一种研究高矿化度地层水对COSUB2/SUB驱影响的实验装置.pdf

本发明提供一种研究高矿化度地层水对CO2驱影响的实验装置，实验装置，包括气瓶、岩心夹持器、气液分离装置，气瓶与活塞容器连接，活塞容器顶部与回压阀和压力计连接，活塞容器底部与ISCO泵连接，压力计与岩心夹持器连接，岩心夹持器出口端连接有气液分离装置，气液分离装置通过气体流量计与上位机连接。回压阀连接有回压泵，岩心夹持器侧面连接有环压泵，自吸吸程高，岩心夹持器出口端连接有回压阀，回压阀连接有回压泵，本发明设计的装置可对比CO2驱替前后岩心渗透率、孔隙度、孔隙结构、岩心矿物含量、岩石表面形貌、岩心质量以及采收率的变化，研究CO2驱替对储层物性及开发参数的影响。

1.一种研究高矿化度地层水对CO₂驱影响的实验装置，包括气瓶（1）、岩心夹持器（10）、
气液分离装置（8），其特征在于：所述气瓶（1）与活塞容器（3）连接，所述活塞容器（3）顶部与
回压阀（71）和压力计（4）连接，所述活塞容器（3）底部与ISCO泵（2）连接，所述压力计（4）与
岩心夹持器（10）输入端连接，所述岩心夹持器（10）出口端连接有气液分离装置（8），所述气
液分离装置（8）与气体流量计（41）连接，气体流量计（41）与上位机（9）连接。
2.根据权利要求1所述的一种研究高矿化度地层水对CO₂驱影响的实验装置，其特征在
于：所述回压阀（71）连接有回压泵（62）。
3.根据权利要求1所述的一种研究高矿化度地层水对CO₂驱影响的实验装置，其特征在
于：所述岩心夹持器（10）侧面连接有环压泵（61）和阀门，所述岩心夹持器（10）出口端连接
有回压阀（7），所述回压阀（7）连接有回压泵（6）。
4.根据权利要求1所述的一种研究高矿化度地层水对CO₂驱影响的实验装置，其特征在
于：所述活塞容器（3）为CO₂活塞容器或去离子水活塞容器或地层水活塞容器。
5.根据权利要求1所述的一种研究高矿化度地层水对CO₂驱影响的实验装置，其特征在
于：所述气瓶（1）和ISCO泵（2）出口端设有阀门，所述活塞容器（3）输入端和输出端均设有阀
门，所述岩心夹持器（10）输入端和输出端均设有阀门。
6.根据权利要求1所述的一种研究高矿化度地层水对CO₂驱影响的实验装置，其特征在
于：所述气液分离装置（8）内壁设有疏油涂层，所述疏油涂层由以下成分及重量份组成：树
脂100~120份、抗污剂1~2份、消泡剂0.1~0.2份、乙醇0.11~0.3份、流平剂0.1~0.3份、SiO₂纳
米粒子3~5份、咯烷酮羧酸钠0.3~1份、黑炭3~5份、二甲苯溶剂20~30份、稀释剂1~10份。
7. 根据权利要求1所述的一种研究高矿化度地层水对CO₂驱影响的实验装置，其特征在
于：所述岩心夹持器（10）内设有铅套，所述铅套内壁设有耐腐蚀涂层，所述耐腐蚀涂层由以
下成分及重量份组成：对苯二甲酯环氧树脂31~34份、丙烯酸异辛酯13~16份、氟硅酸钾7~12
份、生化黄腐酸钾0.002~0.01份、碳酸二辛酯9~12份、三硫代碳酸酯4~7份、磷酸三(1-氯-2-
丙基)酯0.5~0.8份、硼镁石粉13~14 份、咯烷酮羧酸钠0.001~0.002份、环氧硬脂酸辛酯6~
11 份。

一种研究高矿化度地层水对CO₂驱影响的实验装置

技术领域

本发明属于驱替技术领域，具体涉及一种研究高矿化度地层水对CO₂驱影响的实
验装置。

背景技术

随着油气田开发的不断发展，优质储层的原油储量越来越少，目前勘探的新增储
量主要是低渗透油藏，并且其中绝大部分为超低渗透油藏和特低渗透油藏。针对超低渗透
油藏和特定渗透油藏，常规的注水开发存着“注不进，采不出”的问题。二氧化碳（CO₂）在地
层中具有流动性好、能够使原油体积发生大幅度膨胀、大幅度降低原油粘度、降低油气界面
张力、与原油发生混相作用等优点。因此，CO₂驱开发能弥补注水开发的不足，注入地层中的
CO₂能够波及到水驱难以波及到的低渗透区域，并与地层原油充分接触，驱动地层剩余油，
有效提高微观和宏观驱油效率，进而达到提高原油采收率的目的。CO₂驱不仅可以提高石油
采收率，而且还能够实现CO₂的地下封存，从而减少大气中人为排放的CO₂，达到节能减排的
目的。

然而，CO₂是一种特殊的气体，当其注入含水砂岩储层后，在储层温度、压力条件
下，CO₂会与地层水、储层岩石接触会发生复杂的物理化学反应，二氧化碳在注入地层驱油
过程中，注入的二氧化碳在地层水中溶解后，与地层水反应会形成碳酸溶液，并解离出H⁺和
HCO_3-、CO₃^2-。

一方面，CO₂溶于地层水形成的酸性流体会溶蚀岩石中的胶结物，进而提高储层的
渗透率，但同时由于地层水中成垢离子的不断增加，在储层压力、温度等条件发生变化时生
成次生矿物，堵塞孔隙使储层渗透率降低。

另一方面，若地层水本身含有高浓度的钙离子、镁离子、钡离子、锶离子，随着CO₂
的注入，地层水中碳酸根和碳酸氢根离子浓度的增加，碳酸根和碳酸氢根离子与钙离子、镁
离子、钡离子、锶离子反应生成碳酸钙、碳酸镁、碳酸钡、碳酸锶固相沉积，堵塞孔隙喉道从
而降低储层渗透率，进而影响到二氧化碳的驱油效果。

现有技术如授权公告号102865899 B，中国发明授权专利文献 公开了一种在高温
高压岩心驱替过程中可进行流体体积原位测量的方法，以及能使用该方法进行流体体积测
量的装置。该方法分为三步，第一步为正式驱替前的准备工作，目的是使岩心内流体、导管
中流体及容器中流体处在应高温高压环境下；第二步开始正式驱替，通过压力泵打入驱替
液体，从岩心中驱替出的流体(尤其是气和油)汇集于一密闭透明容器中；第三步为计量各
流体体积，待油气水充分分层后，由于三种流体的颜色不同，通过容器上的刻度即可读出三
者的体积。所设计的流体体积测量装置结构简单，只需在常规高温高压岩心驱替实验装置
的基础上增加四个阀门，两个导管，两个压力测量仪，一个收集容器，一个缓冲容器和一个
半渗透隔板即可，但装置收集实验数据准确性不高，且耐腐蚀性和疏油性有所欠缺，驱替过
程中装置的真空性不太理想。

发明内容

本发明针对上述技术问题提供一种研究高矿化度地层水对CO₂驱影响的实验装
置，装置驱替效果好，耐腐蚀性强，可实现对CO₂与地层水作用生成沉淀的定量化数据采集，
数据准确性高，可研究CO₂驱体对储层物性及开发参数的影响。

本发明针对上述技术问题所采取的方案为：一种研究高矿化度地层水对CO₂驱影
响的实验装置，包括气瓶、岩心夹持器、气液分离装置，气瓶与活塞容器连接，活塞容器顶部
与回压阀和压力计连接，活塞容器底部与ISCO泵连接，压力计与岩心夹持器连接，岩心夹持
器出口端连接有气液分离装置，气液分离装置通过气体流量计与上位机连接。

回压阀连接有回压泵，不会造成回压下降且回压波动小，有效保持岩心注入端回
压恒定。

岩心夹持器侧面连接有环压泵和阀门，自吸吸程高，岩心夹持器出口端连接有回
压阀，回压阀连接有回压泵，有效保持岩心出口端回压恒定。

活塞容器为：CO₂活塞容器或去离子水活塞容器或地层水活塞容器。可通过阀门的
调节实现CO₂或地层水或去离子水交替注入。

气瓶和ISCO泵出口端设有阀门，活塞容器输入端和输出端均设有阀门，岩心夹持
器输入端和输出端均设有阀门，可通过阀门控制装置内部流体的开启与关闭，提升装置安
全性能。

气液分离装置内壁设有疏油涂层，疏油涂层由以下成分及重量份组成：树脂100~
120份、抗污剂1~2份、消泡剂0.1~0.2份、乙醇0.11~0.3份、流平剂0.1~0.3份、SiO₂纳米粒子
3~5份、咯烷酮羧酸钠0.3~1份、黑炭3~5份、二甲苯溶剂20~30份、稀释剂1~10份。避免驱替得
到的油性流体附着在气液分离装置内壁造成实验数据的准确性下降，还可避免油性流体对
气液分离装置的腐蚀，延长气液分离装置的使用寿命。

岩心夹持器内设有铅套，铅套内壁设有耐腐蚀涂层，耐腐蚀涂层由以下成分及重
量份组成：对苯二甲酯环氧树脂31~34份、丙烯酸异辛酯13~16份、氟硅酸钾7~12份、生化黄
腐酸钾0.002~0.01份、碳酸二辛酯9~12份、三硫代碳酸酯4~7份、磷酸三(1-氯-2-丙基)酯
0.5~0.8份、硼镁石粉13~14 份、咯烷酮羧酸钠0.001~0.002份、环氧硬脂酸辛酯6~11份，可
以有效防止超临界CO₂对密封套的腐蚀。还具有一定的抑菌、抗凝絮功能，降低铅套的通透
性。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：通过本发明的试验装置可对比CO₂驱替前
后岩心渗透率、孔隙度、孔隙结构、岩心矿物含量、岩石表面形貌、岩心质量以及采收率的变
化，研究CO₂驱替对储层物性及开发参数的影响。实验装置的气液分离装置内壁设有疏油涂
层，具有较好的耐腐蚀性和疏油性，避免驱替得到的油性流体附着在气液分离装置内壁造
成实验数据的准确性下降，还可避免油性流体对气液分离装置的腐蚀，延长气液分离装置
的使用寿命。岩心夹持器内设有铅套，铅套内壁设有耐腐蚀涂层可以有效防止超临界CO₂对
密封套的腐蚀。还具有一定的抑菌、抗凝絮功能，降低铅套的通透性，本装置结构简单，采集
数据准确，使用寿命长，制造成本低。

附图说明

图1为本发明一种研究高矿化度地层水对CO₂驱影响的实验装置的示意图。

附图标记说明：1气瓶；2 ISC0泵；3活塞容器；4压力计；41气体流量计；5岩心；6回
压泵；61环压泵；62第二回压泵；7回压阀；71第二回压阀；8气液分离装置；9上位机；10岩心
夹持器。

具体实施例

以下结合附图和实施例作进一步详细描述：

实施例1：

如图1所示，一种研究高矿化度地层水对CO₂驱影响的实验装置，包括气瓶1、岩心夹持
器10、气液分离装置8，气瓶1与活塞容器3连接，活塞容器3顶部与回压阀71和压力计4连接，
活塞容器3底部与ISCO泵2连接，压力计4与岩心夹持器10连接，岩心夹持器10出口端连接有
气液分离装置8，气液分离装置8通过气体流量计41与上位机9连接。

回压阀71连接有回压泵62，不会造成回压下降且回压波动小，有效保持岩心5注入
端回压恒定。

岩心夹持器10侧面连接有环压泵61和阀门，自吸吸程高，岩心夹持器10出口端连
接有回压阀7，回压阀7连接有回压泵6，有效保持岩心5出口端回压恒定。

活塞容器3为：CO₂活塞容器或去离子水活塞容器或地层水活塞容器。可通过阀门
的调节实现CO₂或地层水或去离子水交替注入。

气瓶1和ISCO泵2出口端设有阀门，活塞容器3输入端和输出端均设有阀门，岩心夹
持器10输入端和输出端均设有阀门，可通过阀门控制装置内部流体的开启与关闭，提升装
置安全性能。

气液分离装置8内壁设有疏油涂层，疏油涂层由以下成分及重量份组成：树脂100~
120份、抗污剂1~2份、消泡剂0.1~0.2份、乙醇0.11~0.3份、流平剂0.1~0.3份、SiO₂纳米粒子
3~5份、咯烷酮羧酸钠0.3~1份、黑炭3~5份、二甲苯溶剂20~30份、稀释剂1~10份。避免驱替得
到的油性流体附着在气液分离装置8内壁造成实验数据的准确性下降，还可避免油性流体
对气液分离装置8的腐蚀，延长气液分离装置8的使用寿命。

岩心夹持器10内设有铅套，铅套内壁设有耐腐蚀涂层，耐腐蚀涂层由以下成分及
重量份组成：对苯二甲酯环氧树脂31~34份、丙烯酸异辛酯13~16份、氟硅酸钾7~12份、生化
黄腐酸钾0.002~0.01份、碳酸二辛酯9~12份、三硫代碳酸酯4~7份、磷酸三(1-氯-2-丙基)酯
0.5~0.8份、硼镁石粉13~14 份、咯烷酮羧酸钠0.001~0.002份、环氧硬脂酸辛酯6~11份，可
以有效防止超临界CO₂对密封套的腐蚀。还具有一定的抑菌、抗凝絮功能，降低铅套的通透
性。

采用本实验装置研究CO₂提高采收率过程中地层水沉淀驱替的方法，步骤如下：

1）在岩心5注入端和出口端分别切下岩心切片A、B，洗岩心5，干燥称重，测岩心5孔隙体
积、气测渗透率，去离子水饱和岩心5，测核磁共振，驱替，得岩心5水测渗透率；

2）用原油驱替去离子水饱和原油，保持温度、压力放置20~26h，进行CO₂水气注入，洗岩
心5，干燥，测质量、孔隙体积、气测渗透率，抽真空，去离子水饱和岩心5，去离子水驱替，测
岩心5水测渗透率，测核磁共振；

3）在岩心5注入端和出口端分别切下岩心切片C、D，清洗，烘干，将岩心切片A、B、C、D进
行电镜扫描、表面元素和岩石矿物分析，更换岩心、压力、温度重复步骤1、2、3。

步骤2中采用沥青质原油驱替去离子水饱和原油，使原油饱和度达到设定值，保持
温度、压力放置20~26h，进行CO₂水气注入，先注入CO₂再注入去离子水，2~4个循环周期注入。

实施例2：

如图1所示，一种研究高矿化度地层水对CO₂驱影响的实验装置，包括气瓶1、岩心夹持
器10、气液分离装置8，气瓶1与活塞容器3连接，活塞容器3顶部与回压阀71和压力计4连接，
活塞容器3底部与ISCO泵2连接，压力计4与岩心夹持器10连接，岩心夹持器10出口端连接有
气液分离装置8，气液分离装置8通过气体流量计41与上位机9连接。

回压阀71连接有回压泵62，不会造成回压下降且回压波动小，有效保持岩心5注入
端回压恒定。

岩心夹持器10侧面连接有环压泵61和阀门，自吸吸程高，岩心夹持器10出口端连
接有回压阀7，回压阀7连接有回压泵6，有效保持岩心5出口端回压恒定。

活塞容器3为：CO₂活塞容器或去离子水活塞容器或地层水活塞容器。可通过阀门
的调节实现CO₂或地层水或去离子水交替注入。

气瓶1和ISCO泵2出口端设有阀门，活塞容器3输入端和输出端均设有阀门，岩心夹
持器10输入端和输出端均设有阀门，可通过阀门控制装置内部流体的开启与关闭，提升装
置安全性能。

气液分离装置8内壁设有疏油涂层，疏油涂层由以下成分及优选重量份组成：树脂
110份、抗污剂1.4份、消泡剂0.16份、乙醇0.18份、流平剂0.2份、SiO₂纳米粒子4份、咯烷酮
羧酸钠0.7份、黑炭4份、二甲苯溶剂25份、稀释剂8份。避免驱替得到的油性流体附着在气液
分离装置8内壁造成实验数据的准确性下降，还可避免油性流体对气液分离装置8的腐蚀，
延长气液分离装置8的使用寿命。

稀释剂为丙酮、甲乙酮、环己酮、苯、甲苯、二甲苯、正丁醇、苯乙烯中的一种以上，
其质量比为1:10。树脂为氟改性有机硅树脂、氨基丙烯酸树脂。抗污剂由聚(十七氟癸基)甲
基硅氧烷、聚(九氟己基)硅氧烷、聚甲基(三氟丙基)硅氧烷、PDMS、PTFE组成。消泡剂由乳化
硅油。流平剂为聚二甲基硅氧烷、聚醚聚酯改性有机硅氧烷、烷基改性有机硅氧烷组成。

岩心夹持器10内设有铅套，铅套内壁设有耐腐蚀涂层，耐腐蚀涂层由以下成分及
优选的重量份组成：对苯二甲酯环氧树脂32份、丙烯酸异辛酯15份、氟硅酸钾11份、生化黄
腐酸钾0.007份、碳酸二辛酯11份、三硫代碳酸酯6份、磷酸三(1-氯-2-丙基)酯0.7份、硼镁
石粉13.6份、咯烷酮羧酸钠0.0016份、环氧硬脂酸辛酯8份，可以有效防止超临界CO₂对密封
套的腐蚀。还具有一定的抑菌、抗凝絮功能，降低铅套的通透性。

采用本装置研究CO₂提高采收率过程中地层水沉淀驱替方法，步骤如下：

1）在岩心5注入端和出口端分别切下岩心切片A、B，厚度优选2mm，洗岩心5，干燥称重，
测岩心5孔隙体积、气测渗透率，去离子水饱和岩心5，测核磁共振，驱替，得岩心5水测渗透
率；

2）采用沥青质原油驱替去离子水饱和原油，保持温度、压力放置优选24h，进行CO₂水气
注入，先注入CO₂再注入去离子水，进行3个循环周期注入，洗岩心5，干燥，测质量、孔隙体
积、气测渗透率，抽真空，去离子水饱和岩心5，去离子水驱替，测岩心5水测渗透率，测核磁
共振；

3）在岩心注入端和出口端分别切下岩心切片C、D，清洗，烘干，将岩心切片A、B、C、D进行
电镜扫描、表面元素和岩石矿物分析，更换岩心、压力、温度重复步骤1、2、3。

实施例3：

如图1所示，装置中的岩心夹持器10采用316型不锈钢，岩心5直径25mm，岩心5长度范围
为25~35mm，最高承压70MPa，岩心夹持器10的内腔设有密封铅套，在密封铅套的外面注入密
封液体，使对岩心5施加一个均匀的围压（环压），确保测试流体通过岩心5时不会发生渗漏。
围压通过驱替泵动态跟踪，一般围压比驱替压力高2MPa左右。装置中采用铅套替换常用的
橡胶套，可以有效防止超临界CO₂对密封套的腐蚀。驱替泵采用ISCO泵2，ISCO泵2的双缸能
够连续驱替，并且注入量精确，驱替压力高。由于CO₂可压缩性强，装置中在CO₂活塞容器3出
口段设置回压阀71，在CO₂活塞容器中的压力低于回压阀71设定压力时，CO₂不流出，在CO₂活
塞容器中的压力高于回压阀71设定压力时，CO₂才流出。这样保证了在设计压力下，ISCO泵2
驱替的体积等于驱替入岩心5中的CO₂体积（设计压力条件下）。CO₂、地层水、去离子水活塞容
器下端都与驱替泵相连，上端都与岩心夹持器10的入口端相连，这样通过阀门的调节实现
CO₂、地层水、去离子水交替注入。岩心夹持器10的出口端设置回压阀7，来设置驱替的出口
端压力。在出口末端设置气液分离装置8，出口端流出的液体留在试管中，通过试管刻度计
量产出液体的体积，流出气体从塞子上端的出气口流出，然后通过气体流量计41计量气体
流速和流量。

采用本实验装置研究高矿化度地层水对CO₂驱影响的实验方法：

岩心处理：为观察CO₂驱替前后岩石表面形貌、岩石矿物的变化情况，在目前现有的技
术条件下，进行了特殊处理，反应前，在岩心5的注入端和岩心的出口端分别切取厚度优选
为2mm的岩心片A和B，作为的分析样品。CO₂驱替后，再在岩心5的注入端和岩心的出口端分
别切取厚度优选为2mm的岩心片C和D，尽可能避免岩心的不均匀性。

为了分别研究CO₂-水-岩石相互作用、CO₂-地层水沉淀作用对储层物性及开发参数
的影响，通过设计了两大组对比实验，如表1所示。在压力、温度变化相同的条件下，不考虑
地层水沉淀情况下，CO₂-水-岩石作用对储层物性及开发参数的影响。通过对比实验1与2，
排除CO₂对岩石溶蚀的影响因素，得到CO₂与地层水在储层环境中生成的沉淀对储层物性及
开发参数的影响，如表1所示，每组实验都进行了在不同温度、不同压力下不同矿化度的地
层水、不同沥青质含量的原油饱和岩心5的CO₂驱替实验。

表1 CO₂水气交替驱替方案

通过对比CO₂驱替前后岩心渗透率、孔隙度、孔隙结构、岩心矿物含量、岩石表面形貌、
岩心质量以及采收率的变化，研究CO₂驱替对储层物性及开发参数的影响。

CO₂-水-岩石相互作用岩心驱替实验：首先在岩心5的注入端和出口端各切下一片
岩心切片A、B，然后用蒸馏法洗岩心5，干燥，称重，测岩心5孔隙体积、气测渗透率；利用去离
子水饱和岩心5，测核磁共振；打开去离子水活塞容器阀门，利用去离子水驱替，得到岩心5
的水测渗透率；利用去沥青质原油驱替去离子水饱和原油，使原油饱和度达到设定值，保持
温度、压力放置24小时，使水和原油充分自由分布。通过调节CO₂活塞阀门和去离子水活塞
阀门在实验温度、压力下进行CO₂水气交替注入；先注入5PV的CO₂再注入5PV去离子水，共进
行3个循环周期注入。清洗岩心5，干燥岩心5，测质量、孔隙体积、气测渗透率。抽真空，用去
离子水饱和岩心5，然后用去离子水驱替岩心5，测反应后岩心5的水测渗透率，然后测核磁
共振测试；在岩心5的注入端和出口端各切下一片岩心切片C、D，清洗，烘干，和实验前的岩
心切片A、B一起进行电镜扫描、表面元素和岩石矿物分析。更换岩心，在不同压力、温度条件
下重复上面的实验过程。

CO₂-地层水沉淀岩心驱替实验：实验过程和CO₂-水-岩石相互作用岩心驱替实验相
同，通过调节去离子水活塞阀门和地层水阀门，将去离子水驱替换成地层水驱替，并进行不
同矿化度的地层水驱替实验。

实验方案：CO₂-地层水沉淀CO₂岩心驱替实验的反应温度(T)、CO₂压力(p)、地层水
矿化度及其他条件如表2所示。

表2 CO₂-地层水沉淀岩心实验方案参数

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实
质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保
护范围内。