基于模拟实验探讨断裂-流体-岩石体系中的矿物溶解-沉淀过程

doi:10.11743/ogg20230113

石油与天然气地质 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (1): 164-177.doi: 10.11743/ogg20230113

基于模拟实验探讨断裂-流体-岩石体系中的矿物溶解-沉淀过程

丁茜^1,^2,³(), 王静彬^1,^2,³, 杨磊磊^4,⁵, 朱东亚^1,^2,³, 江文滨^6,⁷, 何治亮^1,^3,⁸()

^1.页岩油气富集机理与有效开发国家重点实验室，北京 102206
^2.中国石化石油勘探开发研究院，北京 102206
^3.中国石化深部地质与资源重点实验室，北京 102206
^4.中国石油大学（北京），北京 102249
^5.油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249
^6.中国科学院力学研究所流固耦合系统力学实验室，北京 100190
^7.中国科学院大学工程科学学院，北京 100190
^8.中国石油化工股份有限公司，北京 100728

收稿日期:2022-05-10 修回日期:2022-11-15 出版日期:2023-01-14 发布日期:2023-01-13
通讯作者: 何治亮 E-mail:dingqian.syky@sinopec.com;hezhiliang@sinopec.com
第一作者简介:丁茜（1987—），女，博士、高级工程师，碳酸盐岩储层。E?mail： dingqian.syky@sinopec.com。
基金项目:
国家自然科学基金项目(42072177);中国科学院A类战略性先导科技专项(XDA14010201)

Exploring the mineral dissolution-precipitation processes in fracture-fluid-rock systems based on simulation experiments

Qian DING^1,^2,³(), Jingbin WANG^1,^2,³, Leilei YANG^4,⁵, Dongya ZHU^1,^2,³, Wenbin JIANG^6,⁷, Zhiliang HE^1,^3,⁸()

^1.State Key Laboratory of Shale Oil and Gas Accumulation Mechanism and the Effective Development，Beijing 102206，China
^2.Petroleum Exploration and Production Research Institute，SINOPEC，Beijing 102206，China
^3.Key Laboratory of Geology and Resource in Deep Stratum，SINOPEC，Beijing 102206，China
^4.State Key Laboratory of Petroleum Resource and Prospecting，Beijing 102249，China
^5.China University of Petroleum （Beijing），Beijing 102249，China
^6.Institute of Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China
^7.School of Engineering Science，University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China
^8.China Petroleum & Chemical Corporation，Beijing 100728，China

Received:2022-05-10 Revised:2022-11-15 Online:2023-01-14 Published:2023-01-13
Contact: Zhiliang HE E-mail:dingqian.syky@sinopec.com;hezhiliang@sinopec.com

摘要/Abstract

摘要：

断裂体系中的流体-岩石相互作用及其成储意义一直都是业界关注的热点问题。流体沿断裂流动运移，溶解围岩矿物，沉淀新矿物，改变储集空间的形态，对碳酸盐岩储层形成与分布、油气运移及分布起十分重要的控制作用。查明深层-超深层含断裂碳酸盐岩储层的成因机理，具有重要的理论和实际意义。为此设计了基于塔里木盆地顺北地区奥陶系一间房组的高温高压溶蚀-沉淀模拟实验，并结合TOUGHREACT等数值模拟软件，以查明沿断裂流动的含CO₂盐水和碳酸盐岩相互作用的过程，考察温度、压力、流体性质、物理非均质性等因素的影响程度，计算裂缝内的钙离子扩散特征以及矿物溶解-沉淀的趋势。实验和计算结果显示：实验时间内整体反应以碳酸钙溶解为主，反应后样品储集性能得到改善，样品内裂缝宽度、数量和体积增加，样品渗透率和孔隙度增加。研究明确了样品物理非均质性和流体水力性质促进主裂缝成为主要流动通道。主裂缝内流动过程和反应过程相互促进，并且共同决定了主裂缝不仅是流体流动的优势通道和水-岩反应发生的主要场所，也会是具有潜力的优势储集空间。

关键词: 流动通道, 溶解-沉淀, 物理非均质性, 含裂缝灰岩, 碳酸盐岩储层, 塔里木盆地

Abstract:

Water-rock interactions in fracture systems and their significance to reservoir formation have always been a hot topic of interest for scholars around the world. Fluid may flow and transport along the fractures， dissolve surrounding rocks， precipitate new minerals， and change the morphology of storage space， all playing critical roles in the formation and distribution of carbonate reservoirs as well as hydrocarbon migration and accumulation. It is therefore of great theoretical and practical significance to identify the genetic mechanism of deep and ultra-deep fractured carbonate reservoirs. In this study， we carried out high-temperature and high-pressure dissolution simulation experiments on samples from the Ordovician Yijianfang Formation in the Shunbei area of Tarim Basin and performed numerical simulation with tools such as TOUGHREACT to identify the interaction mechanism between brine with dissolved CO₂ and carbonate rocks， to investigate the influence of temperature， pressure， fluid property and physical heterogeneity， and to calculate the Ca²⁺ diffusion properties and mineral dissolution/precipitation trends. The results show that the overall reaction is dominated by calcite dissolution with an increase in fracture width， number and volume， as well as sample permeability and porosity， indicating improvement of reservoir quality. This study clarifies that the physical heterogeneity and fluid hydraulic properties promote the main fractures as the main flow channels. The flow and reaction processes promote each other and together determine that the main fractures will not only be the dominant channels for fluid flow and the main place where water-rock reactions occur， but will also be the dominant reservoir space for oil and gas.

Key words: flow path, dissolution-precipitation, physical heterogeneity, fractured limestone, carbonate reservoir, Tarim Basin

中图分类号:

TE122.2

丁茜,王静彬,杨磊磊,等. 基于模拟实验探讨断裂-流体-岩石体系中的矿物溶解-沉淀过程[J]. 石油与天然气地质, 2023, 44(1): 164-177. doi: 10.11743/ogg20230113 Qian DING,Jingbin WANG,Leilei YANG,et al. Exploring the mineral dissolution-precipitation processes in fracture-fluid-rock systems based on simulation experiments[J]. Oil & Gas Geology, 2023, 44(1): 164-177. doi: 10.11743/ogg20230113

图/表 13

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参考文献 90

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样品编号	深度/m	地表温度/℃	温度/℃	压力/MPa	反应时间/h	流速/（mL·min^-1）	体系
RS3-1	1 000	20	50	10	24	0.5	开放体系
RS3-7	2 000	20	80	20	24	0.5
RS3-9	3 000	20	110	30	24	0.5
RS3-16	4 000	20	140	40	24	0.5
RS3-12	5 000	20	170	50	24	0.5
RS3-10	6 000	20	200	60	24	0.5

样品编号	pH	离子浓度
样品编号	pH	［H⁺］/（10^-3 mol·L^-1）	［Ca²⁺］/（10^-4 mol·L^-1）	［Na⁺］/（mol·L^-1）	［K⁺］/（10^-3 mol·L^-1）	［HCO₃^-］/（10^-3 mol·L^-1）	［Cl^-］/（mol·L^-1）
RS3-1，（50 ℃， 10 MPa）	3.667 0	0.529 2	0.309 6	2.481 0	0.421 7	0.529 2	2.481 0
RS3-7，（80 ℃， 20 MPa）	3.134 0	0.575 1	0.259 9	2.746 0	0.775 7	0.575 1	2.746 0
RS3-9，（110 ℃， 30 MPa）	3.205 0	0.678 5	0.321 2	3.120 0	0.304 1	0.678 6	3.120 0
RS3-16，（140 ℃， 40 MPa）	3.272 0	0.853 7	0.394 1	3.038 0	0.303 2	0.853 8	3.038 0
RS3-12，（170 ℃， 50 MPa）	3.332 0	1.053 0	0.392 8	2.788 0	0.282 0	1.053 0	2.788 0
RS3-10，（200 ℃， 60 MPa）	3.718 0	1.292 0	0.146 7	2.955 0	0.288 3	1.293 0	2.955 0

参数	数值
孔隙度	2 %
压缩系数	4.5×10^-10 Pa^-1
岩石密度	2 650 （kg·m^-3）
导热系数	2.51 ［W·（m·℃）^-1］
岩石颗粒比热	920 ［J·（kg·℃）^-1］

样品编号	反应温度/℃	反应前质量/g	反应后质量/g	损失率/%
RS3-1	50	81.615 1	80.793 4	1.007
RS3-7	80	86.144 1	84.970 5	1.362
RS3-9	110	81.079 8	80.218 6	1.062
RS3-16	140	66.458 9	65.989 3	0.707
RS3-12	170	82.086 6	80.550 1	1.872
RS3-10	200	46.391 3	45.764 2	1.352

样品编号	反应前X轴方向渗透率/（10^-3 μm²）	反应后X轴方向渗透率/（10^-3 μm²）	渗透率变化率/%	反应前孔隙度/%	反应后孔隙度/%	孔隙度变化率/%
RS3-1	12.391 9	21.579 0	74	1.52	2.39	57
RS3-7	2.431 6	66.592 5	2 639	0.62	2.61	321
RS3-9	12.311 5	—	—	1.63	1.99	22
RS3-16	6.805 1	6.246 6	-8.2	1.56	1.91	22
RS3-12	22.294 7	901.302 0	3 943	2.33	4.38	88
RS3-10	5.846 7	—	—	1.83	3.25	76

基于模拟实验探讨断裂-流体-岩石体系中的矿物溶解-沉淀过程

Exploring the mineral dissolution-precipitation processes in fracture-fluid-rock systems based on simulation experiments

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