納米顆粒對深部鹽水層中CO2運移影響分析

章星

(中國石油大學(北京)克拉瑪依校區，新疆 克拉瑪依 834000)

楊龍，楊成克，葛玲，龍新滿，郭慧英

(中石油新疆油田分公司實驗檢測研究院 新疆礫巖油藏實驗室，新疆 克拉瑪依 834000)

在深部鹽水儲集層中進行CO2埋存時，CO2相對于實際地層中的鹽水來說具有低密度和低黏度的特點[1～4]，如果在鹽水層上面無封閉或滲透率低的蓋層，封存的CO2將會沿著蓋層中相對較大的通道上升從而產生泄漏重新回到大氣中[5～10]。一種潛在的方法可以使得CO2產生自封堵，即化學物質包裹的納米顆粒讓CO2在鹽水中產生穩定的泡沫。在實際運移和封堵方面，含有納米顆粒的穩定泡沫和(或)乳狀液(如果CO2為液相)與各自的單相流體相比具有較低的流動性[11～13]。因此，CO2在通道中移動時能夠自發地形成泡沫，該泡沫的產生將會大大降低CO2的流動性，并且可以預防潛在的CO2泄漏。在埋存中采用這一方法，可以將納米顆粒注入到預期封存層位的上方或是最有可能、風險最大的地方[14～16]。納米顆粒遠小于巖石孔喉，并且其表面的化學物質可以減少與巖石的相互作用，納米顆粒可以很容易地被運送到鹽水層[17～19]。如果埋存的CO2受浮力影響上升通過任何含有納米顆粒的地方，納米顆粒將會吸附到CO2與鹽水的表面。如果CO2是微小的液滴，這些液滴將會是穩定的(不會合并)并且會形成CO2/鹽水乳狀液[20～23]。為此，筆者研究上述機制是否會在CO2驅替巖心試驗中發生，并通過CT掃描的測量驅替過程中流體的飽和度，記錄巖心兩端的流動壓差，分析與討論納米顆粒試驗中乳狀液的形成機制。

1 試驗部分

1.1 設備與巖心

圖1 巖心驅替試驗流程

試驗主體裝置是一臺經過改造的Universal Systems HD-350醫療CT，試驗中實際飽和度的測量是將巖心水平方向放置于CT掃描儀內進行掃描。由CT掃描儀測量材料的實際密度，通過線性修正飽和濕相和非濕相三維像素的CT數值，將實際測量的密度轉化為流體飽和度。沿著巖心每5mm掃描一次，掃描厚度為5mm，掃描所得圖像的最小分辨率是0.3mm。

試驗所采用的巖心為圓柱形的Boise巖心，直徑7cm，長度30cm，孔隙度27.5%，滲透率1D。為避免CO2的腐蝕，先在巖心表面包裹一層聚四氟乙烯熱縮膜，然后包裹4層鋁箔，最后再包裹一層聚四氟乙烯熱縮膜。鋁制巖心夾持器內有一個AFLAS橡膠套筒。聚四氟乙烯熱縮膜是防水的一層保障，鋁箔是防止CO2擴散到AFLAS橡膠套筒。鋁制巖心夾持器是用于避免夾持器和巖心的高密度對比，防止造成不利的CT掃描測量。Teledyne Isco泵提供13 MPa的圍壓，dual-Teledyne Isco泵用于不間斷地往巖心中注入CO2和鹽水等流體。巖心驅替試驗流程如圖1所示。

1.2 流體參數

試驗中用的非濕相流體是液態CO2，壓力9.3MPa，溫度20℃。飽和地層水的CO2是將地層水注入CO2中(流體流量0.1cm3/min，注入時間5h)，每1000cm3CO2中含有10cm3地層水，并在使用前使得CO2和地層水平衡40h。

試驗中用的濕相流體是質量分數為2%的NaBr溶液(模擬地層水)和含有5 % 納米顆粒(型號3M)的2% NaBr溶液。這2種溶液都飽和過CO2，將CO2注入濕相流體中(流體流量0.5cm3/min，注入時間5h)，每1000cm3濕相流體中含有100cm3CO2，并在使用前使得濕相流體和CO2平衡40h。

試驗流體參數如表1所示。

表1 試驗流體參數

1.3 試驗方案

為準確地獲得納米顆粒對驅替特征的影響效果，采用同一塊巖心進行不同的驅替試驗。

1)鹽水試驗。巖心飽和鹽水，然后進行CO2驅替(流體流量0.5cm3/min，注入時間12h)。

2)納米顆粒試驗。巖心飽和納米顆粒溶液，然后進行CO2驅替(流體流量0.5cm3/min，注入時間12h)。壓差通過連接在巖心進口端和出口端的Rosemount傳感器測量。在CO2驅替的早期階段每15min掃描一次，在CO2突破后每1h掃描一次。

2 試驗結果

2.1 巖心橫截面飽和度分布

圖2是CO2注入0.1PV時鹽水試驗的部分掃描結果。由左向右，在距離巖心入口端1cm處開始掃描，紅色表示完全飽和鹽水，藍色代表CO2。這些掃描圖片表明，CO2流體的驅替前緣是不一致的，有些高CO2飽和度區域緊鄰著高鹽水飽和度區域。整體來看，CO2的驅替前緣在巖心中形成了一條優勢通道，產生指進現象。從圖2(a)～(e)可以看出，其右手邊一直含有大量鹽水,圖2(e)、(f)顯示CO2開始發生指進,圖2(g)、(h)能夠明顯發現在10點鐘方向出現CO2的單一指進。在被CO2驅替過的區域，鹽水的平均飽和度為23%,而在鄰近的區域，鹽水的平均飽和度為94%(圖2(b))。

圖2 CO2注入0.1 PV時鹽水試驗的部分CT結果

圖3 CO2注入0.1 PV時納米顆粒試驗的部分CT結果

圖3是CO2注入0.1 PV時納米顆粒試驗的部分掃描結果，對比圖2，圖3中CO2橫向流動變化大，減緩甚至消除指進。特別的是，當注入相同體積的CO2時，CO2的移動距離少于對照試驗中CO2的移動距離(減少約20%)，并且驅替前緣后的圖片變化規律都比較一致(顏色比較統一，鹽水試驗中有明顯的紅色和藍色)，沒有明顯的指進。盡管在被CO2驅替過的區域大部分充填的是CO2，但是鹽水的平均飽和度依然很高(42%)。因為CO2和鹽水在自然情況下是不混溶的，如此高的剩余飽和度可以說是巖心中形成乳狀液的一種標志。

2.2 含水飽和度變化

圖4(a)為巖心飽和鹽水不同注入體積CO2的含水飽和度分布圖，含水飽和度為所對應的掃描厚度為5mm巖心內的平均含水飽和度?？梢钥闯?，在CO2驅替前緣的后方，飽和度曲線的整體斜率為0.06cm-1，曲線變化平緩，對于整個巖心來說沒有明顯的CO2驅替前緣。在CO2注入體積達到0.31PV時，巖心出口就出現了CO2的突破，這表明CO2在巖心內為非活塞式驅替，出現指進現象，并且指進隨著注入體積的增加更加明顯。

圖4(b)為巖心飽和納米顆粒溶液不同注入體積CO2的含水飽和度分布圖。相比于鹽水試驗，可以發現明顯的CO2驅替前緣，此時飽和度曲線變化陡峭，其斜率為0.12cm-1，為鹽水試驗的2倍。在CO2驅替前緣的后方，含水飽和度的變化在橫向和縱向上是一致的(約為40%)，CO2指進現象減緩，這種近似于活塞式的驅替，正是所期待的穩定驅替。

圖4 不同注入體積CO2的含水飽和度分布

2.3 總壓力梯度變化

不同驅替試驗中總壓力梯度隨注入體積變化曲線如圖5所示。鹽水試驗中，總壓力梯度的增長主要是巖心中的兩相流動，總壓力梯度的降低是因為CO2、飽和度的增加。在剩余水條件下，其最終的總壓力梯度要略小于鹽水流動的總壓力梯度。納米顆粒試驗中，總壓力梯度變化的大體趨勢與鹽水試驗中的相同(先增大、再減小，最后趨于穩定)。但是，對于納米顆粒試驗，其總壓力梯度是鹽水試驗的1.5～2.5倍。

3 討論與分析

圖5 不同驅替試驗中總壓力梯度隨注入體積變化曲線

上述結果表明，鹽水中存在納米顆粒時，CO2驅替前緣變得穩定或可以自動調節。對比鹽水試驗，其驅替前緣后方的含水飽和度越高，總壓力梯度越大。黏性指進是十分普遍的現象，在鹽水試驗中發生主要是因為CO2的黏度要小于鹽水的黏度，由于注入相的流動性要大于防御相的流動性，使得前緣黏性不穩定。所觀察到的納米顆粒試驗的穩定性，也只是相對于鹽水試驗，注入的CO2流體可以和納米顆粒產生一個流動性較低的相。

試驗中采用粒徑為5nm的二氧化硅納米顆粒(型號3M)，該納米顆粒有一層5nm厚度的PEG(polyethylene-glycol，聚乙二醇)外層。納米顆粒的PEG外層可以減少納米顆粒在多孔介質中的滯留量，從而增強納米顆粒在多孔介質中的運移能力。納米顆粒的主要效果就是產生穩定的乳狀液，試驗條件下的乳狀液可以減小流動性，一方面增加了注入相流體的有效黏度，另一方面減小了其相對滲透率。

在上述驅替試驗中，乳狀液的產生可以歸功于Roof snap-off現象。在局部孔喉處，非濕相飽和度的增加將會產生海恩斯跳躍(Haines jumps)，即當非濕相流體的壓力足夠大時，其將會通過喉道跳躍到鄰近的孔道中。海恩斯跳躍將會造成喉道中局部毛管壓力的臨時減小，可以使得孔道中的濕相流體再次融合或者是發生跳躍。當溶液中不存在納米顆粒時，在有非濕相流體再次進入孔道時由于其連續受力將會發生融合。如果溶液中存在納米顆粒，當非濕相流體變得分散時，它將會被納米顆粒所包裹，無法融合，將會成為穩定的乳狀液。

4 結論

1)在納米顆粒試驗中，CO2橫向流動變化大起到減緩甚至消除指進的作用，CO2驅替過的區域中鹽水的平均飽和度較高(42%)，海恩斯跳躍現象使得在巖心中形成乳狀液。

2)納米顆粒試驗中流體流動壓差變化趨勢與鹽水試驗中的相同(先增大、再減小，最后趨于穩定)，其流動壓差是鹽水試驗的1.5～2.5倍，最大的不同是在驅替過程中兩相流動的時候。

3)在CO2埋存和CO2提高采收率中，納米顆粒對流體流動性控制能夠起到很好的效果，能夠有效抑制CO2在孔隙介質中的運移。