致密油藏注CO2 吞吐技術(shù)研究

陳熙嘉，樊毅龍

（1.西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，陜西西安 710000；2.中國石油長慶油田分公司第二采油廠，陜西西安 710000）

21 世紀以來，全球油氣工業(yè)的必然趨勢是將勘探開發(fā)領(lǐng)域從常規(guī)油氣藏轉(zhuǎn)變?yōu)榉浅Ｒ?guī)油氣藏。近年來，致密油成為繼頁巖氣之后的新熱點[1，2]。目前，全國大部分地區(qū)的油田已正式進入勘探中油氣產(chǎn)品的中后期油氣生產(chǎn)階段，面臨著油氣總產(chǎn)量下降、開發(fā)難度加大、開發(fā)成本高等多重挑戰(zhàn)[3]。國內(nèi)對于致密油的研究雖然已經(jīng)多年，但技術(shù)水平仍屬于剛剛開始階段[4]。即使如此，由于其儲量巨大、國內(nèi)能源的剛需要求，必須針對其物理性質(zhì)差等特性研究出更加有效的開發(fā)手段。

經(jīng)過一段時間的探索，發(fā)現(xiàn)注水可以補充能量，但也會出現(xiàn)“注不進、采不出”的現(xiàn)象，并且體積縫網(wǎng)的形成易引發(fā)水竄，有可能直接導(dǎo)致油井水淹[5]。即使水平井采用大規(guī)模體積壓裂衰竭式生產(chǎn)，油井產(chǎn)量也會在初期后迅速下降，整體采收率低，地層能量不足的缺陷依然存在[6]。CO2吞吐作為一種高效開發(fā)方式廣泛應(yīng)用于現(xiàn)場作業(yè)，一方面可以有效提高致密油采收率，解決現(xiàn)有開發(fā)技術(shù)上的諸多不足，實現(xiàn)經(jīng)濟效益；另一方面，在回收CO2的同時，也可以緩解其大量排放造成的環(huán)境壓力，符合中國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求[7]。

1 注CO2 吞吐研究現(xiàn)狀

1.1 國外注CO2 吞吐研究現(xiàn)狀

關(guān)于注CO2的研究，國外起步較早，大約在20 世紀70 年代便開始了。巖心物理模擬，這是美國研究此項方法的第一種技術(shù)。之后經(jīng)過幾年的進一步研究，其方法便被眾多油田加以學(xué)習(xí)利用。之后不斷的進步、發(fā)展，出現(xiàn)了數(shù)值模擬這一方式，研究方法逐步成熟起來。

Wilmington 油田第一次使用上述方式，且取得了很好的效果。之后在Camurlu、Shoemaker 等各大油田開始了實驗研究，以增加可采儲量為目標，大幅度減少采出油中所含的水量，充分利用現(xiàn)有技術(shù)手段，最終達到降本增效、提升經(jīng)濟效益的作用[8]。

Hill B 等[9]了解到注CO2的這一方法，便開始致力于實驗研究，結(jié)果顯示，這一方式可大力的增加致密油產(chǎn)量，并且可以充分消耗大氣中的二氧化碳，起到保護環(huán)境的作用。

Chen 等[10]在多次的實驗中發(fā)現(xiàn)，采用二氧化碳氣驅(qū)的方式可以使得原油的黏度變得很低，并表示采用這一方法可以大幅度的提升采收率、增大經(jīng)濟效益。

Abedini A 等[11]采用多種不同的滲透率進行實驗，多次實驗結(jié)果顯示，采用CO2吞吐技術(shù)能夠大幅度提高致密油采收率。并且，指出了影響這種方法效率的主要因素，通過模擬驗證對比的多種方式，使得實驗結(jié)果更加準確、更有實際應(yīng)用效果。

Kim T H 等[12]采用對比實驗的方式，將其他影響因素計算在內(nèi)，經(jīng)過多次的比較分析，證明了CO2驅(qū)的確可以大量的增加可采儲量，起到有效挖潛致密油的效果。

1.2 國內(nèi)注CO2 吞吐研究現(xiàn)狀

華東石油局在國內(nèi)首次進行了標準的人工注CO2吞吐現(xiàn)場試驗[13]。1989 年至1995 年期間，我國在國內(nèi)多個油田進行了CO2吞吐試驗。經(jīng)多次試驗結(jié)果對比分析，多井原油產(chǎn)量大幅度提高，多個地區(qū)以此為例，經(jīng)濟效益提升明顯。

此后至2000 年以前[14，15]，CO2吞吐技術(shù)又得到了進一步發(fā)展，許多油田開始在單井中注入實驗。與各個區(qū)塊聯(lián)合實驗，在不同的油藏類型中進行實驗?zāi)M，并現(xiàn)場檢測。觀察顯示，多個油井產(chǎn)量較之前有了大幅的提高，且實驗成功率高達90%以上。

2001 年至2002 年[16]，國內(nèi)油田開展了聯(lián)合灌注大量CO2的原油吞吐和聯(lián)合開采深層惰性稠油的聯(lián)合實驗，成功率平均最高可以直接達到90%以上；大慶葡萄花油田分別在2 口采礦區(qū)下降井同時進行了注CO2和下降吞吐現(xiàn)場監(jiān)測試驗。

楊正明等[17]對大規(guī)模深部露頭致密巖樣品，建立了壓裂壓力水平井模型。在室內(nèi)對其采用多種方式進行注入研究。經(jīng)多次實驗結(jié)果表明，使用此種方法較其他常規(guī)方法而言，可以更大程度提高采收率。

黃小亮等[18]率先在煤礦中進行二氧化碳驅(qū)實驗研究，經(jīng)過多次的吞吐效果分析，這一方法對于煤礦中頁巖氣的開采依然具有實際應(yīng)用作用。通過大量的仿真實驗，發(fā)現(xiàn)二氧化碳使用的量對于采收率的影響巨大，這值得深入探究。

由于各種井型對致密油開發(fā)的影響，梁宏儒等[19]開始了CO2氣驅(qū)在各種井型中的實際應(yīng)用。其主要研究在水平井中的驅(qū)替效果，以松遼盆地為例，不斷的更換不同的CO2影響因素，并在水平井中試驗，多次試驗結(jié)果認為，此方法可以有效提高水平井產(chǎn)能。

在前人的不懈努力下，關(guān)于CO2驅(qū)影響的因素已經(jīng)研究的越來越清晰，之后便是對其進行優(yōu)化，以期望得到更好的應(yīng)用效果。例如我國著名學(xué)者許國晨等[20]經(jīng)過多次的實驗分析驗證，總結(jié)得出井中的氣體參數(shù)依然是此方法效果的影響因素之一。

李龍龍等[21]對Y 油田長7 致密油藏水平井中注入CO2的吞吐作用效果進行了綜合評價。分析結(jié)果表明，致密油藏中怎樣才能有效地補充土壤中的地層能源，這個問題亟待加大探索和研究。

2019 年，Li 等[22]基于CO2吞吐與N2吞吐的平行對比實驗指出CO2的分子擴散作用導(dǎo)致了大量的CO2以溶解氣的形態(tài)存在于儲集層中且有利于采收率的提高。

2 注CO2 吞吐作用機理[23]

2.1 原油黏度降低

與N2和CH4相比，CO2具有相當(dāng)?shù)偷淖钚』煜鄩毫?。與其他溶于水的可溶物質(zhì)相比，原油中氫直接溶解的水和CO2酸的含量幾乎是汽油直接溶于水的2～8倍。而且CO2通過溶解直接排入碳和原油，大大降低了碳和原油的化學(xué)黏度。通過研究，原油黏度可以降低到原黏度的10%，降黏系數(shù)接近9 倍，大大地提高了原油的流動能力。

2.2 原油體積膨脹

由于部分CO2與其他原油溶液接觸后完全溶解在其他類似原油中，會直接導(dǎo)致其他原油在一定體積內(nèi)嚴重膨脹，膨脹的嚴重程度與其他原油中碳的相對分子質(zhì)量和溶解在其他原油溶液中的各種CO2分子的含量密切相關(guān)。原油在空氣中膨脹時，其內(nèi)能也會增加，有利于石油開采。在CO2溶解于原油的整個過程中，原油體積隨溫度和壓力的變化而增大，這主要是由于溫度和壓力影響CO2的溶解速率增大，使CO2溶解后的原油體積增大、膨脹。

2.3 酸化解堵

在CO2吞吐和浸泡過程中，與地層水中的氣體和液體反應(yīng)生成弱酸性碳酸鈉，與地層水中的碳酸鈣等其他基質(zhì)反應(yīng)，使這些膜狀膠結(jié)物的一部分直接溶解成為碳酸氫鹽，以此提高儲層滲透率。同時，CO2還能夠抑制黏土顆粒的膨脹，增加滲流孔徑的面積。此外，碳酸與固井劑的相互作用也可以減少對近井的污染，提高井筒周圍巖石的滲透性，有利于儲層油流入井內(nèi)。

2.4 分子擴散

CO 驅(qū)動燃料的效率是由于原油中CO2溶解后其他燃料的特性變化而決定的。而且CO2存在于其與原油的接觸當(dāng)中，它是一個對流擴散或者是分子擴散。在進行空氣中的CO2煅燒燉井的工作過程中，CO2和其他物質(zhì)之間的相互作用主要是發(fā)生在一個被稱為分子擴散的過程中，它們直接地控制著從空氣中吸取的大量CO2直接溶解并進入到原油中的速度。

2.5 混相效應(yīng)

CO2和地層混合物的性質(zhì)主要取決于環(huán)境中原油的結(jié)構(gòu)、地層壓力和溫度。例如，當(dāng)儲層溫度較高，儲層壓力遠高于介質(zhì)時，CO2進入儲層后會與另一層的原油接觸。CO2與空氣接觸時，通過蒸發(fā)氣流提取并釋放地層原油中C2～C6組分，然后這一作用使空氣中CO2和空氣中水溶性組分達到動態(tài)混相狀態(tài)，稱為蒸發(fā)氣驅(qū)混相。除了原油的提取和蒸發(fā)，還可能形成CO2與其他輕質(zhì)組分混合的區(qū)域。CO2和較輕組分混合帶的生產(chǎn)和運輸可以有效地驅(qū)動油。動態(tài)混合后，可直接產(chǎn)出采收率90%以上的油。

2.6 調(diào)剖作用

如果用CO2進行復(fù)合吞吐，在大氣和表面活性劑中可能會產(chǎn)生豐富穩(wěn)定的氣體和泡沫，使CO2釋放緩慢。當(dāng)泡沫從大孔隙進入小孔隙時，可能產(chǎn)生賈敏效應(yīng)，暫時堵塞高滲透儲層，將原油驅(qū)入低滲透儲層，最終提高采收率。

2.7 改善界面張力

當(dāng)?shù)貙又械哪撤N原油在特定條件下與通過氣體擴散注入地層的CO2發(fā)生溶解時，原油會隨著孔隙中的氣體在地層中流動，使地層中的原油受到毛細管中壓力的約束，注入空氣中的CO2會形成混合流體，界面張力會大大降低，并產(chǎn)生界面張力。在某一壓力下，CO2和原油能夠混合到一起，使得油氣的界面張力降為零，從而完全消除毛細管對壓力的干擾。

3 CO2 吞吐效果的影響因素

CO2吞吐效果的影響因素有很多，主要包括巖石滲透率、原油黏度、含油飽和度、油層非均質(zhì)性、吞吐前采出程度、投產(chǎn)初期產(chǎn)量、含水程度等[24，25]。

3.1 巖石滲透率

對于巖石滲透率比較低的儲層，注入的CO2在油層中的驅(qū)替速度比較慢，使得CO2能夠充分的溶解在原油中，降低了原油的流動性，增加了原油產(chǎn)量。

3.2 原油黏度

CO2吞吐效果對原油黏度比較敏感，當(dāng)原油黏度比較大時注入CO2，黏度的降低幅度就比較大，從而增加換油率。

3.3 含油飽和度

儲層含油飽和度決定了注入CO2的時間點，含油飽和度較高，天然能量就很高，開發(fā)效果就會更好，就不需要注CO2來提高產(chǎn)量。但是如果含油飽和度比較低的話，注CO2也不一定就能有好的效果，所以含油飽和度決定了注CO2的最佳時機。

3.4 油層非均質(zhì)性

油層的非均質(zhì)性決定了各層的吸氣能力，高滲透油層易發(fā)生氣竄，導(dǎo)致采收率降低。此外，吞吐前采收率越低，生產(chǎn)初期產(chǎn)量越高，含水率越低，CO2吞吐效果越好。

對于稠油油藏，許多學(xué)者進行了實驗研究，如只注CO2、只注水、氣水交替注入等方法?？偨Y(jié)出CO2注入只適用于儲層厚度較小的儲層，也就是說CO2驅(qū)油效果受儲層厚度的影響；對于有底水的油藏，為了增加油氣界面的氣接觸面積，如果在油水界面注入CO2，抽一段時間井，所得數(shù)據(jù)用相應(yīng)的儀器進行分析，證明這種方法由于能量損失是不可行的，即吞吐效果受井位影響；此外，CO2的吞吐效果還在于其在原油中的溶解度。當(dāng)外界溫度高于CO2的臨界溫度時，在不受壓力限制的情況下，CO2在重油中的溶解度大大增加。然而，當(dāng)外界溫度低于臨界溫度時，CO2在重油中的溶解度低于臨界壓力以上時的溶解度。

4 結(jié)語

通過以上研究，主要得出以下結(jié)論與認識：

（1）本文從實際出發(fā)，對CO2吞吐技術(shù)進行了大量的國內(nèi)外文獻調(diào)研。

（2）分析了CO2吞吐的作用機理，主要包括：降黏作用；膨脹作用；降低界面張力；分子擴散；混相效應(yīng)；酸化解堵作用；調(diào)剖作用。

（3）總結(jié)了影響CO2吞吐效果的因素，包括巖石滲透率、原油黏度、含油飽和度、油層非均質(zhì)性等。