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1、1CO2 驱油机理研究综述第一章 概 述1.1 CO2 驱国外发展概况注入二氧化碳用于提高石油采油率已有 30 多年的历史。二氧化碳驱油作为一项日趋成熟的采油技术已受到世界各国的广泛关注，据不完全统计，目前全世界正在实施的二氧化碳驱油项目有近 80 个。90 年代的 CO2 驱技术日趋成熟，根据 1994 年油气杂志的统计结果，全世界有 137 个商业性的气体混相驱项目，其中 55采用的是烃类气体，42采用的是 CO2，其他气体混相驱仅占 3。目前，国外采用二氧化碳驱油的主要国家有：美国、俄罗斯、匈牙利、加拿大、法国、德国等。其中美国有十个产油区的 292 个油田适用 CO2 驱，一般提高采收
2、率 715，在西德克萨斯州，CO2 驱最主要是 EOR 方法，一般可提高采收率 30左右。1.1.1 国外 CO2 驱项目情况在国外，注二氧化碳（ ）技术主要用于后期的高含水油藏、非均质油藏以及不适合热采的重质油藏。推广二氧化碳驱油的主要制约因素是天然的二氧化碳资源、二氧化碳的输送及二氧化碳向生产井的突进问题以及油井及设备腐蚀、安全和环境问题等。为解决以上问题，提出了就注 提高原油采收率技术，这种技术是向地层中注入反应溶液，使其在油藏条件下充分反应而释放出 气体， 溶解于原油之中，降低原油粘度，膨胀原油体积，从而达到提高原油采收率的目的。美国是 CO2 驱发展最快的国家。自 20 世纪 80
3、年代以来，美国 CO2 驱项目不断增加，已成为继蒸汽驱之后的第二大提高采收率技术。美国目前正在3实施的 CO2 混相驱项目有 64 个。最大的也是最早使用 CO2 驱的是始于 1972 年的 SACROC 油田。其余半数以上的大型气驱方案是于 19841986 年间开始实施的，目前其增产油量仍呈继续上升的趋势。大部分油田驱替方案中，注入的 CO ：体积约占烃类空隙体积的 30 %，提高采收率的幅度为 7 %22。1.1.2 小油田 CO2 混相驱的应用与研究过去，CO2 混相驱一般是大油田提高原油采收率的方法。大油田由于生育储量多，剩余开采期长，经济效益好，而小油田 CO2 驱一般不具有这些优
4、点。近年来许多小油田实施了 CO2 混相驱提高原油采收率方案，同样获得了良好的经济效益。如位于美国密西西比州的 Creek 油田就是一个小油田成功实施CO2 驱的实例。该油田于 1996 年被 JP 石油公司收购时的原油产量只有 143 m3 / d，因油田实施了 CO2 驱技术，使该油田的原油采收率大大提高，其原油产量在 1998 年达到了 209 m3 / d，比 1996 年增加了 46。1.1.3 重油 CO2 非混相驱的研究与应用CO2 驱开采重油一般是在不适合注蒸汽开采的油田进行。这类油田的油藏地质条件是：油层薄，或埋藏太深，或渗透率太低，或含油饱和度太低等。注 CO 2 可有效提
5、高这类油藏的采收率。大规模使用 CO2 非混相驱开发重油油田的国家是土尔其。土尔其有许多重油藏不适合热采方法。1986 年土尔其石油公司在几个油田实施了 CO2 非混相驱，取得了成功。其中 Raman 油田大规模 C02 非混相驱较为典型。加拿大也有许多重油油藏被认为不适合进行热力开采，加拿大对 CO2 驱开采重油进行了大量的研究。试验得出，轻油粘度在 30 饱和压力下从大约从 1 . 4 降到 20，降低了 15 倍。另外，在不同温度下重油粘度测量发现，温度达到 275 左右才能降粘，而 CO2 一旦溶解在原油中就可使原油粘度3降低，并且可以把粘度降低到用蒸汽驱替的水平。1.2 国内研究应用
6、现状我国东部主要产油区 CO2 气源较少，但注 CO2 提高采收率技术的研究和现场试验却一直没有停止。注 CO2 技术在油田的应用越来越多，已在江苏、中原、大庆、胜利等油田进行了现场试验。1996 年江苏富民油田 48 井进行了 CO2 吞吐试验，并已开展了 CO2 驱试验。草 3 井位于苏北盆地漆渔凹陷草舍油田戴一段油藏高部位，产层为 Ed1 段，属底水衬托的“油帽子” 。初期自喷生产，日产油约 59t，不含水，无水采油期共 367 天，综合含水升至 22时停喷，转入机抽生产，后日产油 4.55t，含水 90。为了增油降水，在该井进行了 CO2 吞吐试验，效果明显，原油产量上升，含水下降，泵
7、效增加，有效地延缓了原油产量递减。江苏油田富 14 断块在保持最低混相压力的状态下，于 1998 年末开始了 CO2 水交替（WAG）注入试验注入 6 周期后水气比由0.86:1 升至 2:1，见到了明显的增油降水效果。水驱后油层中形成了新的含油富集带。试验区采油速度由 0.5升至 1.2，综合含水率由 93.5降至63.4。大庆油田从发现第一口二氧化碳气井，到研究应用二氧化碳驱油技术，已走过 13 个春秋，至 2008 年年底，已有 6 个采油厂建起二氧化碳驱油试验区，累计增油超过 4000 吨。第二章 二氧化碳的驱油特点2.1 二氧化碳的基本性质在标准条件下，也即在 压力下， （绝对温度）
8、下二氧化碳是MPa1.0K2.73气体状态，气态二氧化碳密度 ，气态二氧化碳粘度1.08.Dmkg3，液态二氧化碳密度 ，液态二氧化碳粘度smpa08.2. 39.05Dmkg，但在高压（ ）低温（ ）条件下液态与气态15MPa14T二氧化碳的密度相近 。3t8.06Dm临界温度 （绝对） ，临界压力 ，当温度超过KT2.34cr 2. MPacr28.7临界温度时，压力对二氧化碳相态几乎不起作用，即在任何压力下二氧化碳均呈现气体状态，因此在地层温度较高的油层中应用二氧化碳驱油，二氧化碳通常是气体状态而与注入压力和地层压力无关。若地层埋深为15002000m，地温为 310350K（绝对） ，
9、用 1020MPa 压力向该地层注入二氧化碳的话，它将位于超临界状态。临界温度 （绝对） ，临界压力 ，当温度超过KT2.304cr2.31MPacr28.7临界温度时，压力对 CO2 相态几乎不起作用，即在任何压力下 CO2 均呈现气体状态，因此在地层温度较高的油层中应用 CO2 驱油，CO2 通常是气体状态而与注入压力和地层压力无关。若地层埋深为 15002000m，地温为310350K（绝对） ，用 1020MPa 压力向该地层注入 CO2 的话，它将位于超临界状态。CO2 在水中溶解度随压力增加而增加，随温度的增加而降低，随地层水矿化度的增加而降低，这要求我们在应用二氧化碳水溶液时要考
10、虑地层压力、温度、地层水矿化度的变化。CO2 溶于水中形成“碳化水” ，结果使水的粘度有所增加，例如，溶解35%质量比浓度时，水的粘度增加 2030%。CO2 溶解于水时可形成碳酸，它可以溶解部分胶结物质和岩石，从而提高地层渗透率，注入 CO2 水溶液后砂岩地层渗透率可提高 515%，百云岩地层可提高 675%。并且，CO2 在地层中存在，可使泥岩膨胀减弱。 CO2 在油中溶解度远高于在水中的溶解度,在油中溶解度高于甲烷在油中溶解度，而且其溶解度与原油分子量成正比的增加，但要注意，CO2 容易溶3于高含蜡量原油，而不太溶于环烷烃和芳香烃含量高的原油。.当压力超过“完全混相压力”时，不论油中有多
11、少 CO2，油与 CO2 都将形成单相混合物，即达到无限溶混状态，低粘度原油混相压力低，而重质高粘度原油混相压力高。CO2 与原油混相压力还与原油饱和度有关，当原油饱和压力由 提高到 ，混相压力则可由 提高到 。地层温度也MPa5Pa9MPa82Pa1影响混相压力，当地层温度由 50 上升到 100 时，混相压力要增加 。MPa652.2 二氧化碳的驱油方式2. 2.1 CO2 混相驱混相驱油是在地层高退条件下，油中的轻质烃类分子被 CO2 提取到气相中来，形成富含烃类的气相和溶解了 CO2 的原油的液相两种状态。当压力达到足够高时，CO2 把原油中的轻质和中间组分提取后，原油溶解沥青、石蜡的
12、能力下降，这些重质成分将会从原油中析出，残留在原地，原油粘度大幅度下降，从而达到混相驱的目的。混相驱油效率很高，条件允许时，可以使排驱剂所到之处的原油百分之百的采出。但要求混相压力很高，组成原油的轻质组分 C26 含量很高，否则很难实现混相驱油。由于受地层破裂压力等条件的限制，混相驱替只适用于API 重度比较高的轻质油藏，同时在浅层、深层、致密层、高渗透层、碳酸盐层、砂岩中都有过应用的经验，总结起来，CO2 混相驱对开采下面几类油藏具有更重要的意义。 a. 水驱效果差的低渗透油藏； b. 水驱完全枯竭的砂岩油藏； c. 接近开采经济极限的深层、轻质油藏； d. 利用 CO2 重力稳定混相驱开采
13、多盐丘油藏。2.2.2 CO2 非混相驱 3CO2 非混相驱的主要采油机理是降低原油的粘度，使原油体积膨胀，减小界面张力，对原油中轻烃汽化和油提。当地层及其中流体的性质决定油藏不能采用混相驱时，利用 CO2 非混相驱的开采机理，也能达到提高原油采收率的目的，主要应用包括：a. 可用 CO2 来恢复枯竭油藏的压力。虽然与水相比，恢复压力所用的时间要长得多，但由于油藏中存在的游离气相将分散 CO2，使之接触到比混相驱更多的地下原油，从而使波及效率增大。特别是对于低渗透油藏，在不能以经济速度注水或驱替溶剂段塞来提高油藏的压力时，采用注 CO2，就可能办到，因为低渗透性油层对注入 CO2 这类低粘度流
14、体的阻力很小。 b. 重力稳定非混相驱替。用于开采高倾角、垂向渗透率高的油藏。 c. 重油 CO2 驱，可以改善重油的流度，从面改善水驱效率。d. 应用 CO2 驱开采高粘度原油。2.2.3 单井非混相 CO2 “吞吐”开采技术 这种单井开采方案通常适用那些在经济上不可能打许多井的小油藏，强烈水驱的块状油藏也可使用。此种三次采油方式最适合那些不能承受油田范围的很大前沿投资的油藏。周期性注入 CO2 与重油的注蒸汽增产措施相类似，但它不仅限于重油的开采，而且已成功地用于轻油的开采中。虽然增加的采收率并不大，但评价报告一致认为，这些方案确能在 CO2 耗量相对较低的条件下增加采油量。多数情况下，采
15、用这种技术的井在试验以前均已接近经济极限。 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。采油机理主要是原油体积膨胀、粘度降低以及烃抽提和相对渗透率效应；在倾斜油层中，尽管油井打在不太有利的位置，利用这种技术回采倾斜油层顶部的残余油也是可能的。3CO2 吞吐增产措施相对来说具有投资低、返本快的特点，有获得广泛应用的可能性。2.3 二氧化碳驱油影响因素分析二氧化碳是怎样驱油的呢？将二氧化碳从地下采出来，然后再注入油层，它与油层“亲密接触”后，就产生四种作用。一是降低原油黏度。二是能使原油体积膨胀 10%至 40%。这样能让一部分
16、不流动的残余油动起来，抽油机就能让原油“走出”地面了。三是可降低油水界面张力，把黏在岩壁上的原油洗下来，从而提高了采收率。四是能解堵及改善油水黏度比。这样就减弱了“水窜” ，减少了无效循环，进而提高了水驱效果。影响CO2驱油效果的因素很多，主要分为储层参数、地层流体性质以及注气方式三大类。其中，储层参数主要包括油藏的非均质性、油层厚度、渗透率性等，流体性质主要包括原油粘度及原油密度等。2.3.1 储层特征影响因素分析渗透率、平面非均质性影响低渗透率可提供充分的混相条件，减少重力分离，渗透率太高容易导致早期气窜，从而造成较低的驱油效率。随着非均质性的增强，采收率变小。因为非均质油藏中，注入的 CO2 优先进入高渗透层，导致当低渗透层中的原油尚未被完全驱扫时，CO2 已从高渗透层突入到生产井中，产生粘性指，从而使驱油效率降低。因此，储层岩石的非均质性越小越好。垂向横向渗透率比值 的影响Khv随着 的增大，采收率有所下降。随着纵横
