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摘要：为研究温室气体CO2埋存及提高采收率注入过程对储层物性的影响，在室内开展了CO2-岩石-地层水相互作用的静态和动态实验。主要研究了饱和CO2地层水注入对储层岩石矿物的溶蚀作用、新矿物沉淀现象、地层水矿化度的变化情况以及储层渗透率的变化原因。结果表明：1）静态实验反应液中HCO-3与岩石反应，出现CO32-液体呈弱酸性，黄铁矿导致Fe（OH）3沉淀生成；2）动态实验驱替过程中同时存在CO2的溶蚀作用和沉淀作用，沉淀作用较强，溶蚀作用较弱使得物性变差。该研究成果揭示了CO2-地层水-岩石的相互作用机理和储层渗透率变化的原因，为温室气体CO2规模化捕集与封存以及资源化利用提供了地球化学依据。

关键词：CO2-岩石-地层水相互作用；地质封存；溶蚀作用

中图分类号：TE341

文献标志码：A文章编号：2095-5383（2016）04-0003-06

Abstract：In order to explore the influence of carbon dioxide storage and the injection processes on reservoir lithology and physical property， aiming at enhancing the oil recovery rates， static and dynamic experiments are designed to figure out the interaction process between CO2saturated rocks and formation water. This experimental research mainly includes the process of mineral corrosion，dissolution while injecting the formation water saturated CO2 precipitation phenomenon of new minerals， and changes of formation water"s mineralization degree. The results show that firstly， in the static experiments， bicarbonate ions mixing in the reacting fluids react with rocks， producing carbonate ions and making the fluids weak acid； meanwhile， the existence of pyrite leads to ferric hydroxide precipitation， secondly， with the procession of dynamic experimental displacement， corrosion effects and precipitation effects exist at the same time. Owing to the weak corrosion effects and the precipitation effects， the physical properties of formation rocks become worse. These results from the experimental researches reveal the mechanism of interaction processes between carbon dioxide saturated rocks and formation water， and the reason why formation permeability changes， providing the geochemical evidence for scale capture， the storage of carbon dioxide and resource utilization.

Key words：interaction processes between carbon dioxide staturated rock and formation water；geological storage； corrosion effect

碳捕获、利用与封存是应对全球气候变化的关键技术（CCUS，Carbon Capture，Utilization and Storage）之一[1-3]，而国内以埋存为目的的油藏注CO2的项目和研究都很少[4-7]。因此，急需开展CO2与油气水多相流体、储层岩石之间的相互作用、封存机理等方面的研究[6-13]。由于岩石性质在深部储层情况不同于大气条件，CO2注入后储层温度和压力都会逐渐重新达到平衡[14-15]，特别是CO2注入后盐岩可能发生溶解或沉淀作用，这将导致CO2注入井周围及储层渗透率发生改变[16]。因此，需要对CO2-地层水-岩石的相互作用机理进行进一步的研究[17]。

国外于20世纪80年代开始对CO2-水-砂岩相互作用的实验研究。其中CO2-天然岩矿相互作用及碳在矿物中“固化”的数值模拟研究成果突出；赵仁保等[18]和于志超等[19]分别进行了岩心驱替实验，研究了埋存过程有关的化学反应，得出了溶蚀作用会增大储层渗透率的结论。但国内CO2地质埋存的研究尚在起步阶段，关于CO2-砂岩相互作用及矿化反应的实验还需进一步完善。本文采用扫描电镜、X衍射、CO2-岩石-地层水静态反应和动态反应的CO2地质封存对储层影响的实验评价方法，重点研究了饱和CO2地层水注入后，储层岩石矿物的溶蚀作用、新矿物沉淀现象以及地层水矿化度的变化规律。

1 实验

1.1 静态饱和岩样实验

1.1.1 实验装置

实验装置主要由短岩心驱替装置、高温高压驱替泵及恒温箱等构成，如图1所示

1.1.2 样品准备

1）岩样准备。饱和CO2地层水的静态封存实验砂岩岩心基本物性参数为：岩心长度3.225 cm，岩心直径2.521 cm，岩心孔隙度28.45%，空气渗透率36.43 mm2。

2）地层水的配制。根据岩心所在层段的地层水资料配制模拟地层水，将配好的模拟地层水倒入配样器中，加热至25 ℃，加压至8 MPa，在恒压8 Mpa下加入过量高纯CO2，搅拌12 h后放出未溶解的多余气体，则配得饱和CO2的地层水。

1.1.3 实验过程

1）将实验岩样进行端面切片及扫描电镜分析；2）测试实验前模拟地层水pH值C1；3）分别在25 ℃、80 ℃时，恒压8 MPa下用CO2饱和地层水完成加压饱和；4）静置7 d后取出岩屑进行端面切片及扫描电镜分析，并记录不同条件下模拟地层水pH值C2；5）利用pH测试和扫描电镜分析，定性分析碳酸对储层渗透率影响程度。

1.2 动态驱替岩样实验

动态驱替岩样实验装置与静态饱和岩样实验的饱和CO2地层水驱实验装置相同；岩样和地层水样品与静态饱和实验大致相同。

实验过程为：1）根据超临界CO2所处的温度和压力条件，在恒温箱上设定实验温度；2）通过调节调压泵给岩心夹持器施加2 MPa压力；3）用模拟地层水以最小速度驱替岩样，待稳定后测试岩心渗透率及出口端流体的pH值；4）在8 MPa条件下饱和CO2的模拟地层水驱替岩样，驱替出8～10PV后停止；5）让流体与岩样充分作用72 h后，测试岩样渗透率及出口流体pH值；6）实验后取出岩样，进行端面切片和扫描电镜分析。

2 实验结果与分析

2.1 静态实验结果分析

1）实验前后地层水矿化度变化

实验前后地层水离子测试如表1所示。通过测试数据可知，饱和CO2的地层水静态饱和岩样后，水中的HCO3与岩石反应，生成CO32-，且pH值由饱和前的7.5变为6.8，呈弱酸性。这与动态驱替饱和CO2地层水结果一致。同样，2个反应釜中的地层水都存在黄色物质。

2）实验后岩心及扫描电镜分析

岩心在装有地层水和CO2的反应釜中静置约30 d后，岩心变得松软，用力压，形如泥一样，扫描电镜测试结果如图2所示。总体上，岩心中含黄铁矿较多（见图2（a）），粒状黄铁矿，呈正八面体结构，粒间孔见霉球状黄铁矿。容易在酸性条件下生产沉淀，导致反应后物性变差；溶蚀作用小（见图2（b）），见高岭石，发生弱溶蚀，局部见岩屑溶蚀，粒内溶孔。离间杂基充填，片状泥质为主，使得物性变差（见图2（c））。

2.2 动态实验结果分析

1）渗透率变化

饱和CO2地层水动态驱替岩样实验主要分析驱替前后岩样渗透率及反应液中离子的变化，以研究CO2-地层水-岩石的相互作用对岩样渗透率的影响[17-20]。动态驱替渗透率测试结果如表2所示。由表2可知，饱和CO2地层水驱替岩心后渗透率降低幅度较大，降低约80%。

2）动态驱替后地层水分析

驱替前后地层水离子分析如表3所示，通过测试数据可知，饱和CO2地层水驱替岩样后，水中的HCO3与岩石反应，生成CO32-。饱和CO2地层水驱后出口端水中有黄色沉淀物质（可能为氢氧化铁的沉淀），可能使得储层渗透率降低。

3）实验前后扫描电镜分析

实验前扫描电镜如图3所示，实验后扫描电镜如图4所示。由图分析可见，实验前，粒间杂基及泥岩含量较高，存在球形黄铁矿；实验后，总体上CO2对岩石的溶蚀作用较弱，黄铁矿的存在可能会在酸性环境下生成沉淀。扫描电镜及能谱分析显示均存在黄铁矿（图4（a））。溶蚀作用较弱，少量的岩屑溶蚀，形成粒内溶孔（图4（b））；粒间见少量高岭石胶结物，呈蠕虫状，向伊利石转化（图4（c））；大部分斜长石未见溶解 （图4（d））。

从岩心能谱分析资料也显示：矿物中含有较高的黄铁矿。而黄铁矿在酸性环境下容易生成胶体沉淀，从而导致渗透率降低。Fe2+容易在pH=6左右的条件下生成胶体沉淀：

3FeO·Al2O3·2SiO2·3H2O+6HCl=3FeCl2+2Al（OH）3+2SiO2·3H2O= 2FeCl2+3H2O+3O=2Fe（OH）3↓+2Cl2

3 结论

1）饱和CO2地层水静态饱和岩样后，水中的HCO-3与岩石反应，出现CO32-且pH值由饱和前的7.5变为6.8，呈弱酸性；这与动态驱替饱和CO2地层水结果一致。同样，2个反应釜中的地层水都存在黄色物质，进一步说明，CO2-地层水与岩石矿物中的黄铁矿生成了Fe（OH）3沉淀。

2）饱和CO2地层水驱替岩心后渗透率降低幅度较大，且出口端水中有黄色沉淀物质Fe（OH）3，说明动态驱替过程中同时存在CO2的溶蚀作用和沉淀作用。

3）CO2对岩石的沉淀作用较强，溶蚀作用较弱。少量的岩屑溶蚀，形成粒内溶孔；粒间少量高岭石胶结物，呈蠕虫状，向伊利石转化；大部分斜长石未见溶解。

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