致密砂巖油藏CO2 驅固相沉積規律及其儲層傷害特征

郭永偉，閆方平，王 晶，褚會麗，楊建雷，陳穎超，張笑洋

（1.承德石油高等?？茖W校，河北承德 066700；2.承德市油氣田人工智能工程技術研究中心，河北承德 066700）

0 引言

CO2驅替作為一種高效的三次提高采收率技術被廣泛的應用于（特）低滲透和致密油藏［1-3］。CO2獨特的超臨界特性能夠在溶于原油的同時與原油之間發生多次接觸，在較低的壓力下形成混相，大幅提高原油采收率［4-6］，然而，CO2注入儲層后會與原油、巖石和地層水發生復雜的物理化學反應，破壞原油體系中膠質-瀝青質-原油的平衡狀態，造成瀝青質顆粒沉淀析出，堵塞孔喉［7-8］。同時，地層水溶解CO2后形成碳酸，在與巖石中黏土礦物發生溶蝕反應的同時，與地層水中的金屬離子發生化學反應形成無機沉淀。在雙重沉淀作用下對儲層造成不可逆的傷害，導致原油滲流阻力增加，油井產能降低［9-10］。

針對CO2驅替過程中瀝青質沉淀問題，部分研究者認為溫度和壓力是瀝青質沉淀的外部影響因素，而原油組成變化則是內部影響因素［11-12］。Behbahani等［13］研究發現，CO2驅替過程中瀝青質沉淀量的高低主要由CO2在原油中的溶解量所決定，與溫度和壓力的關系不大。乞照等［14］依靠核磁共振技術研究了瀝青質的沉淀位置，研究顯示瀝青質主要在弛豫時間大于10 ms 的大孔隙中沉淀，造成大孔隙體積占比大幅下降，同時還會引起巖石表面潤濕性向強油濕方向轉變，而對于無機沉淀方面的研究則主要集中在地層水與礦物的溶蝕反應類型，以及金屬陽離子的沉淀規律上。肖娜等［15］發現由于CaCO3和MgCO3在水中溶解度的差異，導致CaCO3沉淀析出的概率大于MgCO3，而當CaCO3沉淀析出后，MgCO3產生沉淀的趨勢減小。此外，Zhang 等［16-17］研究發現，CO2驅替過程中孔隙度和滲透率增大的原因是白云石和硅鋁酸鹽的溶解，但同時部分礦物溶蝕而脫落的顆粒又會堵塞孔喉，造成滲透率和孔隙度的降低。由于CO2驅替過程中的礦物溶蝕、運移和無機沉淀非常復雜，至今仍未形成統一的結論。

目前，針對雙重沉淀作用下的儲層傷害特征研究少，一方面是由于實驗技術有限難以定量區分2種沉淀特征，另一方面由于大部分實驗主要采用短巖心，導致沉淀規律誤差較大，無法準確測定兩者對儲層的傷害［18-19］。因此，基于瀝青質溶于芳香烴而不溶于烷烴這一特征，以鄂爾多斯盆地延長組長7 儲層為例，在明確（非）混相壓力下原油中CO2含量與瀝青質沉淀量關系的基礎上，開展CO2驅替長巖心實驗，研究CO2非混相和混相驅油過程中瀝青質和無機沉淀對儲層物性的傷害特征，評價有機和無機沉淀對儲層孔隙度和滲透率的傷害程度，以期為致密砂巖油藏注CO2驅提供方法和借鑒。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

（1）實驗巖心。取自鄂爾多斯盆地姬塬油田長7 儲層，從巖心柱上鉆取8 塊相鄰近的短巖心柱，用以開展長巖心驅替實驗，實驗巖心基本物性參數及黏土礦物含量如表1。

表1 實驗巖心基本參數及黏土礦物含量Table 1 Basic parameters and clay mineral content of experimental cores

（2）實驗原油。按照GB/T 26981—2011《油氣藏流體物性分析方法》［20］復配的地層原油，泡點壓力為7.8 MPa，溶解氣油比為36.5 cm3/cm3，地層條件下（95 ℃，25 MPa）原油密度為0.767 2 g/cm3，黏度為1.88 mPa·s，井流物相對分子質量為92，屬于輕質原油。根據四組分（SARA）測定結果顯示，原油中飽和烴的質量分數為62.88%，芳香烴的質量分數為15.27%，膠質的質量分數為11.54%，瀝青質的質量分數為3.76%。根據細管實驗結果顯示，脫氣原油與CO2的最小混相壓力（MMP）為22.5 MPa。

（3）實驗用地層水。按照實際地層水礦化度配制的模擬地層水（主要離子含量見表2），地層水型為NaHCO3型，礦化度為20 160 mg/L，pH 值約為6.9。

（4）CO2氣體。純度為99.9%。

1.2 實驗儀器

實驗的核心設備為DLX-2 型多功能長巖心驅替系統，包括恒溫箱（最高溫度150 ℃，精度±0.1 ℃）和長度為150 cm 長巖心夾持器。還包括高壓恒速驅替泵（ISCO 泵，精度0.000 1 mL/min，最大壓力150 MPa），回壓閥（調壓精度0.1 MPa），三相分離器（體積50 mL，精度0.01 mL），氣體流量計（精度0.01 mL）和中間容器等，實驗流程圖如圖1 所示。

圖1 CO2 驅替實驗流程圖Fig.1 Flow chart of CO2 displacement experiment

1.3 實驗內容

1.3.1 原油注CO2后瀝青質沉淀量測定

（1）將復配后一定量的原油在高于泡點壓力10 MPa 下轉入PVT 容器中，恒溫（95 ℃）恒質48 h。

（2）向PVT 容器中注入一定物質的量的CO2氣體，在實驗壓力（15 MPa 和25 MPa）下充分攪拌，并恒溫恒質5 天。

（3）從PVT 容器頂端恒壓取出5 g 油樣，脫氣后分別測定油氣組成，并根據SH/T 0590—2010“石油瀝青四組分測定法”［21］對原油開展四組分（SARA）分析。

（4）重復步驟1—3，開展下一組不同注氣量的實驗。

1.3.2 注CO2長巖心驅替實驗

（1）將實驗巖心清洗、烘干后分別測定每塊巖心驅替前的孔隙度和滲透率，然后將巖心按照調和平均的方法依次放入長巖心夾持器中，并在2 塊巖心端面之間放置大小一致的濾紙以消除毛細管末端效應。

2.2 IM-DILI和DIAIH鑒別診斷 由于IM-DILI和DIAIH臨床表現相似、自身抗體特異性差等原因，臨床上對兩者間的鑒別診斷目前仍較困難。本文通過復習文獻，將IM-DILI與DIAIH的異同歸納如下(表1)。IM-DILI的臨床、生化和組織學特征與AIH相似，但對激素治療反應良好，激素治療成功后停藥可持續緩解[6]；而DIAIH在停用激素后易復發，須持續激素治療。因此，密切隨訪有助于IM-DILI和DIAIH的鑒別。本例患者對激素治療的反應良好，并且在停用激素后持續緩解，因此診斷為IM-DILI。

（2）巖心抽真空后，向巖心中注入模擬地層水，并測量長巖心充分飽和水后的水相滲透率。然后緩慢向巖心中注入原油驅替地層水，當巖心出口不產水后再驅替5 PV，飽和油過程完成，將長巖心放置于恒溫箱中老化72 h。

（3）分別在15 MPa（非混相）和25 MPa（混相）壓力下，以0.05 mL/min的速度向巖心中注入CO2氣體，當出口端見氣時，立即轉水氣交替注入（注入速度為0.05 mL/min，水/氣段塞0.4 PV），直至出口不再產油時停止實驗。驅替過程中收集并計量產出油、氣和水，當出口不再產油時，停止注氣。

（4）基于瀝青質溶于芳香烴而不溶于烷烴這一特征。將驅替后的巖心取出后采用索式提取器先用石油醚和乙醇清洗，烘干后再次測量每塊巖心的孔隙度和滲透率，此時得到的孔隙度和滲透率為瀝青質和礦物雙重沉淀作用下的數值。然后再用甲苯清洗巖心，烘干后第3 次測量每塊巖心的孔隙度和滲透率，此時得到的孔隙度和滲透率僅為礦物沉淀作用下的數值，2 次測量數值相減即可獲得瀝青質沉淀引起的孔隙度和滲透率的變化。

2 實驗結果與分析

2.1 注CO2 原油瀝青質沉淀量

圖2 為非混相和混相條件下瀝青質沉淀量隨原油中CO2含量的變化。由圖中可以看出，在非混相和混相壓力下注入CO2后，原油中瀝青質沉淀量曲線的變化趨勢基本相似，即當原油中CO2含量達到某一臨界值時，原油中的瀝青質開始析出并沉淀，而后沉淀量隨著CO2含量的增加而快速上升，當原油中CO2含量達到一定量時，瀝青質沉淀量達到最大，并趨于穩定。不同之處在于，混相壓力下的瀝青質最大沉淀量（質量分數為3.69%）大于非混相壓力下的瀝青質沉淀量（質量分數為3.11%）。從圖中還可以看出，混相壓力下瀝青質開始出現沉淀時對應原油中CO2含量的臨界值遠高出非混相壓力，而非混相壓力下瀝青質沉淀量隨CO2含量增加的速度快于混相壓力下。這主要是由于在非混相壓力下，CO2與原油之間主要是通過溶解作用達到平衡，少量物質的量的CO2即可溶于原油，迅速破壞原油的平衡性，導致瀝青質沉淀析出。而在混相壓力下，CO2以抽提萃取作用為主，通過與原油之間發生組分傳質達到平衡，而少量的CO2不足以對原油平衡體系產生影響。此外，還可以推測出，由于非混相驅替時瀝青質比混相驅更容易產生沉淀，因而非混相驅替時瀝青質沉淀的位置離注入井的距離比混相驅替時更近。此結論將在后續長巖心實驗中進行驗證。

圖2 原油中CO2 含量與瀝青質沉淀量的關系Fig.2 Relationship between asphaltene precipitation and CO2 content in crude oil

2.2 原油采收率對比

圖3 為非混相和混相條件下原油采收率及產出氣油比隨注入體積的變化。在CO2驅替階段，非混相條件下氣體突破時間為0.40 PV，快于混相條件下的突破時間（0.55 PV），當CO2突破后非混相條件下原油采出程度為40.55%，而混相條件下的采出程度為52.08%。當進入水氣交替注入階段時，非混相和混相條件下的原油采出程度均出現大幅提升。相比CO2驅替階段，混相條件下原油采出程度提高了13.85%，而非混相條件下原油采出程度提高了10.82%。這主要是因為水氣交替注入能夠對孔喉中的剩余油形成與單獨氣驅（或水驅）不同的作用力，破壞原有的氣驅（或水驅）通道，形成新的驅油通道，達到擴大波及面積的效果。同時還能改善流度比，達到一定的調剖效果。此外，相比于CO2驅替采出程度，在非混相和混相條件下水氣交替注入提高采出程度的比例基本一致（均在26%左右），這說明即使當儲層條件達不到混相驅時，采用水氣交替式注入也基本能達到與混相條件下水氣交替注入相當的提高采收率幅度。

圖3 非混相和混相條件下原油采收率隨注入體積的變化Fig.3 Variation of oil recovery with injection volume under immiscible and miscible conditions

2.3 瀝青質沉淀特征

2.3.1 對滲透率的影響

由于實驗巖心致密，在CO2注入過程中壓力會在注入端到產出端之間形成壓力降（壓力漏斗），每塊短巖心都處于不同的壓力區內，而不同壓力區內由于壓力差異會對瀝青質沉淀產生不同的影響，導致每塊巖心滲透率的變化不具有可比性，如果采用其中一塊巖心滲透率的變化來評價瀝青質沉淀對長巖心滲透率的影響具有很大局限性。因此，引入“長巖心滲透率降低率”這一指標來評價瀝青質沉淀對長巖心滲透率的影響。長巖心滲透率降低率是指由長巖心中某一塊巖心滲透率的降低引起整個長巖心滲透率降低的比率，該指標可以用于不同壓力區內不同巖心滲透率變化的對比。其計算公式為

式中：I為長巖心滲透率降低率，%；kL為驅替前初始長巖心滲透率，mD為驅替后由于第i塊短巖心滲透率變化引起長巖心滲透率的變化值，mD。

圖4 瀝青質沉淀引起的每塊巖心長巖心滲透率降低率的變化Fig.4 Variation of composite permeability reduction rate of each core caused by asphaltene precipitation

表2 瀝青質沉淀引起的每塊巖心孔隙度和滲透率的變化Table 2 Variation of porosity and permeability by asphaltene precipitation

圖5 CO2 驅替過程中油氣分布示意圖Fig.5 Oil and gas distribution during CO2 displacement

2.3.2 對孔隙度的影響

圖6 為非混相和混相條件下瀝青質沉淀引起的每塊巖心孔隙度降低率的變化。混相條件下每塊巖心的孔隙度降低率大于非混相（圖6，表2），說明混相條件下瀝青質沉淀對孔隙度的傷害程度高于非混相。與長巖心滲透率降低率的變化趨勢有些相似的是，混相條件下孔隙度降低率較大的巖心主要集中在產出端（長巖心的尾部），且第8 塊巖心的孔隙度降低率最大，達到12.48%，孔隙度由7.74%下降至6.77%，這主要是由于瀝青質沉淀疊加端面效益共同作用的結果。此外，與長巖心滲透率降低率的變化趨勢不同的是，混相條件下靠近注入端（第1 塊和第3 塊）巖心的孔隙度降低率也較大，這主要是因為在CO2帶（圖5）中原油含量很低且大部分分布于微小孔隙中，CO2在高壓下進入微小孔隙，產生的瀝青質顆粒沉淀在微小孔隙中，或卡塞在微小吼道處，造成孔隙度大幅降低。而非混相條件下巖心孔隙度的傷害程度較為均勻，孔隙度降低率主要分布在2%～4%，且第4 塊巖心的孔隙度降低率最大，為3.15%，孔隙度由10.44%下降至10.11%。造成非混相與混相條件下孔隙度降低率差異的原因主要是由于非混相條件下CO2與原油的過渡帶很長，而純CO2帶和純原油帶很短，導致每塊巖心孔隙內原油中CO2含量基本相當，且非混相條件下CO2主要在大孔隙中流動，瀝青質沉淀也主要發生在大孔隙中，由于每塊巖心中瀝青質沉淀量并不大，對孔隙度和滲透率的影響也相對較小。

圖6 瀝青質沉淀引起每塊巖心孔隙度降低率的變化Fig.6 Variation of porosity reduction rate of each core caused by asphaltene precipitation

2.4 無機沉淀特征

2.4.1 對滲透率的影響

圖7 和表3 為非混相和混相條件下無機沉淀引起的長巖心滲透率降低率和每塊巖心滲透率的變化。在非混相條件下，隨著與注入端距離的增加，巖心長巖心滲透率降低率呈現出先增大后降低的趨勢，第4 塊巖心的長巖心滲透率降低率最大，為3.08%。也就是說非混相條件下靠近注入端前中部巖心的滲透率傷害程度較大。而在混相條件下，長巖心滲透率降低率較大的巖心主要集中在長巖心中后部（第5 和第6 塊巖心），而靠近注入端前中部巖心的長巖心滲透率降低率較小，甚至在第2 和第3 塊巖心出現滲透率增大的現象，這可能是因為在混相條件下巖心中發生了溶蝕反應，導致滲透率增大，而溶蝕反應主要受地層水pH 值的影響。測量發現，混相壓力下地層水pH 值為5.46，低于非混相壓力下地層水pH 值（6.15），導致在混相壓力下更容易發生溶蝕反應，造成滲透率增大。

圖7 無機沉淀引起的長巖心滲透率降低率的變化Fig.7 Variation of composite permeability reduction rate caused by inorganic precipitation

表3 無機沉淀引起的每塊巖心孔隙度和滲透率的變化Table 3 Variation of porosity and permeability by inorganic precipitation

根據非混相和混相條件下產出液中離子濃度的變化（表4）可知，在非混相條件下，產出液中鉀、鈣、鎂金屬離子濃度大幅增加，說明在驅替過程中有金屬礦物發生了溶解。根據實驗巖心中黏土礦物類型及含量推測，可能是驅替過程中伊利石（K+）和綠泥石（Ca2+和Mg2+）發生了溶蝕反應，導致金屬離子濃度的增加。在混相條件下，相比于初始地層水，產出液中鉀、鈣離子濃度增加明顯，而鎂離子略有降低。但相比于非混相條件下產出液離子濃度的變化，混相條件下產出液中鉀、鈣、鎂離子的濃度均下降明顯，這主要是因為混相條件下CaCO3和MgCO3產生沉淀的速率大于非混相條件下的沉淀速率，而無機沉淀又以MgCO3沉淀為主。此外，通過對產出液中懸浮顆粒進行檢測可知，產出液中懸浮顆粒主要由無機沉淀和黏土礦物顆粒構成，其中非混相條件下懸浮顆粒含量為3 248 mg/L，顆粒粒徑為3 745.3 nm；混相條件下懸浮顆粒含量為6 834 mg/L，粒徑為4 822.5 nm，可以看出混相條件下無機沉淀對儲層傷害程度要大于非混相條件。

表4 非混相和混相條件下產出液與初始地層水中離子濃度對比Table 4 Ion concentration comparison between produced fluid and initial formation water under immiscible and miscible conditions

2.4.2 對孔隙度的影響

圖8 為非混相和混相條件下無機沉淀引起的巖心孔隙度降低率的變化?；煜鄺l件下孔隙度降低率為負數的巖心數量明顯多于非混相（圖8，表3），說明混相條件下溶蝕作用對孔喉的影響程度大于無機（CaCO3和MgCO3）沉淀造成的影響。這主要是因為混相壓力下CO2在地層水中溶解量增多，導致地層水pH 值更低，更容易發生溶蝕作用。而非混相條件下，地層水的溶蝕作用相對較弱，無機沉淀與溶蝕作用對孔喉的影響程度相當，僅一半數量巖心的孔隙度降低率為負數。此外，對比圖7—8 可以看出，長巖心滲透率與孔隙度的變化規律存在一些差異，即當巖心孔隙度增大時，對應的長巖心滲透率卻可能降低，這主要與溶蝕作用及無機沉淀產生的位置有關，當溶蝕作用發生在某些死孔隙中時，會造成孔隙度的增加，而溶蝕脫落的顆粒和無機沉淀顆粒在堵塞流動通道的孔喉時則會造成滲透率的降低，進而導致孔隙度和滲透率的變化規律并不一致。

圖8 無機沉淀引起的巖心孔隙度降低率的變化Fig.8 Variation of core porosity reduction rate caused by inorganic precipitation

3 有機與無機沉淀傷害對比

3.1 對滲透率的影響

圖9 為非混相和混相條件下有機沉淀和無機沉淀引起的長巖心滲透率降低率的對比。非混相條件下，無機沉淀對長巖心滲透率的傷害程度高于有機沉淀，而混相條件下，有機沉淀對長巖心滲透率的傷害程度高于無機沉淀。此外，在混相條件下有機和無機沉淀對儲層滲透率造成的傷害主要在長巖心的中后部，而非混相條件下對儲層滲透率造成的傷害主要在長巖心的前中部。說明如果采用非混相驅進行開發，則預防沉淀的重點是無機沉淀，預防沉淀的部位在注入端附近的儲層；而如果采用混相驅進行開發，則預防的重點是有機沉淀，預防沉淀的部位主要在產出端附近的儲層。

圖9 有機沉淀與無機沉淀引起的長巖心滲透率降低率對比Fig.9 Comparison of composite permeability reduction rate caused by organic precipitation and inorganic precipitation

3.2 對孔隙度的影響

圖10 為非混相和混相條件下有機沉淀和無機沉淀引起的孔隙度降低率對比。非混相和混相條件下有機沉淀造成的長巖心孔隙度降低率均高于無機沉淀，有機沉淀以堵塞孔喉，造成孔隙度下降為主要特征，而無機沉淀由于同時會受到溶蝕作用的影響，當溶蝕作用的影響程度大于無機沉淀時，會造成孔隙度的增加。

圖10 有機沉淀與無機沉淀引起的孔隙度降低率對比Fig.10 Comparison of porosity reduction rate caused by organic precipitation and inorganic precipitation

4 結論

（1）當原油中CO2含量達到臨界值時，瀝青質開始沉淀，沉淀量隨CO2含量的增加先快速上升后逐漸趨于穩定；混相壓力下的臨界值和瀝青質最大沉淀量均大于非混相，而非混相壓力下瀝青質沉淀量隨CO2含量增加的速度快于混相。

（2）瀝青質在混相壓力下大量沉淀的部位為長巖心中后部，對滲透率和孔隙度的傷害程度均大于非混相，而瀝青質在非混相壓力下大量沉淀部位則在長巖心前中部。當某塊巖心中瀝青質沉淀量達到最大時，后續巖心中的瀝青質沉淀量將會逐漸降低，對滲透率的傷害也會逐漸減小。

（3）無機沉淀在非混相壓力下對前中部巖心的滲透率傷害程度大，而在混相壓力下則對中后部巖心的滲透率傷害程度大。無機沉淀對孔隙度的影響規律與對滲透率存在差異，主要與溶蝕作用及無機沉淀產生的位置有關。

（4）研究區若采用非混相驅開發，預防重點為無機沉淀，預防沉淀部位主要在注入端附近儲層；而如果采用混相驅開發，則預防重點為有機沉淀，預防沉淀的部位主要在產出端附近的儲層。