不同地层水矿化度下CO2驱油对岩石性质的影响*

刘 丽，马映雪，皮彦夫，刘金鑫，柏明星

（1.东北石油大学石油工程学院，黑龙江大庆 163318；2.提高油气采收率教育部重点实验室（东北石油大学），黑龙江大庆 163318）

0 前言

我国低渗透油气资源十分丰富［1］，但低渗油藏类型复杂，储层天然能量不足，注水、注聚合物溶液开采难度极大，而注CO2开发低渗透砂岩油田具有保持油藏压力、易于注入、易于实现注采平衡等优点，是目前最有效的提高低渗油藏采收率的开采方式之一［2-5］，并且能够有效减少温室效应［6］。

已有的室内实验和现场试验均表明，二氧化碳混相驱提高采收率的效果好于非混相驱［7］，最小混相压力（MMP）则是决定地层原油与CO2是否混相的最关键参数，它的确定尤为重要。目前对CO2驱的研究多集中在CO2纯度、油的组成［8-13］、油中是否含有天然气等方面。也有文献［14］已证实了CO2驱油过程中，由于沥青质沉淀和岩石溶解的影响，地层孔隙度、渗透率都有所下降；且地层水矿化度越高，渗透率降低程度越大［15-16］；岩石的孔隙特征对CO2驱油效果有一定的影响。由此可推断，CO2驱油过程中，地层水矿化度对CO2驱油效率应该是有影响的，但如何影响目前尚无文献报道。针对上述问题，本文采用贝雷岩心，利用岩心驱替法［17-18］，结合CT扫描，分析研究地层水矿化度对CO2驱油效率的影响规律。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

CO2（纯度99%），矿化度为6778 mg/L的模拟地层水（在1 L 蒸馏水中分别加入2829 mg NaHCO3、3489 mg NaCl、20 mg KCl、262 mg MgSO4、114 mg Na2SO4和64 mg CaCl2配制而成）；矿化度为15000 mg/L的模拟地层水，在1 L蒸馏水中分别加入8375 mg NaHCO3、10293 mg NaCl、60 mg KCl、773 mg MgSO4、336 mg Na2SO4和188 mg CaCl2配制而成；贝雷岩心，长30 cm、直径2.5 cm；模拟油由原油与适量煤油混配而成，黏度9.8 mPa·s（45℃）。

SkyScan 1172 型高分辨率CT，比利时skyscan公司；ISCO泵、回压阀、恒温箱、CO2气瓶、岩心夹持器、真空泵、活塞容器、六通、压力表、试管、钢管线、阀门，装置连接如图1所示。

图1 岩心驱替实验装置

1.2 岩心驱替实验

首先，选取多块孔隙度和渗透率相近的贝雷岩心（孔隙度18%、渗透率50×10-3μm2左右），在温度45℃、其他条件相同的情况下，分别饱和蒸馏水和不同矿化度的模拟地层水、饱和油，用ISCO泵A以0.8 mL/min 流速进行CO2驱油，每隔30 min 记录一次产液量，ISCO 泵B 给回压阀加回压（低于注入压力0.8数1 MPa），分别测试驱替压力为10、15、20、25、27、30 MPa情况下的CO2驱油效率，驱替至出口端不再产油时停止。绘制驱替压力与驱油效率关系曲线，通过线性回归非混相段与混相段，确定其交点压力即最小混相压力。

2 结果与讨论

2.1 不同矿化度下CO2驱替压力对驱油效率的影响

不同矿化度水、不同驱替压力下CO2的驱油效率如图2 所示，实验中CO2驱至出口端不再出油为止。绘制对应的关系曲线得出对应矿化度条件下的拐点压力。

图2 驱替压力与驱油效率关系曲线

由图2 可知，当饱和地层水矿化度分别为0、6778 和15000 mg/L 时，CO2驱的拐点压力分别为22.35、21.78 和20.98 MPa，即在储层孔渗参数基本相同的情况下，随着饱和地层水矿化度的增加，CO2驱的最小混相压力降低。当驱替压力为20 MPa 时（非混相），对应驱油效率分别为85.95%、86.67%和85.25%；当驱替压力为25 MPa 时（混相），驱油效率分别为90.61%、89.67%和87.85%；当驱替压力为30 MPa 时，驱油效率分别为91.06%、90.38%和88.73%。可见混相后，驱油效率随着驱替压力增大而增加的幅度逐渐小，基本持平；同压力条件下，矿化度高的驱油效率较低。这是由于CO2驱过程中，CO2不仅溶于原油也溶于水，当发生溶蚀反应时，生成的矿物沉淀会影响储层的孔喉特征参数、孔隙度、渗透率，进而影响CO2驱的驱油效率［19-20］。由于这一过程中既有矿物溶解也有新的难溶性矿物生成，因此岩心孔隙度和渗透率的变化将受碳酸盐的溶解和二次析出的双重控制［21-26］，通过化学分析，确定了CO2驱后的贝雷岩心中有Al2Si2O5（OH）4、H4SiO4、MgCO3、CaCO3沉淀物，且饱和地层水的矿化度越高，产生的沉淀量越多，对孔喉的堵塞越严重，导致CO2流动阻力变大，在一定程度上减缓了CO2突破速度，增加了其与原油的接触扩散时间，导致拐点压力降低，但也导致了CO2驱的最终驱油效率降低。

2.2 不同矿化度下CO2驱替后岩心参数变化

为了进一步分析验证不同矿化度下CO2驱替过程对岩心孔隙度、渗透率及孔喉特征参数的影响，将同一根贝雷岩心平均分成3 段，分别饱和不同矿化度的地层水，称重法计算孔隙度；再分别以1、2和4 mL/min 的流速测岩心的水测渗透，取其平均值；向岩心中注入CO2，出口端见气后关闭出口端阀门，继续注入CO2至22 MPa，关闭注入端，焖井48 h后，将岩心烘干，再次测试其孔隙度和水测渗透率，对比分析孔隙度和渗透率的变化规律。将3块实验后的岩心与原始贝雷岩心分别切片进行CT 扫描，进而分析其孔喉变化规律。

（1）岩心孔隙度、渗透率变化

分别饱和不同矿化度地层水的岩心通CO2前后的孔隙度和渗透率见表1。由表1 可知，通CO2后，除了饱和蒸馏水的岩心孔隙度略有增加、渗透率略有降低外，其余饱和矿化度岩心的孔隙度和渗透率均降低，且饱和地层水的矿化度越高，孔隙度和渗透率降低幅度越大，说明地层水的矿化度越高，产生的沉淀量也越大，对孔喉的堵塞越严重。

（2）岩心孔喉半径变化

分别将饱和不同矿化度地层水、通CO2后的岩心切片后进行CT扫描，结果如图3所示。由图3可见，即使同一块岩心，经饱和水、通CO2处理后，与原始状态岩心的孔隙和喉道相比，随着饱和水矿化度的升高，岩心的孔隙半径和孔隙数量均依次递减，岩心的致密性依次增强；当地层水矿化度为15000 mg/L 时，岩心饱和水后再通CO2，其孔隙数量明显减少，致密性明显增强，说明此时新生矿物的沉淀量大于岩石的溶蚀量。

表1 饱和不同矿化度水的岩心通CO2前后孔渗变化

图3 原始岩心（a）、分别饱和蒸馏水、矿化度6778和15000 mg/L水后通CO2岩心（b、c、d）切片的CT扫描对比

通过CT 扫描，分别统计了原始岩心和饱和不同矿化度地层水、通CO2后的岩心的孔隙半径、喉道半径的分布，如图4、图5所示，图中折线分别为原始孔隙半径和原始喉道半径的分布，柱状图则表示饱和不同矿化度地层水、通CO2后岩心孔隙半径和吼道半径的分布变化。由图可知，地层水矿化度对储层孔隙半径和喉道半径确实存在影响，总体上表现出了一致的趋势，即随着地层水矿化度的增加，饱和地层水、通CO2后岩心的小孔隙和小喉道的比例不断增加；而大孔隙和大喉道的比例不断减少。这一结果证实了CO2驱过程中地层水的矿化度对储层的性质确实有影响，同时解释了为什么地层水的矿化度越高，CO2驱过程中岩心孔隙度和渗透率降幅越大。

另外，在CO2驱替过程中，岩心的渗透率和孔隙度越小，岩心中CO2与原油之间的组分转换更为激烈，达到混相所需的时间减少，因此一定程度上导致了地层水矿化度越高越易于达到混相，即拐点压力越低。

图4 与原始岩心切片相比的孔隙半径频率差

图5 与原始岩心切片相比的喉道半径频率差

3 结论

在其他条件相同的情况下，随着岩心内水矿化度的增大，最小混相压力减小，CO2驱油效率也略有降低。地层水的矿化度对CO2驱的驱油效率有影响。

CT 扫描结果表明，随着岩心内水矿化度的增加，CO2驱后岩心孔隙半径和喉道半径不断减小，孔隙度和渗透率不断降低。

CO2驱过程中既有矿物溶解又有新的难溶性矿物沉淀生成，岩心大尺寸的孔隙和喉道半径频率均减小，且随着饱和地层水的矿化度升高，产生的沉淀量增多，对孔喉的堵塞严重。