超臨界CO2浸泡對瑪湖不同黏土礦物含量砂礫巖儲層滲透率影響

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)入儲層后與地層水、儲層礦物的相互作用是影響儲層物性的重要因素，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層滲透率影響實驗，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 實驗部分

1.1 實驗材料和儀器

1.1.1 巖心制作

實驗材料：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

實驗儀器：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浸泡實驗

實驗材料：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）

實驗儀器：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 實驗方法

根據(jù)現(xiàn)場儲層巖心全巖X 射線衍射（XRD）結(jié)果確定儲層黏土礦物類型及占比，制作與儲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層滲透率影響實驗。通過對比分析不同黏土礦物含量的砂礫巖模擬儲層巖心水相滲透率隨浸泡時間的變化情況，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)置兩組空白對照實驗：干燥超臨界CO2浸泡實驗、地層水浸泡實驗，排除干燥超臨界CO2、地層水單獨作用對實驗結(jié)果的影響，進(jìn)一步增強實驗結(jié)果的充分性。

1.3 實驗步驟

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間；

3）用鉆機(jī)鉆取規(guī)格為φ2.5 cm×（7~8）cm 實驗用標(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浸泡實驗、地層水浸泡實驗

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

巖心干燥超臨界CO2浸泡實驗步驟如下：

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。

巖心地層水浸泡實驗步驟如下：

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浸泡實驗

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 個反應(yīng)釜中（每個釜中放置2 個巖心，平行實驗避免實驗誤差），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)實驗研究。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 巖心干燥超臨界CO2浸泡實驗、地層水浸泡實驗

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，實驗巖心參數(shù)見表4，浸泡后結(jié)果見表5。

表4 實驗巖心參數(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)時間為1 d（圖5）。

圖5 不同浸泡時間下黏土礦物含量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

計算得出浸泡前巖心水相滲透率為0.14×10-3μm2，實驗巖心參數(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)時間為1 d（圖6）。

圖6 不同浸泡時間下黏土礦物含量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，實驗巖心參數(shù)見表8，浸泡后結(jié)果見表9。

表8 實驗巖心參數(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)時間為6 d（圖7）。

圖7 不同浸泡時間下黏土礦物含量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，實驗巖心參數(shù)見表10，浸泡后結(jié)果見表11。

表10 實驗巖心參數(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：隨著浸泡時間的增加，巖心滲透率波動降低，巖心物性變差（圖8）。

圖8 不同浸泡時間下黏土礦物含量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，實驗巖心參數(shù)見表12，浸泡后結(jié)果見表13。

表12 實驗巖心參數(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，進(jìn)入儲層后極易與儲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改變儲層物性。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)入儲層與水、礦物作用后對儲層滲透率的影響不盡相同。

當(dāng)儲層黏土礦物含量為2.5 %～6.0 %時，注入CO2后使得儲層滲透率明顯增加，物性變好。但是在低黏土礦物含量為2.5%～5.0%時，表現(xiàn)為滲透率隨浸泡時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，隨著浸泡時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，CO2注入砂礫巖儲層后使得儲層滲透率降低，且黏土礦物含量越高，儲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，注入CO2后儲層滲透率增加。黏土礦物含量越低，作用時間越短，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，CO2對儲層滲透率改善效果最好。

3）當(dāng)儲層中黏土礦物含量大于7.5 %時，隨著作用時間的增加，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。