的過程中，生成水溶性的重碳酸鹽(Ca(HCO3)2、MgCO3)等礦物，當(dāng)生成的重碳酸鹽粒徑小可以被驅(qū)出時(shí)，不會(huì)堵塞巖石孔隙，巖心滲透率會(huì)增大；生成的重碳酸鹽粒徑較大時(shí)，就會(huì)堵塞巖石孔隙，導(dǎo)致巖心滲透率降低。

另一方面，含有NaCl的酸性地層水在毛管壓力作用下被抽提到礦物表面后，充分暴露在超臨界CO2流體中，發(fā)生鹽霜反應(yīng)，析出NaCl晶體。在超臨界CO2流體作用下，NaCl晶體會(huì)向碳酸鹽轉(zhuǎn)變。其中，中間礦物與新礦物的生成對巖心的滲透率有影響。

2. 注CO2引起的原油有機(jī)固相沉積

按照設(shè)定的實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行，按照原始油樣的PVT組分配制模擬油，實(shí)驗(yàn)溫度65℃，采用天然巖心按照布拉法則組合而成的長巖心，考慮到實(shí)際地層井底壓力為5.82 MPa左右，故設(shè)定回壓閥壓力分別為3、8 MPa，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 有機(jī)固相沉積實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表1可以看出：回壓為3 MPa，CO2驅(qū)后，滲透率傷害率平均達(dá)到了5.3%，巖石的滲透率均有降低，而且滲透率越高的巖心傷害越嚴(yán)重；回壓為8 MPa，實(shí)驗(yàn)前后滲透率存在明顯下降，滲透率越高的巖心滲透率下降幅度越大，最大幅度可達(dá)16.92%。通過兩者對比發(fā)現(xiàn)，回壓越高，CO2驅(qū)替后的滲透率損失越大。

分析認(rèn)為，原油是比較穩(wěn)定的膠體分散體系，其分散相是以瀝青質(zhì)為核心、外圍附著的膠質(zhì)為溶劑化層而構(gòu)成的膠束，而分散介質(zhì)則主要是由油分子和部分膠質(zhì)組成的。瀝青質(zhì)分子與膠質(zhì)分子間以電子鍵結(jié)合，或是以氫鍵作用締合。膠質(zhì)對瀝青質(zhì)在原油中的穩(wěn)定起著重要的作用。一方面，它作為兩親分子，兩端分別連接油和瀝青質(zhì)，形成原油—膠質(zhì)—瀝青質(zhì)空間穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，顯著降低整個(gè)體系的表面自由能；另一方面，膠質(zhì)吸附在瀝青質(zhì)膠核周圍形成溶劑化層，包裹瀝青質(zhì)分子，使瀝青質(zhì)分子之間不能相互聚結(jié)，如圖2a所示，存放原油試管壁光滑，無殘?jiān)?。瀝青質(zhì)是由復(fù)雜極性大環(huán)分子構(gòu)成，而隨著CO2注入溶于原油，大量的CO2小分子占據(jù)膠質(zhì)-瀝青質(zhì)分子團(tuán)表面空間，改變了原油膠體結(jié)構(gòu)，致使吸附在瀝青質(zhì)表面的膠質(zhì)相對減少，不能形成膠束或者膠束的溶劑化層厚度不夠，從而使膠體失穩(wěn)，導(dǎo)致瀝青質(zhì)大分子通相互締合形成更大的分子團(tuán)，產(chǎn)生瀝青的絮凝和沉積，如圖2(b)所示，經(jīng)由CO2處理的原油在試管壁上存在大量固相“殘?jiān)?，附著在試管壁?nèi)面上，由于瀝青質(zhì)黏度大，粘附力強(qiáng)，在巖石中析出后就很難被剪切驅(qū)除，所以就會(huì)導(dǎo)致滲透率的降低。

圖2 瀝青質(zhì)沉積實(shí)驗(yàn)

圖3為PVT筒中透光度變化，當(dāng)體系壓力由1.0 MPa上升至5.5 MPa時(shí)，PVT儀測試窗上測試點(diǎn)透光度由11.0升高至13.8，下測試點(diǎn)由10.2降至9.3；當(dāng)繼續(xù)升高壓力時(shí)，上測試點(diǎn)及下測試點(diǎn)的透光度變化微弱。說明原油與CO2接觸后，在1.0～5.5 MPa壓力區(qū)間內(nèi)，發(fā)生了顯著的固相沉積，當(dāng)壓力達(dá)到5.5 MPa以上，固相沉積現(xiàn)象已較弱，但透光度一直小幅變小，說明仍然存在沉積。

綜上，壓力越高所形成的固相沉積相對也越嚴(yán)重，析出的瀝青質(zhì)沉淀越多，由此造成的堵塞更嚴(yán)重。滲透率相對小的巖心，其孔喉細(xì)小，飽和油量小，在巖心內(nèi)部產(chǎn)生的瀝青質(zhì)沉淀極少，滲透率降低不明顯；巖心滲透率較大巖心，出的瀝青質(zhì)沉淀就多，導(dǎo)致的沉積堵塞就更嚴(yán)重，所以滲透率下降幅度也越大。

圖3 不同壓力下測試點(diǎn)的透光度變化

四、結(jié)論

(1)目標(biāo)儲(chǔ)層以灰色、深灰色長石巖屑砂巖為主，含石英礦物最多，長石次之，主要為粒間孔、溶蝕孔，喉道半徑細(xì)小，儲(chǔ)層物性差，原油瀝青質(zhì)含量高，開發(fā)難度大。

(2)注入CO2對巖石的傷害主要發(fā)生在注氣初期，后期傷害較小。巖石滲透性傷害是次生礦物生成以及NaCl鹽霜析出沉積堵塞而形成，滲透率傷害幅度小于15%。

(3)原油與CO2接觸后，改變了原油原來的膠體穩(wěn)定狀態(tài)，使膠粒失穩(wěn)析出瀝青質(zhì)并沉積在儲(chǔ)層孔道中，引起儲(chǔ)層滲透率的降低。