美國CO2驅(qū)油技術(shù)應(yīng)用及啟示

秦積舜，韓海水，劉曉蕾（1. 中國石油勘探開發(fā)研究院；2. 提高石油采收率國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3. 國家能源二氧化碳驅(qū)油與埋存技術(shù)研發(fā)中心；4. 中國科學(xué)院滲流流體力學(xué)研究所）

美國CO2驅(qū)油技術(shù)應(yīng)用及啟示

秦積舜1, 2, 3，韓海水1, 2，劉曉蕾2, 4
（1. 中國石油勘探開發(fā)研究院；2. 提高石油采收率國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3. 國家能源二氧化碳驅(qū)油與埋存技術(shù)研發(fā)中心；4. 中國科學(xué)院滲流流體力學(xué)研究所）

摘要：分析、總結(jié)了美國CO2驅(qū)油技術(shù)的應(yīng)用情況及項(xiàng)目特點(diǎn)，基于應(yīng)用實(shí)例歸納了CO2驅(qū)油配套技術(shù)，并闡述了對(duì)中國發(fā)展CO2驅(qū)油技術(shù)的啟示。在系統(tǒng)跟蹤世界范圍提高采收率技術(shù)調(diào)查數(shù)據(jù)和充分調(diào)研CO2驅(qū)油技術(shù)應(yīng)用情況的基礎(chǔ)上，總結(jié)分析了CO2驅(qū)油技術(shù)的發(fā)展歷程及其形成原因。以項(xiàng)目數(shù)量、規(guī)模、產(chǎn)量等為指標(biāo)，評(píng)價(jià)了美國CO2驅(qū)油技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，同時(shí)概括其項(xiàng)目特點(diǎn)及其發(fā)展的源動(dòng)力。著重歸納了美國CO2混相驅(qū)在儲(chǔ)集層特征、原油性質(zhì)、項(xiàng)目實(shí)施時(shí)機(jī)等方面的特點(diǎn)，對(duì)比分析了美國CO2混相驅(qū)和非混相驅(qū)在規(guī)模和油藏適應(yīng)性方面的差別?；诿绹畹湫?、最成功的CO2混相驅(qū)實(shí)例（SACROC項(xiàng)目），闡明在發(fā)展CO2驅(qū)油技術(shù)的同時(shí)形成的一系列配套技術(shù)。分析了中國推廣CO2混相驅(qū)技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)和技術(shù)瓶頸，同時(shí)給出相應(yīng)的建議。圖6表8參36

關(guān)鍵詞：CO2驅(qū)油；混相驅(qū)；非混相驅(qū)；氣驅(qū)；提高采收率

0　引言

二氧化碳（CO2）驅(qū)油技術(shù)是指實(shí)現(xiàn)該驅(qū)替方式所涉及的油藏工程設(shè)計(jì)、CO2注采工藝、動(dòng)態(tài)監(jiān)測與調(diào)整、產(chǎn)出流體處理等技術(shù)的集成[1-5]。

20世紀(jì)中葉，美國大西洋煉油公司（The Atlantic Refining Company）發(fā)現(xiàn)其制氫工藝過程的副產(chǎn)品之一CO2可用于改善原油的流動(dòng)性。后續(xù)研究表明[4,5]，CO2與原油接觸過程中存在的相間傳質(zhì)、原油體積膨脹、黏度降低、油氣界面張力降低、油氣混相等是CO2驅(qū)油的主要機(jī)理?；诖税l(fā)現(xiàn)，誕生了世界首個(gè)CO2驅(qū)油專利[6]。這是CO2驅(qū)油技術(shù)的開端。

1958年，Shell公司率先在美國二疊系儲(chǔ)集層實(shí)施了井組規(guī)模的CO2驅(qū)油試驗(yàn)，該試驗(yàn)表明，向油藏中注CO2可以補(bǔ)充地層能量和提高原油產(chǎn)量[7-9]。Chevron公司于1972年在美國德克薩斯州Kelly-Snyder油田SACROC區(qū)塊投產(chǎn)了世界首個(gè)CO2驅(qū)油商業(yè)項(xiàng)目，初期平均提高單井產(chǎn)量達(dá)3倍之多[10]。該項(xiàng)目的成功標(biāo)志著CO2驅(qū)油技術(shù)開始走向成熟。

1970—1990年間發(fā)生的3次石油危機(jī)使石油生產(chǎn)國和消費(fèi)國認(rèn)識(shí)到石油自給和石油安全對(duì)國家經(jīng)濟(jì)的重要作用。為使本國原油增產(chǎn)進(jìn)而減小石油對(duì)外依存度，以美國為代表的一些國家不斷調(diào)整和更新能源政策和法規(guī)，激勵(lì)本土油公司和民間資本投資開展EOR（提高采收率）技術(shù)研發(fā)與相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。例如，美國在1979年通過了石油超額利潤稅法，其中包括對(duì)利用EOR方法（含CO2驅(qū)油）獲得的利潤進(jìn)行減稅的規(guī)定，促進(jìn)了EOR技術(shù)及其配套產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。得益于該稅法，1982—1984年間美國大規(guī)模開發(fā)了Mk Elmo Domo、Sheep Mountain等多個(gè)CO2氣田，建設(shè)了Bravo Dome Pipeline等連接CO2氣田和油田的輸氣管線[11-12]。這些工作為規(guī)?；瘜?shí)施CO2驅(qū)油項(xiàng)目提供了CO2氣源保障。截至1986年底美國運(yùn)行和在建的CO2驅(qū)油項(xiàng)目數(shù)達(dá)到40個(gè)。

1990年后的十?dāng)?shù)年間，亞太地區(qū)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，對(duì)化石燃料需求激增，CO2排放逐年增加。合理開發(fā)和使用化石燃料成為新的挑戰(zhàn)，CO2捕集、驅(qū)油與埋存一體化理念應(yīng)運(yùn)而生。在石油生產(chǎn)國、油公司和研究機(jī)構(gòu)的響應(yīng)下，對(duì)CO2驅(qū)油與埋存技術(shù)的研發(fā)和實(shí)踐成為新的產(chǎn)業(yè)熱點(diǎn)[13-17]。

自2000年初，原油價(jià)格持續(xù)攀升，給CO2驅(qū)油技術(shù)發(fā)展帶來利潤空間，新投建的項(xiàng)目不斷增加。據(jù)2014年數(shù)據(jù)，全球已有152個(gè)CO2驅(qū)油項(xiàng)目在實(shí)施，年EOR產(chǎn)量已達(dá)到1 470×104t[18]。

經(jīng)過60余年的不斷探索與實(shí)踐，CO2驅(qū)油技術(shù)逐漸形成并趨于成熟。美國是世界上利用CO2驅(qū)油技術(shù)最多的國家，2014年數(shù)據(jù)顯示其CO2驅(qū)油年EOR產(chǎn)量已達(dá)1 371×104t，約占世界總CO2驅(qū)油年EOR產(chǎn)量的93%[18]。中國在應(yīng)用和發(fā)展CO2驅(qū)油技術(shù)時(shí)可借鑒美國的成功經(jīng)驗(yàn)，并考慮國情和油藏自身特點(diǎn)。

1　美國CO2-EOR技術(shù)應(yīng)用概況

美國是較早研發(fā)和應(yīng)用EOR技術(shù)的國家。由于聯(lián)邦政府、州政府相關(guān)法規(guī)以及資源條件、生產(chǎn)成本等原因，美國的EOR技術(shù)應(yīng)用主要集中在熱力采油技術(shù)和氣驅(qū)采油技術(shù)方面。

20世紀(jì)中葉，在美國本土油田開發(fā)過程中，伴隨著原油生產(chǎn)，產(chǎn)出大量天然氣，大大超出了市場需求。儲(chǔ)運(yùn)天然氣不僅需要大型設(shè)備和裝置，且存在安全問題。因此，美國政府相繼出臺(tái)了關(guān)于天然氣管道建設(shè)、安全及聯(lián)邦石油天然氣公司運(yùn)營等法案，一方面促進(jìn)天然氣管道和設(shè)備的建設(shè)，規(guī)定管道和設(shè)備的用途；另一方面調(diào)整管輸過程中涉及的利益分配，鼓勵(lì)各企業(yè)積極投資天然氣的管輸和利用。這是推動(dòng)美國油公司研究和發(fā)展烴類氣體驅(qū)油技術(shù)的主要原因。

為了應(yīng)對(duì)1973年發(fā)生的世界石油危機(jī)，美國政府通過了能源安全緊急預(yù)案，促進(jìn)了美國本土石油產(chǎn)量的大幅度增加以及油公司對(duì)EOR技術(shù)的探索。

1980年以后，油氣需求增加，油氣價(jià)格不斷上升，美國政府相應(yīng)調(diào)整了能源政策。CO2-EOR技術(shù)作為氣驅(qū)技術(shù)的新生力量逐漸得到大規(guī)模推廣，項(xiàng)目數(shù)量逐年增加，原油產(chǎn)量也不斷上升，同期熱力采油項(xiàng)目數(shù)量和產(chǎn)量均持續(xù)下降，2006年美國依靠氣驅(qū)提高采收率的產(chǎn)量首次超過了熱力采油產(chǎn)量（見圖1、圖2）[18-23]。

圖1　美國熱力采油、氣驅(qū)、CO2驅(qū)項(xiàng)目數(shù)

圖2　美國熱力采油、氣驅(qū)、CO2驅(qū)EOR產(chǎn)量

特定的歷史時(shí)期加上國家對(duì)能源政策的調(diào)整使美國氣驅(qū)技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了兩次飛躍。第1次飛躍發(fā)生在1980—1992年間，為了應(yīng)對(duì)石油危機(jī)，美國出臺(tái)了激勵(lì)能源領(lǐng)域投資的相關(guān)法律法規(guī)，調(diào)動(dòng)了石油公司和民間資本的積極性，擴(kuò)大了CO2氣源，促進(jìn)了CO2-EOR技術(shù)快速發(fā)展。在此期間，CO2-EOR項(xiàng)目數(shù)從17個(gè)增加到54個(gè)（見圖1），年EOR產(chǎn)量由10×104t增加到783×104t（見圖2）。第2次飛躍發(fā)生在2002年以后，世界原油價(jià)格持續(xù)升高并突破了100美元/桶，這為CO2驅(qū)油項(xiàng)目創(chuàng)造了可觀的利潤空間。在此期間，CO2-EOR項(xiàng)目數(shù)從67個(gè)增加到137個(gè)（見圖1），年EOR產(chǎn)量由963×104t增加到1 371×104t（見圖2）。此時(shí)，美國CO2混相驅(qū)技術(shù)已較為成熟，因而CO2-EOR項(xiàng)目的規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大。

隨著美國CO2-EOR技術(shù)逐步成熟，人們認(rèn)識(shí)到CO2驅(qū)油技術(shù)是一種有效的提高采收率方法。以Chevron公司實(shí)施的SACROC區(qū)塊CO2驅(qū)油項(xiàng)目為例，該區(qū)塊經(jīng)過40年的生產(chǎn)運(yùn)行，由初期（1972年）的9個(gè)井組擴(kuò)展到現(xiàn)在的503個(gè)井組，2014年該區(qū)塊平均單井EOR產(chǎn)量為9.7 t/d，年EOR產(chǎn)量為138× 104t[18]。

理論與實(shí)驗(yàn)均表明CO2混相驅(qū)的采收率明顯高于非混相驅(qū)，因此長期以來美國CO2-EOR主要以混相驅(qū)的方式進(jìn)行，混相驅(qū)項(xiàng)目數(shù)和EOR產(chǎn)量遠(yuǎn)大于非混相驅(qū)（見圖3、圖4）[18-23]。以2014年數(shù)據(jù)[18]為例，CO2驅(qū)總項(xiàng)目數(shù)為137個(gè)，其中混相驅(qū)項(xiàng)目數(shù)128個(gè)，非混相驅(qū)項(xiàng)目數(shù)僅9個(gè)；CO2驅(qū)總EOR產(chǎn)量為1 371×104t/a，其中混相驅(qū)產(chǎn)量1 264×104t/a，非混相驅(qū)產(chǎn)量僅107×104t/a。

圖3　美國CO2混相驅(qū)、非混相驅(qū)項(xiàng)目數(shù)

圖4　美國CO2混相驅(qū)、非混相驅(qū)EOR產(chǎn)量

美國CO2驅(qū)油項(xiàng)目2004—2014年的成功率均在80%以上[18-23]，例如，2014年美國128個(gè)CO2混相驅(qū)項(xiàng)目中，獲得成功的項(xiàng)目為104個(gè)，成功率達(dá)81.25%[18]。政策法規(guī)支持和油價(jià)持續(xù)走高，使得CO2-EOR技術(shù)顯現(xiàn)出較大的利潤空間，美國諸多石油公司紛紛投入到CO2-EOR技術(shù)的研發(fā)與作業(yè)中。2014年在美國進(jìn)行CO2混相驅(qū)作業(yè)的公司有22個(gè)（見表1），CO2混相驅(qū)項(xiàng)目年EOR產(chǎn)量共1 264×104t，其中Occidental、Kinder Morgan、Chevron、Hess等公司CO2混相驅(qū)項(xiàng)目年EOR產(chǎn)量均超過100×104t[18]。2014年在美國運(yùn)行的CO2混相驅(qū)項(xiàng)目多達(dá)128個(gè)，但產(chǎn)量主要是由為數(shù)不多的大項(xiàng)目貢獻(xiàn)的，油藏面積超過20 km2的24個(gè)混相驅(qū)項(xiàng)目的EOR總產(chǎn)量達(dá)798×104t/a，占63%[18]。

表1　2014年美國CO2混相驅(qū)作業(yè)公司及項(xiàng)目數(shù)、年產(chǎn)量

隨著CO2驅(qū)油技術(shù)的發(fā)展，相應(yīng)的法律和政策也在不斷地完善，這為CO2驅(qū)油技術(shù)的持續(xù)發(fā)展提供了推動(dòng)力。

2　美國CO2-EOR項(xiàng)目特點(diǎn)

2.1 CO2-EOR項(xiàng)目儲(chǔ)集層特征2.1.1 巖性

巖性體現(xiàn)的是油藏沉積環(huán)境的差異，不同巖性的儲(chǔ)集層礦物成分、孔喉系統(tǒng)大相徑庭，所表現(xiàn)出來的油藏孔滲性質(zhì)也大不相同，因此巖性對(duì)開發(fā)方式的選擇有一定影響。

CO2混相驅(qū)技術(shù)可適用于多種巖性的油藏。美國CO2混相驅(qū)油藏巖性主要有砂巖、碳酸鹽巖、硅藻土、未膠結(jié)砂巖等幾種，其中砂巖和碳酸鹽巖居多。2014年美國128個(gè)CO2混相驅(qū)項(xiàng)目中砂巖和碳酸鹽巖油藏分別為39和55個(gè)，共占73%（見圖5），年產(chǎn)量分別為265×104t和803×104t，單井日產(chǎn)量分別為4.59 t和8.12 t[18]。

值得一提的是，雖然石灰?guī)r油藏CO2混相驅(qū)項(xiàng)目數(shù)較少，但單井產(chǎn)量較高。例如，2014年美國實(shí)施CO2混相驅(qū)項(xiàng)目的石灰?guī)r油藏只有9個(gè)，但單井日產(chǎn)量達(dá)到5.33 t，年產(chǎn)量223×104t[18]，證實(shí)了石灰?guī)r儲(chǔ)集層實(shí)施CO2混相驅(qū)可以達(dá)到較好的效果。

圖52014　年美國CO2混相驅(qū)油藏巖性構(gòu)成

2.1.2 孔隙性和滲透性

總體來看，美國CO2混相驅(qū)項(xiàng)目主要集中在低孔低滲油藏（見表2、表3），平均孔隙度和滲透率分別為13.23%和38.1×10?3μm2，最小孔隙度和滲透率分別為3.00%和1.5×10?3μm2[18-23]。2014年美國油藏孔隙度小于20%的CO2混相驅(qū)項(xiàng)目為106個(gè)，占82.8%，其中有28個(gè)項(xiàng)目孔隙度小于10%，但平均單井日產(chǎn)量達(dá)到了3.51 t[18]，取得了很好的開發(fā)效果；油藏滲透率

小于50×10?3μm2的CO2混相驅(qū)項(xiàng)目為81個(gè)，占63.28%，其中有52個(gè)項(xiàng)目滲透率小于10×10?3μm2，平均單井日產(chǎn)量可達(dá)2.43 t[18]。

表2　2004—2014年美國CO2混相驅(qū)油藏孔隙度統(tǒng)計(jì)

表3　2004—2014年美國CO2混相驅(qū)油藏滲透率統(tǒng)計(jì)

2.1.3 油藏溫度和埋深

油藏溫度是影響CO2混相驅(qū)效果的重要參數(shù)之一，油藏溫度過高會(huì)導(dǎo)致混相壓力過高，使CO2與原油難于形成混相，從而降低驅(qū)油效率。油藏埋深是影響油藏溫度和壓力的關(guān)鍵因素。

大多數(shù)美國CO2混相驅(qū)項(xiàng)目的油藏溫度較低（見表4）[18-23]。根據(jù)2014年數(shù)據(jù)[18]，油藏溫度小于65 ℃的項(xiàng)目為97個(gè)，占75.8%，其中有16個(gè)項(xiàng)目油藏溫度低于38 ℃；油藏溫度小于38 ℃的項(xiàng)目平均單井日產(chǎn)量僅為1.00 t，而油藏溫度在38～65 ℃的項(xiàng)目平均單井日產(chǎn)量達(dá)到了3.05 t。此外，美國CO2驅(qū)油藏多為中深層（見表5）[18-23]。

表4　2004—2014年美國CO2混相驅(qū)油藏溫度統(tǒng)計(jì)

表5　2004—2014年美國CO2混相驅(qū)油藏深度統(tǒng)計(jì)

2.2 CO2混相驅(qū)項(xiàng)目原油性質(zhì)

原油自身性質(zhì)是CO2混相驅(qū)成功與否的內(nèi)因。研究表明，輕質(zhì)原油更容易與CO2發(fā)生相間傳質(zhì)。CO2與輕質(zhì)原油的混相壓力較低，容易通過多次接觸實(shí)現(xiàn)混相。輕質(zhì)原油的主要表觀特征是黏度、相對(duì)密度均較低。

2.2.1 原油黏度

目前，王紅等［8］在分析讀者的內(nèi)在知識(shí)需求特征基礎(chǔ)上，借助讀者與館員的互動(dòng)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，探討了人工智能技術(shù)在圖書采訪過程中的應(yīng)用。廖宇峰［9］基于用戶數(shù)據(jù)，研究了數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在提高圖書采訪效率方面的應(yīng)用，由此可知對(duì)流通借閱數(shù)據(jù)的分析方法應(yīng)該更加多維化與創(chuàng)新化，進(jìn)而深刻理解數(shù)據(jù)背后的含義。

美國CO2混相驅(qū)項(xiàng)目原油均為稀油[18-23]（見表6）。2014年數(shù)據(jù)表明，美國CO2混相驅(qū)原油黏度在0.4～6.0 mPa·s，平均值僅為1.33 mPa·s[18]。

2.2.2 原油相對(duì)密度

美國CO2混相驅(qū)項(xiàng)目原油均為輕質(zhì)油[18-23]（見表7）。2014年數(shù)據(jù)顯示美國CO2混相驅(qū)油田原油的地面相對(duì)密度在0.802～0.893，平均值為0.840[18]，均屬輕質(zhì)油范疇。

表6　2004—2014年美國CO2混相驅(qū)油藏原油黏度統(tǒng)計(jì)

表7　2004—2014年美國CO2混相驅(qū)油藏原油相對(duì)密度統(tǒng)計(jì)

2.3 CO2混相驅(qū)技術(shù)應(yīng)用時(shí)機(jī)

從油田實(shí)施CO2混相驅(qū)之前的開發(fā)方式來看，多數(shù)油田有著很長時(shí)間的水驅(qū)歷史，只有少部分油田一次采油后直接進(jìn)行CO2混相驅(qū)。這些油藏多是由于超低孔滲無法進(jìn)行水驅(qū)的油藏。統(tǒng)計(jì)美國2004—2014年EOR數(shù)據(jù)[18-23]發(fā)現(xiàn)，有67%的CO2驅(qū)項(xiàng)目是在水驅(qū)后進(jìn)行的，這表明CO2驅(qū)油技術(shù)是水驅(qū)油藏進(jìn)一步提高采收率的有效技術(shù)方法。

同時(shí)美國油藏的低溫、低壓、低黏度等性質(zhì)又使CO2驅(qū)油過程中原油與CO2較易形成混相，致使美國的CO2混相驅(qū)項(xiàng)目遠(yuǎn)多于非混相驅(qū)項(xiàng)目。

2.4 CO2非混相驅(qū)技術(shù)

美國CO2非混相驅(qū)技術(shù)于1980年前后開始應(yīng)用，但其成熟度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于混相驅(qū)。技術(shù)發(fā)展的早期，美國曾進(jìn)行過大量的礦場試驗(yàn)。1986年CO2非混相驅(qū)項(xiàng)目數(shù)達(dá)到28個(gè)，然而其對(duì)應(yīng)的產(chǎn)量卻只有7.104×104t/a（見圖6）。這是因?yàn)槊绹鳦O2非混相驅(qū)項(xiàng)目的實(shí)施過程中遇到了一系列問題，如CO2氣體快速突破導(dǎo)致的波及系數(shù)低、所篩選的儲(chǔ)集層難以適應(yīng)CO2非混相驅(qū)等。因此，自1990年后CO2非混相驅(qū)項(xiàng)目銳減。經(jīng)過長時(shí)間的研究與探索，現(xiàn)已形成了對(duì)注入CO2進(jìn)行有效監(jiān)測、對(duì)注入層位和生產(chǎn)剖面進(jìn)行調(diào)堵、有效篩選適合CO2非混相驅(qū)的油藏等方面的技術(shù)。2004年后，美國CO2非混相驅(qū)技術(shù)應(yīng)用得到復(fù)蘇。根據(jù)2014年數(shù)據(jù)[18]，美國CO2非混相驅(qū)生產(chǎn)井?dāng)?shù)已達(dá)到993口，年產(chǎn)量達(dá)106.89×104t。

圖6　美國CO2非混相驅(qū)項(xiàng)目數(shù)及產(chǎn)量

相對(duì)于CO2混相驅(qū)，非混相驅(qū)有著自身的油藏特點(diǎn)。根據(jù)2014年數(shù)據(jù)[18]：CO2非混相驅(qū)項(xiàng)目多屬中高孔滲油藏，孔隙度多分布在17%～30%，平均值為25.23%，滲透率分布在（325.78～3 000.00）×10?3μm2，平均值為1 000×10?3μm2；油藏平均埋深1 412 m，屬于中等深度；平均油藏溫度和混相驅(qū)溫度相近，在60 ℃左右；原油偏重偏稠，相對(duì)密度0.85～0.99，平均0.90，黏度0.6～17.4 mPa·s，平均8.528 mPa·s。

美國CO2非混相驅(qū)項(xiàng)目實(shí)施初期的平均含油飽和度為47.43%，與混相驅(qū)項(xiàng)目初期的50.88%較為接近，但項(xiàng)目結(jié)束時(shí)的含油飽和度為39.00%，遠(yuǎn)高于混相驅(qū)項(xiàng)目結(jié)束時(shí)的29.37%[18-23]。這表明，與CO2混相驅(qū)相比，非混相驅(qū)的提高采收率程度較低。

3　典型實(shí)例

Kelly-Snyder油田SACROC區(qū)塊實(shí)施的CO2驅(qū)油項(xiàng)目是美國最典型、最成功的CO2混相驅(qū)實(shí)例之一。該項(xiàng)目自1972年開始至今，先后經(jīng)歷了Chevron、Devon Resource、Kinder Morgan等多家作業(yè)公司，每次更換都會(huì)給項(xiàng)目注入新的理念，帶來技術(shù)的進(jìn)步，項(xiàng)目走向成熟的同時(shí)也形成了一系列關(guān)鍵配套技術(shù)[24-27]。

3.1 SACROC區(qū)塊簡介

該區(qū)塊屬低滲透碳酸鹽巖油藏，主要產(chǎn)層Canyon Reef層為石炭系石灰?guī)r，非均質(zhì)性強(qiáng)，且發(fā)育平面上分布不連續(xù)的致密層隔夾層[10]。地層壓力22.14 MPa，泡點(diǎn)壓力12.76 MPa，孔隙度9.41%，滲透率3.03×10?3μm2，油藏深度2 043.5 m，體積系數(shù)1.472，原油相對(duì)密度0.82，原油黏度0.35 mPa·s。

SACROC區(qū)塊發(fā)現(xiàn)于1948年，經(jīng)歷6年一次采油，油藏壓力下降幅度較大。1954年開始注水開發(fā)，1970年進(jìn)入高含水階段。CO2混相驅(qū)分3個(gè)工區(qū)進(jìn)行，開始時(shí)間分別為1972年1月（9個(gè)井組）、1973年3月和1976年11月，注入井網(wǎng)主要為反九點(diǎn)井網(wǎng)[10]。自實(shí)施CO2混相驅(qū)以來，油田取得了較好的開發(fā)效果。截至2014年，該項(xiàng)目已擴(kuò)展到503口注入井和390口生產(chǎn)井，覆蓋面積達(dá)到201.9 km2，平均單井產(chǎn)能為9.7 t/d[18]。

3.2 形成的關(guān)鍵技術(shù)

①擴(kuò)大氣驅(qū)波及體積技術(shù)。其技術(shù)內(nèi)涵是向地層中適當(dāng)注入低流度物質(zhì)占據(jù)氣體流動(dòng)通道，從而起到抑制氣體竄流的作用。WAG（水氣交替）注入技術(shù)[28-29]和CO2泡沫調(diào)驅(qū)技術(shù)是典型的擴(kuò)大氣驅(qū)波及體積技術(shù)。1972年SACROC項(xiàng)目實(shí)施初期，Chevron公司就嘗試了WAG注入技術(shù)：一方面成功地將試驗(yàn)區(qū)地層壓力從11.03 MPa提高到16.55 MPa，使其高出最小混相壓力（15.86 MPa），達(dá)到CO2混相的壓力條件；另一方面有效地控制了驅(qū)替流體的流度，實(shí)現(xiàn)了注CO2提高微觀驅(qū)油效率和注水提高宏觀波及系數(shù)的有機(jī)結(jié)合，進(jìn)而提高了該地區(qū)的石油采收率。

②智能CO2監(jiān)測和注采調(diào)整技術(shù)[30]。由于CO2流度大及油藏非均質(zhì)性強(qiáng)等原因，注入的CO2很容易形成指進(jìn)或無效注入。利用智能CO2監(jiān)測技術(shù)可以掌握CO2在油藏中的動(dòng)態(tài)分布，通過遙控智能井的注入采出量，調(diào)整地層中油氣分布規(guī)律，從而減少CO2無效循環(huán)，提高石油采收率。SACROC區(qū)塊利用此項(xiàng)技術(shù)不斷對(duì)注采井網(wǎng)進(jìn)行調(diào)整，其年產(chǎn)量逐年攀升。2000 年SACROC區(qū)塊僅57口CO2注入井和325口采油井，年EOR產(chǎn)量僅為47×104t。通過調(diào)整，2008年注氣井和采油井?dāng)?shù)分別為444口和391口，年EOR產(chǎn)量升至126×104t；2012年進(jìn)行了新一輪調(diào)整，注氣井和采油井?dāng)?shù)分別為503口和390口，年EOR產(chǎn)量已達(dá)138× 104t。

③產(chǎn)出氣處理及CO2循環(huán)注入技術(shù)。即使是混相驅(qū)，產(chǎn)出流體中也會(huì)伴隨大量的CO2，如何分離和處理這些產(chǎn)出氣十分重要。最理想的處理方式就是對(duì)CO2進(jìn)行回注。在項(xiàng)目運(yùn)行初期，SACROC區(qū)塊采用Benfield方法（熱鉀堿法）回收CO2，隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，Benfield方法不能滿足需求。1983年項(xiàng)目操作方與NATCOGROUP合作，建設(shè)了冷凝回收富烴裝置和膜分離CO2裝置[31]。回收的富烴用于銷售，分離出的甲烷用于燃燒發(fā)電，富集的CO2管輸回油田用于回注。目前，膜分離系統(tǒng)日處理氣量已達(dá)509.7×104m3，產(chǎn)出氣中CO2含量從處理前的65%～85%，富集為95%。采用這種技術(shù)既回收了產(chǎn)出氣中烴組分，又減少了CO2的排放，降低了CO2成本。

近幾年，由于傳統(tǒng)CO2驅(qū)油技術(shù)黏性指進(jìn)、混相能力差等問題的突顯以及國家對(duì)埋存CO2進(jìn)行財(cái)政補(bǔ)貼等因素，美國開展了新一代集成CO2驅(qū)油技術(shù)的研究攻關(guān)，內(nèi)容包括增加注入量、增大注入氣黏度和改進(jìn)驅(qū)替方式等。新一代集成CO2驅(qū)油技術(shù)的目標(biāo)是追求提高石油采收率與CO2有效埋存的技術(shù)平衡點(diǎn)以及經(jīng)濟(jì)效益最大化。該技術(shù)的注氣量最高可達(dá)2～3倍孔隙體積，遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的0.3～0.5倍孔隙體積，很好地詮釋了CCUS（CO2的捕集、利用與埋存）技術(shù)理念。該技術(shù)已在加利福尼亞等6個(gè)州進(jìn)行試驗(yàn)，預(yù)計(jì)可使這些地區(qū)的原油可采儲(chǔ)量增加約40×108t[11]。

4　對(duì)中國的啟示

4.1 中國面臨巨大的碳排放壓力

當(dāng)前中國以煤為主的能源結(jié)構(gòu)在短時(shí)間內(nèi)難以發(fā)生根本性改變。據(jù)BP公司2013年數(shù)據(jù)（見表8），2012年，中國煤的消耗量占總能源消耗量的70.45%，遠(yuǎn)高于美國的22.95%和世界平均的29.63%。煤的碳排放系數(shù)遠(yuǎn)大于石油和天然氣，因此與總能耗量大體相當(dāng)?shù)拿绹啾?，中國面臨著更大的碳排放壓力，而CCUS技術(shù)是緩解壓力的有效辦法。

表8　2012年中國、美國和世界能源構(gòu)成

4.2 中國政府和企業(yè)積極應(yīng)對(duì)碳排放問題

中國政府高度重視CO2所帶來的全球環(huán)境問題，并積極探求解決辦法。1990年以來，中國不斷參加有關(guān)環(huán)境問題的國際活動(dòng)，2009年在哥本哈根世界氣候大會(huì)上中國提出了2020年溫室氣體減排目標(biāo)。2000年以來，中國設(shè)立多個(gè)科研攻關(guān)項(xiàng)目，推進(jìn)CCUS技術(shù)的發(fā)展，2011年發(fā)布了中國CCUS技術(shù)路線圖，2013年編制了中國CCUS技術(shù)發(fā)展規(guī)劃[32]，同時(shí)也在著手制定相關(guān)的激勵(lì)政策等。

在國家的宏觀指導(dǎo)下，國企、民企、科研院所、高校等單位積極參與和自主開展CCUS領(lǐng)域的理論基礎(chǔ)和應(yīng)用技術(shù)的研究和實(shí)踐[32-33]，目前已初見成效。例如，2008年中國石油在吉林油田建成了首個(gè)CO2-EOR國家示范工程。

4.3 中國CO2驅(qū)油技術(shù)的發(fā)展方向

中國具有CO2驅(qū)油和埋存的油藏條件和技術(shù)基礎(chǔ)。建議在國家層面統(tǒng)籌和協(xié)調(diào)以下工作，以推進(jìn)CCUS技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用：

①盡快出臺(tái)相應(yīng)法律、法規(guī)和政策。激勵(lì)和引導(dǎo)國企、民企及社會(huì)各界參與CCUS技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，同時(shí)明確各參與方的責(zé)權(quán)利。

②協(xié)調(diào)解決CO2源匯匹配問題。按照地域和油藏特征，文獻(xiàn)[32]提出中國適合CO2驅(qū)油與埋存的8大戰(zhàn)略區(qū)，可以此作為解決CO2源匯問題的基礎(chǔ)。

③做好各參與方的協(xié)調(diào)工作。CCUS技術(shù)是跨部門、跨行業(yè)甚至跨地域的新興集成技術(shù)，只有協(xié)調(diào)好各方利益，才能確保CCUS技術(shù)健康發(fā)展。

4.4 中國推廣CO2驅(qū)油技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

通過多項(xiàng)國家級(jí)科研攻關(guān)項(xiàng)目的研究與實(shí)踐，中國已取得了一批理論與技術(shù)成果，具備一定的CCUS技術(shù)實(shí)施基礎(chǔ)，但仍然面臨以下幾個(gè)方面的挑戰(zhàn)：

①中國油田油藏類型復(fù)雜，開發(fā)現(xiàn)狀各異，如何評(píng)價(jià)并篩選出適合注CO2提高采收率的油藏是一大難題。

②與美國海相油藏相比，中國陸相油藏非均質(zhì)性較強(qiáng)，部分低滲透油藏（動(dòng)態(tài)）裂縫發(fā)育[34-35]，實(shí)施CO2驅(qū)油技術(shù)時(shí)如何有效地提高CO2的波及體積、盡量減少CO2的無效注入是亟待解決的又一問題。

③中國油田大多數(shù)原油偏重、黏度較大，油藏溫度高。這造成原油與CO2的混相壓力較高，地層壓力條件下難以達(dá)到混相[34-36]。如何改善混相條件以提高CO2驅(qū)油效率成為一大挑戰(zhàn)。

④中國油田開發(fā)歷史較長，采取增產(chǎn)措施類型較多，井況復(fù)雜，保障注CO2氣時(shí)的安全生產(chǎn)需要充分準(zhǔn)備。

⑤中國油田多為陸相沉積，地質(zhì)和構(gòu)造特征復(fù)雜，能否對(duì)CO2進(jìn)行有效埋存需要進(jìn)行系統(tǒng)準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)。

5　結(jié)語

美國CO2-EOR技術(shù)取得了良好的開發(fā)效果，這與其資源特點(diǎn)（如易混相的油藏條件和MkElmo Domo等大型CO2氣田）、政策支持（如相關(guān)稅法）、企業(yè)積極響應(yīng)（如相關(guān)油氣公司和管道公司）等因素緊密相關(guān)。

中國具有實(shí)施CO2-EOR技術(shù)的巨大潛力，應(yīng)在充分吸收和借鑒美國先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，積極制定合理政策，鼓勵(lì)社會(huì)各界的加入，大力發(fā)展和推進(jìn)CCUS技術(shù)。此外，中國應(yīng)結(jié)合國內(nèi)資源實(shí)際，從國家層面做好政策法規(guī)、源匯匹配、參與方責(zé)權(quán)利等協(xié)調(diào)工作，同時(shí)找準(zhǔn)關(guān)鍵技術(shù)問題并予以解決。

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（編輯 胡葦瑋）

Application and enlightenment of carbon dioxide flooding in the United States of America

Qin Jishun1,2,3, Han Haishui1,2, Liu Xiaolei2,4
(1. PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration & Development, Beijing 100083, China; 2. State Key Laboratory of Enhanced Oil Recovery, Beijing 100083, China; 3. National Energy(Experiment)Research Centre of CCUS, Beijing 100083,
China; 4. Institue of Porous Flow & Fluid Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Langfang 065007, China)

Abstract:The application and characteristics of CO2flooding in the USA were analyzed and summarized. Complementary techniques of CO2flooding were generalized by an application example, and then the enlightenment was expounded for CO2flooding in China. The development process and forming reasons of CO2flooding technology were analyzed and summarized based on the systematic tracking of EOR survey data all over the world and the sufficient investigation of CO2-EOR technology application. The current situation of American CO2-EOR technology was evaluated using the quantity, scale and EOR production of projects as indexes. The characteristics and development-driving force of the projects were summed up. The characteristics of American CO2miscible flooding were emphatically outlined about reservoir properties, crude oil properties and project timings. Meanwhile, the scale and reservoir adaptability differences between American CO2miscible and immiscible flooding were comparatively analyzed. A series of complementary techniques were illuminated with the development of SACROC CO2-EOR project as an example. The challenges, technical bottlenecks and suggestions were analyzed and proposed for the promotion of CO2miscible flooding technology in China.

Key words:CO2flooding; miscible flooding; immiscible flooding; gas driving; enhanced oil recovery

收稿日期：2014-07-17 修回日期：2015-01-27

作者簡介：第一秦積舜（1958-），男，山東濟(jì)南人，博士，中國石油勘探開發(fā)研究院教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事油層物理與滲流力學(xué)等方面的研究工作。地址：北京市海淀區(qū)學(xué)院路20號(hào)，中國石油勘探開發(fā)研究院石油采收率研究所，郵政編碼：100083。E-mail：qinjs@petrochina.com.cn

DOI:10.11698/PED.2015.02.10

文章編號(hào)：1000-0747(2015)02-0209-08

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TE357.4

基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973）項(xiàng)目（2011CB707304）；國家科技重大專項(xiàng)（2011ZX05016-001）