碳酸盐岩含水层注CO2渗透率变化的研究
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摘要：注CO2过程中，CO2-盐水-岩石之间的相互化学作用会造成储层损害。在EOR过程中，这些相互作用会影响其注入能力，同时也影响存储容量和密封完整性，这也是CO2封存过程中的主要问题。该相互作用和其影响程度取决于以下几个参数：压力、温度、盐水盐度、CO2注入速度及岩石特性。CO2在地层盐水中溶解形成碳酸，从而溶解碳酸盐岩地层。与此同时，盐水中钙离子浓度增加可能导致碳酸钙沉淀。本文讨论了地层温度、CO2注入速度对沉淀的影响，以及溶解和沉淀对油井性能的影响。结果表明，在高温和高注入速度条件下注CO2能够增加岩心渗透率。岩心入口处渗透率增加，而岩心其它部分渗透率通常降低。
中图分类号：TQ127.1+3 文献标识码：A
1 前言
在过去的十几年中，科学家工作者对CO2地质储存方案进行了研究，他们发现在所有其它类型的地下储集层中，盐水层是具有最强的储存CO2能力。对CO2、地层流体及储层岩石之间的相互化学作用进行研究了解，这将是储存方案获得成功的主要因素之一。
二氧化碳溶于水形成弱碳酸（H2CO3），其溶解度随压力的增加而增加，随温度的增加而下降。此外，二氧化碳的溶解度受水矿化度的影响，并随着矿化度的增加而下降。注CO2过程中影响油井性能的主要因素是岩石类型（碳酸盐岩或砂岩）。砂岩和碳酸盐岩系统在最初的表现是相似的，当岩石基质发生溶解时就发生了改变，在石灰岩中形成溶道，成为主要的渗流通道，大大地改变了渗流特性。在产出液体和气体监测过程中，记录Ca2+、Mg2+、HCO3-及CO2浓度的增长，证实了注CO2过程中溶解作用的影响。
本文研究的主要目的是确定注入速度的影响，以及将CO2注入石灰岩含水层过程中温度对含水层渗透率的影响。
2 岩心驱替试验研究
2.1 实验材料
本实验使用的是长6英寸直径1.5英寸的方解石岩心，岩心性质见下表：
实验室温度下，固溶物总量35884ppm，PH值6.4，粘度1.04cP，密度1.026g/cm3。盐水组分见下表：
2.2 实验装置及步骤
该试验引用的是Mohamed等人提出的实验装置，所有试验中回压为一常数9MPa。岩心驱替试验温度分别为70°F、100°F、200°F，注入速度分别为2cm3/min、3.5cm3/min、5cm3/min、10cm3/min。
岩心在温度为275°F的烘箱中干燥五个小时，蒸发掉岩心空隙中所有水分。称量干岩心，然后在真空条件下用盐水饱和岩心，达到饱和以后，再次称量岩心。从其不同重量中计算可得出岩心的空隙体积。在岩心放入岩心储存器前，用热缩管将岩心包裹起来，以保持岩心的完整性。在岩心储存器中放入岩心，在室温条件下注入盐水，运用达西线性方程和层流公式计算其渗透率。
当注入盐水时，加热岩心，直至系统温度达到所需要的温度。在注盐水后，以一恒定流量注入CO2 5PV，重复3个周期。实验过程中收集岩心流出物样本，并分别计算出其钙离子浓度。每次实验都使用新的岩心。
2.3 实验结果
此项研究进行了12次岩心驱替实验。盐水与CO2交替注入周期为3个周期。每个周期注入5PV的CO2，每次实验一共注入15PV的CO2。所有实验中CO2-盐水比例都保持一致，体积比为1:1。
通过测量实验前后岩心渗透率来评估CO2注入速率对岩心渗透率的影响。此外，假设岩心基质中碳酸盐岩都是均质的，沿岩心长度方向上渗透率相同。无论是在何注入速度和温度条件下，将岩心切割成三段，每部分为2英寸，测量每段渗透率。结果表明，无论是何注入速度和温度条件，第一段岩心渗透率总是增加，这是由于碳酸与方解石岩相互反应造成了岩石的溶解。从第二段（中间段岩心）开始发生损害，随着注入面向岩心中推进其损害程度增加。沿岩心长度方向的渗透率分布在所有温度试验条件下具有相同的趋势。注入CO2后，虽然岩心的整体渗透率降低，但是第一段岩心渗透率仍然增加。流速为2cm3/min和5cm3/min时观察到其结果是一样的，但是在第二段和第三段可以观察到其损害更大。
2.3.1 温度的影响
试验温度分别为70°F、100°F、200°F，CO2溶解度随着温度的增加而增大。结果显示，岩心流出物样本中钙离子浓度大量增加，说明了温度的增加负面影响了大量岩石的溶解。
碳酸和方解石相互反应产生碳酸氢钙，碳酸氢钙溶解度随着温度的增加而增加。温度增加时，碳酸钙沉淀减少。结果显示：温度越高，渗透率增加越大，对岩心的损害越小。
在盐水注入过程中温度越高，注入压力越低，这是因为随着温度的增加，盐水的粘度下降。在CO2注入过程中，通过岩心的压力降随着温度增加而降低，而盐水注入过程中，其压力的变化没有那么大。因为CO2的粘度变化与盐水粘度相比要小得多，压力降的变化对温度的变化并没有明显的影响。
因为CO2的粘度比盐水的粘度要小15倍，所以其流动性比盐水好。在从CO2到盐水交替注入时，压力突然增大。其表明低流度相（盐水）流入岩心取代了高流度相（CO2），盐水饱和度增加导致压力上升。同时，随着岩心中盐水饱和度的增加，盐水相对渗透率增加。
2.3.2 注入速度的影响
本试验对四种注入速度2cm3/min，3.5cm3/min，5cm3/min，10cm3/min。分别进行了研究。在高注入速度下，CO2与盐水和岩心岩石的接触时间较短。随着注入速度的增加，岩石的溶解量则减少。研究结果显示，提高注入速度可以减少岩心流出物中钙离子量。同时，方解石溶解越少，则沉淀量越小。
在高速度注入条件下，盐水除了有能力保持一部分沉淀物质悬浮，还能够将沉淀物运移到岩心外。以高速度注入时二氧化碳-盐水交替注入后，从岩心流出物中可以观察到白色沉淀物，用浓盐酸检验，该物质被盐酸溶解，并且有气体（CO2）产生，由此我们推断其主要成分是碳酸钙。从岩心流出物样本中沉淀物质的显微图形中可以观察得到，碳酸钙沉淀物质粒度大小范围为32-275μm，从而导致了随注入速度的增加，渗透率也增加。
在低注入速度时，我们始终观察到注入CO2后岩心渗透率在降低。保持同样速度，增加温度则导致渗透率流失更少。增加注入速度速到3.5cm3/min，其损害程度比2cm3/min时要小，同样在高温时渗透率损失较少。在温度为200°F时，我们可以发现岩心渗透率明显增加。
在研究范围内的所有温度下，增加注入速度至5cm3/min，其岩心渗透率增加，而增加流速到10cm3/min时，我们发现其效果和流速为5cm3/min时相近。
通过比较岩心在同一温度（100°F）不同流速（3.5cm3/min，5cm3/min）下岩心方向上的压力降，增加注入速度导致沿岩心方向压力降增加。但由于CO2具有较高的流动性，在注入CO2过程中注入流速对压力降并没有显著的影响。
该项实验研究结果表明，渗透率的变化范围为±5%。
3 结论
在碳酸盐岩含水层注入CO2过程中，CO2-盐水-岩石之间的相互反应可能导致多种因素情况下含水层渗透性的损害或改善。岩石溶解程度越大，渗透性损害越大；在岩心入口处，渗透率增加；随着从岩心入口处向前推进，岩心渗透率降低；温度越高，渗透性改善越大，对储层岩石损害越小；尽可能增加注入速度，以避免造成储层损害，增加渗透率。
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