在二氧化碳（CO?）淹没致密砂岩储层的过程中，微观流体流动能力的演化规律

《Geoenergy Science and Engineering》：Evolutionary patterns of microscopic flow capacity in CO 2 flooding of tight sandstone reservoir

CO2吞吐过程中致密砂岩孔隙 throat 变化机制及临界阈值研究，采用XRD、SEM、CT与NMR等多技术联用，揭示有机质（沥青质/树脂）沉积与矿物（碳酸盐/长石）溶解的协同作用规律，发现喉道曲板状（14.42μm）和管束状（13.40μm）结构最易堵塞，临界渗透率阈值0.340-0.467mD，孔隙率11.93%和注入压力16.08MPa为转折点，建立孔隙半径与T2弛豫时间转换模型。

　　在当前能源开发和碳封存技术迅速发展的背景下，对致密砂岩储层（Tight Sandstone Reservoirs, TSR）的微观孔隙-喉道特性及其流体流动能力的研究显得尤为重要。这类储层因其低孔隙度、低渗透率以及复杂的孔隙结构而具有特殊的开发挑战。本文通过综合运用多种先进的分析技术，系统地探讨了在CO?驱油过程中，有机质（如沥青质和树脂）沉积与矿物（如碳酸盐和长石）溶解之间的耦合作用对储层微观孔隙-喉道系统演变的影响。研究结果不仅揭示了沉积与溶解对储层微观流动通道的双重作用机制，还提供了关键的临界阈值参数，为提高致密砂岩储层的开发效率奠定了理论基础。

致密砂岩储层因其特殊的地质条件，常面临孔隙结构复杂、流体流动阻力大等挑战。在CO?驱油过程中，储层内部的物理化学反应尤为显著。一方面，原油中的重质组分（如沥青质和树脂）容易发生沉积和聚集，导致微观孔隙-喉道系统的堵塞；另一方面，注入的CO?与地层水发生反应，生成弱酸性溶液，进而溶解地层中的矿物成分，改变储层的孔隙结构，使其在一定程度上得到改善。这两种过程相互作用，对储层的微观流动能力产生深远影响。

本研究选取了鄂尔多斯盆地三叠系延9段的典型致密砂岩储层作为实验对象，其具有低孔隙度-渗透率、相对均一的岩石学特征以及丰富的原生碳酸盐胶结物，非常适合作为CO?-流体-岩石耦合效应研究的样本。实验过程中，研究人员选取了具有不同渗透率的岩心样本（0.1 mD、0.4 mD和0.6 mD），以覆盖主要的储层性质。通过X射线衍射（XRD）、铸片薄片（CTS）、扫描电子显微镜（SEM）、计算机断层扫描（CT）以及核磁共振（NMR）等技术，对储层的微观孔隙-喉道结构进行了定量分析。这些技术的结合，使得研究人员能够从多个角度深入了解储层在CO?注入过程中的变化规律。

在实验过程中，研究人员特别关注了有机质沉积和矿物溶解对孔隙-喉道系统的影响。通过对不同尺度下孔隙和喉道的演变进行系统研究，发现沥青质和树脂的沉积量与注入压力之间存在正相关关系。研究指出，沥青质的最大沉积率可达32.73%，而树脂的最大沉积率则为20.45%。这一结果表明，在CO?驱油过程中，随着注入压力的增加，重质组分更容易在储层的狭窄喉道区域沉积，从而对储层的微观流动能力造成不利影响。同时，研究还发现，矿物溶解作用能够改变储层的孔隙结构，使其在一定程度上得到改善。这种改善主要体现在喉道的扩张和孔隙系统的优化上，其最大改善幅度可达11.27%。

进一步的研究表明，CO?注入过程中，孔隙-喉道系统的演变呈现出两种截然不同的趋势：一种是由于有机质沉积引起的喉道堵塞，另一种是由于矿物溶解导致的喉道扩张和孔隙结构优化。其中，堵塞现象主要发生在微米级的流动通道中，尤其是那些具有14.42 μm宽度的曲面层状喉道和仅13.40 μm宽度的管状束状喉道。这些喉道结构的狭窄性使其更容易成为沉积物的聚集点，从而引发不可逆的堵塞。相比之下，矿物溶解作用则通过改变喉道的几何形态，提高储层的渗透能力，促进流体的流动。这一发现为理解储层在CO?驱油过程中的动态变化提供了新的视角。

在研究过程中，研究人员还建立了岩心孔隙半径与T?弛豫时间之间的转换模型，该模型基于CT扫描和NMR技术，为定量评估储层孔隙结构提供了新的方法。通过这一模型，研究人员能够更准确地将NMR测得的弛豫时间数据转换为孔隙半径，从而更全面地分析储层在不同条件下的孔隙结构变化。此外，研究还首次量化了多个关键的临界阈值参数，这些参数对于评估CO?-原油系统对储层微观流动通道的影响至关重要。例如，研究发现，当储层的渗透率低于0.340至0.467 mD时，有机质沉积可能会引发不可逆的堵塞，导致储层流动能力的显著下降。这一临界渗透率阈值的识别，为后续的储层开发和管理提供了重要的参考依据。

研究还指出，低碳烷烃在CO?驱油过程中更容易从岩石表面脱附，而高碳烷烃则通过熵驱动和能量驱动机制形成聚集体，进而堵塞岩石的孔隙-喉道系统。这一发现揭示了不同碳链长度的烷烃在CO?驱油过程中的不同行为，为优化驱油策略提供了理论支持。同时，研究还强调了有机质沉积与矿物溶解之间的相互作用，这种相互作用在CO?注入过程中尤为复杂，既可能加剧储层的堵塞，也可能促进储层的改善。因此，深入理解这种耦合作用的机制，对于实现储层的高效开发具有重要意义。

此外，研究还探讨了CO?注入过程中对储层微观孔隙-喉道结构的动态影响。通过对不同渗透率的岩心样本进行对比分析，研究人员发现，储层的渗透率和孔隙度对CO?注入过程中的沉积和溶解行为具有显著影响。在低渗透率的储层中，有机质沉积更容易发生，导致喉道的堵塞；而在较高渗透率的储层中，矿物溶解作用更为显著，从而改善储层的流动能力。这一结果表明，储层的渗透率和孔隙度是影响CO?驱油效果的重要因素，需要在实际开发过程中加以考虑。

为了进一步揭示CO?注入过程中储层孔隙-喉道结构的演变规律，研究人员还结合了实验数据与模拟分析，探讨了不同条件下储层孔隙-喉道系统的动态变化。这种综合性的研究方法不仅提高了研究的准确性，还为储层开发提供了更加全面的理论支持。研究发现，随着CO?注入的进行，储层的孔隙-喉道结构会发生显著变化，尤其是在微观尺度上，这种变化尤为明显。通过定量分析，研究人员能够更清晰地了解储层在不同阶段的流动能力变化，从而为优化驱油策略提供科学依据。

本研究的创新之处在于，它首次对CO?驱油过程中有机质沉积与矿物溶解对储层孔隙-喉道系统的影响进行了系统性研究，并建立了多种关键参数的定量评估模型。这些模型和参数不仅有助于深入理解储层在CO?注入过程中的动态变化，还为实际工程中的储层开发提供了重要的理论指导。此外，研究还首次量化了多个关键的临界阈值参数，这些参数对于评估CO?-原油系统对储层微观流动通道的影响具有重要意义。通过这些参数的识别，研究人员能够更准确地预测储层在不同条件下的流动能力变化，从而为储层开发提供更加科学的决策支持。

研究还强调了在CO?驱油过程中，孔隙-喉道系统的演变具有显著的随机性和复杂性。不同模拟条件下的实验结果表明，储层的孔隙-喉道结构变化不仅受到有机质沉积和矿物溶解的影响，还受到多种因素的共同作用，如注入压力、温度、流体组成等。因此，在实际开发过程中，需要综合考虑这些因素，以优化CO?驱油策略，提高储层的开发效率。同时，研究还指出，当前对储层孔隙-喉道系统演变机制的理解仍存在不足，特别是在有机质沉积与矿物溶解之间的相互作用方面，需要进一步的研究和探索。

总的来说，本研究通过综合运用多种先进的分析技术，对致密砂岩储层在CO?驱油过程中的微观孔隙-喉道特性及其流动能力进行了系统性的定量分析。研究结果不仅揭示了有机质沉积与矿物溶解对储层微观流动通道的双重影响，还提供了关键的临界阈值参数，为储层的高效开发提供了理论支持。此外，研究还建立了岩心孔隙半径与T?弛豫时间之间的转换模型，为定量评估储层孔隙结构变化提供了新的方法。这些成果对于推动CO?驱油技术的发展，提高致密砂岩储层的开发效率具有重要意义。