CO2驱提高原油采收率技术调研

CO2驱提高原油采收率技术调研1二氧化碳的性质§1.1二氧化碳（CO2）性质（1）二氧化碳的相态二氧化碳具有气、液、固三种物理形态，在大气条件下，二氧化碳是无色无味的气体。其临界温度为31.2℃，临界压力为7.28Mpa，在温度低于31.2℃时，加压可以使CO2变为液态；在温度低于-56.6℃时，加压可使液态CO2变成固态CO2，即干冰。当温度高于31.2℃时，在任何压力下CO2均以气态方式。因此，在大部分CO2驱油藏中，由于其温度高于31.2℃，因而被用作混相驱的CO2通常呈气态。在一定条件（温度和压力）下，CO2可以两相或三相存在，其三相共存的三相点是（-56.6℃，0.61Mpa）。（2）CO2的密度常温常压下CO2的密度比空气的密度大，在其临界区（31.2℃，7.28Mpa）附近，CO2的密度与被驱替的油的密度相近。高于临界温度（88oF），CO2呈气态，其密度随着压力的升高而增大；液态CO2（T＜88oF，p＞7.28Mpa）的密度在高于临界值时是压力的函数，在低于临界值时曲线将出现陡变。由图2还可以看出，在一定压力下，CO2的密度随着温度的增加而降低。（3）CO2压缩因子在混相驱的温度和压力下，CO2的压缩因子约为0.5。（4）CO2在水中的溶解度随着压力的升高，CO2的溶解度下降，盐的浓度越大，下降的幅度越大。§1.2二氧化碳在原油中的性质（1）CO2在原油中的溶解性CO2在原油中具有很好的溶解性。与在水中一样，CO2在原油中的溶解度随压力的上升而上升；随温度的升高和原油分子量的增加而下降。相同条件下，CO2在原油中的溶解度比在水中的溶解度高3~9倍，因而即使在低压下CO2也是一种很好的非混相驱注入剂。而在高压下，CO2则是一种很好的混相驱注入剂。由于CO2在油中的溶解度远远大于在水中的溶解度，因此它可以在水溶液中转溶入原油中。在转变过程中，油水界面张力会逐渐降低，驱替方式也逐渐接近或达到混相驱。（2）CO2—原油系统的膨胀一定体积的CO2溶解于原油，可使原油体积膨胀，其增长幅度取决于压力、温度和原油组分，原油体积可增加10%~100%。由图1中中可以看出：膨胀系数随溶解的CO2摩尔浓度增加和原油的相对分子质量减少而增加。给定CO2浓度下轻质原油的膨胀系数大于重质原油的膨胀系数。Holm和Josendal还发现CO2比甲烷能更有效的使原油膨胀，而且欠饱和原油比饱和原油膨胀程度更大。图1.原油的膨胀系数（3）CO2—原油系统的粘度CO2溶解在原油中，使得原油的粘度显著下降，这也是CO2驱的一个机理，溶解了CO2的原油粘度下降程度取决于压力、温度和原油本身粘度的大小，在图2中，μo指原油粘度，μm指溶有CO2的原油粘度。随着饱和压力的增加，溶解了CO2的原油粘度急剧下降；在相同饱和压力下，中质和重质原油的粘度降低幅度比轻质原油的降低幅度大。由于CO2能大大降低重质原油的粘度，所以CO2主要应用于重质原油降粘开采。图2.om/与饱和压力的关系（4）CO2对原油的抽提在CO2—原油系统中，最重要的特性就是CO2能从原油中抽提（萃取、蒸发、气化）轻烃组分。在低温和高温下都能抽提（萃取、蒸发、汽化）轻烃组分。CO2在低温和高温下都能抽提原油中的轻烃，CO2抽提原油的特性是发展CO2多级混相驱的基本条件。CO2与原油接触时，萃取原油中的轻质组分而使CO2加富：抽提原油的特性是发展抽提原油中的轻烃，加富的CO2再与原油接触进一步抽提原油，再接触，再抽提，不断地使CO2被加富，当CO2抽提到足够的烷烃时，含有富气的CO2相能与原油混溶。CO2抽提原油轻烃的能力受压力、温度、原始气油比（体积）等参数的影响。在一定压力下，随气油比增大抽提的烃类增多，且存在一个最佳油气比。对一定的CO2—原油体系，CO2对原有的抽提效率随压力的增加而增加，且存在一个发生抽提的最低压力。随着原油中轻烃和中间烃组分含量增加，原始气油比上升，CO2抽提原油中轻烃组分量增多。2.二氧化碳驱机理在CO2驱中，CO2的溶解气驱作用、混相驱替、膨胀原油作用、降低原油粘度、碳酸水提高岩石渗透率等作用都会有助于提高原油采收率。§2.1溶解气驱由于CO2在原油中的溶解度较大，在注入过程中，一部分CO2溶于原油，随着注入压力上升，溶解的CO2量越来越多，当油藏停止注CO2时，随着生产的进行，油藏压力降低，油藏原油中的CO2就会从原油中分离出来，为溶解气驱提供能量，形成类似于天然类型的溶解气驱。即使停注，油藏中的CO2气体仍然可以驱替油藏中的原油，而且，一部分CO2像残余气一样圈闭在油藏中，进一步增加采出油量。例如，在Mead—Strawn油田停注CO2后5年仍有大量的油产出。§2.2原油的膨胀CO2溶解于原油后，与油藏原始状态的原油相比，其体积系数大大增加，溶解了CO2的原油的体积可以增加10%~100%，原油体积膨胀倍数取决于压力、温度及原油的组分。溶有CO2的原油膨胀系数随着原油平均分子量的减少（轻质组分增多）而增加，随CO2在原油中的摩尔分数增加而增大（如图1）。此外，温度和压力也影响膨胀系数，高压下溶有CO2的原油膨胀系数较大。§2.3粘度减小CO2可使原油粘度显著降低，CO2溶于原油后，可使原油粘度下降到原粘度的1/10~1/100。一般来说，原油粘度越高，CO2可使原油粘度下降的幅度越大（图2），即CO2溶解在重质原油中引起的粘度下降幅度比CO2溶解在轻质原油中引起的粘度下降幅度大得多。因此，人们认为CO2可以用来开采重质原油。由于溶解CO2原油粘度下降，流度比得到改善。油相渗透率也会有相应的提高。§2.4岩石渗透率增加CO2在水中存在一定的溶解度，尤其是在高温高压下，CO2在水中的溶解度可达5%。油藏水中溶有CO2，谁的粘度、密度、体积系数等参数变化不大，但溶有CO2的水形成碳酸水后具有酸性，可以溶解油藏中的钙质胶结物或白云岩，提高岩石渗透率。现场应用经验表明，注CO2后注入井附近的渗透率可大幅度提高，注入量增加，注入压力下降。碳酸水效应对于注水是有利的，尤其是低渗透油藏。但是注CO2后原油中的沥青质会沉淀下来，降低岩石渗透率，这也是CO2驱可能出现的最为麻烦的问题之一。§2.5CO2混相效应CO2与原油的混相取决于原油的组成、油藏压力和温度。在油藏压力中等以上和油藏温度较高的油藏，注入的CO2与原油通过多次接触，不断抽提原油中的中间组分C2~C6，加富注入气，从而达到动态混相，即蒸发气驱混相。而在高压低温油藏，二氧化碳冷凝为富含二氧化碳的液相，与原油一次接触就能达到混相。但是，在绝大多数油藏条件下，二氧化碳与原油的混相过程为蒸发气驱混相。在一定的油藏压力和温度条件下，注入二氧化碳与原油的多次接触混相（蒸发气驱混相）基本原理如图3所示。原油组分位于A点，向油层注入的二氧化碳中含少量的烃类气体，其组成位于B点。混相过程如下：图3.CO2多级接触混相驱机理i）注入气与原油第一次接触时，生成新体系M1；ii）M1体系位于两相区内，存在一个平衡气相G1和一个平衡液相L1，G1中含有的中间组分C2~C6比B点多，即G1已加富了C2~C6，L1中也含有部分中间组分；iii）加富了C2~C6的气相G1与原油进行第二次接触后，形成新体系M2；iv）M2仍处于两相区内，其中存在平衡气相G2和平衡液相L1。G2和L2的中间组分的含量比G1和L1高；v）G2与原油A进一步接触，不断地加富气相和液相组分，即气相和液相分别沿G2，G3，…Gn和L1,L2,L3…Ln到达临界点K时，达到混相。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。油带移动是最有效的驱油过程,可使采收率达到90%以上。3CO2驱的注入方式§3.1连续注CO2气体直接向已枯竭的地层中连续注入CO2气体,其特点为:①见效快,但CO2消耗量大,一般为地层孔隙体积的几倍;②由于不利的流度比,容易发生早期气窜,产气量上升快,CO2利用率低;③不适用于压力过低的油藏,因为这类油藏一方面需要大量的CO2气体,另一方面,过低压力下CO2气体与原油混相困难,造成只有少量轻质烃采出,大量重质烃留在地上。§3.2注碳酸水利用CO2溶于水的性质,将水-CO2溶液注入到地层后,水中的CO2在分子扩散作用下与原油接触并驱油。§3.2.1改善流度比由于水中CO2更容易溶解在原油中,因此注水前缘后面地层中的CO2会转移到残余油相中,降低原油粘度,提高油相渗透率,同时碳酸化水中的CO2对水具有增粘作用,可以改善流度比,并使油水相界面处毛管力下降和岩石水润湿角减小。原来水不能波及到的地方,由于水中溶有CO2而能被波及到,一般碳酸化水波及系数要比普通的高出几倍。§3.2.2提高洗油效率由于原油与CO2要比水与CO2在化学上有更深的“亲缘”关系,因此在碳酸化水与石油接触时,CO2的分子发生扩散,从而使附在岩石骨架表面上的重质油膜“疏松”化,最终使这些油膜移动，提高了洗油效率。§3.2.3吸附现象由于CO2也像其它溶剂一样存在吸附作用,因而通常CO2浓度前缘要远远落后于水驱前缘,相差1～7倍,但这种吸附与聚合物不同,不论在原油处吸附,还是岩石表面吸附,对原油开发均有利。§3.3水、CO2气体段塞交替注入将CO2和水以较小的段塞尺寸(一般小于5%HCPV)交替注入到油层中驱油。虽然注入的水可能造成水屏蔽和CO2绕流原油,且存在潜在的重力分层作用,同时还可能造成注入能力下降等缺点。但由于改善了CO2的流度,提高了CO2的体积波及系数和利用率,因此,交替注入方式是经济有效的提高采收率的工艺方法。§3.4CO2和水同时注入CO2和水同时注入是利用双注系统同时将水和CO2注入油层的方法。可看作WAG法的一种极端情况。此种注入方法的不利因素就是:当高压注入CO2和水的混合物时,注入井腐蚀严重;当两相同时注入时，注入能力会降低。4在调研国内外油田CO2驱开发实例的基础上，研究分析适合CO2驱的油藏条件§4.1国内实施CO2驱的油藏特点国内实施CO2驱的油藏特点具体表现为低渗低产、单井控制的小面积油藏、不适合蒸汽驱、含水量大以及非均质严重等。为提高油藏采收率必须采取CO2驱。§4.2国内油田情况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先导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井位于苏北盆地溱潼凹陷草舍油田戴一段油藏高部位，产层为Edl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%。60年代以来，我国在大庆、胜利、任丘、江苏等油田先后开展了二氧化碳驱油实验。由于我国天然的二氧化碳资源比较缺乏，至今尚未发现较为大型的二氧化碳气藏，因此这方面的技术起步较晚，但是，随着小型二氧化碳气藏的发现，二氧化碳驱的作业项目越来越多，而且取得了明显的效果，并且己经证明对于水驱效果不好的透油藏和小段块油藏，二氧化碳驱可以取得很好的效果。国内已实施CO2驱的油藏归纳起来主要有以下几类：断块油藏：为断块所挟，属于单井控制的断块油藏单元，面积小，渗透率低。代表油藏为文留油田WC54井区。特低渗油藏：渗透率特低，难以有效动用；原油较稠，体积系数小，膨胀性和收缩性小，溶解系数较低。代表油藏为大庆长垣外围扶杨油层。非均质油藏：油藏平面非均质性严重。代表油藏为大庆油田萨南东部过渡带。中