碳酸水驅(qū)強(qiáng)化采油技術(shù)研究進(jìn)展

常云升，楊文哲，董凡琦，楊澤濠，劉斌，王志國(guó)，張保良

(1.天津商業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300134；2.東北石油大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318；3.中海石油(中國(guó))有限公司 天津分公司，天津 300452)

碳酸水注入(CWI)作為一個(gè)很有前景的強(qiáng)化采收技術(shù)，是將CO2溶解在鹽水中并注入地下油藏進(jìn)行驅(qū)替，且CO2會(huì)從水相向油相傳質(zhì)，這是CWI提高采收率的主要機(jī)制。目前研究主要認(rèn)為CWI強(qiáng)化采油機(jī)制主要包括：殘余油相發(fā)生溶脹，使孤立油滴再次連接，提高波及效率；改善原油物性，如降低原油粘度，降低原油與水之間的界面張力，以及改變固體-流體之間的潤(rùn)濕性等[1-3]。這些因素有利于提高原油采收率，因此對(duì)CO2溶解在原油和鹽水中對(duì)物性的影響進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，如CO2溶解度、密度、粘度、擴(kuò)散系數(shù)、溶脹率和界面張力等。CWI有直接注入碳酸水的二次CWI采油和先注水再注入碳酸水的三次CWI采油[4-5]。與其它注氣技術(shù)相比(如CO2氣驅(qū))，CWI消除了CO2與原油之間的密度和粘度差異，流度比降低，減少了重力覆蓋和氣體指進(jìn)，CWI具有更好的波及效率和穩(wěn)定的驅(qū)替前緣[6-7]。在水淹油藏中，CWI可以降低高含水飽和度帶來(lái)的不利影響，即消除水屏蔽效應(yīng)[8-9]。

CWI在CO2儲(chǔ)存方面也有極大的潛力。CO2溶解在水和殘余原油中，不是作為游離的氣相，因此提供了一種更安全的CO2儲(chǔ)存方法[10]。在CWI驅(qū)替過(guò)后，可以將40%～50%的注入CO2安全永久地儲(chǔ)存在地質(zhì)儲(chǔ)層中[4，11]。近年來(lái)，相關(guān)科研工作者做了大量關(guān)于CWI在巖心和孔隙尺度上的驅(qū)替實(shí)驗(yàn)以更深入了解其宏觀及微觀的機(jī)理。本文探究了CO2對(duì)流體物性的影響和CWI在巖心尺度和孔隙尺度上強(qiáng)化采油機(jī)理，并對(duì)CO2儲(chǔ)存能力進(jìn)行了評(píng)估。

1 流體物性的變化

在CWI驅(qū)替過(guò)程，由于CO2溶解在水中并在驅(qū)替原油時(shí)會(huì)發(fā)生傳質(zhì)現(xiàn)象，使得水和油的物理性質(zhì)發(fā)生改變。這些性質(zhì)的變化對(duì)流體與固體和流體與流體之間的相互作用，整體流動(dòng)過(guò)程，以及提高采收率有重要作用。

1.1 CO2溶解度

與其他氣體相比，CO2在水中溶解度相對(duì)較高。在典型的油藏壓力和溫度條件下，CO2在水中的溶解度一般>25 sm3/m3。一般情況下，CO2在水中的溶解度是溫度、壓力和鹽水鹽度的復(fù)合函數(shù)。CO2在去離子水中的溶解度與壓力呈正相關(guān)，與溫度為負(fù)相關(guān)[12]。在低壓下，壓力對(duì)CO2溶解度的影響更加明顯，隨著壓力逐漸增加，壓力對(duì)CO2的溶解度影響逐漸變小。對(duì)比CO2在去離子水和鹽水中的溶解度，發(fā)現(xiàn)向去離子水中加入NaCl會(huì)使CO2的溶解度降低。這主要是由于添加無(wú)機(jī)鹽后，鹽離子溶解在水中占據(jù)部分水溶劑，使得CO2從水相析出，從而降低了CO2溶解度，也就是所謂的鹽析現(xiàn)象[13]。對(duì)于CO2在水中溶解度的計(jì)算最早由Chang等[14]進(jìn)行并給出了關(guān)聯(lián)式，后來(lái)Duan等[15]通過(guò)建立CO2逸度系數(shù)非迭代方程來(lái)估算大范圍溫度、壓力和鹽度條件下的CO2溶解度。Duan模型不僅可以再現(xiàn)用于調(diào)試模型參數(shù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，而且可以對(duì)未用于參數(shù)化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，Duan模型現(xiàn)被廣泛用來(lái)判斷實(shí)驗(yàn)制備碳酸水過(guò)程的準(zhǔn)確性[4]。CO2在原油中的溶解度一般是去離子水的5～6倍，且溶解度隨壓力和溫度的變化規(guī)律與去離子水相同[16]。此外溶解度也與原油組分有關(guān)，不同API重度下的CO2溶解度大不相同。

1.2 水與油的密度

對(duì)于大多數(shù)氣體在油藏條件下，氣體溶解在水中都會(huì)降低水的密度，但CO2溶解在水中呈現(xiàn)的趨勢(shì)正好相反。在任何指定的溫度下，純水的密度都要低于二氧化碳飽和水的密度[17]。Miller和Jones[18]測(cè)定了不同溫度、壓力和原油重度下CO2溶解后的原油密度。結(jié)果表明，隨溫度、壓力和油型的不同，CO2的存在會(huì)使原油密度增大或減小。原油密度主要與溫度相關(guān)，CO2濃度和壓力對(duì)密度的影響較小[19]。Zuniga-Moreno等[20]通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，給出了用來(lái)計(jì)算不同工況下純癸烷和CO2飽和癸烷密度的經(jīng)驗(yàn)公式。

1.3 水和油的粘度

粘度的改變是CWI重要采收機(jī)制之一。早在1969年Tumasyan等[21]就指出碳酸水的粘度隨著CO2濃度的增加而增加。在相同壓力下，CO2飽和鹽水的粘度隨著溫度和鹽度的升高而降低[22]。由于CO2在原油中具有極大的溶解度，大量的CO2溶解在原油中對(duì)原油具有極大的稀釋作用，這就導(dǎo)致了原油粘度大大降低[23]，且CO2對(duì)于重油的降粘效果要優(yōu)于輕油，原油粘度越大降低的百分比越大，Miller和Jones[18]在140 ℉下，重度為10°API的原油隨著CO2的濃度增加，其粘度從7 000 cP降到了100 cP。且大量的CO2可破壞原油原有的膠團(tuán)結(jié)構(gòu)，使原油粘度大大下降，這種作用在釋放出CO2后即可消失，原油粘度升高。原油粘度不止與API重度、CO2濃度有關(guān)，還與溫度有關(guān)，通過(guò)提升溫度和CO2濃度，可以降低癸烷粘度。對(duì)于溶解CO2原油的粘度計(jì)算，Barrufet[24]和Lohrenz[25]給出了幾種根據(jù)油組分來(lái)計(jì)算油粘度的數(shù)學(xué)模型，并假設(shè)把CO2濃度轉(zhuǎn)化成烴類組分來(lái)計(jì)算其原油粘度。從計(jì)算出的數(shù)據(jù)可以看出，隨著原油中CO2濃度增加，原油粘度降低，模型給出了相當(dāng)?shù)臏?zhǔn)確度和精密度。

1.4 CO2的擴(kuò)散系數(shù)

分子擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)的傳質(zhì)是石油工程、土壤科學(xué)、化學(xué)工程和生物技術(shù)等領(lǐng)域的一種重要傳質(zhì)機(jī)制[26]。傳質(zhì)是CWI強(qiáng)化采收技術(shù)的關(guān)鍵機(jī)理，因此CO2在水相和油相中的擴(kuò)散系數(shù)是重要的參數(shù)之一。CO2在鹽水中的擴(kuò)散系數(shù)是溫度、壓力、鹽度和鹽組分的函數(shù)[27]，在多孔介質(zhì)中，擴(kuò)散系數(shù)也與孔隙率和彎曲度有關(guān)。在水中的擴(kuò)散系數(shù)隨溫度的增加而增加，但關(guān)于壓力變化對(duì)擴(kuò)散系數(shù)的影響沒有一致的結(jié)論。Lu[27]和Archie[28]分別給出了CO2在沒有孔隙介質(zhì)和有孔隙介質(zhì)的大體積溶劑中擴(kuò)散系數(shù)的一般式，在方程中也沒有體現(xiàn)出壓力對(duì)擴(kuò)散系數(shù)的影響。在早期的研究中，McManamey和Woollen[29]給出了一個(gè)基于油粘度來(lái)計(jì)算CO2在油中擴(kuò)散系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，隨著油粘度的增加，CO2擴(kuò)散系數(shù)越小。方程因簡(jiǎn)單地把CO2在油中的擴(kuò)散系數(shù)與粘度聯(lián)系起來(lái)，在工業(yè)上得到廣泛的應(yīng)用。

對(duì)于CO2在單相中的擴(kuò)散系數(shù)容易測(cè)得，但同時(shí)測(cè)量CW-oil體系中兩相的擴(kuò)散系數(shù)存在一定困難，主要困難是在確定擴(kuò)散系數(shù)的過(guò)程中存在一些未知數(shù)以及傳質(zhì)過(guò)程中水相和油相的相互影響。在建立數(shù)學(xué)模型和分析傳質(zhì)過(guò)程時(shí)不能只使用CO2在水相和油相中關(guān)于擴(kuò)散系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式或?qū)嶒?yàn)結(jié)果，會(huì)產(chǎn)生不真實(shí)的傳質(zhì)過(guò)程的預(yù)測(cè)。為此，Shu等[30-31]通過(guò)壓力衰減法得到CW-oil體系的界面位移和壓力變化，并設(shè)計(jì)了一個(gè)試錯(cuò)程序計(jì)算出水油兩相界面處的CO2濃度變化和界面處的擴(kuò)散系數(shù)。擴(kuò)散系數(shù)是飽和壓力以及溫度的函數(shù)，隨著飽和壓力的增大，CO2在兩相中的擴(kuò)散系數(shù)均增大。溫度升高，擴(kuò)散系數(shù)增大，加速了傳質(zhì)過(guò)程，加快了相平衡，并用分配系數(shù)來(lái)表征平衡時(shí)CO2在兩相中的濃度比。室溫(20 ℃)下，壓力在3～22 MPa范圍內(nèi)CO2的分配系數(shù)恒定在3.4左右。

1.5 原油的溶脹系數(shù)

CO2經(jīng)水相傳質(zhì)進(jìn)入油相使油相發(fā)生溶脹，這也被認(rèn)為是CWI強(qiáng)化采收機(jī)理之一[32]。CWI驅(qū)替過(guò)程中，CO2傳質(zhì)使多孔介質(zhì)中孤立的油滴溶脹，與其周圍孤立的油滴重新連接，提高整體的波及效率，進(jìn)而提高采收率。原油的溶脹系數(shù)受溫度和壓力的影響存在一個(gè)交叉壓力[12]。交叉壓力之前，原油溶脹系數(shù)隨溫度的升高而減小，交叉壓力之后，溶脹系數(shù)隨溫度的升高而增大，且隨著壓力的升高，不同溫度下的溶脹系數(shù)相差越大。在交叉壓力下，不同溫度的溶脹系數(shù)相同。溶脹系數(shù)可以看成是油相中CO2濃度的函數(shù)，交叉壓力是水相CO2溶解度與CO2傳質(zhì)速率互相平衡的結(jié)果。輕質(zhì)原油與重質(zhì)原油的交叉壓力不同，輕質(zhì)原油交叉壓力(1 700±50)psi 要高于重質(zhì)原油(1 420+50)psi，且在相同條件下，輕質(zhì)原油的溶脹系數(shù)要遠(yuǎn)大于重質(zhì)原油[33]。在碳酸水與油滴接觸實(shí)驗(yàn)中可以發(fā)現(xiàn)，油滴在碳酸水中發(fā)生膨脹后可以保持形狀穩(wěn)定。而油滴與CO2直接接觸后，油滴會(huì)發(fā)生先膨脹，再縮小的一個(gè)過(guò)程。這是因?yàn)镃O2作為氣相不僅會(huì)傳質(zhì)進(jìn)入油滴發(fā)生膨脹，還會(huì)對(duì)油滴產(chǎn)生萃取作用改變油滴組分和體積，這是一個(gè)雙向傳質(zhì)過(guò)程，而碳酸水只存在單向傳質(zhì)過(guò)程[34]。

1.6 界面張力

碳酸水強(qiáng)化采收技術(shù)在很大程度上取決于原油、鹽水、CO2和相關(guān)儲(chǔ)層巖石之間的界面相互作用。這些界面作用包括界面張力(IFT)、潤(rùn)濕性和毛細(xì)作用[35]。純水與原油體系的界面張力在不同壓力下為一定值，當(dāng)CO2溶解到原油中增加了原油表面活性，能夠降低原油的表面張力和油水界面張力，提高界面特性，提高驅(qū)油效率。原油與碳酸水的界面張力與CO2濃度有關(guān)，隨著壓力升高，水相的CO2溶解度增大，界面張力下降達(dá)到恒定值。在相同壓力下，溫度越高，CO2溶解度越小，但界面張力降低，說(shuō)明溫度對(duì)油水界面張力的影響比CO2濃度的影響更顯著[36]。

2 巖心尺度研究進(jìn)展

對(duì)于CWI強(qiáng)化采收技術(shù)的研究，在過(guò)去的幾十年中進(jìn)行了廣泛的實(shí)驗(yàn)研究，并不斷了解采收機(jī)理，為實(shí)際生產(chǎn)提供指導(dǎo)意見。

2.1 壓力的影響

壓力對(duì)于采收率的影響，主要體現(xiàn)為壓力對(duì)CO2在兩相中溶解度的影響。隨著壓力的升高，CO2在鹽水和油相中的溶解度增加，CO2向油相傳質(zhì)更多，最終使油的溶脹降粘效果加強(qiáng)，原油采收率逐漸提高。Mosavat等[4]通過(guò)松散砂包模型對(duì)比不同壓力下水驅(qū)、二次、三次CWI的驅(qū)油效果。在不同壓力下，二次、三次CWI最終采收率都要高于水驅(qū)，且隨著壓力從0.7 MPa增加到10.3 MPa，二次和三次CWI的采收率分別從62.48%，71.51%增加到78.76%和72.26%。在相同條件下，二次CWI采收率要高于三次CWI[4-5]，因?yàn)樵谌蜟WI中，碳酸水沿著之前的注水路徑流動(dòng)，減小了與油相的接觸面積，縮短了與油相的接觸時(shí)間，且三次CWI的含水飽和度較高，降低了CO2的濃度，這都有利于二次CWI向油相中傳質(zhì)更多的CO2。在低壓下，CWI采收率受壓力的影響顯著，在高壓下，CWI采收率隨著壓力的變化不明顯，說(shuō)明CO2溶解度隨壓力變化的增加量逐漸減小。

2.2 溫度的影響

溫度通過(guò)改變CO2在水相和油相中的溶解度以及CO2在兩相中的傳質(zhì)速率來(lái)影響CWI的采收率。但溫度對(duì)CO2溶解度的影響小于壓力的影響，導(dǎo)致CWI采收率隨溫度的變化不明顯。對(duì)比三次CWI在25 ℃和40 ℃下的最終采收率分別為 68.8% 和66.5%，采收率基本相同，說(shuō)明溫度對(duì)采收率的影響不大[4]。

2.3 注入速率影響

注射速率的大小會(huì)影響碳酸水從巖心中突破的時(shí)間，碳酸水突破巖心后此處的壓差會(huì)大幅度減小，碳酸水沿著之前的流動(dòng)路徑直接流出，減小了與原油的接觸面積以及接觸時(shí)間。在較低驅(qū)替速率下，碳酸水與原油之間的接觸時(shí)間較長(zhǎng)，使得CO2向油相傳質(zhì)更多，改善原油物性，提高采收率。Mosavat[37]在砂包模型中采用0.5 cm3/min和1 cm3/min兩種流速對(duì)輕質(zhì)原油進(jìn)行驅(qū)替，在較低的速率下，碳酸水突破時(shí)的采收率為56%，最終采收率為72%。在較高的速率下，碳酸水突破時(shí)的采收率為54%，最終采收率為68%，說(shuō)明低的注射速率采收率更高。而Dong[3]在典型砂包模型中測(cè)試了不同注入速率對(duì)CWI采收率的影響，發(fā)現(xiàn)注入速率的提高對(duì)二次、三次CWI的采收率都有提高的作用。這與Mosavat[37]的結(jié)論產(chǎn)生了矛盾。注入速率較低時(shí)二次CWI與三次CWI的驅(qū)替效果接近相同，在較高的注入速率下，二次CWI比三次CWI能夠快速地達(dá)到采收率的最大值，且二次CWI的采收率要高于三次CWI的采收率。說(shuō)明在較高的注入速率下，二次CWI的驅(qū)替效果比三次CWI的好。為此就提出CWI過(guò)程存在一個(gè)臨界注入速率，以確保碳酸水與油之間的最大接觸時(shí)間，在兩相間進(jìn)行適當(dāng)?shù)膫髻|(zhì)[38]，目前關(guān)于注入速率在不同條件下與采收率之間的關(guān)系還沒有一個(gè)明確的結(jié)論以及數(shù)值關(guān)系。

2.4 原生水飽和度

原生水是巖漿冷卻過(guò)程中形成的地下水，其濃度隨深度增加。原生水在油藏中會(huì)形成水屏蔽和水阻塞效應(yīng)，稀釋碳酸水并阻礙CO2向油相傳質(zhì)，降低CWI的采收性能。且原生水會(huì)使粘性指進(jìn)變長(zhǎng)，指進(jìn)分支變多，造成驅(qū)替界面不穩(wěn)定，采收率下降[9，39]。Shakiba等[40]在巖心模型中采用36%，50%兩種原生水飽和度進(jìn)行CWI驅(qū)替實(shí)驗(yàn)。低含水飽和度情況下的采收率要高于高含水飽和度的情況，且CO2在低含水飽和度下的儲(chǔ)氣量(54%)要高于高含水飽和度(38%)，低原生水飽和度有利于在地下儲(chǔ)存更多CO2。

3 孔隙尺度實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展

近幾十年來(lái)，孔隙模型可視化技術(shù)在多孔介質(zhì)兩相流動(dòng)和傳質(zhì)的研究中得到了廣泛的應(yīng)用，并在研究過(guò)程中展現(xiàn)出極大的優(yōu)勢(shì)?？紫赌Ｐ驮诓煌挠筒毓こ讨袘?yīng)用越來(lái)越多，因?yàn)槟Ｐ涂梢源韮?chǔ)層巖石孔隙網(wǎng)格結(jié)構(gòu)用于孔隙尺度的觀察，理解多孔介質(zhì)的概念和應(yīng)用過(guò)程[41-43]。不同的相關(guān)專業(yè)研究人員利用孔隙模型對(duì)流體-流體體系和巖石-流體體系在多孔介質(zhì)中的相互作用，如潤(rùn)濕性、毛細(xì)管壓力、界面張力、瀝青沉積等方面進(jìn)行了詳細(xì)的分析。

在孔隙模型中，碳酸水使原油膨脹增加采收率的機(jī)理被明確地證明是有效的。Sohrabi[9]在孔隙模型中對(duì)癸烷和稠油進(jìn)行驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，CWI過(guò)程出現(xiàn)了明顯的油膨脹現(xiàn)象，癸烷膨脹率高達(dá)105%，稠油膨脹率達(dá)23%。CWI驅(qū)替過(guò)程也會(huì)使多孔介質(zhì)中孤立油滴溶脹并相互連接，使流體重新分布或者使油滴溶脹堵塞孔道，將流體分流到油藏未被波及的部分，提高殘余油的流動(dòng)性和波及效率[44]。

在實(shí)際儲(chǔ)層中，地層結(jié)構(gòu)錯(cuò)綜復(fù)雜多為非均質(zhì)結(jié)構(gòu)。Mahdavi[45]對(duì)均質(zhì)和分別帶有水平裂縫和豎直裂縫的非均質(zhì)模型在水平和垂直方向上進(jìn)行驅(qū)替。不論是在水平和垂直方向上，還是均質(zhì)和非均質(zhì)模型中，CWI的驅(qū)替效率都要優(yōu)于水驅(qū)。驅(qū)替過(guò)程發(fā)現(xiàn)，裂縫與重力作用相互抵消，并且影響了垂直和水平的波及效率。重力將水或碳酸水向下推，導(dǎo)致模型上部基本保持不變。由于CO2向油相進(jìn)行傳質(zhì)，降低了原油的粘度并使油溶脹，使得碳酸水比水在孔隙介質(zhì)中能更均勻地分布。且在水平和垂直裂縫模型中，CWI較水驅(qū)有更穩(wěn)定的驅(qū)替前緣。Jamshidi[46]在非均質(zhì)模型中添加了17條方向各異的高滲透通道來(lái)模擬松散砂巖儲(chǔ)層出砂過(guò)程中產(chǎn)生的蟲洞。在雙滲透率模型中，碳酸水的驅(qū)替前緣比單滲透模型下的前緣推進(jìn)更廣泛，因?yàn)镃O2傳質(zhì)降粘作用，使原油和碳酸水更容易通過(guò)高滲透率通道，提高采收率。最終在雙滲透率模型中的采收率為67%，大于單滲透率模型的46.3%。

在孔隙模型驅(qū)替實(shí)驗(yàn)中，通常采用精煉油來(lái)代表儲(chǔ)層原油，因?yàn)槟Ｐ涂椎垒^小，采用原油樣本進(jìn)行驅(qū)替容易造成堵塞和憋壓。但在實(shí)際油藏中，儲(chǔ)層原油都會(huì)溶解一定量的烴類氣體，這就使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際過(guò)程存在一定的偏差。Sohrabi等[47]向油中飽和甲烷來(lái)代表儲(chǔ)層中的活油，在孔隙模型中進(jìn)行活油與死油的驅(qū)替實(shí)驗(yàn)。在活油和死油實(shí)驗(yàn)中都發(fā)現(xiàn)了油相中有新氣相的形核和生長(zhǎng)，新相在活油中的成核速度非?？欤隍?qū)替后期，新氣相會(huì)富集使油內(nèi)部氣飽和度增加，對(duì)油膨脹作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于CO2傳質(zhì)引起的正常油膨脹機(jī)理。新游離氣相的形成被認(rèn)為是原油中溶解的二氧化碳和輕質(zhì)烴類組分之間的競(jìng)爭(zhēng)，從而產(chǎn)生了顯著的組分效應(yīng)。在活油與碳酸水多次接觸實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，碳酸水與原油接觸后，油中的甲烷含量逐漸減少，CO2含量增加。多次接觸后原油膨脹系數(shù)達(dá)到穩(wěn)定值1.2，油相密度與粘度與初始值基本一致，新氣相組分初始富含甲烷，多次接觸后氣相逐漸富含CO2。新相的生成及其快速膨脹是一種重要的采油機(jī)理，只有在實(shí)驗(yàn)中使用的原油是真正的原油時(shí)才可以觀察到這一機(jī)理，但新相的形成降低了碳酸水的相對(duì)滲透性，從而增加了壓差。

在驅(qū)替結(jié)束后對(duì)模型進(jìn)行降壓會(huì)發(fā)現(xiàn)，在模型中有核產(chǎn)生，并逐漸形成氣泡，原油繼續(xù)進(jìn)行生產(chǎn)。這是由于壓力降低使得水相和油相的CO2溶解度降低，CO2逐漸發(fā)生脫溶過(guò)程將殘余油排出。在降壓過(guò)程中CO2脫溶分為兩個(gè)階段[42]，當(dāng)孔隙壓力開始下降，飽和水相變成過(guò)飽和水相，初始?jí)航惦A段沒有馬上形核。隨著壓力下降CO2析出，從超臨界態(tài)到氣態(tài)，密度明顯降低。氣泡形核位置隨機(jī)分布，但位置都在孔隙壁的表面，靠近孔隙體或孔道，形核會(huì)優(yōu)先發(fā)生在液固界面，而不是流體相部分。低溫和較快的降壓速率會(huì)導(dǎo)致更多的核團(tuán)產(chǎn)生，且在之后的過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生新的核團(tuán)。成核后，氣泡邊界CO2濃度比周圍水相濃度低，濃度梯度驅(qū)動(dòng)CO2組分從水相向CO2氣泡界面?zhèn)髻|(zhì)，同時(shí)降壓使得CO2密度減小，氣泡體積增大，兩種效應(yīng)使得氣泡逐漸成長(zhǎng)。在形成較多數(shù)量核團(tuán)的模型中，最終氣泡體積都要比單個(gè)孔隙體積小，而在形成較少數(shù)量核團(tuán)的模型中，最終氣泡都會(huì)長(zhǎng)大到占據(jù)3～4孔隙體積。Zuo等[48]在孔隙模型中對(duì)CWI驅(qū)替結(jié)束后進(jìn)行降壓實(shí)驗(yàn)，CO2析出堵塞孔隙，水流被引導(dǎo)到未被驅(qū)替的部分開發(fā)出新水路，隨后新水路也脫溶出CO2堵塞孔隙，導(dǎo)致水的相對(duì)滲透率顯著降低，保持在0.1以下。相應(yīng)油的相對(duì)滲透率增加，額外采收了25%的原油，額外采出的油量大約相當(dāng)于多孔介質(zhì)中CO2的析出量。

對(duì)比水驅(qū)，二次和三次CWI在孔隙模型中的流動(dòng)過(guò)程，在水驅(qū)過(guò)程中固體顆粒表面始終鋪展一層油膜，即潤(rùn)濕流體膜，說(shuō)明水驅(qū)過(guò)程的潤(rùn)濕性從混合潤(rùn)濕向著油潤(rùn)濕轉(zhuǎn)變[43]。殘余油在孔隙模型中主要以吸附在模型表面，在孔隙中形成孤立油滴和堵塞在孔道中三種方式存在。通過(guò)二次CWI驅(qū)替發(fā)現(xiàn)，碳酸水可以改變地層潤(rùn)濕性從油潤(rùn)濕向混合潤(rùn)濕或水潤(rùn)濕轉(zhuǎn)變。CO2通過(guò)向油膜傳質(zhì)進(jìn)入油相取代了表面的碳?xì)浠衔锓肿樱@種逐漸的置換使巖石表面的潤(rùn)濕性向親水狀態(tài)轉(zhuǎn)變。三次CWI由于先進(jìn)行水驅(qū)再進(jìn)行碳酸水驅(qū)，注入的碳酸水在模型中沿著之前的水驅(qū)路徑流動(dòng)，減少了與油相的接觸面積。并且三次CWI的突破點(diǎn)要早于二次CWI，二次CWI與原油的接觸時(shí)間和傳質(zhì)時(shí)間更長(zhǎng)，使得油溶脹效應(yīng)更顯著，因此二次CWI采收率更高。

4 CO2儲(chǔ)存能力

CWI技術(shù)不僅能有效提高原油采收，驅(qū)替結(jié)束后可以將注入的CO2安全永久性地儲(chǔ)存在地質(zhì)儲(chǔ)層中，是一種很有潛力的CO2儲(chǔ)存技術(shù)[8]。溶解CO2的碳酸水密度要高于地層鹽水，降低了注入CO2向上移動(dòng)導(dǎo)致泄露的風(fēng)險(xiǎn)[11]。對(duì)比不同壓力下三次CWI的CO2儲(chǔ)存能力發(fā)現(xiàn)，CO2儲(chǔ)存量與CO2在鹽水和殘余油中的溶解度成正比，溶解度越大，能夠儲(chǔ)存的CO2量越大。當(dāng)壓力升高到一定值以后，壓力對(duì)CO2溶解度的影響不大，進(jìn)而壓力對(duì)CO2的儲(chǔ)存量影響也不大[4]。三次CWI在不同壓力下的最終CO2儲(chǔ)存率在40.7%～47.1%之間，說(shuō)明CWI有很大的儲(chǔ)存CO2的潛力。此外，用CWI技術(shù)來(lái)永久儲(chǔ)存CO2現(xiàn)在仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)，需要更多的實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)來(lái)研究各種工況條件下CWI的CO2儲(chǔ)存能力。

5 展望

在過(guò)去的50年，已經(jīng)有了廣泛的實(shí)驗(yàn)室研究和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的CO2注氣強(qiáng)化采收技術(shù)，但對(duì)于CWI技術(shù)由于CO2在水中的溶解度低，碳酸水制備困難以及致密油藏中水的注入性較低等問題，CWI的實(shí)際性能受到較大影響[49]。各種與CWI相關(guān)的研究和工程已被報(bào)道，其中涉及的復(fù)雜機(jī)制尚未明確，CWI技術(shù)的研究主要處于實(shí)驗(yàn)室階段，對(duì)于實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用還未開展。因此對(duì)于CWI技術(shù)機(jī)理性研究還有待加強(qiáng)，為CWI開采技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)開發(fā)及應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

6 結(jié)論

CWI作為一項(xiàng)新發(fā)展起來(lái)的強(qiáng)化采油技術(shù)，在現(xiàn)場(chǎng)油田范圍內(nèi)還未得到廣泛應(yīng)用，但在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，大量實(shí)驗(yàn)研究證明，CWI是一種有效的石油采收率技術(shù)。與傳統(tǒng)水驅(qū)相比，二級(jí)和三級(jí)CWI都提高了采收率。與其他強(qiáng)化采油技術(shù)(如CO2氣驅(qū)、氣水交替驅(qū)和同時(shí)氣水交替驅(qū))相比，CWI使用碳酸水注入減小了兩相流體密度差，改善原油物性，提高整體的波及效率。作為附加優(yōu)勢(shì)，CWI還具有永久安全儲(chǔ)存CO2的能力。大部分的研究都是從巖心尺度和孔隙尺度進(jìn)行的，為了解CWI過(guò)程的強(qiáng)化采油機(jī)制。本文針對(duì)CWI過(guò)程流體物性的變化以及巖心尺度和孔隙尺度實(shí)驗(yàn)的研究進(jìn)展進(jìn)行報(bào)告和總結(jié)，得出以下重要結(jié)論：

(1)CWI的強(qiáng)化采油機(jī)制是通過(guò)CO2從水相向油相傳質(zhì)，使油溶脹導(dǎo)致油節(jié)相互連接提高波及效率，以及改善原油物性如降低粘度，降低界面張力和改變潤(rùn)濕性等提高采收率。

(2)原油溶脹、粘度降低、界面張力減小、改變多孔介質(zhì)潤(rùn)濕性等是CWI的重要強(qiáng)化采收機(jī)理。

(3)二次CWI的采油率要高于三次CWI，由于三次CWI之前進(jìn)行水驅(qū)導(dǎo)致碳酸水沿之前路徑流動(dòng)，減少接觸面積以及時(shí)間，減少CO2向油相傳質(zhì)。

(4)發(fā)現(xiàn)兩種額外采收機(jī)制。一是由于壓力降低，導(dǎo)致CO2溶解度降低，使得CO2氣體析出，增加額外采油；二是原油中含有溶解氣體如甲烷，注入碳酸水后發(fā)生組分效應(yīng)，形成新氣相，增加額外采油。

(5)CWI技術(shù)對(duì)CO2的封存有很大的潛力，二次和三次CWI的CO2儲(chǔ)存能力約為注入CO2的40%～50%之間，是實(shí)施CWI過(guò)程中的一個(gè)額外優(yōu)勢(shì)。