蒸汽添加CO2改善稠油開發(fā)效果的理論分析
——以新疆A區(qū)塊某稠油油田為例

王恒力，高　揚(yáng)

(西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，陜西 西安 710069)

蒸汽添加CO2改善稠油開發(fā)效果的理論分析
——以新疆A區(qū)塊某稠油油田為例

王恒力，高揚(yáng)

(西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，陜西 西安 710069)

[摘要]稠油具有粘度高，比重大的特點(diǎn),因?yàn)榱鲃?dòng)阻力大而難以開采。世界開發(fā)稠油油藏的方法中，蒸汽驅(qū)、火燒油層、蒸汽吞吐是比較成功的手段。按稠油油藏的特點(diǎn)，開發(fā)各個(gè)油藏的開采方式也各有所異，但總是沿著降粘和使分子變小、變輕的方向發(fā)展。目前較常用的方法是蒸汽驅(qū)開發(fā)稠油油藏。結(jié)合新疆A區(qū)塊稠油油藏現(xiàn)狀，主要從蒸汽中添加CO2開發(fā)稠油油藏進(jìn)行闡述，研究蒸汽添加CO2驅(qū)油降粘機(jī)理，并對蒸汽驅(qū)的汽竄問題予以解決，達(dá)到更好的開發(fā)稠油油藏的目的。

[關(guān)鍵詞]稠油；蒸汽驅(qū)；降粘；封堵；汽竄；采收率

目前開采稠油較常用的方法是蒸汽驅(qū)，蒸汽驅(qū)能夠提高稠油采收率至40%～50%，但也有一些不足之處，比如在地層條件下蒸汽溫度下降迅速，非均質(zhì)性強(qiáng)的地層中水蒸汽汽竄嚴(yán)重。本文以新疆A區(qū)塊為例，研究蒸汽添加CO2驅(qū)油效果理論分析，并解決以上兩個(gè)問題。

1研究區(qū)儲(chǔ)層概況

1.1地層基本條件

A區(qū)塊內(nèi)地下水埋藏較深，淺層無地下水分布。油藏埋藏深度大概為1 140～1 240 m。D1井完井深度為1 440 m。表1為P1地層的基本條件。

表1　P1地層基本條件

1.2儲(chǔ)層巖石礦物組成及儲(chǔ)集空間類型

儲(chǔ)層以巖屑，長石質(zhì)巖屑砂巖為主，含有碳酸鹽巖和粘土礦物。成分成熟度和結(jié)構(gòu)成熟度低。主要成分是石英，約占55%，斜長石約占15%，碳酸鹽巖約占12%鉀長石約占10%，粘土礦物約占8%。粘土礦物主要成分為伊蒙混石，約占47%，高嶺石約占31.4%，綠泥石約占15.5%，伊利石約占6%。

儲(chǔ)集空間類型以剩余粒間空隙為主(39.8%)，其次粒內(nèi)溶孔(18.1%)，粒間溶孔(12.8%)，含少量高嶺石晶間溶孔方解石石晶間溶孔等，儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)。

2蒸汽驅(qū)添加CO2降粘理論分析

2.1蒸汽驅(qū)降粘

蒸汽驅(qū)方法是按照一定的井網(wǎng)形式，從注入井中連續(xù)注入蒸汽，把油驅(qū)向周圍的生產(chǎn)井，并在這一過程中將油加熱，降低其粘度。蒸汽驅(qū)目前已成為世界范圍內(nèi)的開采稠油的主要技術(shù)之一。整個(gè)蒸汽驅(qū)過程是以高溫降粘、蒸餾、熱膨脹、混相驅(qū)、溶解氣驅(qū)以及水驅(qū)等綜合作用提高采收率。最終采收率一般可達(dá)40%～50%。

稠油粘度對溫度有很強(qiáng)的敏感性，隨著溫度升高，稠油粘度顯著降低，稠油含膠質(zhì)、瀝青質(zhì)越多，內(nèi)聚力越大，稠油粘度越高。而在升溫過程中，粒子的布朗運(yùn)動(dòng)加劇，膠質(zhì)、瀝青質(zhì)逐步溶解，使稠油內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得松散，稠油內(nèi)聚力降低，稠油粘度隨之減小[1]。在向油層注入高溫蒸汽過程中，隨著油層溫度的升高，原油粘度大幅度下降。稠油油藏，溫度上升10度，則其粘度下降約50%[2]。蒸汽是一種熱流體，注入地層后，能大大提高油層溫度。油層巖石和流體體積膨脹，增加了彈性能量，從而增加了原油的流動(dòng)能力[3]。

圖1是單獨(dú)注入水蒸汽驅(qū)油時(shí)稠油粘度隨溫度的變化曲線圖

圖1　粘度隨溫度變化曲線

2.2蒸汽驅(qū)添加CO2降粘

深層稠油油藏傳統(tǒng)單一注蒸汽干度難以滿足汽驅(qū)要求，致使油汽比低、采收率低。為了解決這一問題，我們向水蒸汽中添加CO2來改善這一狀況。

首先它的來源很廣泛，達(dá)到了經(jīng)濟(jì)效益的目的，其次，它注入地層中有以下幾個(gè)特點(diǎn)。

(1)利用賈敏效應(yīng)。提高波及效率，降低殘余油飽和度。CO2與蒸汽混合注入，CO2在儲(chǔ)集層中產(chǎn)生賈敏效應(yīng)[4-5]，堵塞狹窄的孔隙喉道，從而調(diào)整注汽剖面，使蒸汽向周圍均勻波及，使原來呈束縛狀的原油成為可動(dòng)油，從而降低殘余油飽和度。

(2)降低稠油粘度。注入的CO2在稠油中發(fā)生溶解作用，當(dāng)CO2溶于稠油中后，由于羧化作用，油分子間的引力降低，減少了流體間流動(dòng)時(shí)的內(nèi)摩擦力，CO2還可以對稠油內(nèi)部膠質(zhì)瀝青質(zhì)所形成的膠束網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有一定的破壞作用。在超臨界狀態(tài)下，CO2有接近氣體的粘度，自擴(kuò)散系數(shù)要比液體大100倍以上，因而可以快速滲透到混合體系內(nèi)部，使得原油粘度降到1/10下[6]。

(3)使稠油體積膨脹，提高驅(qū)油效率。CO2溶于稠油之后，會(huì)使稠油體積膨脹，大量實(shí)驗(yàn)表明，原油中充分溶解CO2，可使原油體積膨脹1.4～1.6倍[7]。其結(jié)果不僅增加了原油的內(nèi)動(dòng)能，而且可以大幅度降低原油流動(dòng)過程中的毛管阻力和流動(dòng)阻力，從而提高原油的流動(dòng)能力。

超臨界CO2溶于稠油后的粘度與稠油中CO2溶解度、溫度、壓力等密切相關(guān)。給出了粘度計(jì)算公式

Ln(μm)=X0Ln(μ0)+XsLn(μs)[8]

X0=1-Xs,Xs=(F0B0-1)/(α+F0B0-1)

α=0.255γ-4.16Tr1.85[e7.36-e7.36(1-pr)/e7.36-1]

Pr=P/7.38,Tr=(5/9T+32)/547.57

式中：P為壓力，Mpa；T為溫度，℃；γ為稠油相對密度；μm為常壓下原油粘度；μs為常壓下CO2粘度；B0為稠油體積系數(shù)；F0為系數(shù)；

根據(jù)公式得出添加CO2后稠油粘度隨溫度變化曲線，(如圖2)

圖2　添加CO2后稠油粘度隨溫度變化曲線

3蒸汽添加CO2改善汽竄的理論分析

蒸汽驅(qū)中存在的問題：蒸汽在注入過程中由于粘度差異極大，在非均質(zhì)性強(qiáng)的儲(chǔ)層中易形成指進(jìn)竄流，從而導(dǎo)致蒸汽驅(qū)有效期短，垂向及平面上的汽驅(qū)波及系數(shù)不高。下面我們來理論分析通過控制注入CO2量來防止稠油蒸汽驅(qū)汽竄的可行性。

表2　P1地層的總體積和總孔隙體積

3.1CO2與高溫蒸汽的注入

將CO2與高溫水蒸氣同時(shí)由D1井注入P1層位，水蒸氣和CO2按照摩爾比為25：1(地層條件下飽和CO2溶液的水蒸氣與CO2摩爾比51：1[9]，這樣是為了讓CO2始終處于過飽和狀態(tài))配制為混合氣體。首次注入混合氣體量應(yīng)為5 PV，在地層高溫高壓條件下CO2與地層水和儲(chǔ)層巖石都會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成沉淀，生成的沉淀隨著流體運(yùn)移至大孔隙停留下來，從而堵塞大孔隙，造成儲(chǔ)層滲透率下降。

實(shí)驗(yàn)所用巖石孔隙度為23%，直徑為2.5 cm，總長度為16.1 cm，總體積為79 cm3。實(shí)驗(yàn)注入速度為0.27 mL/h,注入CO2速度為0.16 mol/h。實(shí)驗(yàn)所注CO2速度：1.101 3×10-9mol/ h·cm3。表2為P1地層的總體積和總孔隙體積

3.2地層水中各離子濃度隨混合氣體注入量的變化關(guān)系

CO2與地層水及儲(chǔ)層巖石發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，引起地層中各離子濃度變化和地層水pH的變化。以所給條件中的P1層為例研究pH、Ca2+濃度、濃度隨注入CO2量的改變而發(fā)生的變化。

圖3　地層水pH值隨CO2注入量改變而變化的曲線圖

由圖3可分析到，CO2的地層水溶液初始pH值為7.80，為弱堿性。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，pH值在反應(yīng)開始后的0.1 PV內(nèi)迅速升高至8.1，隨后緩慢下降。在注入量5 PV時(shí)，pH值為6.4。在隨著反應(yīng)的進(jìn)行pH值又緩慢上升，在注入量為25 PV時(shí)，最終PH值為7.5。

圖4　Ca2+濃度隨CO2注入量的變化關(guān)系

注入量在0.5 PV范圍內(nèi)，Ca2+質(zhì)量濃度快速下降，由初始的61.62 mg/L降至約38.5 mg/L，當(dāng)注入量大于1 PV時(shí)，Ca2+濃度迅速升高，在1.1 PV時(shí)達(dá)到最大值85 mg/L。注入混合氣體體積倍數(shù)大于1 PV時(shí)，反應(yīng)液釋放出的CO2氣體含量與Ca2+質(zhì)量濃度變化進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)氣體中CO2脫氣量與Ca2+濃度具有很好的相關(guān)性。當(dāng)反應(yīng)氣體中CO2脫氣量增高時(shí)，對應(yīng)的Ca2+濃度也增高。

圖5　CO2脫氣量與累計(jì)注入混合氣體的變化關(guān)系曲線

地層水中Ca2+質(zhì)量濃度的變化主要與方解石和鈣質(zhì)砂巖的溶解和沉淀有關(guān)。在沉積巖的成巖環(huán)境中，方解石與鈣質(zhì)砂巖的溶解和沉淀與地下水的化學(xué)性質(zhì)、溫度、CO2分壓以及PH值有著密切的關(guān)系。

圖6　未堵塞大孔道時(shí)水蒸汽驅(qū)油模型圖

圖7　堵塞大孔道后水蒸汽驅(qū)油模擬圖

圖8　注入不同CO2量的驅(qū)油模型[11]

圖9　控制CO2量提高水蒸汽波及系數(shù)示意圖[12]

3.3CO2與地層水及巖石反應(yīng)機(jī)理

由上圖可以看出，隨著注入CO2量的變化，地層水中的pH、Ca2+濃度、HCO3-濃度不斷發(fā)生變化。說明隨著CO2的注入，不斷與地層巖石發(fā)生著化學(xué)反應(yīng)。

CO2對鉀長石的溶解較為嚴(yán)重，主要因?yàn)殁涢L石成分成熟度和結(jié)構(gòu)成熟度低。在高溫條件下，碎屑長石容易與酸性流體反生反應(yīng)。

2KAlSi3O8+2H++9H2O—Al2Si2O5(HO4)+2K++4H4SiO4

CO2對碳酸鹽的溶解非常嚴(yán)重。方解石的溶解和沉淀是溶液中Ca2+質(zhì)量濃度變化的主要原因[10]。剛開始時(shí)，地層水溶液中Ca2+質(zhì)量濃度一直在減小，說明碳酸鹽不僅沒有溶解，反而發(fā)生了沉淀。這是因?yàn)閯傞_始CO2與砂巖反應(yīng)強(qiáng)烈，硅酸鹽礦物溶蝕釋放出二價(jià)陽離子與CO32-反應(yīng)生成碳酸鹽，導(dǎo)致溶液pH值快速升高。同時(shí)促進(jìn)了碳酸的二級電離，產(chǎn)生較多的CO32-,進(jìn)而與溶液中的Ca2+結(jié)合，生成碳酸鹽。其化學(xué)反應(yīng)方程式為：

HCO3-+Ca2+=CaCO3+H+

CO2+H2O=H++HCO3-

HCO3-=H++CO32-

在CO2與地層巖石發(fā)生反應(yīng)過程中，同時(shí)生成一些新的礦物和一些中間產(chǎn)物。新生成的礦物主要為高嶺石。新生成的中間產(chǎn)物為碳酸鹽巖膠結(jié)物質(zhì)。

在整個(gè)反應(yīng)過程中地層滲透率、孔隙度、空隙體積是不斷變化的。在注入CO2時(shí)，CO2會(huì)萃取稠油中的瀝青質(zhì)，使其吸附在巖石表面，從而降低巖石孔隙度和滲透率。但CO2會(huì)和地層中的巖石發(fā)生反應(yīng)，溶解一部分巖石，使得地層孔隙度和滲透率增大。這二者最終的作用可以抵消，對地層滲透率影響不大。最主要的是地層水中Ca2+的溶解和沉淀，對地層孔隙度和滲透率起決定性作用。新生成的高嶺石、中間產(chǎn)物和由碳酸鹽膠結(jié)物質(zhì)溶解釋放出的粘土顆粒一起運(yùn)移至孔喉，從而堵塞空隙，導(dǎo)致巖石滲透率降低。

3.4利用CaCO3沉淀進(jìn)行調(diào)剖堵水提高波及系數(shù)

通過以上對CO2在地層條件下與巖石反應(yīng)的分析，可以得到Ca2+濃度的變化過程。由上文可知在CO2注入量為5 PV時(shí)Ca2+濃度最小，這時(shí)Ca2+絕大多數(shù)變?yōu)樘妓徕}沉淀，伴隨著碳酸鈣沉淀生成的物質(zhì)還有少量的中間物質(zhì)(趨向于粘土礦物)和碳酸鹽膠體。這些生成物會(huì)隨著水蒸汽和少量的原油沿著汽竄通道運(yùn)移，這些生成物會(huì)在喉道出現(xiàn)沉降堆積，最終堵塞喉道，降低大孔道的滲透率。這時(shí)迫使高溫水蒸汽流經(jīng)小孔道，從而降低小孔道中稠油的粘度，并由水蒸汽驅(qū)替出來。水蒸汽的波及面積逐漸擴(kuò)大。

4結(jié)語

(1)CO2在稠油中發(fā)生溶解作用，產(chǎn)生羧化作用，同時(shí)還可以對稠油內(nèi)部膠質(zhì)瀝青質(zhì)所形成的膠束網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有一定的破壞作用，會(huì)大幅度降低稠油的粘度，從而提高原油的流動(dòng)能力。

(2)單獨(dú)注入水蒸汽時(shí)，溫度降粘效率一般,在水蒸汽中添加CO2驅(qū)替稠油可明顯改善這種情況，在溫度為70℃時(shí)粘度已經(jīng)降到2.1 mPa·s，容易開采，水蒸汽熱損失對溫度降粘影響不大。

(3)水蒸汽加CO2驅(qū)替稠油，摩爾比為25：1時(shí)，注入速度為3.6×1010mol/h時(shí)驅(qū)油效果最明顯,此時(shí)Ca2+都轉(zhuǎn)化為碳酸鈣沉淀，堵塞大的喉道，改變流動(dòng)通道，從而提高水蒸氣的波及體積改善汽竄現(xiàn)象。

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[收稿日期]2016-02-28

[作者簡介]王恒力(1991-)，男，陜西渭南人，在讀碩士研究生，主攻方向：油氣田地質(zhì)與開發(fā)。

[中圖分類號(hào)]P618.13

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]B

[文章編號(hào)]1004-1184(2016)03-0255-03