CO_2_水_方解石相互作用后岩石表观形貌及渗透率变化特征_肖娜

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实验结果与讨论
方解石的组成分析 方解石 本实验中使用的方解石是白色方解石， 的晶体结构如图 2 所示， 方解石的晶体结构是典型 的菱形结构， 方解石的 X 射 线 衍 射 结 果 如 图 3 所 ， 示 方 解 石 的 化 学 组 成 主 要 是 CaCO3 和 CaMg（ CO3 ） 2 ， 实验使用的方 根据半波宽度的计算， 组成成分中有少量 解 石 中 有 97. 8% 为 CaCO3 ， CaMg（ CO3 ） 2 ， 所以本次实验使用的方 解 石 纯 度 较 高， 其主要化学成分为 CaCO3 。
第 17 卷 第 24 期 2017 年 8 月 1671 — 1815 （ 2017 ） 024-0038-07
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Science Technology and Engineering
Vol. 17 No. 24 Aug． 2017 2017 Sci. Tech. Engrg.
CO2 水方解石相互作用后岩石 表观形貌及渗透率变化特征
CO 2 的排放加重了温室效应的影响 ， 减少 CO 2 的排放已达成世界性的共识 。 将 CO 2 注入地下油 这 藏驱替原油是一种 减 少 CO 2 排 放 的 有 效 方 法 ， 种方 法 既 能 提 高 原 油 采 收 率 ， 也能减轻温室效 ［1 ， 2］ CO 2 驱 具 有 非 凡 的 社 会 及 经 济 。因 此， 应 。 效益 CO 2 、 油藏中进行 CO 2 驱 时 ， 水和岩石之间的
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； 其 中， 地质封存 效 果 储层岩石中的碳酸盐 矿物极易与 CO 2 和水发生反应导致储层物性发生 改变 。 碳酸盐储层主要由方解石 、 白云石 、 铁白云 石、 菱镁矿等矿物组成 ， 这些矿物都非常容易溶解 到碳酸溶液中 ， 使储层发生严重的溶蚀 ， 导致储层
2017 年 01 月 13 日收到 第一作者简介： 肖 引用格式： 肖 38 —44 watercalcite interacXiao Na， Li Shi， Lin Meiqin． The influence of CO2 tions on surface texture and permeability of the calcite［J］． Science Technology and Engineering， 2017 ， 17 （ 24 ） ： 38 —44 中国石油科技创新基金
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（ 2015D50060206 ） 和国家自然科学基金（ 41302096 ） 资助 娜（ 1984 —） ， 讲师。 研究方向： 油田化 女， 硕士， 水方解石相互作用后岩石 实， 林梅钦． CO2 mail： 4459521@ qq． com。 学、 提高采收率机理等 。E娜， 李 表观形貌及渗透率变化特征［J］． 科学技术与工程，2017 ，17 （ 24 ） ：
图2 Fig． 2
方解石晶体结构示意图 Crystal structure of calcite
图 3 方解石 X 射线衍射图 Fig. 3 Xray diffraction of calcite
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不同压力下 CO2 水方解石作用后岩石表观 形貌及溶液中离子含量变化特征 对岩石造成 为了考察 CO2 与水及岩石作用后， 的溶蚀情况， 实验用方解石切片与 CO2 和水作用， CO2 对方解 通过扫描电镜观察在不同压力条件下， 石切片 表 面 的 溶 蚀 情 况 及 岩 石 表 观 形 貌 的 变 化 情况。 方解石表面形貌发生变化的主要原因是二氧化 碳遇到水后生成了碳酸， 碳酸解离出氢离子， 氢离子 与方解石中的碳酸钙生成可溶的碳酸氢钙 。 方解 石、 水及二氧化碳相互作用发生反应的化学方程式 2+ － 为 CaCO3 + H2 O + CO2 → Ca + 2HCO3 。 因此实
1 为 CO2 供给源； 2 为阀门； 3 为反应釜； 4 为电加热仪器； P1 、 P2 为压力计量表
图1 Fig. 1
CO2 ， 水和岩石反应的实验仪器流程
Scheme of equipment used for CO2 waterrock reactions
岩石表面形貌的测定方法 本实验采用英国剑桥和德国 Leica 联合有限公 司生产的 Leica CAMBＲIDGE S —360 型扫描电镜来 研究岩石表观形貌。 该仪器的加速电压为 20 kV， 仪器 的 分 辨 率 为 5 nm， 样品的放置空间体积为 －3 －4 1. 33 ˑ 10 1. 33 ˑ 10 m3 ， 测试温度为 25 ħ 。 实验过程先将方解石切片， 并打磨成 20 mm ˑ 20 mm 的薄片， 在去离子水中用超声波振荡清洗其 表面后， 烘干， 用导电胶将其黏结在样品座上， 采用 离子溅射的方法给方解石镀膜。用扫描电镜观察镀 膜方解石切片的形貌。将用扫描电镜观察过的方解 石切片置于高压反应装置中反应后， 再将方解石切 片取出烘干， 再次用扫描电镜观察反应后方解石切 片表面的形貌。 1. 2. 4 水溶液样品取样及离子浓度测定方法 在 CO2 、 水和方解石 20 d 的反应进程中， 反应 1. 2. 3
使用含有碳酸盐矿物的 渗透率 增 加 。 Ｒoss 等 岩石样品与 CO 2 和水 作 用 后 发 现 ， 岩石中的碳酸 ， 盐矿物优先被溶蚀 形成大量次级溶蚀通道 ， 且对 驱替后水溶 液 的 离 子 分 析 发 现 ， 钙离子浓度明显 ［24］ 增加 。 Lzgec 研究指出 ， 碳酸盐岩溶解过程中产 生大量蚓孔 ， 明显改善了孔喉的连通性 ， 引起渗透 ［25］ 。 Ｒaistrick 率的显著改善 等 研究发现碳酸盐样 2+ Mg2 + 、 品与 CO 2 和水作用后 ， 实验流出液中 Ca 、 HCO 3－ 浓度显著增大 ， 表明碳酸盐矿物发生了溶解 作用 。 此外 ， 也有学者指出碳酸盐岩物性的变化 与压力 、 温度 、 地层水和岩石矿物组成以及 CO 2 分
液体每 2 d 取样一次， 样品溶液主要阳离子的浓度 由美国黎曼公司制造的 Profile 型电感耦合等离子 AES ） ， 该仪器的分辨率为 体发射光谱仪测定 （ ICP－ 200 nm， 样品溶液中的 HCO3 浓度用双指示剂示踪 法测定。 1. 2. 5 填充砂管与 CO2 反应及渗透率测试方法 将粒 状 方 解 石 和 石 英 砂 等 比 例 混 合 填 入 30 cm 长的填 砂 管 中 ， 采用水测渗透率的方法测 试填充砂管的初 始 渗 透 率 。 测 试 结 束 后 ， 将砂管 放置 3 d ， 再 次 测 试 砂 管 的 渗 透 率。 然 后 将 填 充 后的砂 管 模 型 一 端 用 阀 门 封 闭 ， 通 入 5 MPa 的 CO 2 气体反应 ， 每 隔5 d 测 定 一 次 砂 管 的 渗 透 率 。 测试温度为 65 ħ 。
验也测定了不同反应压力条件下溶液中 Ca 浓度 － 和 HCO3 浓度随反应时间的变化情况。 2. 2. 1 不同压力下 CO2 水方解石作用后岩石表观 形貌变化特征 水、 方 解 石 在 30 ħ 温 度 下， 图 4 为 CO2 、 0. 5 MPa、 2 MPa、 5 MPa 和 10 MPa 压力下反应前后 岩石 表 观 形 貌 图。 由 图 4 中 可 以 看 出， 方解石与 CO2 、 水发生作用后， 其表面形貌发生了明显的 变 。 CO 随 CO2 作 用 压 力 的 增 化 2 与方 解 石 反 应 后 ， 加， 方解石出现蜂窝状溶洞的现象更明显。 在压力 CO2 与方解石作用， 方解石表面只是 为 0. 5 MPa 时， 出现很少的溶蚀现象， 而当压力上升到 10 MPa 时， 方解石的表面出现了明显的溶蚀现象， 即方解石的 形貌发生了更为明显的变化。 这主要由于 CO2 的 CO2 、 水和方解石的溶蚀反应速率越快， 压力越高， CO2 与方解石作用越强， 方解石表面的溶蚀情况就 Gilfillan 和 Tang 的 越严重。 这个结论与 Pokrovsk、 ［27 —29 ］ 。 研究结果一致 2. 2. 2 不同压力下 CO2 水方解石作用后溶液中 Ca2 + 和 HCO3－ 浓度变化特征 水、 方 解 石 在 30 ħ 温 度 下 ， 图 5 为 CO 2 、 0. 5 MPa 、 2 MPa 、 5 MPa 和 10 MPa 压力下反应后溶
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实验部分
实验材料和样品 在本实验中使用了片状和粒状的两种方解石材 料。片状的方解石材料是将方解石切成 8 mm 的薄 片， 在去离子水中用超声波震荡清洗后， 在 70 ħ 的 环境中放置 12 h 晾干。 粒状方解石样品是将方解
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娜， 等： CO2 水方解石相互作用后岩石表观形貌及渗透率变化特征
［26］ 压相关 。 因此， 为了进一步研究碳酸盐储层在进行 CO2 驱过程中影响储层物性变化的主控因素 ， 以方解石 （ 主要成分为 CaCO3 ） 为代表， 研究了不同压力、 不 CO 同温度条件下 2 水 方解石相互反应后岩石表观 形貌、 溶液中离子组成含量变化以及不同作用时间 下方解石 / 石英砂填砂管模型渗透率的变化， 为碳酸 盐储层实施 CO2 驱过程中流体、 岩石之间的相互作 用提供有价值的参考信息。
2+ HCO3－ 浓度增加； 反应温度增加， 现溶蚀现象； 反应压力增加， 方解石溶蚀现象增加 ， 反应后溶液中 Ca 、 方解石溶蚀现象增 2+ HCO3－ 浓度先增加， 后降低； 与 CO2 和水反应后的方解石 / 石英砂填砂模型水测渗透率增加 。 加， 反应后溶液中 Ca 、 CO2 关键词 CO2 驱 水岩石相互作用 方解石 溶蚀 表观形貌 离子浓度 渗透率 TE357. 45 ； A 中图法分类号 文献标志码
肖 娜
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林梅钦
பைடு நூலகம்
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（ 长江大学石油工程学院油气钻采工程湖北省重点实验室1 ， 武汉 430100 ； 中国石油勘探开发研究院2 ， 北京 102249 ） 北京 100083 ； 中国石油大学（ 北京） 提高采收率研究院3 ，
摘 要 将 CO2 注入地下油藏用于驱替原油是减少温室气体的排放及提高原油采收率的一种有效方法 。 CO2 注入地层后会 与地层流体和岩石发生反应 ， 其中岩石组成中的碳酸盐矿物极易与 CO2 和水发生反应导致储层岩石物性发生改变 。 论文以 AES ） ， 方解石为代表样品， 采用 X 射线衍射仪 （ XＲD ） ， 电诱导双等离子体原子排放光谱测定仪 （ ICP扫描电镜 （ SEM ） 及在 5 MPa压力下填砂模型的试验方法进行评价 ， CO2 分别考察了方解石的矿物学性质 、 反 水方解石反应前后方解石的表面物性 、 与 CO2 和水反应后， 方解石出 应前后溶液的离子浓度变化及方解石填砂模型与 CO2 、 水反应后渗透率的变化 。实验结果表明，
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石破碎后选取直径 0. 45 mm 的方解石粒。 方解石 材料是由中国石家庄某公司提供。 高纯 CO2 ： 纯度 大于 99. 95% ， 由中国湖北武汉新星气体有限公司 提供。实验用水均为去离子水。 1. 2 实验方法 1. 2. 1 方解石组分分析 方解石的黏土矿物学性质由日本理学电机公司 制造的 D / MAX 2500 型 X 射线衍射仪 （ XＲD ） 测定， 可测定出方解石中所含矿物的成分及含量 。 1. 2. 2 CO2 、 水和岩石静态反应方法 CO2 、 水和岩石静态反应在特制的高压反应釜 （ 南通华兴石油仪器有限公司制造 ） 中进行， 反应装 置的流程图如图 1 所示。将方解石片状样品放置在 反应釜的底部， 并倒入 100 mL 的去离子水并没过样 ， CO 品 将 2 注入反应釜并使其压力达到一定压力 ， 用电加热仪使反应釜内温度达到实验所需的温度 。 在特定的压力和温度下反应 20 d 后将片状方解石 样品取出即可。
［5 —7］ 。 这些反应涉及专业的油藏特 反应十分复杂 ［8 ， 9］ 。 注入地层的 CO 2 溶解于地 性反应 ， 不易总结 ， 层水中生成碳酸 碳酸与油藏岩石发生反 ［10 —12］ ， 渗透率及岩 将会改 变 储 层 的 孔 隙 结 构 、 应 ［13 —19］ ， 石表面的润湿性 从而影响 CO 2 驱油效率和 ［3 ， 4］