低滲透油藏CO2驅(qū)油機(jī)理及應(yīng)用現(xiàn)狀研究

夏惠芬，徐勇

（東北石油大學(xué)教育部提高油氣采收率重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江大慶163368）

低滲透油藏CO2驅(qū)油機(jī)理及應(yīng)用現(xiàn)狀研究

夏惠芬，徐勇

（東北石油大學(xué)教育部提高油氣采收率重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江大慶163368）

當(dāng)今社會(huì)快速發(fā)展，能源問題日益嚴(yán)峻。由于低滲透油藏低孔、低滲、自然能量不足等特點(diǎn)，采用常規(guī)方法已經(jīng)不能有效采出原油，CO2驅(qū)是三次采油方法中提高低滲透油藏采收率的一種方法。綜述了CO2驅(qū)油的機(jī)理、CO2驅(qū)油效果的影響因素以及近些年來國(guó)內(nèi)外CO2驅(qū)油的應(yīng)用現(xiàn)狀，指出CO2驅(qū)在我國(guó)低滲透油藏的可行性和巨大潛力。

低滲透；CO2驅(qū)油；機(jī)理；提高采收率；現(xiàn)狀

自我國(guó)1937年發(fā)現(xiàn)玉門油田，到現(xiàn)在我國(guó)油氣田開發(fā)將近有80年的歷史。除去最近幾年勘探出的新油田，大部分油田開發(fā)步入中后期，優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層減少，但低滲透油藏的儲(chǔ)量很可觀。低滲透油藏有其特殊的微觀孔隙結(jié)構(gòu)，孔隙度小，喉道細(xì)小滲流阻力大，巖石孔隙比表面大，層間非均質(zhì)性強(qiáng)及自然產(chǎn)能低等特征[1]。目前,低滲透油藏有很大一部分還未動(dòng)用，動(dòng)用主要采用注水開發(fā),尤其在含水率變高的后期還繼續(xù)采用注水驅(qū)，其開發(fā)效果很低[2]。在這種情況下,CO2驅(qū)開發(fā)方法成為一個(gè)更有效的采油方法。近年來，CO2驅(qū)技術(shù)迅速發(fā)展，以美國(guó)為首的國(guó)家開展了諸多CO2驅(qū)油室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和礦場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，增油效果非常顯著。中國(guó)是一個(gè)二氧化碳排放大國(guó)，大力推廣應(yīng)用CO2驅(qū)不僅可以提高低滲透油藏原油采收率，還可以為減緩溫室效應(yīng)作出貢獻(xiàn)。

1 注CO2驅(qū)油的機(jī)理

CO2的臨界溫度是31.26℃和臨界壓力是7.2 MPa（表1），當(dāng)溫度和壓力均高于臨界點(diǎn)的時(shí)候，CO2處于超臨界狀態(tài)，此時(shí)純CO2不可能被液化，但它會(huì)變成一種粘稠狀物質(zhì)，很像液體，密度與液體相似，粘度近于氣體，擴(kuò)散系數(shù)為液體的100倍，與原油可以充分溶解，原油溶有CO2時(shí)，油水界面張力，粘度，流度比等性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化,這些變化有利于原油從油藏中的驅(qū)替[3]。

表1 二氧化碳的臨界值Table1 The critical value of carbon dioxide

1.1 降低油水界面張力

CO2在油中溶解度遠(yuǎn)高于在水中的溶解度，水中的CO2促使巖石顆粒表面的油膜破裂并被沖洗下來，同時(shí)，又盡可能保護(hù)注水膜;這樣，當(dāng)油水界面張力很小時(shí)，積聚的殘余油滴在孔隙通道內(nèi)自由移動(dòng)，從而提高油相的滲透率[4]。孫長(zhǎng)宇等學(xué)者研究表明，隨著CO2在原油中不斷溶解，油水界面張力不斷減小，同時(shí)還會(huì)增加地層壓力，有利于驅(qū)油[5]。

1.2 降低原油粘度

油田開發(fā)過程中，注入的CO2會(huì)迅速與原油混溶，降低原油粘度，提高采收率。當(dāng)壓力維持在飽和壓力時(shí)，可以達(dá)到最佳的降粘效果。耿宏章等學(xué)者通過二氧化碳?xì)庠偷恼硿靥匦詫?shí)驗(yàn)證明，溫度一定時(shí)，混合CO2的原油的粘度會(huì)隨著壓力的升高呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)[6]。

1.3 膨脹作用

CO2溶解于原油，會(huì)致使其體積膨脹；CO2的溶解量和原油的分子量是影響原油體積膨脹大小的主要因素，低滲透油藏采用水驅(qū)后，一部分油殘留在地層中，采用CO2驅(qū)，原油體積膨脹，增加地層能量；殘留在地層中的剩余油體積膨脹，更容易脫離地層水和巖石表面的束縛，從而采收率提高[7]。

1.4 溶解氣驅(qū)作用

CO2注入油藏，大部分會(huì)溶解在原油當(dāng)中，沒有溶解的那部分氣體會(huì)占據(jù)地層孔隙，增加油藏內(nèi)能；油井生產(chǎn)過程中，壓力不斷下降，溶解于原油中的CO2會(huì)膨脹脫出，驅(qū)替原油入井筒，增加單井產(chǎn)量[8]。

1.5 改善流度比

流度指的是滲透率和粘度的比值，油藏采收率與油水流度比成正比，CO2溶解于原油中可以降低原油粘度增加流度，CO2可以使水碳酸化增加水的粘度降低流度；兩者機(jī)理共同作用下，水驅(qū)能力提高，波及面積增大，掃油效率提高[9]。

1.6 酸化作用

地層水溶解CO2后，其pH值降低。在頁巖當(dāng)中，可以抑制黏土膨脹；在碳酸鹽和砂巖當(dāng)中，酸化后的地層水可以與巖石中的碳酸鹽巖膠結(jié)物反應(yīng)，改善地層滲透率，有利于驅(qū)油[10]。

2 二氧化碳混相驅(qū)與非混相驅(qū)

每個(gè)油藏都有各自的特性，針對(duì)不同的油藏，CO2驅(qū)動(dòng)的方式也不相同，現(xiàn)在礦場(chǎng)實(shí)驗(yàn)大多使用混相驅(qū)和非混相驅(qū)兩種方式。

CO2混相驅(qū)油提高采收率原理是CO2析取原油中的輕質(zhì)組分致使原油溶解重質(zhì)成分能力下降從而降低原油粘度以及原油溶解CO2后體積膨脹，彈性能力增加，原油表面張力減小[11]。受制于CO2氣源以及我國(guó)CO2混相驅(qū)的最小混相壓力過高，我國(guó)目前對(duì)CO2混相驅(qū)的礦場(chǎng)實(shí)驗(yàn)很少，美國(guó)在這項(xiàng)技術(shù)上的研究走在世界前列，截止到2014年[12]，美國(guó)CO2混相驅(qū)項(xiàng)目有128個(gè)，產(chǎn)量達(dá)1 264×104t/a。

一般在油藏孔隙度、滲透率過高，原油密度、粘度過大時(shí)，采油CO2非混相驅(qū)。CO2非混相驅(qū)相對(duì)于混相驅(qū)，效率比較低，在油藏條件不適合混相驅(qū)的時(shí)候，才會(huì)采用。CO2非混相驅(qū)的驅(qū)油機(jī)理主要有使原油體積膨脹，降低原油粘度，降低界面張力。我國(guó)相繼在大慶、勝利等油田進(jìn)行CO2非混相驅(qū)試驗(yàn)，獲取了一些經(jīng)驗(yàn)。1980年開始，美國(guó)就進(jìn)行了CO2非混相驅(qū)實(shí)驗(yàn)，2014年，美國(guó)CO2非混相驅(qū)項(xiàng)目9個(gè)，產(chǎn)量達(dá)107×104t/a[12]。

3 CO2驅(qū)油的影響因素

3.1 流體性質(zhì)

在流體性質(zhì)中，影響CO2驅(qū)油效果的因素主要包括：原油密度和擴(kuò)散、彌散作用。由于油氣密度差，在驅(qū)替前緣，CO2更容易向油藏頂部流動(dòng)，突破時(shí)間會(huì)減少，大大降低了CO2的波及體積，致使采收率下降[13]。CO2的擴(kuò)散、彌散作用，減緩CO2向井底的錐進(jìn)時(shí)間，CO2的突破時(shí)間增加，遷移范圍變廣，波及系數(shù)提高，采收率提高。

3.2 儲(chǔ)層特征

儲(chǔ)層的滲透率和非均質(zhì)性是影響CO2驅(qū)油效果的重要因素。在非均質(zhì)儲(chǔ)層中，大部分CO2會(huì)進(jìn)入高滲透層，然后從高滲透層突進(jìn)到生產(chǎn)井形成黏性指進(jìn)，而低滲透層中的原油沒有被完全驅(qū)替，因此會(huì)降低驅(qū)油效率。儲(chǔ)層的非均質(zhì)性越小，驅(qū)替效果越好[14]。

3.3 注氣方式

CO2注氣方式會(huì)根據(jù)油藏構(gòu)造、儲(chǔ)層性質(zhì)，作用機(jī)理的不同而有不同的選擇，目前注氣方式有水氣交替注入、重力穩(wěn)定注入、連續(xù)注入、簡(jiǎn)單注入、周期注氣，CO2吞吐等，注入方式依據(jù)油藏本身特性來確定，最終的采油效果也均不相同，在一個(gè)油藏采用CO2驅(qū)之前應(yīng)該進(jìn)行可行性評(píng)價(jià)，優(yōu)選最佳驅(qū)油方式[15]。低滲透油藏滲流機(jī)理復(fù)雜，水氣交替注入是最佳驅(qū)油方式，湯瑞佳等學(xué)者采用延長(zhǎng)油田（低滲透油藏）靖邊203井區(qū)的地層原油和地層水進(jìn)行CO2驅(qū)驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，表明水氣交替注入可以最大程度上提高低滲透油藏采收率[16]。

4 CO2驅(qū)油技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

美國(guó)是世界上最早使用二氧化碳驅(qū)油的國(guó)家，二氧化碳驅(qū)油技術(shù)掌握十分全面。1952年，美國(guó)大西洋煉油公司獲得首個(gè)二氧化碳驅(qū)油專利[17]，1972年，美國(guó)Chevron公司進(jìn)行了世界上第一個(gè)CO2驅(qū)油商業(yè)項(xiàng)目，取得了良好的效果[18]。然而在石油行業(yè)日益蓬勃的時(shí)刻，從1973-1990年間爆發(fā)了三次石油危機(jī)，在這三次危機(jī)中，以美國(guó)為首的一些國(guó)家不斷調(diào)整新能源政策法規(guī)，鼓勵(lì)各種可以提高采收率的方法[19]。在此環(huán)境下，美國(guó)在1982—1984年間大規(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[20,21]。在這一系列措施的推動(dòng)下，CO2驅(qū)在全球得到大規(guī)模應(yīng)用。

前蘇聯(lián)開展CO2驅(qū)也比較早，1953年就進(jìn)行研究，并于1967年在圖依馬津油田進(jìn)行工業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，隨后在科茲洛夫等五個(gè)油田進(jìn)行礦場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，最終采收率增加了10.4%～13%，俄羅斯2000年《石油業(yè)》雜志指出，低滲透油藏應(yīng)用CO2驅(qū)具有廣闊前景[22]。

1994年，加拿大石油公司在輕質(zhì)油藏中開展CO2驅(qū)綜合研究，1997年，在韋本油田投資11億美元進(jìn)行大規(guī)模CO2混相驅(qū)采油，研究發(fā)現(xiàn)，CO2驅(qū)比水驅(qū)提高采收率35%左右，生產(chǎn)年限延長(zhǎng)25年以上。

土耳其石油公司在Bati Raman重油油田，Ikiztepe油田，Camurlu油田進(jìn)行CO2驅(qū)實(shí)驗(yàn)，因?yàn)槿齻€(gè)油田的混相壓力遠(yuǎn)高于油藏壓力，采用了CO2非混相驅(qū)；Bati Raman重油油田粘度高，原始油藏壓力為1 800 l b/in2，Bati Raman采用CO2蒸汽吞吐，截止到1998年1月，增產(chǎn)34×106STB；Ikiztepe油田，在一個(gè)200 m×200 m的反五點(diǎn)井網(wǎng)區(qū)進(jìn)行非混相驅(qū)實(shí)驗(yàn)，開始進(jìn)行CO2蒸汽吞吐，采出油912 bbl，后面采用連續(xù)注入，共注入339.42 MMSCF氣,產(chǎn)出油17 284 bbl[23]。

2008年1月下旬，為了減少CO2的排放以及提高原油產(chǎn)量，阿聯(lián)酋宣布投資20億～30億美元用以建設(shè)二氧化碳捕集和封存網(wǎng)絡(luò)。阿聯(lián)酋擁有廣闊的天然氣能源，通過捕集和封存排放地區(qū)CO2，然后用于臨近的油藏，這一措施將提高原油采收率，減緩溫室效應(yīng)。

截至2014年10月，美國(guó)有136個(gè)油田開展了二氧化碳驅(qū)油項(xiàng)目，是世界上利用二氧化碳提高采收率最多的國(guó)家，鋪設(shè)二氧化碳輸送管線5 800 km，每天向油田供應(yīng)二氧化碳約18.7萬t，生產(chǎn)原油30萬桶/日，二氧化碳驅(qū)油累積生產(chǎn)原油高達(dá)20億桶。

相比于國(guó)外，我國(guó)的CO2驅(qū)驅(qū)油室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和礦場(chǎng)實(shí)驗(yàn)起步晚，還沒有形成一套成熟的系統(tǒng)。但我國(guó)已經(jīng)在在大慶、江蘇、勝利等油田進(jìn)行了CO2驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，取得了一些經(jīng)驗(yàn)和一定成果。

1963年，大慶油田首先進(jìn)行CO2驅(qū)采油實(shí)驗(yàn)，大慶榆樹林油田Y101區(qū)塊，2009年全部采用CO2注氣開采，截止2013年9月底，累積注入液態(tài)CO211.06×104t，累積產(chǎn)油5.53×104t，采出程度為4.65%[24]。

1998年起，江蘇油田在富14斷塊進(jìn)行水氣（CO2）交替注入實(shí)驗(yàn)，到2000年9月，累計(jì)注入CO2620×104m3，注水量24 039 m3，到2000年底，累積增產(chǎn)原油5 218 t[25]。

截止2001年6月底，儲(chǔ)家樓油田CO2非混相驅(qū)驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，CO2和水以1∶1比例注入，累積注入CO22 605 t,提高采收率0.5%，增產(chǎn)原油988 t噸[26]。

2007年，勝利油田在高89-1區(qū)塊進(jìn)行的CO2驅(qū)先驅(qū)實(shí)驗(yàn)，5口井增油2.1 t，截止到2010年，勝利油田CO2驅(qū)累計(jì)增油7 500 t[27]。

2008年11月，我國(guó)在榆樹林油田建立第一座CO2注氣站，進(jìn)行CO2驅(qū)實(shí)驗(yàn)。截止到2012年榆樹林油田試驗(yàn)區(qū)產(chǎn)油自然遞減率為0，推算提高采收率20.1%，增油113.45×104t[27]。

截止到2014年8月，吉林油田已經(jīng)建立有長(zhǎng)嶺氣田凈化站，注氣井組34個(gè)，并且在黑59區(qū)塊（產(chǎn)量提高采收率10.4%）、黑79區(qū)塊、黑46區(qū)塊進(jìn)行CO2驅(qū)油礦場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，CO2驅(qū)年產(chǎn)能力20萬t[28]。

5 結(jié)論與建議

（1）油藏在采用CO2驅(qū)之前，應(yīng)該進(jìn)行可行性評(píng)價(jià)，針對(duì)油藏的構(gòu)造特征，流體性質(zhì)，選擇CO2驅(qū)驅(qū)動(dòng)方式和注入方式。

（2）目前，CO2的捕集、儲(chǔ)存和運(yùn)輸是影響推廣使用CO2驅(qū)的難點(diǎn)，如何經(jīng)濟(jì)有效的捕集，安全簡(jiǎn)便的儲(chǔ)存和運(yùn)輸是未來研究的重點(diǎn)。

（3）我國(guó)低滲透油藏儲(chǔ)量豐富，常規(guī)開采方法已經(jīng)不能經(jīng)濟(jì)有效采出原油，應(yīng)該制定相關(guān)政策法規(guī)，在我國(guó)大力發(fā)展CO2驅(qū)。

（4）溫室氣體CO2對(duì)環(huán)境的影響已引起全球共同的關(guān)注，推廣使用CO2驅(qū)不僅可以提高低滲透油藏的原油采收率還可以減緩溫室效應(yīng)。

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Study on the Mechanism and Application of CO2Flooding in Low Permeability Reservoirs

XIA Hui-fen，XV Yong
（Key Laboratory of Enhancing Oil and Gas Recovery,Northeast Petroleum University,Heilongjiang Daqing 163368,China）

With the rapid development of today's society,the energy problem is becoming more and more serious. Because the low permeability reservoir has low porosity,low permeability and natural energy shortage,the conventional methods cannot effectively produce oil.Carbon dioxide flooding is a method to improve the recovery of low permeability reservoirs.In this paper,the mechanism of carbon dioxide displacement,influence factors of carbon dioxide flooding,research progress of carbon dioxide flooding,and application status of carbon dioxide flooding at home and abroad in recent years were reviewed,the feasibility and great potential of carbon dioxide flooding in low permeability reservoirs were pointed out.

Low permeability;Carbon dioxide flooding;Mechanism;EOR;Status

TE 357

A

1671-0460（2017）03-0471-04

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“二類油層高濃度聚合物驅(qū)油機(jī)理及優(yōu)化設(shè)計(jì)研究”，項(xiàng)目號(hào)：51374076。

2016-09-12

夏惠芬（1962-），女，黑龍江大慶人，教授，博士，主要從事提高采收率原理與技術(shù)方面的研究。E-mail：xiahuifen1948@126.com。

徐勇（1992-），男，碩士研究生，研究方向：提高原油采收率。E-mail：1028224878@qq.com。