鹽間頁巖油CO2-純水吞吐開發機理實驗及開采特征

張 沖,蕭漢敏,肖樸夫,崔茂蕾,趙清民,趙瑞明

(1.中國石化東北油氣分公司，吉林 長春 130072；2.中國石油勘探開發研究院，北京 100083；3.中國石化石油勘探開發研究院，北京 100083；4.頁巖油氣富集機理與有效開發國家重點實驗室，北京 100083；5.中國石化西北油田分公司，新疆 烏魯木齊 830011 )

0 引 言

潛江凹陷位于江漢盆地中部，潛江凹陷潛江組屬于典型的鹽湖沉積，含鹽地層厚度大，縱向上由碳酸鹽巖、泥質巖、鈣芒硝巖及其混合物組成了一套復雜巖層，頁巖油藏儲量豐富，開發潛力大[1]。但衰竭開發后，產量衰減快，大多數原油仍然滯留于泥頁巖微納米孔隙中，尚未有效動用，亟需尋找行之有效的開發技術政策[2-3]。大量文獻研究表明，利用CO2的超強溶解性和超低界面張力等性質，可提高頁巖油動用效率。國內外許多學者已經開展了諸多研究工作[4-14]，但對于CO2-純水體系和頁巖的相互作用在國內外僅有少量文獻報道。Edlmann[15]等進行了6個周期的水和超臨界CO2注入實驗，旨在提出一種增加CO2在頁巖儲層中埋存率的方法；Sanguinito[16]等認為Eagle Ford和Barnett頁巖樣品在干燥CO2或CO2飽和水中，會在一定程度上提高滲流能力；王秀宇[17]等通過高溫高壓實驗發現超臨界CO2在含水的情況下會使部分礦物溶解并重結晶。上述研究表明，超臨界CO2和水形成的酸性環境能改變微觀孔隙結構，對后續頁巖開發效果會產生影響。潛江凹陷鹽間頁巖油重要儲層特征是富含可溶性鹽類(主要為Na2SO4·CaSO4)，注CO2-純水體系是否能對其開發產生積極的影響尚未明確。因此，基于短弛豫核磁共振技術，開展CO2-純水吞吐在線核磁實驗，實時監測微納米孔隙中原油作用過程，分析注氣壓力、吞吐次數和接觸時間對動用效果的影響，揭示注CO2-純水動用原油特征及作用機理。

1 實驗方法

1.1 核磁共振實驗方法

核磁共振技術是一種快速、無損獲取頁巖孔隙中流體數量的方法，是主要獲取存在于巖石孔隙中流體的氫核磁信號，轉化為核磁共振T2譜圖，再將其反演從而得到含氫流體在不同孔隙中的分布。核磁共振T2譜圖與毛細管壓力曲線均能表征巖石的孔隙結構，且二者具有相關性，國內外很多研究學者基于分形結構假設，建立了二者之間的轉換模型，其孔隙半徑與核磁共振橫向弛豫時間T2值的關系為：

T2=CRc

(1)

(2)

式中：Rc為巖心孔隙半徑，μm；C為橫向弛豫時間和孔隙半徑的轉換系數，ms/μm；ρ2為橫向表面弛豫率，是表征巖石性質的參數，μm/ms；Fs為孔隙形狀因子；T2為橫向弛豫時間，ms。

由核磁共振實驗得到T2與核磁信號累積百分數(A)曲線，通過高壓壓汞實驗得到孔隙直徑與進汞飽和度累積百分數(S)曲線。再對式(1)兩邊取對數，得：

lgRc=lgC+lgT2

(3)

從而得到lgC+lgT2-A曲線。同理對壓汞孔隙直徑和進汞飽和度累積百分數曲線取對數，得到lgRc-S曲線，將2條曲線進行誤差對比，找到2條曲線誤差最小時的C值，即為核磁信號和孔隙直徑換算的C值。

1.2 實驗裝置和樣品

圖1為頁巖巖心與CO2-純水吞吐實驗裝置示意圖，主體部分是核磁共振測試系統，其磁感應強度為0.235 T，共振頻率為10 MHz。整個系統壓力通過多臺Vindum高精度泵來控制，其精度可達到0.000 1 mL/min。實驗溫度通過恒溫油浴系統控制，循環流體采用無核磁信號的油。與常規巖心驅替裝置不同，頁巖巖心被置于實驗裝置中間，實驗裝

置與巖心之間留有縫隙，頁巖巖心所有的面均可實現與注入流體接觸，模擬壓裂后巖心吞吐過程。

圖1 CO2-純水吞吐實驗裝置

表1 頁巖巖心基礎物性及吞吐方案

1.3 實驗步驟

(1) 將頁巖樣品放入無磁夾持器中，采用分子真空泵抽真空72 h(真空度為10-9MPa)。

(2) 再將復配活油注入夾持器內，在壓力為50.00 MPa(遠高于實驗壓力)、溫度為100 ℃下飽和7 d，使頁巖巖心完全飽和，連續監測和記錄核磁共振T2譜，直至核磁共振T2譜曲線不再變化，認為巖心已飽和完畢，測定巖心飽和油的初始T2譜曲線。

(3) 按照設計，將巖心內部壓力降至實驗壓力，CO2吞吐實驗中注0.3倍孔隙體積CO2，CO2-純水吞吐實驗中先注入0.1倍孔隙體積的水，再注入0.3倍孔隙體積的CO2，悶井5 h后，以恒定的速度降壓至設定壓力，連續記錄核磁共振T2譜，并對每次吞吐產出液的離子組成進行測試，4個周期后結束實驗。

(4) 實驗結束后，取出頁巖樣品進行掃描電鏡測試。

2 結果與討論

2.1 不同吞吐方式開采特征

表2為不同方式吞吐實驗結果。由表2可知：CO2-純水組合(悶井5 h)的吞吐效果最優，吞吐效率高達31.13%，比純CO2吞吐(悶井5 h)效率高8.24個百分點，比CO2-地層水組合(悶井5 h)高12.66個百分點。CO2-純水組合第1、2周期的吞吐效率遠高于其他2種吞吐方式，但第3、4周期的吞吐效果出現大幅下降，該情況也出現在CO2-地層水吞吐中，說明采用CO2和水組合進行吞吐開發，吞吐見效快，但后續多周期吞吐效果會變差。相比之下，只采用純CO2吞吐的第2、3周期吞吐相差并不明顯，多周期吞吐仍然能見效。

表2 不同方式吞吐實驗結果

以CO2吞吐和CO2-純水吞吐為例，吞吐效率隨著衰竭壓差的增大而增加(圖2)，由于二者作用機理不同，“吐”的過程也存在差異。當進行第1周期CO2吞吐時，衰竭壓差達到0.40 MPa就開始迅速產液，衰竭壓差增至1.50 MPa后，第1周期吞吐基本上不再產出原油；第2周期吞吐時，衰竭壓差達到1.34 MPa后才開始產出，產液所需啟動壓差逐漸增大，衰竭壓差達到2.30 MPa后吞吐效率不再變化；第3周期吞吐時，衰竭壓差達到1.60 MPa才開始產液，接近3.00 MPa后停止產液，后續增加衰竭壓差也未能見產油；第4周期吞吐生產壓差增至1.80 MPa才開始產液，產油量非常低，且后續增大壓差見效不明顯，說明注CO2吞吐受吞吐周期的影響較大，而放大生產壓差對吞吐效果影響并不明顯。

圖2 CO2吞吐和CO2-純水吞吐過程對比

反觀CO2-純水第1周期“吐”的過程，當衰竭壓差小于1.00 MPa時，第1周期吞吐效率快速增加，此時主要以產油為主，氣油比較高，說明該階段主要通過溶解的CO2將孔隙中的原油攜帶出來。當衰竭壓差進一步增至1.00～2.00 MPa，產出端開始見水和氣，此時三相流動阻力大，產油量雖減少但仍能持續產出；繼續放大壓差至2.42 MPa，產出端見油和氣，此時氣油比較之前偏低，產油量有小幅提升，一直持續到壓差增至4.60 MPa，仍有少量原油被采出，這表明注CO2-純水組合通過增大壓差，可起到提高產油量的作用，這是與CO2吞吐的不同之處。分析認為，悶井過程中，注入的純水和CO2的組合會溶蝕頁巖中的可溶性鹽，改善滲流通道，除此之外，CO2流體能透過水膜進入更多的孔隙，從而提高吞吐效率。

2.2 不同吞吐方式原油動用特征

圖3為不同吞吐方式不同孔隙下的原油動用效果，表3為不同方式吞吐結果。由圖3a和表3可知：進行純CO2吞吐時，第1周期主要動用的是大于0.10 μm孔隙中的原油，其中0.10～1.00 μm孔隙中原油動用程度為48.39%，大于1.00 μm孔隙中原油動用程度達到90.22%；第2周期吞吐提高了0.01～0.10 μm孔隙中原油動用程度，從9.49%增加至23.00%。第3、4周期吞吐大幅提高了0.10～1.00 μm孔隙中的原油動用程度，從50.52%提高至70.44%，而大于1.00 μm孔隙中原油動用程度基本接近100.00%，這說明CO2吞吐主要是對大于0.10 μm孔隙中原油進行了有效動用。雖然CO2通過溶解擴散作用能進入到不同大小孔隙中，但由于小于0.10 μm的頁巖孔隙細小，阻力較大，即使增大實驗壓差也只能置換出少部分原油。

圖3 CO2吞吐和CO2-純水吞吐的核磁共振T2譜圖

CO2-純水吞吐的孔隙動用效果見圖3b和表3：第1周期吞吐結束后，大于1.00 μm孔隙中原油動用79.86%，0.10～1.00 μm孔隙中原油動用只有7.59%，0.01～0.10 μm孔隙中原油動用23.12%，小于0.01 μm孔隙中原油動用12.10%。由核磁T2譜圖可知，0.10～1.00 μm的曲線出現了小幅凸起，這表明原油信號出現了增加(多次測量均出現此情況)。這有兩方面原因：一方面注入純水后再注入CO2，高溫、高壓下，這種酸性環境會加速儲層巖石中部分礦物(主要是碳酸鹽礦物方解石)的快速溶解[18-19]，導致0.10～1.00 μm的孔隙變大，計算出來的吞吐效率變低；另一方面，相比CO2吞吐，其小于0.01 μm和0.01～0.10 μm孔隙中原油動用程度明顯增加，溶蝕作用改善了孔隙連通性，少部分原油能運移至更大孔隙中(0.10～1.00 μm)，從而導致計算出的采收率變低。

表3 不同方式吞吐實驗結果

實驗結束后，將巖心切片放在掃描電鏡下觀察(圖4)。由圖4可知：CO2吞吐后，巖心多被石鹽覆蓋，孔隙局部放大顯示顆粒充填分布且表面多被石鹽(Hl)覆蓋；CO2-地層水吞吐后，發現巖心也被石鹽覆蓋，孔隙局部放大顯示顆粒表面石鹽(Hl)有少量變小；但在CO2-純水吞吐后，巖心內石鹽含量大量減少，孔隙局部放大顯示顆粒表面無石鹽覆蓋，且孔隙中短柱狀石膏(G)充填分布并有溶蝕現象。通過核磁共振和掃描電鏡的結果可知，CO2-純水或者低礦化度水注入至頁巖巖心，會在頁巖巖心內部發生溶蝕作用，導致孔隙結構發生改變，有利于提高滲流通道和原油動用程度。

圖4 CO2-純水、CO2-地層水和CO2吞吐后巖心變化

2.3 注CO2-純水吞吐產出液離子分析

為了進一步驗證吞吐過程中發生了鹽溶作用，在每周期吞吐過程中，取出產出水進行離子物質的量濃度測量(表4)。由表4可知：第1周期吞吐中可溶性鹽類發生了快速溶解，產出端溶液離子物質的量濃度較高，主要以NaCl、Na2SO4、MgSO4這類易溶性礦物為主。隨著吞吐周期的增加，產出端溶液離子物質的量濃度逐漸降低，并且Cl-、Na+、K+、SO42-等離子物質的量濃度下降速度快，唯有Ca2+物質的量濃度有所增加，表明CaSO4這類微溶性礦物，在吞吐過程中緩慢溶解。結合之前的實驗結果，可以認為，儲層中如NaCl、Na2SO4、MgSO4這類易溶性礦物，在吞吐初始階段即快速溶解，引起孔隙結構的改變；但在后續吞吐中，雖然也注入了純水，但產出液中的離子物質的量濃度明顯下降，說明后續注入純水并未擴大波及體積，只是提高原油動用效率，且原油動用主要靠CO2的萃取和抽提作用，這也從對照組CO2-地層水組合的吞吐效果最差得到印證。

表4 CO2-純水吞吐后產出液離子物質的量濃度

3 結 論

(1) 不同吞吐方式實驗結果顯示，CO2-純水組合的吞吐效果最好，其次是CO2吞吐和CO2-地層水組合。由于作用機理不同，CO2-純水和CO2-地層水組合前2周期的吞吐效率更好，但第3周期的吞吐效果會大幅下降。相比之下，純CO2吞吐的第2、3周期吞吐相差并不大，多周期吞吐仍然能見效。

(2) CO2吞吐主要是對0.10～1.00 μm孔隙中原油進行了有效動用，小于0.10 μm孔隙中的原油動用較差。相比而言，CO2-純水組合形成的酸性環境會溶蝕孔隙表面的可溶性礦物，改善孔隙連通性，提高儲層滲流能力，增加了小于0.10 μm孔隙中原油動用程度。

(3) 通過核磁共振、掃描電鏡和產出液離子分析，CO2-純水吞吐在初始階段會引起NaCl、Na2SO4、MgSO4這類易溶性礦物快速溶解，導致孔隙結構發生改變。但在后續吞吐中，產出液中的離子物質的量濃度明顯下降，說明后續注入純水并未擴大波及體積，只是提高原油動用效率。