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1、第一章 二氧化碳驱油机理第一节 驱油机理CO 2是一种在油和水中溶解度都很高的气体，当它大量溶解于原油中时，可以是原油体积膨胀，粘度下降，还可降低油水间的界面张力； CO 2溶于水后形成的探索还可以起到酸化作用。它不受井深、温度、压力、地层水矿化度等条件的影响，由于以上各种作用和广泛的使用条件，注CO 2提高采收率的应用十分广泛。人们通过大量的室内和现场试验，都证明了 CO 2是一种有效的驱油剂，并相继提出了许多注入方案。包括:连续注CO 2气体；注碳酸水法；注CO 2气体或液体段塞后紧接着注水；注co 2气体或液体段塞后交替注水和CO2气体(WAG法)；同时注CO2气体和水。连续注入CO2驱
2、替油层时，由于不利的流度比及密度差，宏观波及系数很低，CO2用量比较大，实施起来不够 经济，用廉价的顶替液驱动CO 2段塞在经济上更有吸引力。用碳酸水驱油实质是利用注入的水和co 2溶液与地层油接触后，从其中扩散出来的CO2来驱油，但此扩散过程较慢，与注入纯CO2段塞相比达到的采收率比较低。注CO 2段塞的工艺包括；注CO 2段塞后注水、注段塞后交替注水和注CO 2气体，前一种方法是水驱动CO 2段塞驱扫描整个油层，尾随的水不混相地驱替co 2，在油层中留下一个残余的CO 2饱和度，后一种方法，其目的在于降低CO 2的流度，提高油层的波及系数。提出的另外一种工艺是通过双注水系统同时注水和CO
3、2 (见下图), 但是这种工艺的施工和完井的成本高，经济风险更大。沃纳(Warnerl977)和费耶尔斯(Fayers)等人在模拟研 究中证明，WAG注入法要比连续或单段塞注入法优越。沃纳的研究结果还表明，连续注入CO2可采出潜在剩余 油量的20%；注入CO2段塞可采出25%；而WAG法可采出注水后地下原油的38%；同时注入气与水可采出47% 的原油，但此法仍存在着严重的操作问题。由此看来，WAG法仍然是最经济可行的CO2驱工艺，但它不适合于 低渗透砂岩，因为在这种砂岩中，由于水的流度很低，变换注入方式可能造成注入速度严重降低。不管CO2是以何种方式注入油层，CO2之所以能有效地从多孔介质中驱
4、油，主要是由于以下各因素作用的结果:(1) 使原油膨胀；(2) 降低原油粘度；(3) 改变原油密度；(4) 对岩石起酸化作用；(5) 可以将原油中的轻质馏分汽化和提取；(6) 压力下降造成溶解气驱；(7) 降低界面张力； 至于哪个因素起主要作用，取决于油层温度、压力和原油组分，对于某个具体的CO2驱项目来说，其主要驱替 特效性应处于图 1-2中所示的五个区域中的一个：区 1：低压环境；区 2：中压、高温环境；区 3 ：中压、低温环境；区 4 ：高压环境；区 5 ：高压、低温（液体）环境。当CO 2处于-56.6 oC,0.422MPa时，固体、液体和气体同时存在，即三相点。当二氧化碳处于31o
5、C, 7.39MPa 时，气体、液体同时存在，即临界点。当温度高于31oC时，压力增大，二氧化碳也只能是气态，见图1.3因为二氧化碳的分子不具有水分子的固有极性，所以在较高的油藏温度和压力下，它不是以低粘度的液体溶 于油中，就是以高密度的气体溶于油中；并且随着压力升高，其溶解度也相应增大，见图1.4。原油中溶有注入的二氧化碳时，原油性质会发生变化，甚至油藏性质也会得到改善，这就是二氧化碳提高原 油采收率的关键。下面详细分析二氧化碳驱油提高采收率的机理。1. 降低原油粘度二氧化碳溶于原油后，降低了原油粘度，原油粘度越高，粘度降低程度越大，见表。40oC时，二氧化碳溶于沥青可大大降低沥青的粘度。温
6、度较高时（120oC以上），因二氧化碳溶解度降低， 降粘作用反而变差；在同一温度条件下，压力升高时，二氧化碳溶解度升高，降粘作用随之提高。但是，压力过 高，若压力超过饱和压力时，粘度反而上升。原油粘度降低时，原油流动能力增加，从而提高原油产量2. 改善原油与水的流度比大量的二氧化碳溶于原油和水，将使原油和水碳酸化。原油碳酸化后，其粘度随之降低，大庆勘探开发研究 院在45oC和12.7MPa的条件下进行了有关试验，试验表明，二氧化碳在油田注入水中的溶解度为5% （质量）， 而在大庆油田原油中的溶解度为15% （质量）；由于大量二氧化碳溶于原油中，使原油粘度由9.8mPas降到 2.9mPas,使
7、原油体积增加了 17.2%，同时也增加了原油的流度。水碳酸化后，水的粘度也要增加，据前苏联 有关文献报道，二氧化碳溶于水中，可使水的粘度提高20%以上，见图，同时也降低了水的流度。因为碳酸化 以后，油和水的流度趋向靠近，所以改善了油与水流度比，扩大了波及体积。3. 使原油体积膨胀二氧化碳大量溶于原油中，可使原油体积膨胀，原油体积膨胀大小，不但决定于原油分子量的大小，而取决 于二氧化碳的溶解量。二氧化碳溶于原油，使原油体积膨胀，也增加了液体内的动能，从而提高了驱油效率。大庆勘探开发研究院用萨尔图油田南4-丁2-346井原油进行了试验。目的是为了了解二氧化碳溶于原油后， 油相的体积与原始油样的体积
8、比与压力的关系。试验条件为:取样深度800m,原油饱和压力6.7MPa,密度0.798g/cm3,粘度8.8mPa ,二氧化碳纯度96.86%, 试验温度48oC，测试压力7.0028.12MPa。试验结果如图图表明，二氧化碳溶于原油后，油体积先是随着压力的升高而增大，这是因为二氧化碳溶于原油中，溶解度 随着压力上升而增大，致使原油体积膨胀率也逐渐增大。图中两条曲线分别表示原油样体积与二氧化碳体积比1: 1.7和1： 1.6的情况。当压力上升到10.55MPa时，油相体积分别达到最大值。此后，油相体积随压力升高而减 小。这就是所谓二氧化碳萃取和汽化原油中轻质烃组分的过程。这也就是下面我们要介绍
9、的二氧化碳混相驱油的重要机理。4. 使原油中轻烃萃取和汽化当压力超过一定值时，二氧化碳混合物能使原油中不同组分的轻质烃萃取和汽化。B Mikael和F Palmer 对路易斯安娜州采用二氧化碳混相驱的 SU 油藏 64号井的产出油进行了分析，认为二氧化碳混合物对该油藏原 油轻质烃其实存在萃取和汽化作用，见图。该井注二氧化碳（CO284%，甲烷11%, 丁烷5%）之前，原油相对 密度为0.8398； 1982年注入CO2混合物后，初期产出油平均相对密度逐渐上升，从0.7587增加到0.8815；这说 明原油中轻质烃首先萃取和汽化，以后较重质烃也被汽化产出，最后达到稳定。但是，注入CO2混合物后，
10、产 出油的最大相对密度是0.8251；1984产出油的相对密度为0.8251；1985年以后产出油相对密度基本稳定在0.8155。 也低于原始原油的相对密度0.8398。这充分证明注入CO2混合物确实存在原油中轻质烃萃取和汽化现象。萃取 和汽化现象是CO2混相驱油的重要机理。在该试验中，当压力超过10.3MPa时，CO2才使原油中轻质烃萃取和汽化；当压力超过7.85MPa时，采收 率就相当高，可以高达90%。5. 混相效应混相的最小压力称为最小混相压力（MMP）。最小混相压力取决于CO2的纯度、原油组分和油藏温度。最小 混相压力隋朝油藏温度的增加而提高；最小很想压力随着原油中C5以上组分分子量
11、的增加而提高；最小混相压 力受CO2纯度（杂质）的影响，如果杂质的临界温度低于CO2的临街温度，最小混相压力减小，反之，如果杂 质的临界温度高于CO2的临界温度，最小混相眼里增大。CO2与原油混相后，不仅能萃取和汽化原油中轻质烃，而且还能形成CO2和轻质烃混合的油带（oil banking）。 油带移动是最有效的驱油过程，它可以使采收率达到90%以上。6. 分子扩散作用非混相co2驱油机理主要建立在co2溶于油引起油特性改变的基础上。为了最大限度地降低油的粘度和增 加油的体积，以便获得最佳驱油效率，必须在油藏温度和压力条件下，要有足够的时间使CO2饱和原油。但是，地层基岩是复杂的，注入的CO2
12、也很难与油藏中原油完全混合好。 多数情况下，CO2是通过分子的缓慢扩散作用溶于原油的。分子扩散过程是很慢的。特别是当水相将油相与CO2 气相隔开时，水相阻碍了 CO2分子向油相中的扩散，并且完全抑制了轻质烃从油相释放到CO2相中。在三次采油中，通过CO2驱动水驱替后的残余油的机理至今还没有完全掌握。如果是因为油碰撞的结果， 则油水弯月面的变化，引起毛细管力平衡的破坏，相的重新排列可能导致油的流动。如果水相被完全驱替，油和 CO2直接接触，将使原油降粘和膨胀，增加了原油的内能，也可导致采收率提高。不论是哪种作用，都必须有足 够的时间使co2分子充分地扩散到油中。在高温和高压条件下，在现场测定CO
13、2扩散系数是非常困难的，通常用下面的经验公式进行计算。co2在油中的扩散系数Ds.0=1.41 X 10-10 卩 0-0.49式中DsoCO2在油中的扩散系数，m2/s；u0油的粘度，mPa s。CO2在水中的扩展系数：式中DswCO2在水中的扩散系数，m2/s；T温度，K；卩水的粘度，mPa sow如果CO2通过水堵段的扩散距离是X,通过水堵段扩散所需的时间是t,可用下式表示它们之间的关系。t =X2/Ds w也可以用实验室岩心驱扩散时间，计算现场CO2扩散时间。式中tp现场CO2扩散时间；te试验扩散时间；Xp现场扩散距离；Xe试验扩散距离。7. 降低界面张力试验证明：残余油饱和度随着油
14、水界面张力减小而降低；多数油藏的油水界面张力为1020mN/m，想使残 余油饱和度趋向于零，必须使油水界面张力降低到0.001mN/m或者更低。界面张力降到0.04mN/m 下，采收 率便会更明显地提高。CO2驱油的主要作用是使原油中轻质烃萃取和汽化，大量的烃与CO2混合，大大降低了油 水界面张力，也大大降低了残余油的饱和度，从而提高了原油采收率，见图。从图中可以看出，随着见面张力的降低，采收率逐渐提高。8. 溶解气驱作用大量的CO2溶于原油中，具有溶解气驱作用。降压采油机理与溶解气驱相似，随着压力下降CO2从液体中 溢出，液体内产生气体驱动力，提高了驱油效果。另外，一些CO2驱替原油后，占据
15、了一定的空隙空间，成为 束缚气，也可使原油增产。9. 提高渗透率碳酸化的原油和水，不仅改善了原油和水的流度比，而且还有利于抑制粘土膨胀。CO2溶于水后显弱酸性， 能与油藏的碳酸盐反应，使注入井周围的渗透率提高。可见碳酸盐岩油藏更有利于CO2驱油。第二节 驱油机理的综合利用CO2是一种多用途的注入气体，它的有利特性不仅仅是由于其混相的能力，而且还具有因CO2溶于原油后使 原油体积膨胀、粘度降低等改变油流特性的有点。在美国，由于存在丰富的CO2天然气源，所以CO2驱得到广 泛的应用，并被认为是最有潜力的油田开采方法。根据国内外大量CO2驱油现场试验资料分析，综合利用CO2驱油机理的驱油方式主要有一下几种：1. 二氧化碳混相驱替在混相驱替过程中，CO2提取原油中的轻质成分或使其汽化，从而实现混相以及降低界面张力等作用是CO2 驱重要的提高采收率的机理。由于受底层破裂压力等条件的限制，混相驱替只适用于oAPI重度比较高的轻质油 藏。CO2混相驱替在浅层、深层、致密层、高渗透层、碳酸岩层、沙岩中都有过应用经验，分析以往经验，co2 混相驱对开采下面几类油藏具有更重要的意义。（1）水驱效果差的低渗透油藏；（2）水驱完全枯竭的砂岩油藏；（3）接近开采经济极限深层、气质油藏；（4）利用CO2重力稳定混相驱开采多盐丘油藏。2. 二氧化碳非混相驱CO2非混相驱的主要采油机理是降
