二氧化碳驅(qū)提高采收率技術(shù)及應用

秦偉

【摘要】二氧化碳驅(qū)可以作為二次或三次采油應用于油田。這項技術(shù)不僅能提高采收率，還可以解決二氧化碳的封存問題，保護大氣環(huán)境，抑制溫室效應。文中探討了二氧化碳驅(qū)的驅(qū)油機理、各種注入方式的特點以及國內(nèi)外的應用情況?？梢钥吹?，在能源緊缺和節(jié)能減排的背景下，二氧化碳驅(qū)有著非常廣闊的推廣利用前景。

【關(guān)鍵詞】二氧化碳；三次采油；采收率；EOR

提高采收率（EOR）研究是油氣田開發(fā)永恒的主題之一。將二氧化碳注入衰竭的油層，可提高油氣田采收率，己成為世界許多國家石油開采業(yè)的共識。二氧化碳驅(qū)一般可提高原油采收率7%～15%，延長油井生產(chǎn)壽命15～20a。二氧化碳來源可從工業(yè)設(shè)施如發(fā)電廠、化肥廠、水泥廠、化工廠、煉油廠、天然氣加工廠等排放物中回收，既可實現(xiàn)使氣候變暖的溫室氣體的減排，又可達到增產(chǎn)油氣的目的。

1、二氧化碳驅(qū)油機理

1.1降粘作用

二氧化碳與原油有很好的互溶性，隨著溶解氣油比的增加，原油粘度顯著降低，粘度降低后原油流動能力增大，油水流度比減小，提高原油產(chǎn)量。

1.2膨脹作用

二氧化碳注入油藏后，使原油體積大幅度膨脹，便可以增加地層的彈性能量，還有利于膨脹后的剩余油脫離地層水以及巖石表面的束縛，變成可動油，是驅(qū)油效率升高，提高原油采收率。

1.3萃取和汽化原油中的輕烴

在一定壓力下，二氧化碳混合物能萃取和汽化原油中不同組分的輕質(zhì)烴，降低原油相對密度，從而提高采收率。二氧化碳首先萃取和汽化原油中的輕質(zhì)烴，隨后較重質(zhì)烴被汽化產(chǎn)出，最后達到穩(wěn)定。

1.4溶解氣驅(qū)作用

大量的二氧化碳溶于原油中具有溶解氣驅(qū)的作用。降壓采油機理與溶解氣驅(qū)相似，隨著壓力下降，二氧化碳從液體中逸出，液體內(nèi)產(chǎn)生氣體驅(qū)動力，提高了驅(qū)油效果。另外，一些二氧化碳驅(qū)油后，占據(jù)了一定的孔隙空間，成為束縛氣，也可使原油增產(chǎn)。

1.5提高滲透率作用

二氧化碳溶于原油和水，使其碳酸化。碳酸水與油藏的碳酸鹽反應，生成碳酸氫鹽。碳酸氫鹽易溶于水，導致碳酸鹽尤其是井筒周圍的大量水和二氧化碳通過的碳酸巖滲透率提高，使地層滲透率得以改善，上述作用可使砂巖滲透率提高5%-15%，同時二氧化碳還有利于抑制粘土膨脹。另外，二氧化碳-水混合物由于酸化作用可以在一定程度上解出無機垢堵塞、疏通油流通道、恢復單井產(chǎn)能。

2、二氧化碳驅(qū)種類及注入工藝

2.1二氧化碳驅(qū)的種類

（1） 二氧化碳混相驅(qū)?；煜囹?qū)油是在地層高退條件下，油中的輕質(zhì)烴類分子被二氧化碳提取到氣相中來，形成富含烴類的氣相和溶解了二氧化碳的原油的液相兩種狀態(tài)。當壓力達到足夠高時，二氧化碳把原油中的輕質(zhì)和中間組分提取后，原油溶解瀝青、石蠟的能力下降，這些重質(zhì)成分將會從原油中析出，殘留在原地，原油粘度大幅度下降，從而達到混相驅(qū)的目的?；煜囹?qū)油效率很高，條件允許時，可以使排驅(qū)劑所到之處的原油百分之百的采出。但要求混相壓力很高，組成原油的輕質(zhì)組分C2-C6含量很高，否則很難實現(xiàn)混相驅(qū)油。由于受地層破裂壓力等條件的限制，混相驅(qū)替只適用于重度比較高的輕質(zhì)油藏，同時在淺層、深層、致密層、高滲透層、碳酸鹽層、砂巖中都有過應用的經(jīng)驗，總結(jié)起來，二氧化碳混相驅(qū)對開采下面幾類油藏具有更重要的意義。a.水驅(qū)效果差的低滲透油藏；b.水驅(qū)完全枯竭的砂巖油藏；c.接近開采經(jīng)濟極限的深層、輕質(zhì)油藏；d.利用二氧化碳重力穩(wěn)定混相驅(qū)開采多鹽丘油藏。

（2）二氧化碳非混相驅(qū)。二氧化碳非混相驅(qū)的主要采油機理是降低原油的粘度，使原油體積膨脹，減小界面張力，對原油中輕烴汽化和油提。當?shù)貙蛹捌渲辛黧w的性質(zhì)決定油藏不能采用混相驅(qū)時，利用二氧化碳非混相驅(qū)的開采機理，也能達到提高原油采收率的目的，主要應用包括：a.可用二氧化碳來恢復枯竭油藏的壓力。雖然與水相比，恢復壓力所用的時間要長得多，但由于油藏中存在的游離氣相將分散二氧化碳，使之接觸到比混相驅(qū)更多的地下原油，從而使波及效率增大。特別是對于低滲透油藏，在不能以經(jīng)濟速度注水或驅(qū)替溶劑段塞來提高油藏的壓力時，采用注二氧化碳，就可能辦到，因為低滲透性油層對注入二氧化碳這類低粘度流體的阻力很小。b.重力穩(wěn)定非混相驅(qū)替。用于開采高傾角、垂向滲透率高的油藏。c.重油二氧化碳驅(qū)，可以改善重油的流度，從面改善水驅(qū)效率。d.應用二氧化碳驅(qū)開采高粘度原油。

2.2二氧化碳驅(qū)注入工藝

（1）連續(xù)注二氧化碳氣體。直接向已枯竭的地層中連續(xù)注入二氧化碳氣體，特點為：a.見效快，但二氧化碳消耗量大，一般為地層孔隙體積的幾倍；b.由于不利的流度比，容易發(fā)生早期氣竄，產(chǎn)氣量上升快，二氧化碳利用率低；c.不適于壓力過低的油藏，因為這類油藏一方面需要大量的二氧化碳氣體，另一方面，過低的壓力下二氧化碳氣體與原油混相困難，造成只有少量輕質(zhì)烴采出，大量重質(zhì)烴留在地下。（2）注碳酸水（ORCO）。利用二氧化碳溶于水的性質(zhì)，將水-二氧化碳溶液注入到地層后，水中的二氧化碳在分子擴散作用下與原油接觸并驅(qū)油。（3）水和二氧化碳氣體交替注入。將二氧化碳和水以較小的段塞尺寸（一般小于5%HCPV）交替注入到油層中驅(qū)油。雖然注入的水可能造成水屏蔽和二氧化碳繞流原油，且存在潛力的重力分層作用，同時還可能造成注入能力下降等缺點。但由于改善了二氧化碳的流度，提高了二氧化碳的體積波及系數(shù)和利用率，因此，交替注入方式是經(jīng)濟有效的提高采收率的工藝方法。（4）同時注入二氧化碳氣體和水。二氧化碳和水同時注入是利用雙注系統(tǒng)同時將水和二氧化碳注入油層的方法。可以看做WAG發(fā)的一種極端情況。此種注入方法的不利因素就是：當高壓注入二氧化碳和水的混合物時，注入井腐蝕嚴重；當兩相同時注入時，注入能力會降低。

3、二氧化碳驅(qū)應用情況

3.1國外應用情況

國外采用二氧化碳驅(qū)的主要國家有：美國、前蘇聯(lián)、匈亞利、加拿大、法國、德國等。據(jù)統(tǒng)計，全球?qū)嵤〤O2-EOR項目共有94個，其中，美國82個（80個混相驅(qū)，2個非混相驅(qū)），加拿大6個，特立尼達5個，土耳其1個。CO2-EOR技術(shù)的應用主要集中在美國，其年產(chǎn)油量為1186×104t/a，占世界CO2-EOR總產(chǎn)量的94.2%。美國有十個產(chǎn)油區(qū)的292個油田適用CO2驅(qū)，一般提高采收率7%～15%，在西得克薩斯州，CO2是最主要EOR方法，一般可提高采收率30%左右。根據(jù)美國能源部國家能源技術(shù)實驗室（NETL）的評價結(jié)果，美國利用二氧化碳驅(qū)的增油潛力達340億桶。從1970年開始，美國就在得克薩斯州把二氧化碳注入油田作為提高石油采收率（EOR）的一種技術(shù)手段，從84年到89年，二氧化碳混相驅(qū)日產(chǎn)量由4976.7m3上升到28464.8m3。二氧化碳非混相驅(qū)日產(chǎn)量由111.6m3下降到15.1m3（實際上94年就停產(chǎn)了）。注氣項目二氧化碳混相驅(qū)84年為40項，到98年增加到66項，至2006年已有70多個類似的項目，每年注入二氧化碳總量達2000萬～3000萬噸，其中大約有300萬噸二氧化碳來源于煤氣化廠和化肥廠的尾氣，大部分從天然的二氧化碳氣藏采集。到2010年2月止，注入二氧化碳已幫助一些成熟油田回收了近15億桶石油，且至今還在使用。美國具有最先進的CO2-EOR驅(qū)油技術(shù)。美國的實踐表明，CO2提高采收率技術(shù)適用油藏類型較廣、提高采收率的幅度較大、在高油價下投資回報率較高；以工業(yè)廢氣為主的CO2捕集-封存-應用一體化提高采收率技術(shù)將是今后發(fā)展的新走向，新一代二氧化碳提高采收率技術(shù)預計可將采收率提高到60%以上。加拿大也有許多重油油藏被認為不適合進行熱力開采，加拿大對CO2驅(qū)開采重油進行了大量的研究。二氧化碳驅(qū)對加拿大西部沉積盆地中許多接近枯竭的地層和大部分需要基礎(chǔ)設(shè)施的油藏中都極具吸引力，已經(jīng)開發(fā)出了一種適合于二氧化碳提高采收率方法的快速篩選、排序方法。這種方法適合儲量數(shù)據(jù)庫中的許多油藏，而且不需要對油藏工程進行詳細分析。油藏的篩選當以原油比重、油層溫度和壓力、最小混相壓力和剩余油飽和度為基礎(chǔ)，確定出它們對注入二氧化碳的適配性，并且用一種解析方法計算出突破時增加的開采量和注入任何烴孔隙體積（HCPV）二氧化碳的系數(shù)。此外，要計算實施二氧化碳隔離的油藏容量。油藏排序應根據(jù)與權(quán)重相對應的一組標準來確定和選擇最適合于二氧化碳驅(qū)并隔離二氧化碳的油藏。

3.2國內(nèi)應用情況

隨著全世界對氣候變化的不斷關(guān)注，中國先后設(shè)立了一批關(guān)于二氧化碳驅(qū)油利用與埋存相結(jié)合的重大項目，二氧化碳混相驅(qū)的實驗室研究及礦場試驗工作也有了一定的進展，注二氧化碳技術(shù)在油田的應用越來越多，已在江蘇、中原、勝利等油田進行了現(xiàn)場試驗。江蘇油田富14斷塊在保持最低混相壓力的狀態(tài)下，于1998年末開始了二氧化碳水交替（WAG）注入試驗注入6周期后水氣比由0.86：1升至2：1，見到了明顯的增油降水效果。水驅(qū)后油層中形成了新的含油富集帶。試驗區(qū)采油速度由0.5%升至1.2%，綜合含水率由93.5%降至63.4%。對于勝利油田而言，適合二氧化碳驅(qū)的油藏儲量就非?？捎^。根據(jù)初步油藏評價研究結(jié)果，僅勝利電廠附近適合二氧化碳驅(qū)的低滲透油田儲量就達2億多噸，若全部采用二氧化碳驅(qū)開發(fā)，每年可能消耗二氧化碳300萬噸，可提高油田采收率10%至15%。如規(guī)模應用二氧化碳驅(qū)，勝利油區(qū)低滲透油藏預計新增可采儲量3300萬噸至4700萬噸，二氧化碳注入需求將達1億噸以上。勝利電廠煙氣二氧化碳捕集純化技術(shù)，油田具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)。它的推廣應用，為今后勝利油田大規(guī)模開展二氧化碳驅(qū)提供了穩(wěn)定的氣源保障和技術(shù)保證。

二氧化碳在我國石油開采中有著巨大的應用潛力。據(jù)“中國陸上已開發(fā)油田提高采收率第二次潛力評價及發(fā)展戰(zhàn)略研究”結(jié)果，在參與本次評價的101.36億噸常規(guī)稀油油田的儲量中，適合二氧化碳驅(qū)的原油儲量約為12.3億噸，預計利用二氧化碳驅(qū)可增加可采儲量約1.6億噸。另外，對于我國現(xiàn)已探明的63.2億噸的低滲透油藏原油儲量，尤其是其中50%左右尚未動用的儲量，二氧化碳驅(qū)比水驅(qū)具有更明顯的技術(shù)優(yōu)勢。但是，二氧化碳驅(qū)技術(shù)在我國尚未成為研究和應用的主導技術(shù)?？梢灶A測，隨著技術(shù)的發(fā)展和應用范圍的擴大，二氧化碳將成為我國改善油田開發(fā)效果、提高原油采收率的重要資源。

參考文獻

[1]馬濤，湯達禎，蔣平，齊寧.注CO2提高采收率技術(shù)現(xiàn)狀.油田化學，2007，24（4）：379-382.