CO₂驅(qū)在巖層中的作用機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究

楊愛英 肖傳桃

摘? ? ? 要： 為提高頁(yè)巖氣開采量，采用實(shí)驗(yàn)的方式，探討了CO2驅(qū)在低滲透油藏中與巖層的作用機(jī)理，旨在找到CO2驅(qū)過程中對(duì)巖層的影響。實(shí)驗(yàn)表明，隨著壓力的增大，溶蝕量也越來(lái)越大，巖心的孔隙度也越來(lái)越大。結(jié)果也表明，通過CO2驅(qū)，主要是通過增加孔隙度以達(dá)到提高滲透率的方式，最終提高頁(yè)巖氣的產(chǎn)量。

關(guān)? 鍵? 詞：CO2驅(qū);頁(yè)巖氣;孔隙度

中圖分類號(hào)：TE357? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ?文章編號(hào)： 1671-0460（2019）09-2006-04

Abstract： In order to increase shale gas production， the mechanism of CO2 flooding in low permeability reservoirs was investigated by experiments to find out the effect of CO2 flooding on the formation. Experiment results showed that with the increase of pressure， the amount of dissolution increased， and the porosity of core also increased. The results also showed that， through CO2 flooding， the porosity was improved to increase the permeability， and the production of shale gas was ultimately increased.

Key words： CO2 flooding; Shale gas; Porosity

對(duì)油氣田開采，如何提高油氣田開采量，一直是學(xué)術(shù)界熱議的話題。從沉積相的角度，我國(guó)油氣田分布主要是以陸相沉積為主。這種沉積體系具有較差的物性特征，但是卻蘊(yùn)含著豐富的油氣資源。對(duì)此，針對(duì)這類油氣田開采中，特別是頁(yè)巖氣開采，如何提高頁(yè)巖氣的開采量，是目前能源行業(yè)開采一個(gè)重點(diǎn)。但是，傳統(tǒng)的針對(duì)頁(yè)巖氣的開采中，采用CO2地質(zhì)封存的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣的采收，這種采收方式所產(chǎn)生的效益有限，并且其成本很高。所以對(duì)這種方式進(jìn)行改進(jìn)，利用CO2驅(qū)的方式來(lái)提升采油量，這也是當(dāng)前頁(yè)巖氣開發(fā)中的一個(gè)重點(diǎn)。這種方式不僅可以減少CO2氣體，還可以提高頁(yè)巖氣的產(chǎn)量，進(jìn)而被廣泛的應(yīng)用在油氣藏開發(fā)中。但是將CO2驅(qū)注入到地層以下后，會(huì)和儲(chǔ)層巖石發(fā)生一系列的反應(yīng)，使得儲(chǔ)層巖石產(chǎn)生裂縫，進(jìn)而提高頁(yè)巖氣的開采效率。但是在注入CO2驅(qū)的同時(shí)，CO2也會(huì)和儲(chǔ)層巖石產(chǎn)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而造成礦物的溶解或產(chǎn)生沉淀。因此，要提高頁(yè)巖氣開采的量，就必須要充分了解CO2驅(qū)注入地層后，與地層的作用機(jī)理，從CO2驅(qū)是否能為產(chǎn)油區(qū)提供增產(chǎn)作用起到積極的效果。對(duì)此，本文采用模擬頁(yè)巖氣開采方式，通過試驗(yàn)對(duì)CO2在儲(chǔ)層地質(zhì)下作用機(jī)理進(jìn)行分析[1]。

1? 本文研究區(qū)域概況

本文研究的頁(yè)巖樣品主要來(lái)自延長(zhǎng)油田某段石油儲(chǔ)層段，埋藏深度為2 170～2 490 m，儲(chǔ)層平均溫度和壓力分別為89 ℃、21.5 MPa。在對(duì)儲(chǔ)層的樣品進(jìn)行試驗(yàn)前，通過XRD表征試驗(yàn)對(duì)巖層組成成分進(jìn)行分析，得到巖層主要由石英、云母、方沸石、長(zhǎng)石、綠泥石組成。具體成分見表1所示。

同時(shí)測(cè)量該段的地下水礦化度，其值為216.9 g/L。

2? 實(shí)驗(yàn)儀器與方法

2.1? 主要試驗(yàn)儀器

為模擬CO2在注入儲(chǔ)層地層后與地層礦物質(zhì)的反應(yīng)，本文將實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)為如圖1所示[2]。

根據(jù)圖1的實(shí)驗(yàn)裝置，高純度的CO2通過管線進(jìn)入到反應(yīng)釜中，然后在壓力容器中將壓力升至地層的壓力。反應(yīng)溫度則通過恒溫箱進(jìn)行控制，維持在上述測(cè)定的地層溫度要求。

2.2? 主要試驗(yàn)試劑

本文采用的試劑主要包括高純度的CO2、NaCl（分析純）、KCl（分析純）、CaCl2（分析純）、MgCl2（分析純）等。

試驗(yàn)用的砂巖是用小巖心切割。

2.3? 實(shí)驗(yàn)步驟

在作用機(jī)理探討實(shí)驗(yàn)中，溫度設(shè)定為87 ℃，反應(yīng)周期設(shè)定為30 d，巖心流速設(shè)定為0.02 mL/min，壓力設(shè)定為21 MPa[3]。實(shí)驗(yàn)用的模擬地下水通過分析延長(zhǎng)油田所取的地下水的組成進(jìn)行配置。具體試驗(yàn)步驟為：

（1）在實(shí)驗(yàn)開始前，通過分子泵將巖心的空氣抽干，并抽真空超18 h，直到巖心壓力變?yōu)?;

（2）對(duì)配置的地層水抽真空，至常溫下飽和蒸氣壓，整個(gè)時(shí)間持續(xù)1 h;

（3）將上述處理過的巖心飽和地層水、巖心全部裝入核磁檢測(cè)設(shè)備中，并通過CT對(duì)巖層進(jìn)行掃描檢測(cè)。

3? 結(jié)果與討論

在上述實(shí)驗(yàn)條件下，分別設(shè)置不同的地下壓力，從而探討在不同壓力下的儲(chǔ)層變化情況。根據(jù)上述的實(shí)驗(yàn)，可以得到如下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[4]。

3.1? 地層中元素的變化規(guī)律

設(shè)定反應(yīng)溫度為87 ℃，地層模擬壓力分別為5、10、50、20 MPa四個(gè)不同的壓力。同時(shí)反應(yīng)時(shí)間為30 d。在充入CO2后，探討反應(yīng)過程中儲(chǔ)層變化規(guī)律。

3.1.1? 地層中地層元素變化

在反應(yīng)過程中，測(cè)定地層中元素的變化規(guī)律如圖2-4所示。

通過以上結(jié)果看出，當(dāng)模擬地層中注入CO2驅(qū)后，鉀、鎂等離子的變化規(guī)律相對(duì)一致，說明在這個(gè)反應(yīng)的過程中，鎂離子、鉀離子的變化不大。但是，硅離子的變化趨勢(shì)則是先快速上升，然后在12 d后，整體溶蝕速率逐步降低，此后到達(dá)穩(wěn)定。由此根據(jù)上述的結(jié)果可以看出，隨著地層中壓力的不斷增加，在地層環(huán)境中更容易出現(xiàn)溶蝕反應(yīng)，并且壓力越大，溶蝕速率越高。

3.1.2? 巖塊表面形貌變化

將反應(yīng)后的巖塊進(jìn)行干燥處理，然后對(duì)巖塊進(jìn)行電鏡掃描。經(jīng)掃描，可以得到反應(yīng)前后的對(duì)比圖5和圖6。

通過上述的兩張對(duì)比圖看出，反應(yīng)前，巖塊表面非常整潔，并看出主要包含石英和長(zhǎng)石等成分，同時(shí)還包含部分碳酸鹽結(jié)物。在經(jīng)過上述的實(shí)驗(yàn)后，得到的圖6的電鏡觀察圖看出，在其表面形成了晶錐。同時(shí)在巖塊的表面可以看到包含大量的鹽類顆粒。說明在上述的表面發(fā)生了溶蝕反應(yīng)。

3.2? 樣品質(zhì)量變化

要找到在不同壓力下的地層溶蝕規(guī)律，需要對(duì)不同條件下的砂巖塊體前后重量進(jìn)行稱重，從而得到樣品在反應(yīng)前后的質(zhì)量變化，即溶蝕量。具體見表2所示。

通過上述的結(jié)果看出，反應(yīng)前后的質(zhì)量隨著壓力的增加，其樣品的質(zhì)量基本都在逐步的減少。當(dāng)壓力為20 MPa的時(shí)候，其溶蝕量相對(duì)比較大。

3.3? 巖心驅(qū)替試驗(yàn)

3.3.1? 反應(yīng)過程中巖心驅(qū)替液變化規(guī)律

取驅(qū)替后的巖心排出液，通過ICP-OES進(jìn)行檢測(cè)，從而可以得到圖7-9的變化規(guī)律[2]。

通過上述結(jié)果看出，鉀元素和鎂元素的變化趨勢(shì)和上述的分析基本一致，總體而言都是緩慢升高，然后迅速降低，最后趨于穩(wěn)定。硅元素的變化也是先快速上升，而后下降，并逐步穩(wěn)定。

3.3.2? CT掃描

為查看反應(yīng)后巖石的孔隙度，通過CT進(jìn)行掃描，從而得到圖10的巖心孔隙度。

通過上述的結(jié)果看出，經(jīng)過巖心驅(qū)替后，巖心的孔隙度多，分布密集。同時(shí)根據(jù)結(jié)果看出，在反應(yīng)的入口段，即上部，孔隙分布多于下部，說明在反應(yīng)初期，在入口段受到大量的腐蝕，從而形成溶蝕性孔洞。同時(shí)通過CT掃描數(shù)據(jù)顯示，在反應(yīng)后，孔隙度平均為14.7%，與反應(yīng)前的平均孔隙度比較，整體要稍大。

3.3.3? 巖石滲透率變化

運(yùn)用滲透率試驗(yàn)，得到如圖11的巖石滲透率變化圖。

根據(jù)結(jié)果看出，滲透率隨著時(shí)間的推移逐步變大，說明 CO2 驅(qū)過程中，會(huì)促進(jìn)礦物質(zhì)溶解，進(jìn)而提高孔隙度，使得孔隙更為更大，油氣流向更加通暢。

3.4? 樣品質(zhì)量變化

通過上述的分析看出，在CO2驅(qū)過程中，隨著CO2的注入，巖石中的元素隨著壓力的增加，會(huì)出現(xiàn)一定的變化，變化比較明顯是硅等少數(shù)元素。

同時(shí)通過反應(yīng)發(fā)現(xiàn)，隨著反應(yīng)的深入，巖心的孔隙率逐步增大，壽命巖石與CO2產(chǎn)生反應(yīng)。上述反應(yīng)的原理，是CO2在水中會(huì)發(fā)生酸化反應(yīng)，從而生成碳酸根和碳酸氫根離子。具體反應(yīng)過程為：

在上述反應(yīng)的基礎(chǔ)上，方解石、長(zhǎng)石中的大量礦物元素與碳酸根反應(yīng)，從而形成沉淀，最終通過CO2驅(qū)將沉淀排除，以至于硅等元素的溶蝕量急劇減少。但是隨著反應(yīng)的深入，在方解石、長(zhǎng)石等表面會(huì)形成結(jié)晶物，從而阻止反應(yīng)進(jìn)一步發(fā)展，最終使得不同離子開始趨于穩(wěn)定。

4? 結(jié)束語(yǔ)

在頁(yè)巖氣的開采過程中采用的CO2驅(qū)方式可提高頁(yè)巖氣的開采量，一個(gè)關(guān)鍵的原因是通過二氧化碳驅(qū)與巖石壁中的礦物質(zhì)離子反應(yīng)，從而增大了孔隙度，提高了滲透率，進(jìn)而提高了油氣的輸送量。說明采用CO2驅(qū)在頁(yè)巖氣開發(fā)中具有價(jià)值。

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