油田化学报告

引言

目前，普遍认为减少向大气中排放CO2的主要方法是地质封存和深水封存。但是作为一个发展中国家，我国既不能以牺牲经济发展为代价减少CO2的排放量，也不应耗费巨大的财力投入无经济效益回报的CO2封存。显然，在CO2的高效利用过程中实现其永久封存，是我国履行CO2减排义务最现实的选择。国内外大量研究和应用成果已表明，向油层中注入CO2可以大幅度地提高原油采收率。而且，油气藏是一个封闭非常好的天然储气库，可以实现CO2的永久封存。因此，利用CO2提高石油采收率不仅可以实现CO2减排的社会效益，而且可以产生巨大的经济效益，是CO2高效利用与永久封存的最佳途径。

一：CO2提高采收率技术发展概况

自从沃顿[1]（Whorton）等人于1952年取得第一个利用CO2采油的专利以来，CO2采油技术始终是石油开采领域的研究重点。CO2采油技术应用较多的主要是美国、前苏联、加拿大、英国等国家。近二十多年来，CO2驱已成为美国提高石油采收率的主导技术[2~5]。2004年，

美国应用CO2驱技术增产的原油达到3.28×104 m3/d，约占其国内日产油量的4％。

目前，国内外双卡通CO2提高采收率技术研究与应用的总体发展现状可以概括如下：

①用于提高采收率的气源以天然CO2资源为主。例如，美国在Colorado 和新墨西哥拥有巨大的天然CO2资源，CO2驱已成为其提高采收率的主导技术。据统计，目前美国注入油藏的CO2量约为2000～3000万吨/年，其中约有90%来源于CO2气田。

② CO2提高采收率技术以CO2混相驱为主。例如，美国2004年CO2混相驱项目数为70个，产量为205775桶/天，而CO2非混相驱的项目数只有1个，产量只有102桶/天。

③CO2提高采收率研究的重点为混相驱相关理论。目前，对于CO2丙烯运输提高采收率应用基础研究主要集中于相态特性研究。有关相态的研究主要是以为技术的应用提供设计依据为目标，研究CO2在油藏条件下的相态特性、基本规律、工艺条件等；有关CO2驱机理的研究则主要围绕对CO2混相驱机理的基本认识。

二：CO2提高采收率的机理

CO2用于EOR 主要是由于以下各因素作用的结果[ 6～10 ] :

1. 使原油体积膨胀

CO2注入油藏后,可在原油中充分溶解,一般可使体积增加10% ～100%。其结果不但增加地层的弹性能量,还大大减少了原油流动过程中的阻力,从而提高驱油效率。

2. 降低原油黏度

CO2溶于原油后,一般可降低到原黏度的0. 1～0. 01。原油初始黏度越高,黏度降低幅度越大。黏度降低,有利于原油流动能力,提高产油量。

3. 改善油水流度比

CO2溶于原油和水,其黏度增加20% ～30% ,流度降低;原油碳酸化后,其黏度降低30% ～80% ,流度增加。其综合作用的结果,使油水流度比趋于接近,水驱波及体积扩大,有利于原油采出。

4. 降低界面张力

CO2极易溶解于原油,其结果大大降低了油水界面张力,有利于原油流动,从而提高了原油采

收率。CO2与原油混相后其界面张力降为0,理论上可使采收率达到100%。

5. 萃取原油中轻烃

CO2注入油藏后,部分CO2未溶解于油水中的CO2能萃取原油中的轻烃,使原油相对密度降低,黏度降低,从而提高原油流动性能,有利于开采。

6. 溶解气驱作用

随着油井生产井附近的地层压力下降,地层原油中溶解的CO2逸出,逸出的CO2 气体驱动原油流入井筒,形成内部溶解气驱。

三：CO2—EOR的实施方法

目前CO2—EOR 的实施方法主要有CO2混相驱、CO2非混相驱和CO2吞吐,其中CO2混相驱应用最为普遍。另外, CO2 —EOR实施中也有热CO2驱、碳酸水驱、就地生成CO2磁性材料液压机技术等其他方法。通过文献调研,对目前国内外CO2 —EOR的实施方法及研究动态进行了较全面的总结,对油田开发领域的相关研究,具有一定的指导和借鉴意义。

1. CO2混相驱[11～14 ]

CO2混相驱一般采用CO2与水交替注入储层的方法,清洗篮具体注入方法取决于储层的性质,主要有连续注入、简单注入、锥形注入等(图1) 。实施过程中首先注入CO2 ,由于连续注CO2驱替油层时宏观波及系数很低,因此注水改变二氧化碳的驱油速度,扩大CO2的波及效率。基本机理是CO2和地层原油在油藏条件下形成稳定的混相带前缘,该前缘作为单相流体移动并有效地把原油驱替到生产井，由于混相,多孔介质中的毛细管力降至为零,理论上可使微观驱替效率达到100%。混相驱要求油藏压力高于或等于CO2与原油完全混相的最低压力(MMP) 。由于受地层破裂压力等条件的限制,该方法通常用于原油相对密度小于0. 89 g/ cm3 ,油层温度小于120℃的中、深层油藏。通过CO2混相驱,原油采收率比注水方法提高约30% ～40%。

根据以往的经验, CO2混相驱对开采下面几类油藏具有更重要的意义。

(1)不合适水驱开采的低渗透油藏。

(2)水淹后的砂岩油藏。

(3)接近开采经济极限的深层、轻质油藏。

2. CO2非混相驱

CO2非混相驱效率次于混相驱,但高于水驱或惰性气驱,一般以重力稳定CO2注入方式生产,将二氧化碳注入到圈闭构造的顶部,使原油向下及构造两边移动,在构造两边的生产井中将原油采出。主要采油机理是对原油中轻烃汽化和抽提,使原油体积膨胀,黏度降低, 界面张力减小。另外, CO2还可以提高或保持地层压力,当地层压力下降时, CO2就会从饱和了CO2的原油中溢出,形成溶解气驱,达到提高原油采收率的目的。适用于非混相驱的油藏类型主要有:

(1)重油或高黏油油藏。

(2)压力衰竭的低渗透油藏。

(3)高倾角、垂向渗透率高的油藏。

垂直母排

3. CO2吞吐

CO2吞吐的实质是非混相驱,采油机理主要是原油体积膨胀、降低原油界面张力和黏度,以及CO2对轻烃的抽提作用。该方法的一般过程是把大量的CO2注入到生产井底,然后关井几个星期,让CO2渗入到油层,然后重新开井生产。这种单井开采技术不依赖于井与井间的流体流动特性,适用范围很广,一般对开采下面几类油藏具有更重要的意义:

(1)井间流动性差,其他提高采收率方法不能见效的小型断块油藏。

(2)裂缝性油藏、强烈水驱的块状油藏、有底水的油藏等一些特殊油藏。

(3)不能承受油田范围的很大前沿投资的油藏。

CO2吞吐增产措施相对来说具有投资低、返本快的特点,能在CO2耗量相对较低的条件下增加采油量。

4. CO2近混相驱[ 15—18 ]

Orr等人在进行CO2驱细管实验时提出:采收率曲线中的转折点不一定表示由不混相状态到动态混相状态的转变,而可能表示是“近似混相的”。CO2近混相驱的特点是,驱替压力低于并保持在MMP附近,注入的CO2与油只是接近混相状态。近混相驱在现场较容易实现,且有较高的驱油效率。有研究表明,大多混相驱项目基本实现的是近混相,但由于近混相驱相关的理论和方法研究尚不成熟,而仍沿用着混相驱评价系统。研究近混相驱驱油机理,确定近混相驱条件,是以后油田设计CO2 —EOR开发项目的发展方向。

5. 热CO2驱热

CO2驱是热力采油和混相驱油的联合应用,其驱油机理是热CO2加热油藏及CO2与原油部分混相。实施过程中,首先要加热CO2, CO2的加热温度取决于油藏温度及原油性质,但必须高于其临界温度。热CO2驱广泛适用各种原油和油藏类型,可有效提高驱油效率。目前热CO2注入方法主要有热CO2连续注入,热CO2、水交替注入,热CO2注入后注蒸汽。

6. 碳酸水驱

利用CO2溶于水的性质,将CO2和水溶液注入到储油层,水中的CO2在分子扩散作用下与地

层油接触并驱油,但此扩散过程较慢,与注入纯CO2相比,采收率较低。计算表明,向油层注入5～6倍孔隙体积的3% ～5%碳酸水,驱油效率增加10%～15% 。该方法通常作为一种辅助性方法使用。

7. CO2泡沫驱

CO2泡沫驱是通过加入发泡剂,使得CO2气体在地层中形成泡沫体系,增加其流动阻力,提高波及效率。国外许多经验和研究表明, CO2泡沫驱的性能优于CO2驱,特别是用于非均质油藏效果更加显著。但由于地层中压力很大,泡沫在运移过程中气体向液膜及地层水中的扩散,实际上很难形成理想的泡沫体系。

8. 就地生成CO2技术

就地生成CO2技术是向地层中注入反应液,反应液为低浓度酸和低浓度表面活性剂及聚合物的混合液,这种混合液能够优先进入高渗透层,在高渗透层中,产生放热化学反应生成CO2。由于开发该项技术在地层中就地产生CO2驱替剂,不需要使用过多的地面设备,不会对设备产生腐蚀,所以具有优先推广优势。

四：CO2驱油的几个关键科学与技术问题探索

1.注CO2采油过程中储层物性的变化

在注CO2采油过程中，储层和储层流体将与CO2发生复杂的化学反应，从而导致储层孔隙结构和渗透率等发生很大的变化。实验结果表明，将二氧化碳-水混合体系注入岩心后，岩心中的碳酸盐组分明显降低，这说明CO2（或碳酸分子）与岩心中的碳酸盐发生了溶蚀反应。注CO2后岩心孔隙和次生孔隙的平均半径均增大，孔隙间的连通性明显变好。另外，据有些文献报道，CO2对粘土的膨胀具有一定的抑制作用。上述溶蚀扩孔和抑制粘土膨胀的综合效应对于注CO2采油的效果既有利也有弊。如果这两种效应发生在注入井附近或低渗层位，储层孔隙增大，可以明显地改善注入性。但是，如果油藏的非均质性较强，甚至存在窜流通道，注入的CO2主要在高渗层或窜流通道中发生溶蚀反应，则将加剧储层的非均质性和窜流程度。另外，在实际油藏中，注CO2引起的有机物沉积对孔隙的污染堵塞，将使储层孔隙连通性变差。注CO2过程中储层物性的变化实际上是溶蚀扩孔和沉积堵塞的综合作用。这一问题在CO2驱中必须引起足够的注意。研究的重点除了CO2驱过程中储层物性变化动态和分布规律外，还应特别注重对实际油藏中溶蚀反应的利用和控制方法研究。

2. CO2在储层中的视渗透率

在注 CO2水溶液过程中，岩心的渗透率逐渐增大。如图3所示的实验结果，CO2段塞结束后，岩心的视渗透率比原始渗透率高将近3倍。在以往的研究中将这种现象完全归因于CO2 对储层岩石骨架的溶蚀扩孔。但是本文最近的研究结果对这一观点提出了质疑。为了考察CO2在多孔介质微孔隙中的流动机理，选择内径为5 m 的石英管，进行微管流动实验，与CO2作对比的介质为N2。CO2与石英一般不发生化学反应，因而可以排除CO2溶蚀扩孔对流动的影响。为使微管流动实验与岩心渗流实验具有可比性，将微管流动实验所测得的流速与阻力关系按毛管模型折算成多孔介质中的渗流速度与压力梯度的关系，由渗流模型可得到相应的折算渗透率kc，将折算结果绘于图4苯检测中，如图所示，在消除溶蚀扩孔效应的条件下，CO2在毛管模型中的折算渗透率比N2高1倍。由此可知，CO2在储层中视渗透率增大的机理除了CO2对储层岩石骨架的溶蚀扩孔效应之外，还存在其他目前尚不完全清楚的机理。就目前的认识水平推测，CO2在微孔隙中的聚集状态、微尺度效应、分子的扩散运移等均有可能是导致CO2 在储层中特殊渗流现象的机理之一。这一推论尚待通过理论和实验研究予以证实，其物理化学本质和规律性则是今后需要重点研究的科学问题。

3.改善CO2波及效率的技术思路

在地层条件下，CO2的粘度仅为0.03～0.10mPa·s，远远低于我国绝大部分油田原油的粘度。即使不考虑储层的非均质性，CO2 在驱油过程中很容易产生指进，严重地影响其波及效率。据文献报道，目前改善CO2波及效率的技术思路主要有以下几种：