低滲透油藏CO2驅技術對油藏巖石和原油的適應性研究

魯守飛，翟亮，楊雯欣，胡小茜，武楊青

(長江大學 石油工程學院，湖北 武漢 430100)

0 引言

CO2驅油技術是將CO2注入到儲層中提高原油的采收率的一種技術，其降低原油黏度、增大原油膨脹系數、改善油水流度比、降低界面張力、萃取和汽化原油中的輕烴、溶解氣驅等機理會促使驅替過程的進行，提高原油的采收率[1]。如今應用較多的CO2驅技術有：水氣交替、CO2輔助重力驅、CO2泡沫驅、碳化水驅、裂縫及高滲帶封堵技術等[2]。由于油藏條件復雜，CO2注入地層后會有很多的不確定性，本文將對CO2對原油的適應性和對巖石的適應性展開討論，探究注入CO2后儲層巖石以及原油的物性參數變化，分析CO2驅下巖石及原油的物性參數變化規律。

1 CO2驅技術面臨的問題

1.1 CO2注入后易發生氣竄

李德祥[3]首先通過氣體示蹤劑監測以及在注入井周圍進行微地震監測，得到CO2發生氣竄主要是由于自然及人工裂縫、大孔道、高滲透率通道等優勢通道的出現，加劇了地層的非均質性，使CO2發生氣竄；其次，在驅替過程中CO2注入量增大，相對滲透率提高，CO2黏度比地層流體低，使得流度比變大，誘發了黏性指進，進而導致氣竄或過早突破，降低了波及系數，減小了原油采收率及CO2埋存效率。因此，抑制CO2的氣竄是CO2驅能夠順利進行的關鍵。

眾多學者研發了多種手段，以期實現對地層狀況和流體性質改善，達到有效封堵優勢通道和控制流度的目的。例如：交替注入CO2和水的段塞；對非均質性強的油藏，采用泡沫輔助水氣交替注入技術；在CO2內溶解增稠劑，利用增大CO2流體黏度的大分子直接對CO2增稠；將表面活性劑溶液和CO2注入到油層內，生成CO2泡沫或乳狀液的低流度體系。

1.2 混相條件對驅油效率的影響

通過細管實驗結果分析，我國油藏混相壓力較高，混相狀態不易實現。另外，在進行CO2驅過程時，CO2萃取和汽化原油中的輕烴，導致剩余油中的重質烴含量增大，堵塞孔隙喉道，對注氣驅油效果造成一定的不利影響。眾多學者研究出了原油重質組分解堵劑、原油組分分離裝置、兩親分子瀝青穩定劑、兩親聚合物瀝青穩定劑、納米流體瀝青穩定劑、離子液體瀝青穩定劑等辦法，將原油中較重的組分轉換為輕質組分，降低原油黏度，有利于CO2與原油的混相。

1.3 地層能否對CO2進行地質埋存

在CO2封存過程中，可能發生CO2逃竄的原因[4]主要有3種：

(1)注入井或廢棄井發生泄漏；

(2)未被發現的斷層、斷裂帶或裂隙發生泄漏；

(3)蓋層的滲漏。

CO2從地下封存的構造中泄漏到大氣、海洋或其他地質構造中，使大氣中局部CO2濃度過高、地下水或土壤被污染，對環境產生不利的影響。現在學者主要依靠化學劑進行封堵。

2 CO2對油藏的適應性研究

2.1 CO2對巖石的適應性研究

2.1.1 CO2對不同類型巖石的溶蝕作用

(1)砂巖

湯瑞佳等[5]分析了CO2與巖砂巖石反應前后礦物組成的變化，得到CO2會對巖石產生溶蝕作用。這是因為CO2會與地層水反應生成碳酸，碳酸極易電解為H+和HCO3-，儲層中的巖石會與其發生一系列的化學反應，例如鉀長石、斜長石會與H+反應生成高嶺石，CO2和水、長石反應會生成方解石，最終CO2會通過酸巖反應生成碳酸氫鹽。隨著CO2的注入，砂巖中的鉀長石和斜長石會被溶蝕得更加明顯，地層水礦化度逐漸增加，地層水中Na+、K+、Ca2+和HCO3-質量濃度呈增加趨勢。

(2)頁巖

金軍等[6]通過觀察CO2注入前后頁巖巖石礦物的SEM圖像，發現頁巖中的方解石被大量溶蝕，不僅如此，注入越多的CO2，使得pH值降低，更加促進了硅酸鹽、SiO2的溶解。實驗研究表明，發生溶解礦物的種類和數量與頁巖礦物組分、地層溫度和孔滲特征等多種因素有關。比如，由于CO2注入與水生成碳酸降低了環境的pH值，促進了長石礦物的溶蝕，鈣長石和鈉長石的溶蝕更加明顯，但鉀長石的溶蝕作用較弱。

(3)泥巖

周冰等[7]研究了CO2對泥巖的溶蝕改造作用，得到以下結論。因為泥巖礦物成分復雜，熱力學性質相對穩定的礦物溶蝕較慢，熱力學性質不穩定的礦物會較快發生溶蝕，Si2+、Mg2+等析出速率較為緩慢。在地質體中，CO2流體在100 ℃條件下，1 d能溶蝕泥巖中全部方解石。通過溶蝕釋放至地層流體中的金屬離子的濃度不斷增加，H+不斷消耗，地層流體的pH值由酸性轉變為堿性，流體環境達到碳酸鹽礦物和其他黏土類礦物的沉淀條件，次生礦物在泥巖孔隙中形成，占據孔隙空間，降低蓋層物性，利于油氣保存及CO2固存。

2.1.2 巖石的孔隙度變化

苗小瑞等[8]通過使用氦孔隙度儀測定巖心孔隙度，得到CO2注入會使儲層的孔隙度產生變化，孔隙度隨壓力的變化關系如表1所示，由表1可知孔隙度變化率隨著壓力的增大先升高后減小。這是因為CO2注入后，會溶蝕巖石骨架及表面，使得離子進入地層水成為自由離子，消耗了大量巖石原有礦物，生成大量的次生孔隙，使得孔隙度增加。當實驗壓力超過10 MPa時出現孔隙度下降的現象，是因為CO2、水與長石反應生成水鋁礦、菱鐵礦等沉淀，同時生成高嶺石和綠泥石在壓力的作用下運移，堵塞了孔隙，使孔隙度變化率下降。

表1 CO2與巖石反應前后儲層孔隙度變化

2.1.3 巖石的滲透率變化

湯瑞佳等[9]通過測定CO2驅替前后巖心的滲透率，得到不同溫度、壓力條件下，巖心的滲透率變化關系，如圖1所示，巖心的滲透率會在CO2驅替后呈現增大趨勢，這是因為巖石被溶蝕導致的。經過溶蝕作用后巖石的孔隙半徑會增大，大孔道增多，因此巖石的滲透率增大。但并非所有時候巖石的滲透率都是增大的，隨著注入壓力的不斷增加，儲層流體的沖刷作用越來越強，溶解產生的沉淀及微粒發生運移。微粒運移起主要作用，運移的微粒堵塞了儲層孔道，導致儲層滲透率降低[10]。

圖1 驅替前后巖心滲透率的變化

2.1.4 巖石的潤濕性變化

姚振杰等[10]在地層注入了CO2后，測定了CO2驅替前后巖石的潤濕角變化，如表2所示，分析潤濕角的變化可得CO2注入會使得巖石的親水性增強。這是因為CO2與地層水反應生成碳酸，碳酸與地層反應生成的鹽會溶于水中。鹽在水中電離出帶電離子，因為帶電離子同性相斥、異性相吸的特性，當帶電離子以斥力為主時，對儲層巖石表面的薄水膜起穩定作用，儲層表現出強親水性。

表2 巖石潤濕角的變化

2.2 CO2對原油的適應性研究

2.2.1 原油的黏度變化

閆鵬[11]使CO2和原油在一定的溫度、壓力下進行反應，得到原油的黏度隨溫度、壓力的變化關系，如圖2和圖3所示。當溫度一定時，隨著作用壓力的增加，原油的黏度先減小后增大最后趨于穩定。這是因為CO2溶于原油后，當壓力低于某個壓力時，隨著壓力的上升，CO2溶于原油使其黏度降低。當壓力高于某個值時，原油中溶解的CO2已飽和，此時原油的體積被壓縮，原油的密度增加，使得CO2分子間距離變小，分子之間的摩擦力增加，使得原油的黏度增加。當壓力等于某個壓力時，原油中的溶解氣量最大，黏度最小。

圖2 不同作用壓力下的原油黏度

圖3 不同溫度下的原油黏度

當作用壓力一定時，原油的黏度隨溫度的增大而降低，呈指數變化。這是因為原油中溶入了CO2氣體，原油中的輕質組分被萃取，原油的組分發生了變化，原油密度降低，分子間作用力變小，使得原油的黏度減小。

2.2.2 原油的密度變化

李巖等[12]在地層溫度95 ℃條件下，進行膨脹實驗及原油黏度測試實驗，測定地層原油的密度隨CO2注氣量的變化情況，如表3所示。原油的密度隨CO2注入量的增加先升高，當CO2注入物質的量分數達到70%時，CO2與原油混相，原油的密度減小。這是因為注入壓力增加時，CO2在原油中的溶解量增加，使得原油體積膨脹，作用壓力越高時，CO2作用后重組分沉淀越多，從而使得原油的密度降低。

表3 原油密度變化

2.2.3 原油的組分變化

閆鵬[11]使CO2和原油在一定的溫度、壓力下進行反應，得到原油中C30+以上組分含量的變化關系，如表4和表5所示。當溫度一定時，隨著作用壓力的增加，C30+以上組分的含量降低。這是因為在作用過程中，CO2一方面不斷抽提原油中的輕質組分，另一方面使得原油中的重質組分不斷沉積，瀝青質發生沉淀，原油中的重質組分減少。

表4 不同作用壓力下的C30+以上的含量

表5 不同溫度下的C30+以上的含量

當作用壓力一定時，隨溫度的增加，C30+以上組分的含量減少，但減小幅度不明顯。這是因為原油的密度會隨著溫度升高而減小，膠質與瀝青質的相互作用力在不斷減弱，導致吸附在瀝青質表面的膠質游離出來，瀝青質失去了保護。

3 結語

通過CO2對油藏的適應性的文獻調研，可以得到CO2的注入會使原油以及巖石的性質產生變化，本文研究的具體結論如下：

(1)隨著CO2注入時間的增加，巖石的孔隙半徑、滲透率增大、不變或減小，親油性增強。

(2)隨著溫度以及作用壓力增加，CO2會使原油的密度降低。

(3)在溫度一定時，隨著作用壓力的增加，原油的黏度會先減小后增加最后趨于穩定；在作用壓力一定時，隨著溫度的增加，原油的黏度會降低。

(4)在溫度一定時，隨著作用壓力的增加，原油中C30+的含量會降低；在作用壓力一定時，隨著溫度的增加，原油中C30+的含量降低幅度不明顯。