纳米颗粒对深部盐水层中CO2运移影响分析

章星

(中国石油大学(北京)克拉玛依校区，新疆 克拉玛依 834000)

杨龙，杨成克，葛玲，龙新满，郭慧英

(中石油新疆油田分公司实验检测研究院 新疆砾岩油藏实验室，新疆 克拉玛依 834000)

在深部盐水储集层中进行CO2埋存时，CO2相对于实际地层中的盐水来说具有低密度和低黏度的特点[1～4]，如果在盐水层上面无封闭或渗透率低的盖层，封存的CO2将会沿着盖层中相对较大的通道上升从而产生泄漏重新回到大气中[5～10]。一种潜在的方法可以使得CO2产生自封堵，即化学物质包裹的纳米颗粒让CO2在盐水中产生稳定的泡沫。在实际运移和封堵方面，含有纳米颗粒的稳定泡沫和(或)乳状液(如果CO2为液相)与各自的单相流体相比具有较低的流动性[11～13]。因此，CO2在通道中移动时能够自发地形成泡沫，该泡沫的产生将会大大降低CO2的流动性，并且可以预防潜在的CO2泄漏。在埋存中采用这一方法，可以将纳米颗粒注入到预期封存层位的上方或是最有可能、风险最大的地方[14～16]。纳米颗粒远小于岩石孔喉，并且其表面的化学物质可以减少与岩石的相互作用，纳米颗粒可以很容易地被运送到盐水层[17～19]。如果埋存的CO2受浮力影响上升通过任何含有纳米颗粒的地方，纳米颗粒将会吸附到CO2与盐水的表面。如果CO2是微小的液滴，这些液滴将会是稳定的(不会合并)并且会形成CO2/盐水乳状液[20～23]。为此，笔者研究上述机制是否会在CO2驱替岩心试验中发生，并通过CT扫描的测量驱替过程中流体的饱和度，记录岩心两端的流动压差，分析与讨论纳米颗粒试验中乳状液的形成机制。

1 试验部分

1.1 设备与岩心

图1 岩心驱替试验流程

试验主体装置是一台经过改造的Universal Systems HD-350医疗CT，试验中实际饱和度的测量是将岩心水平方向放置于CT扫描仪内进行扫描。由CT扫描仪测量材料的实际密度，通过线性修正饱和湿相和非湿相三维像素的CT数值，将实际测量的密度转化为流体饱和度。沿着岩心每5mm扫描一次，扫描厚度为5mm，扫描所得图像的最小分辨率是0.3mm。

试验所采用的岩心为圆柱形的Boise岩心，直径7cm，长度30cm，孔隙度27.5%，渗透率1D。为避免CO2的腐蚀，先在岩心表面包裹一层聚四氟乙烯热缩膜，然后包裹4层铝箔，最后再包裹一层聚四氟乙烯热缩膜。铝制岩心夹持器内有一个AFLAS橡胶套筒。聚四氟乙烯热缩膜是防水的一层保障，铝箔是防止CO2扩散到AFLAS橡胶套筒。铝制岩心夹持器是用于避免夹持器和岩心的高密度对比，防止造成不利的CT扫描测量。Teledyne Isco泵提供13 MPa的围压，dual-Teledyne Isco泵用于不间断地往岩心中注入CO2和盐水等流体。岩心驱替试验流程如图1所示。

1.2 流体参数

试验中用的非湿相流体是液态CO2，压力9.3MPa，温度20℃。饱和地层水的CO2是将地层水注入CO2中(流体流量0.1cm3/min，注入时间5h)，每1000cm3CO2中含有10cm3地层水，并在使用前使得CO2和地层水平衡40h。

试验中用的湿相流体是质量分数为2%的NaBr溶液(模拟地层水)和含有5 % 纳米颗粒(型号3M)的2% NaBr溶液。这2种溶液都饱和过CO2，将CO2注入湿相流体中(流体流量0.5cm3/min，注入时间5h)，每1000cm3湿相流体中含有100cm3CO2，并在使用前使得湿相流体和CO2平衡40h。

试验流体参数如表1所示。

表1 试验流体参数

1.3 试验方案

为准确地获得纳米颗粒对驱替特征的影响效果，采用同一块岩心进行不同的驱替试验。

1)盐水试验。岩心饱和盐水，然后进行CO2驱替(流体流量0.5cm3/min，注入时间12h)。

2)纳米颗粒试验。岩心饱和纳米颗粒溶液，然后进行CO2驱替(流体流量0.5cm3/min，注入时间12h)。压差通过连接在岩心进口端和出口端的Rosemount传感器测量。在CO2驱替的早期阶段每15min扫描一次，在CO2突破后每1h扫描一次。

2 试验结果

2.1 岩心横截面饱和度分布

图2是CO2注入0.1PV时盐水试验的部分扫描结果。由左向右，在距离岩心入口端1cm处开始扫描，红色表示完全饱和盐水，蓝色代表CO2。这些扫描图片表明，CO2流体的驱替前缘是不一致的，有些高CO2饱和度区域紧邻着高盐水饱和度区域。整体来看，CO2的驱替前缘在岩心中形成了一条优势通道，产生指进现象。从图2(a)～(e)可以看出，其右手边一直含有大量盐水,图2(e)、(f)显示CO2开始发生指进,图2(g)、(h)能够明显发现在10点钟方向出现CO2的单一指进。在被CO2驱替过的区域，盐水的平均饱和度为23%,而在邻近的区域，盐水的平均饱和度为94%(图2(b))。

图2 CO2注入0.1 PV时盐水试验的部分CT结果

图3 CO2注入0.1 PV时纳米颗粒试验的部分CT结果

图3是CO2注入0.1 PV时纳米颗粒试验的部分扫描结果，对比图2，图3中CO2横向流动变化大，减缓甚至消除指进。特别的是，当注入相同体积的CO2时，CO2的移动距离少于对照试验中CO2的移动距离(减少约20%)，并且驱替前缘后的图片变化规律都比较一致(颜色比较统一，盐水试验中有明显的红色和蓝色)，没有明显的指进。尽管在被CO2驱替过的区域大部分充填的是CO2，但是盐水的平均饱和度依然很高(42%)。因为CO2和盐水在自然情况下是不混溶的，如此高的剩余饱和度可以说是岩心中形成乳状液的一种标志。

2.2 含水饱和度变化

图4(a)为岩心饱和盐水不同注入体积CO2的含水饱和度分布图，含水饱和度为所对应的扫描厚度为5mm岩心内的平均含水饱和度。可以看出，在CO2驱替前缘的后方，饱和度曲线的整体斜率为0.06cm-1，曲线变化平缓，对于整个岩心来说没有明显的CO2驱替前缘。在CO2注入体积达到0.31PV时，岩心出口就出现了CO2的突破，这表明CO2在岩心内为非活塞式驱替，出现指进现象，并且指进随着注入体积的增加更加明显。

图4(b)为岩心饱和纳米颗粒溶液不同注入体积CO2的含水饱和度分布图。相比于盐水试验，可以发现明显的CO2驱替前缘，此时饱和度曲线变化陡峭，其斜率为0.12cm-1，为盐水试验的2倍。在CO2驱替前缘的后方，含水饱和度的变化在横向和纵向上是一致的(约为40%)，CO2指进现象减缓，这种近似于活塞式的驱替，正是所期待的稳定驱替。

图4 不同注入体积CO2的含水饱和度分布

2.3 总压力梯度变化

不同驱替试验中总压力梯度随注入体积变化曲线如图5所示。盐水试验中，总压力梯度的增长主要是岩心中的两相流动，总压力梯度的降低是因为CO2、饱和度的增加。在剩余水条件下，其最终的总压力梯度要略小于盐水流动的总压力梯度。纳米颗粒试验中，总压力梯度变化的大体趋势与盐水试验中的相同(先增大、再减小，最后趋于稳定)。但是，对于纳米颗粒试验，其总压力梯度是盐水试验的1.5～2.5倍。

3 讨论与分析

图5 不同驱替试验中总压力梯度随注入体积变化曲线

上述结果表明，盐水中存在纳米颗粒时，CO2驱替前缘变得稳定或可以自动调节。对比盐水试验，其驱替前缘后方的含水饱和度越高，总压力梯度越大。黏性指进是十分普遍的现象，在盐水试验中发生主要是因为CO2的黏度要小于盐水的黏度，由于注入相的流动性要大于防御相的流动性，使得前缘黏性不稳定。所观察到的纳米颗粒试验的稳定性，也只是相对于盐水试验，注入的CO2流体可以和纳米颗粒产生一个流动性较低的相。

试验中采用粒径为5nm的二氧化硅纳米颗粒(型号3M)，该纳米颗粒有一层5nm厚度的PEG(polyethylene-glycol，聚乙二醇)外层。纳米颗粒的PEG外层可以减少纳米颗粒在多孔介质中的滞留量，从而增强纳米颗粒在多孔介质中的运移能力。纳米颗粒的主要效果就是产生稳定的乳状液，试验条件下的乳状液可以减小流动性，一方面增加了注入相流体的有效黏度，另一方面减小了其相对渗透率。

在上述驱替试验中，乳状液的产生可以归功于Roof snap-off现象。在局部孔喉处，非湿相饱和度的增加将会产生海恩斯跳跃(Haines jumps)，即当非湿相流体的压力足够大时，其将会通过喉道跳跃到邻近的孔道中。海恩斯跳跃将会造成喉道中局部毛管压力的临时减小，可以使得孔道中的湿相流体再次融合或者是发生跳跃。当溶液中不存在纳米颗粒时，在有非湿相流体再次进入孔道时由于其连续受力将会发生融合。如果溶液中存在纳米颗粒，当非湿相流体变得分散时，它将会被纳米颗粒所包裹，无法融合，将会成为稳定的乳状液。

4 结论

1)在纳米颗粒试验中，CO2横向流动变化大起到减缓甚至消除指进的作用，CO2驱替过的区域中盐水的平均饱和度较高(42%)，海恩斯跳跃现象使得在岩心中形成乳状液。

2)纳米颗粒试验中流体流动压差变化趋势与盐水试验中的相同(先增大、再减小，最后趋于稳定)，其流动压差是盐水试验的1.5～2.5倍，最大的不同是在驱替过程中两相流动的时候。

3)在CO2埋存和CO2提高采收率中，纳米颗粒对流体流动性控制能够起到很好的效果，能够有效抑制CO2在孔隙介质中的运移。