致密油藏CO2驅(qū)油和埋存可行性研究

＊李三山

（西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院 陜西 710065）

1.引言

致密油藏作為一種非常規(guī)油氣資源，已逐漸成為我國(guó)油氣增儲(chǔ)上產(chǎn)的重要后備力量。中國(guó)致密油儲(chǔ)層分布廣泛、資源潛力巨大，但致密油藏儲(chǔ)層物性差,開(kāi)發(fā)難度較大，表現(xiàn)為低孔、低滲透且油水滲流規(guī)律復(fù)雜[1-3]。采用常規(guī)開(kāi)采方式難以滿足經(jīng)濟(jì)開(kāi)采的目的，如衰竭式開(kāi)發(fā)和注水開(kāi)發(fā)等難以實(shí)現(xiàn)致密油藏的經(jīng)濟(jì)有效開(kāi)發(fā)，因此亟需探索新的有效的開(kāi)發(fā)手段。地下油藏在長(zhǎng)期開(kāi)采下需要補(bǔ)充新能量，通過(guò)注入外來(lái)流體補(bǔ)充地層能量，建立油水井間壓力梯度，從而提升采收率。由于致密油藏地質(zhì)條件的特殊性，常規(guī)的開(kāi)發(fā)方式難以進(jìn)行有效開(kāi)發(fā)，如應(yīng)用最廣泛的注水開(kāi)發(fā)由于其滲流阻力較大難以發(fā)揮較好的效果。大量學(xué)者研究表明，CO2作為一種新的驅(qū)油劑能相較于水介質(zhì)具有更好的開(kāi)發(fā)效果，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)碳埋存，節(jié)能降碳[4-5]。

CO2驅(qū)油和埋存技術(shù)主要借助CO2進(jìn)行驅(qū)油，以提高原油采收率，該技術(shù)具有較高的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益，在當(dāng)前溫室氣體減排中具有良好的應(yīng)用前景。致密油藏儲(chǔ)層低孔低滲，且吸水能力不佳，在采用衰竭式開(kāi)發(fā)方式的過(guò)程中，地層能量迅速下降，產(chǎn)量也隨之降低，導(dǎo)致實(shí)際采收率不高。針對(duì)這樣的問(wèn)題，就需要尋找可以補(bǔ)充地層能量的開(kāi)發(fā)方式，注CO2是比較有效的一種方式，也有大量學(xué)者針對(duì)CO2驅(qū)油、埋存進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究[6-7]。本文主要以致密油藏作為研究的對(duì)象，對(duì)CO2驅(qū)油和埋存的可行性進(jìn)行探究，進(jìn)而提 升開(kāi)采效果。

2.二氧化碳驅(qū)油機(jī)理

二氧化碳能夠作為一種有效的驅(qū)油劑從而提高原油采收率，其中重要的原因是隨著二氧化碳注入地層能夠溶于地層原油，使得原油的性質(zhì)和油藏的性質(zhì)發(fā)生變化。CO2的臨界點(diǎn)為31.1℃、7.38MPa，在注入油藏中易達(dá)到超臨界狀態(tài)。超臨界的CO2具有良好的注入性能和溶解性，相比于水介質(zhì)大大提高了注入井的吸水能力，且同時(shí)為地層補(bǔ)充了能量。

CO2驅(qū)油機(jī)理極其復(fù)雜，與油藏壓力、油藏溫度、流體性質(zhì)密切相關(guān)。CO2驅(qū)油總體上來(lái)說(shuō)主要分為混相驅(qū)和非混相驅(qū)，其中混相驅(qū)又分為一次接觸混相和多級(jí)接觸混相[8-9]。總的說(shuō)來(lái)主要驅(qū)油機(jī)理都有降低流體之間界面張力，降低油的黏度、溶解于原油發(fā)生體積膨脹增加彈性能等作用。CO2與原油能否發(fā)生混相主要取決于在當(dāng)前地層壓力條件下，CO2與原油接觸時(shí)是否達(dá)到最小混相壓力（MMP）[10-11]。在油藏高溫高壓條件下，當(dāng)壓力高于最小混相壓力時(shí)，CO2與原油發(fā)生混相，此時(shí)兩相之間的界面張力為零，兩者合為一體，由兩相變?yōu)橐幌啵菀撞沙鰜?lái)。但在很多油藏中，油藏壓力難以達(dá)到CO2與原油的混相壓力，因此通過(guò)注CO2提高原油采收率很大程度依賴非混相驅(qū)。在非混相驅(qū)中，CO2溶入原油后，使原油體積膨脹，并降低油的黏度，從而增加原油的流動(dòng)性，使其更加容易采出地面。

3.數(shù)值模擬研究

(1)構(gòu)建數(shù)值模擬模型

致密油藏由于其物性特征較差，注水開(kāi)發(fā)效果欠佳，采用衰竭開(kāi)采油藏虧空較大，CO2的物理性質(zhì)決定了其較好的驅(qū)油性能，本文采用數(shù)值模擬的方法對(duì)二氧化碳驅(qū)油與埋存可行性進(jìn)行研究。在CO2驅(qū)油或水汽交替驅(qū)（WAG）補(bǔ)能方案的優(yōu)化研究中，通過(guò)采用CMG油藏?cái)?shù)值模擬軟件，基于EOS狀態(tài)方程，并通過(guò)Winpro模塊進(jìn)行相態(tài)模擬研究，利用氣組分模型（GEM）展開(kāi)模擬。借助Petrel地質(zhì)建模軟件，針對(duì)研究區(qū)進(jìn)行構(gòu)造建模[12]。但對(duì)于油水、油氣的相對(duì)滲透率，通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲取，借助地質(zhì)模型、相滲數(shù)據(jù)，然后結(jié)合注采井的壓裂以及射孔等各項(xiàng)數(shù)據(jù)，完成組分?jǐn)?shù)值模擬模型的構(gòu)建。特低滲透油藏CO2驅(qū)油滲流數(shù)學(xué)模型的建立，并運(yùn)用在注CO2的開(kāi)發(fā)試驗(yàn)中，能夠取得較好的效果。假設(shè)流體、巖石不可壓縮，忽略掉毛管力以及重力的影響，全組分方程是：

Wi是i組分的質(zhì)量項(xiàng)；

Qi是i組源匯項(xiàng)。

(2)歷史擬合研究

對(duì)于模型的計(jì)算結(jié)果，為了保證其與現(xiàn)實(shí)油藏的情況更加接近，可以獲得相對(duì)精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)模型，歷史擬合非常關(guān) 鍵[13]。明確油藏生產(chǎn)的相關(guān)規(guī)章制度，通過(guò)采取定液量生產(chǎn)的方式，對(duì)含水率、產(chǎn)油量進(jìn)行擬合，相應(yīng)的擬合指標(biāo)有采油量、含水量、生產(chǎn)指標(biāo)等，具體的擬合順序?yàn)椋河筒貎?chǔ)量、注采量、壓力、含水率等，在擬合中，先對(duì)整個(gè)區(qū)的產(chǎn)液量、含水率等各種指標(biāo)進(jìn)行擬合，接著針對(duì)單井的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)指標(biāo)，做好相應(yīng)的擬合工作，最終的擬合誤差都控制在2%以內(nèi)。

(3)CO2驅(qū)開(kāi)發(fā)技術(shù)政策優(yōu)化

針對(duì)生產(chǎn)井井位、油藏壓力水平等，通過(guò)對(duì)比多種開(kāi)發(fā)方式，如水驅(qū)、水氣交替驅(qū)、連續(xù)氣驅(qū)等，相應(yīng)的預(yù)測(cè)時(shí)間，全部不超過(guò)20年。在不同開(kāi)發(fā)方式的模擬中，斷塊致密儲(chǔ)層注CO2連續(xù)氣驅(qū)、WAG驅(qū)開(kāi)發(fā)的效果較好，比水驅(qū)的效果要好，在CO2連續(xù)氣驅(qū)、WAG驅(qū)開(kāi)發(fā)對(duì)比下，兩者的總注氣量比較大，不過(guò)，前者的采出程度、換油率等比后者小，前者前期的采出程度、采油效率比較高，但是，當(dāng)生產(chǎn)氣油比慢慢增大，對(duì)于CO2的利用效率就會(huì)慢慢降低[14]。WAG驅(qū)比CO2連續(xù)氣驅(qū)開(kāi)發(fā)效果好的原因是，WAG驅(qū)中的水段塞先進(jìn)到裂縫內(nèi)和大孔道中，之后的CO2大多都進(jìn)入到了小孔隙里面，使得氣體波得到擴(kuò)大。同時(shí)，在重力分異的作用下，CO2氣體出現(xiàn)上浮的情況，在垂直方向下，能夠驅(qū)替油藏上方位置的原油，而水段塞驅(qū)替油藏下方的原油，從而使得垂向原油驅(qū)替的均勻性更強(qiáng)，由此可見(jiàn)，對(duì)于開(kāi)發(fā)方式的選擇，WAG驅(qū)具有更好的開(kāi)發(fā)效果。

井網(wǎng)完善有助于控制剩余油，提高經(jīng)濟(jì)性，若不考慮鉆新井的情況下，可以最大程度現(xiàn)有油水井。在井網(wǎng)完善模擬中，可以將廢棄井轉(zhuǎn)為注入井，有效擴(kuò)大氣驅(qū)、水驅(qū)的控制程度，完成地層能量的補(bǔ)充，并促進(jìn)原油采出量的提升，由此可見(jiàn)，注采井網(wǎng)的完善可以有效提升原油開(kāi)采的程度[15]。注入壓力對(duì)注入的量、速度都有較大的影響，并且還與原油驅(qū)替效率有著直接聯(lián)系。對(duì)于水氣交替驅(qū)，設(shè)計(jì)20MPa、25MPa、30MPa、35MPa四個(gè)不同注氣壓力，通過(guò)模擬可以得知，在注入35MPa的時(shí)候，總注氣量以及采出的程度屬于最高的，CO2埋存量最大，不過(guò)，換油率為最低，出現(xiàn)該情況的主要原因是壓裂縫的存在，當(dāng)注入壓力變高時(shí)，相應(yīng)的速度也會(huì)增長(zhǎng)，CO2注入量逐漸增加，部分CO2沿著裂縫突破，流進(jìn)井底之后并沒(méi)有起到驅(qū)油的作用?？偟膩?lái)說(shuō)，大多數(shù)注入的CO2具有驅(qū)油的作用，可以促進(jìn)原油采出程度的提升，最佳方案是采出程度越高效果越好，換油率越高越好，不過(guò)，當(dāng)注入壓力不斷增加，相應(yīng)的采出程度隨之增加，而換油率則慢慢減小，在對(duì)比下，兩個(gè)指標(biāo)呈現(xiàn)相反趨勢(shì)。所以，對(duì)于注入壓力的選擇，應(yīng)從這兩指標(biāo)進(jìn)行綜合思考，在保證采出程度的同時(shí)，還應(yīng)思考換油率這一指標(biāo)，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比可以得知，注入壓力為30MPa時(shí)為最佳。

在水氣交替驅(qū)中，段塞比是比較關(guān)鍵的一個(gè)參數(shù)，對(duì)于注水量、注氣量有著直接影響，通過(guò)設(shè)計(jì)六個(gè)方案進(jìn)行模擬，即WAG（3:9）、WAG（9:3）、WAG（3:3）、WAG（6:6）、WAG（4:8）、WAG（8:4），針對(duì)這幾個(gè)段塞比方案進(jìn)行模擬，最終得出，WAG（3:3）這一采出程度為最高，接著是WAG（9:3），水段塞比氣段塞大的方案，氣換油率、采出程度都相對(duì)高一些，表明對(duì)于致密儲(chǔ)層來(lái)說(shuō)，WAG驅(qū)時(shí)若沒(méi)有注入問(wèn)題，那么，水段塞比氣段塞大的方案更有助于提高實(shí)際開(kāi)發(fā)的效果，主要是因?yàn)榇蟮乃稳麑?duì)CO2氣體突破沿裂縫的時(shí)間有一定的緩解作用，可以有效提升CO2利用率[16]。若水段塞比是1:1的時(shí)候，原油采出程度、買存量會(huì)隨著交替頻率的增加而增加。針對(duì)以上多種段塞比方案，在綜合考慮下，WAG（3:3）這一方案最佳。

CO2驅(qū)油存在多種問(wèn)題，如混相不穩(wěn)定、腐蝕問(wèn)題等，對(duì)此，應(yīng)在油藏監(jiān)測(cè)中，增加一些井流物分析、環(huán)境監(jiān)測(cè)、腐蝕監(jiān)測(cè)、吸氣剖面監(jiān)測(cè)等，在具體的應(yīng)用中，這些監(jiān)測(cè)項(xiàng)目發(fā)揮較大的作用，為了了解CO2驅(qū)油的趨勢(shì)，提供防腐蝕、放氣竄等相關(guān)技術(shù)保障，從而形成油藏動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)，更加符合CO2驅(qū)油、埋存的特點(diǎn)[17-18]。對(duì)于注入情況的監(jiān)測(cè)，主要包括注入動(dòng)態(tài)化監(jiān)測(cè)、戲水吸氣指數(shù)測(cè)試等；對(duì)于混相狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，包括了井流物監(jiān)測(cè)、地層壓力監(jiān)測(cè)等多項(xiàng)內(nèi)容，通過(guò)監(jiān)測(cè)分析地層下驅(qū)替中原油組分，以及相應(yīng)的變化規(guī)律，從而判斷相應(yīng)的混相狀態(tài)。

在氣驅(qū)方案中，關(guān)井氣油比是非常重要的一個(gè)參數(shù)，對(duì)于生產(chǎn)井關(guān)井時(shí)間、CO2換油率有著較大的影響。通過(guò)設(shè)計(jì)三個(gè)方案進(jìn)行模擬，具體的關(guān)井氣油比分別為1000m3/m3、3000m3/m3、5000m3/m3。經(jīng)過(guò)模擬對(duì)比，5000m3/m3這一關(guān)井氣油比的采油程度為最高的，不過(guò)，其換油率是最低的，換油率最高的為1000m3/m3，不過(guò)其CO2埋存量以及采出的程度為最低的。通過(guò)綜合分析，采用3000m3/m3這一關(guān)井氣油比方案最為合適。對(duì)于生產(chǎn)流壓，優(yōu)化非常重要，在注氣之前，產(chǎn)液能力不高，注入之后，有效補(bǔ)充了地層能量，有助于提升產(chǎn)液能力。定產(chǎn)液量的生產(chǎn)很難有效控制，在模擬過(guò)程中，對(duì)生產(chǎn)井的井底流壓方式進(jìn)行有效控制，從而有效把控產(chǎn)液速度，并設(shè)計(jì)5MPa、10MPa、15MPa三種方案，經(jīng)過(guò)模擬得知5MPa這一生產(chǎn)流壓的方案最為合適[11]。

4.啟示建議

致密油藏CO2驅(qū)油和埋存的可行性較強(qiáng)，CO2驅(qū)油和埋存也是當(dāng)前發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的必經(jīng)之路，CO2驅(qū)油和埋存不僅能夠提升原油采收率，還可以降低二氧化碳的排放量，兼顧經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，為低滲透油氣藏驅(qū)油提供有效指導(dǎo)意義。經(jīng)過(guò)實(shí)踐探究，該研究的發(fā)展趨勢(shì)主要包括幾大方面。油藏精細(xì)的研究，對(duì)于油藏地質(zhì)、油藏工程的研究比較適合采用CO2驅(qū)油和埋存的區(qū)塊，有效提升驅(qū)油的效率，確保CO2埋存量的安全，避免出現(xiàn)氣串等各種問(wèn)題。在CO2埋存上，結(jié)合實(shí)際合理選擇CO2埋存載體，在確保安全埋存的基礎(chǔ)上，有效降低成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。在CO2埋存的安全性評(píng)價(jià)上，作為一項(xiàng)長(zhǎng)期發(fā)展的工程，CO2注入會(huì)使得地層壓力逐漸發(fā)生變化，甚至造成意料外的損失，而CO2腐蝕，對(duì)于CO2埋存，產(chǎn)生較大的風(fēng)險(xiǎn)。因此，在埋存之前需要綜合考慮多方因素，并在具體工作期間，對(duì)于驅(qū)油、埋存等引起的油藏變化，進(jìn)行動(dòng)態(tài)化監(jiān)測(cè)，然后以此作為基礎(chǔ)，合理調(diào)整相應(yīng)的方案。針對(duì)CO2腐蝕，需要解決其在注入、處理等期間對(duì)各種設(shè)備造成的腐蝕問(wèn)題。

針對(duì)CO2驅(qū)油、埋存的經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題，主要從三個(gè)方面著手研究。

一是不斷優(yōu)化技術(shù)，解決技術(shù)自身的問(wèn)題，并最大程度降低成本。

二是從國(guó)家戰(zhàn)略層面制定合理的規(guī)劃，對(duì)于CO2驅(qū)油、埋存相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈合理建設(shè)，并規(guī)定相應(yīng)的法律政策等，完整的產(chǎn)業(yè)鏈一般包括多個(gè)行業(yè)，如油氣、化工、環(huán)保等，這對(duì)于國(guó)家經(jīng)濟(jì)的健康發(fā)展十分有利，只有加強(qiáng)各部門(mén)之間的協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)資源的有效整合，并將其歸納到國(guó)家發(fā)展規(guī)劃中，才可以促進(jìn)經(jīng)濟(jì)效益的提升，在節(jié)約資源的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)合理配置，并促進(jìn)CO2驅(qū)油、埋存形成規(guī)模經(jīng)濟(jì)。

三是在政策法規(guī)上，國(guó)家成立能源委員會(huì)，對(duì)于能源政策展開(kāi)協(xié)調(diào)工作，推動(dòng)能源戰(zhàn)略決策的有效落實(shí)。

未來(lái)，我國(guó)能源政策導(dǎo)向主要體現(xiàn)在三個(gè)方面，一是節(jié)能減排；二是產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)；三是科技創(chuàng)新。只有找到CO2驅(qū)油、埋存和經(jīng)濟(jì)因素之間的結(jié)合點(diǎn)，才能夠?qū)崿F(xiàn)兩者的優(yōu)化發(fā)展[19-22]。

5.結(jié)語(yǔ)

在復(fù)雜斷塊致密油藏CO2驅(qū)油和埋存中，向地下注入CO2能夠有效提升油氣的采收率，并且可以實(shí)現(xiàn)溫室氣體CO2的資源化利用。通過(guò)構(gòu)建數(shù)值模擬模型，設(shè)置不同參數(shù)，得到最佳的開(kāi)發(fā)方案，依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，證明了復(fù)雜斷塊致密油藏CO2驅(qū)油和埋存具有較強(qiáng)的可行性。