王英偉，伍順偉，覃建華，葉義平，高 陽，張 景

（1.中國石油新疆油田分公司勘探開發(fā)研究院，新疆克拉瑪依834000；2.中國石油新疆油田分公司油藏評價(jià)處，新疆克拉瑪依834000）

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，石油資源消耗量日益增大，常規(guī)油氣資源已經(jīng)難以滿足中國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的需求，加大非常規(guī)油氣資源的勘探開發(fā)成為解決中國能源需求最有效的手段[1-3]。在中國新疆準(zhǔn)噶爾盆地瑪湖凹陷發(fā)現(xiàn)非常規(guī)致密油資源量近30億噸，為中國油氣資源的可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)[4-7]。該油藏為砂礫巖油藏，目前采用注CO2吞吐開發(fā)，表現(xiàn)出相同區(qū)塊內(nèi)不同井CO2吞吐開發(fā)效果差異較大，迫切需要找到影響CO2吞吐開發(fā)效果的主要原因。

現(xiàn)場巖心物性測試結(jié)果表明，同一區(qū)塊內(nèi)巖心物性相差不大，具有較大差異的是黏土礦物含量（2.5%～10%）。研究表明，油藏注CO2開發(fā)過程中，CO2進(jìn)入儲(chǔ)層后與地層水、儲(chǔ)層礦物的相互作用是影響儲(chǔ)層物性的重要因素，不同黏土礦物含量導(dǎo)致的結(jié)果可能存在不同[8-15]。因此，基于瑪湖砂礫巖油藏儲(chǔ)層條件，通過制作與現(xiàn)場巖心黏土礦物類型相同而含量不同的砂礫巖巖心，開展超臨界CO2浸泡對不同黏土礦物含量砂礫巖儲(chǔ)層滲透率影響實(shí)驗(yàn)，明確適合該砂礫巖油藏CO2吞吐開發(fā)的最佳黏土礦物含量范圍，為致密砂礫巖油藏注CO2吞吐高效開發(fā)提供技術(shù)支持[16-21]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料和儀器

1.1.1 巖心制作

實(shí)驗(yàn)材料：根據(jù)現(xiàn)場巖心全巖X 射線衍射（XRD）分析，巖樣黏土礦物選用：高嶺石、伊利石、綠泥石、蒙脫石，粒徑不一的礫石、200 目石英砂、膠結(jié)劑等（圖1）。

圖1 四種黏土礦物Fig.1 Four clay minerals

實(shí)驗(yàn)儀器：液壓機(jī)、巖塊模具、恒溫箱、巖樣切割機(jī)等。

1.1.2 超臨界CO2浸泡實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)材料：黏土礦物含量不同的砂礫巖巖心；CO2（純度99%，成都市新都區(qū)正蓉氣體有限公司）；模擬地層水（離子組成見表1）。

表1 地層水離子組成Table 1 Ion composition of formation water（mg/L）

實(shí)驗(yàn)儀器：超臨界CO2高溫高壓反應(yīng)裝置（設(shè)備裝置見圖2、流程見圖3），恒速恒壓泵、壓力傳感器、中間容器、圍壓泵、巖心夾持器、采集系統(tǒng)等。

圖2 超臨界CO2高溫高壓反應(yīng)裝置Fig.2 Supercritical CO2 high temperature and high pressure reaction device

圖3 超臨界CO2高溫高壓反應(yīng)裝置流程Fig.3 Flow chart of supercritical CO2 high temperature and high pressure reaction device

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

根據(jù)現(xiàn)場儲(chǔ)層巖心全巖X 射線衍射（XRD）結(jié)果確定儲(chǔ)層黏土礦物類型及占比，制作與儲(chǔ)層巖心礦物組成一致、孔滲接近的人造巖心；利用超臨界CO2高溫高壓反應(yīng)裝置在儲(chǔ)層溫度70 ℃、壓力20 MPa 條件下，開展超臨界CO2浸泡對瑪湖不同黏土礦物含量砂礫巖儲(chǔ)層滲透率影響實(shí)驗(yàn)。通過對比分析不同黏土礦物含量的砂礫巖模擬儲(chǔ)層巖心水相滲透率隨浸泡時(shí)間的變化情況，明確超臨界CO2浸泡對瑪湖不同黏土礦物含量砂礫巖儲(chǔ)層物性的影響規(guī)律。

為充分說明巖心物性變化是由CO2、地層水的共同作用所導(dǎo)致的，設(shè)置兩組空白對照實(shí)驗(yàn)：干燥超臨界CO2浸泡實(shí)驗(yàn)、地層水浸泡實(shí)驗(yàn)，排除干燥超臨界CO2、地層水單獨(dú)作用對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，進(jìn)一步增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的充分性。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

1.3.1 不同黏土礦物含量砂礫巖巖心制作

根據(jù)現(xiàn)場巖心全巖X 射線衍射（XRD）分析得到4 種黏土礦物在全巖礦物中含量（表2），計(jì)算出不同黏土礦物在總黏土礦物含量中占比分別為：45.37%（高嶺石）、12.57 %（蒙脫石）、21.79 %（綠泥石）、20.27%（伊利石）。

表2 現(xiàn)場巖心黏土礦物組成及占比Table 2 In-site core clay mineral composition and proportion

固定4種黏土礦物在總黏土礦物中的占比，改變巖心總黏土礦物含量，制作黏土礦物含量分別為2.5%，5.0%，6.0%，7.5%，10%砂礫巖巖心，具體步驟如下：

1）將礫石、石英砂、黏土礦物和膠結(jié)劑粉末按比例進(jìn)行混合，攪拌均勻，得到混合物；

2）稱量一定質(zhì)量混合物裝入潤濕后的模具內(nèi)，放置在液壓平臺(tái)上，采用不同的壓力進(jìn)行壓制，壓制后放置于恒溫箱中烘烤一定時(shí)間；

3）用鉆機(jī)鉆取規(guī)格為φ2.5 cm×（7~8）cm 實(shí)驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)圓柱小巖心，烘干后編號備用。

1.3.2 巖心干燥超臨界CO2浸泡實(shí)驗(yàn)、地層水浸泡實(shí)驗(yàn)

為進(jìn)一步放大實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，采用黏土礦物含量10.0%的砂礫巖巖心開展相關(guān)空白對照組實(shí)驗(yàn)。

巖心干燥超臨界CO2浸泡實(shí)驗(yàn)步驟如下：

1）測定巖心直徑、長度、氣測滲透率、孔隙度等巖心基礎(chǔ)物性參數(shù)；

2）打開超臨界CO2高溫高壓反應(yīng)裝置，調(diào)節(jié)加熱系統(tǒng)逐級加熱至70 ℃，并打開CO2氣瓶閥門排盡反應(yīng)釜中空氣；

3）將干巖心放入巖心杯中，置于4個(gè)反應(yīng)釜中，注入干燥CO2加壓至反應(yīng)釜壓力為20 MPa，分別浸泡反應(yīng)1，3，6，10 d；

4）浸泡反應(yīng)相應(yīng)天數(shù)后，卸壓、取出巖心，測定反應(yīng)后巖心氣測滲透率、孔隙度。

巖心地層水浸泡實(shí)驗(yàn)步驟如下：

1）測定巖心直徑、長度、氣測滲透率、孔隙度等巖心基礎(chǔ)物性參數(shù)；

2）對巖心抽真空加壓飽和模擬地層水24 h，之后對飽和水的巖心以0.05 mL/min流速注入模擬地層水，測定反應(yīng)前巖心水相滲透率；

3）將水測后巖心完全浸泡在裝有模擬地層水的巖心杯中，分別浸泡反應(yīng)1，3，6，10 d；

4）浸泡反應(yīng)相應(yīng)天數(shù)后，卸壓、取出巖心，測定反應(yīng)后巖心水相滲透率。

1.3.3 不同黏土礦物含量砂礫巖巖心超臨界CO2浸泡實(shí)驗(yàn)

1）測定巖心直徑、長度、氣測滲透率、孔隙度等巖心基礎(chǔ)物性參數(shù)；

2）對巖心抽真空加壓飽和模擬地層水24 h，之后對飽和水的巖心以0.05 mL/min流速注入模擬地層水，測定反應(yīng)前巖心水相滲透率；

3）打開超臨界CO2高溫高壓反應(yīng)裝置，調(diào)節(jié)加熱系統(tǒng)逐級加熱至70 ℃，并打開CO2氣瓶閥門排盡反應(yīng)釜中空氣；

4）將水測后巖心完全浸泡在裝有模擬地層水的巖心杯中，分別置于4 個(gè)反應(yīng)釜中（每個(gè)釜中放置2 個(gè)巖心，平行實(shí)驗(yàn)避免實(shí)驗(yàn)誤差），注入干燥CO2加壓至反應(yīng)釜壓力為20 MPa，分別浸泡反應(yīng)1，3，6，10 d；

5）浸泡反應(yīng)相應(yīng)天數(shù)后，卸壓、取出巖心，測定反應(yīng)后巖心水相滲透率。

重復(fù)上述步驟，依次使用不同黏土礦物含量砂礫巖巖心進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 巖心干燥超臨界CO2浸泡實(shí)驗(yàn)、地層水浸泡實(shí)驗(yàn)

根據(jù)黏土礦物含量10.0%的砂礫巖巖心在干燥超臨界CO2浸泡前后巖心氣測滲透率、孔隙度變化情況可以得出：干燥超臨界CO2浸泡后巖心氣測孔滲參數(shù)無明顯變化，說明干燥超臨界CO2浸泡對巖心物性無明顯影響，這主要是由于干燥超臨界CO2不會(huì)與黏土礦物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)[22]（表3）。

表3 巖心干燥超臨界CO2浸泡前后氣測滲透率、孔隙度變化情況Table 3 Changes of gas permeability and porosity before and after core drying and supercritical CO2 soaking

根據(jù)黏土礦物含量為10.0%砂礫巖巖心在地層水中浸泡不同天數(shù)后水相滲透率變化結(jié)果可以得出：浸泡前巖心水相滲透率為0.86×10-3μm2，隨著浸泡時(shí)間的增加，巖心滲透率變化不大，地層水浸泡對巖心物性無明顯影響（圖4）。

圖4 巖心在地層水浸泡不同天數(shù)后水相滲透率變化情況Fig.4 Results of water permeability changes after cores are immersed in formation water in different days

2.2 超臨界CO2浸泡對黏土礦物含量2.5 %砂礫巖巖心滲透率影響

人造巖心由于同一批次巖心在同一巖塊中鉆取，故所得同一批次巖心物性基本接近。因此，巖心初始水相滲透率取8 塊巖心水相滲透率平均值0.16 ×10-3μm2，實(shí)驗(yàn)巖心參數(shù)見表4，浸泡后結(jié)果見表5。

表4 實(shí)驗(yàn)巖心參數(shù)Table 4 Experimental core parameters

表5 浸泡反應(yīng)后巖心水相滲透率測定結(jié)果Table 5 Measurement result of core water phase permeability after soaking reaction

根據(jù)黏土礦物含量為2.5 %砂礫巖巖心在超臨界CO2浸泡不同天數(shù)后滲透率變化結(jié)果可以得出：隨著浸泡時(shí)間的增加，巖心滲透率先增大后減小，巖心物性變好，最佳反應(yīng)時(shí)間為1 d（圖5）。

圖5 不同浸泡時(shí)間下黏土礦物含量2.5%砂礫巖巖心水相滲透率變化曲線Fig.5 Variation curve of water phase permeability of sandy conglomerate core with 2.5%clay mineral content under different soaking time

2.3 超臨界CO2浸泡對黏土礦物含量5.0 %砂礫巖巖心滲透率影響

計(jì)算得出浸泡前巖心水相滲透率為0.14×10-3μm2，實(shí)驗(yàn)巖心參數(shù)見表6，浸泡后結(jié)果見表7。

根據(jù)黏土礦物含量為5.0 %砂礫巖巖心在超臨界CO2浸泡不同天數(shù)后滲透率變化結(jié)果可以得出：隨著浸泡時(shí)間的增加，巖心滲透率先增大后略微減小，巖心物性變好，最佳反應(yīng)時(shí)間為1 d（圖6）。

圖6 不同浸泡時(shí)間下黏土礦物含量5.0%砂礫巖巖心水相滲透率變化曲線Fig.6 Variation curve of water phase permeability of sandy conglomerate core with 5.0%clay mineral content under different soaking time

2.4 超臨界CO2浸泡對黏土礦物含量6.0 %砂礫巖巖心滲透率影響

浸泡前巖心水相滲透率為0.18×10-3μm2，實(shí)驗(yàn)巖心參數(shù)見表8，浸泡后結(jié)果見表9。

表8 實(shí)驗(yàn)巖心參數(shù)Table 8 Experimental core parameters

表9 浸泡反應(yīng)后巖心水相滲透率測定結(jié)果Table 9 Measurement result of core water phase permeability after soaking reaction

根據(jù)黏土礦物含量為6.0 %砂礫巖巖心在超臨界CO2浸泡不同天數(shù)后滲透率變化結(jié)果可以得出：隨著浸泡時(shí)間的增加，巖心滲透率逐漸增大，巖心物性變好，最佳反應(yīng)時(shí)間為6 d（圖7）。

圖7 不同浸泡時(shí)間下黏土礦物含量6.0%砂礫巖巖心水相滲透率變化曲線Fig.7 Variation curve of water phase permeability of sandy conglomerate core with 6.0%clay mineral content under different soaking time

2.5 超臨界CO2浸泡對黏土礦物含量7.5 %砂礫巖巖心滲透率影響

浸泡前巖心水相滲透率為0.62×10-3μm2，實(shí)驗(yàn)巖心參數(shù)見表10，浸泡后結(jié)果見表11。

表10 實(shí)驗(yàn)巖心參數(shù)Table 10 Experimental core parameters

表11 浸泡反應(yīng)后巖心水相滲透率測定結(jié)果Table 11 Measurement result of core water phase permeability after soaking reaction

根據(jù)黏土礦物含量為7.5 %砂礫巖巖心在超臨界CO2浸泡不同天數(shù)后滲透率變化結(jié)果可以得出：隨著浸泡時(shí)間的增加，巖心滲透率波動(dòng)降低，巖心物性變差（圖8）。

圖8 不同浸泡時(shí)間下黏土礦物含量7.5%砂礫巖巖心水相滲透率變化曲線Fig.8 Variation curve of water phase permeability of sandy conglomerate core with 7.5%clay mineral content under different soaking time

2.6 超臨界CO2浸泡對黏土礦物含量10.0 %砂礫巖巖心滲透率影響

浸泡前巖心水相滲透率為0.94×10-3μm2，實(shí)驗(yàn)巖心參數(shù)見表12，浸泡后結(jié)果見表13。

表12 實(shí)驗(yàn)巖心參數(shù)Table 12 Experimental core parameters

表13 浸泡反應(yīng)后巖心水相滲透率測定結(jié)果Table 13 Measurement result of core water phase permeability after soaking reaction

根據(jù)黏土礦物含量為10.0%砂礫巖巖心在超臨界CO2浸泡不同天數(shù)后滲透率變化結(jié)果可以得出：隨著浸泡時(shí)間的增加，巖心滲透率逐漸降低，巖心物性變差（圖9）。

圖9 不同浸泡時(shí)間下黏土礦物含量10.0%砂礫巖巖心水相滲透率變化曲線Fig.9 Variation curve of water phase permeability of sandy conglomerate core with 10.0%clay mineral content under different soaking time

2.7 結(jié)果分析

CO2活性較強(qiáng)，進(jìn)入儲(chǔ)層后極易與儲(chǔ)層中的礦物及流體發(fā)生作用。對礦物的溶蝕作用，與流體中Ca2+、Mg2+等作用產(chǎn)生沉淀堵塞孔喉均會(huì)改變儲(chǔ)層物性。通過研究超臨界CO2浸泡對不同黏土礦物含量砂礫巖儲(chǔ)層滲透率的影響規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)：黏土礦物含量不同，CO2進(jìn)入儲(chǔ)層與水、礦物作用后對儲(chǔ)層滲透率的影響不盡相同。

當(dāng)儲(chǔ)層黏土礦物含量為2.5 %～6.0 %時(shí)，注入CO2后使得儲(chǔ)層滲透率明顯增加，物性變好。但是在低黏土礦物含量為2.5%～5.0%時(shí)，表現(xiàn)為滲透率隨浸泡時(shí)間的增加先增加后降低，最終值大于初始滲透率；在黏土礦物含量為6.0%時(shí)，隨著浸泡時(shí)間的增加滲透率不斷增加，最終趨于平穩(wěn)。當(dāng)黏土礦物含量大于7.5%時(shí)，CO2注入砂礫巖儲(chǔ)層后使得儲(chǔ)層滲透率降低，且黏土礦物含量越高，儲(chǔ)層滲透率降低越明顯。

3 結(jié)論

1）當(dāng)黏土礦物含量為2.5 %～6.0 %時(shí)，注入CO2后儲(chǔ)層滲透率增加。黏土礦物含量越低，作用時(shí)間越短，滲透率增加越明顯，有利于油藏注CO2提高采收率。

2）砂礫巖油藏中黏土礦物含量為6.0%～7.0%時(shí)，CO2對儲(chǔ)層滲透率改善效果最好。

3）當(dāng)儲(chǔ)層中黏土礦物含量大于7.5 %時(shí)，隨著作用時(shí)間的增加，滲透率逐漸降低，且黏土礦物含量越高滲透率降幅越大，有利于CO2地質(zhì)埋存。