注二氧化碳提高原油采收率技術研究進展

高慧梅 何應付 周錫生

摘要：綜述了國內外CO₂驅技術的應用和研究進展。首先對世界注CO₂：采油的發展現狀進行了統計分析，指出注CO₂驅油適用油藏參數范圍較寬，提高采收率幅度較大，以逐年增長的態勢和顯著的成效成為未來提高原油采收率主要技術之一。進一步分析了CO₂的驅油機理、篩選標準和開發設計技術研究進展，特別是近年來發展的近混相驅替理論、模糊層次分析法以及注CO₂，驅的井網類型和注入方式。最后結合目前CO₂采油存在的腐蝕和波及體積較小的問題。提出了今后的發展方向。

關鍵詞：二氧化碳；驅油機理；注采方式；發展趨勢；采收率

中圖分類號：TE357.7文獻標識碼：A

前言

隨著溫室效應對世界氣候的影響日益顯現，CO₂已經成為人們最為關注的焦點之一。埋存CO₂=是避免氣候變化的有效途徑之一，地質封存被普遍認為是未來主流的埋存方式，而其中最有存儲潛力的地質結構是正在開采或已枯竭的油田或氣田、鹽水層、深煤層和煤層氣田…。鹽水層具有很大的存儲潛力，由于經濟因素，目前應用較少。目前CO₂的儲存主要應用于提高原油采收率項目中。

研究注CO₂提高采收率的方法已經具有幾十年的歷史，早在1920年就有文獻記載，可以通過注入CO₂氣體的方法來采出原油。而CO₂的現場應用最早開始于1958年，在美國Permain盆地首先進行了注CO₂混相驅替項目，這一項目的結果說明注CO₂不但具有很高的效益，而且是一種有效的提高采收率方法。近年來，隨著技術的進步、油價的攀升以及環境保護的需要，注CO₂提高采收率的方法越來越受到重視，很多國家開展了現場試驗。

1世界注CO₂采油現狀分析

國外提高采收率應用技術中，注CO₂驅是第二位的。目前全世界正在進行的提高采收率項目共367項，采油量為182.55×10⁴桶／d，其中注CO₂，采油項目共有124項，產油量為27.41×10⁴桶／d。而在所有的CO₂驅油項目中，混相驅共108項，日產油25.75×10⁴桶／d，非混相驅16項，日產油1.66×10⁴桶／d。

在所有開展注CO₂采油的國家中，以美國開展的項目最多，達到了105個，占全部注CO₂項目數的84.67％，日產油量為24.96×10⁴桶／d，占世界注CO₂產量的91.06％，其中注CO₂混相驅項目100個，產油量達到24.03×10⁴桶／d。

分析美國自1988年到2008年的EOR產量和項目實施情況，可以看出，采用熱采方法生產的原油產量基本上呈現遞減的方式，特別是從1998年到現在，隨著油價的上升，產量反而有所減少；而CO₂提高采收率的方法正好相反，從1986年到現在，其產量逐年上升，即使是在油價偏低的幾年，產量也沒有減少的跡象，而近年來上升的趨勢更加明顯。從項目實施方面看，熱采方法和注化學藥劑方法的項目數明顯呈現出逐年減少的趨勢，特別是注化學藥劑的方法從1986到1990年明顯減少，目前已經停止實施；熱采提高采收率的方法也從1988年的201個項目減少到目前的60個。而注CO₂的方法從1990到現在一直處于增加的態勢，近年來增加速度更快，如在2002年僅有67個項目，而到了2008年就增加到了105個項目，基本上每年都有油田新開展注CO₂的項目。

進一步對美國現行的注CO₂項目進行分析可以看出，注CO₂驅油的適應范圍較為廣泛(表1)，如注CO₂不僅適合于白云巖和砂巖油藏，也適合于硅藻巖、石灰巖以及混合巖性類型油藏。其中滲透率介于0.1×10^-3～50×10^-3μm^２之間、深度小于2000m、原油重度在30～45。API之間、原油粘度小于2mPa·s的油藏最多，這個范圍也可以被認為是注CO₂驅油的最佳區域。

通過對注C02驅替前后原油飽和度的分析，可以發現注CO₂采油結束后殘余油飽和度較低，特別是對于注CO₂混相驅，項目結束時含油飽和度低于30％的共占61％。混相驅數據與非混相驅替數據對比也可以發現，混相驅替驅油效率明顯高于非混相驅替驅油效率(表2)。

2注CO₂驅油機理及目標儲層的篩選標準

2.1注CO₂驅油機理

COs的臨界溫度是31℃，與其相對應的臨界壓力為7.495MPa，在超過臨界壓力的高壓條件下，隨著壓力增加，COs氣變成一種液體的黏稠狀物質。CO₂比一般烴類氣體易溶于水，而且其在原油中的溶解度大于其在水中的溶解，CO₂可以從水溶液中轉溶于原油中。CO₂本身的物理化學特性決定了其驅替機理主要是：降低原油界面張力，減少驅替阻力；降低原油粘度；使原油體積膨脹；萃取和汽化原油中的輕質烴；壓力下降造成溶解氣驅；酸化解堵作用，提高注入能力。

在不同的油藏條件下，CO₂的驅油機理并不相同，現場實施注CO₂項目主要分為混相驅和非混相驅。非混相驅驅油效率低，最典型的是注CO₂吞吐。目前國外注COs項目以混相驅為主，傳統理論認為混相驅可分為一次接觸混相和多次接觸混相。由于受到地層壓力的限制，一次接觸混相無法在注COs驅油中實現。多次接觸混相又可以分為凝析氣驅和蒸發氣驅2類。但是自1986年Ziek首次提出凝析／蒸發氣驅這一新的驅替類型以來，越來越多的學者認識到注CO₂驅油并不是單一的凝析氣驅或蒸發氣驅。1987年Stalkup利用數值模擬和四元相圖說明在注氣過程中，凝析機理和蒸發機理同時存在；1988年Novosad指出富氣驅過程中，并不能僅僅依靠凝析機理達到混相，蒸發過程起到極為重要的作用。多次接觸混相的不同驅油機理可以借助四

元相圖進行解釋(圖1)，圖中水平面由氣組分系線控制，垂直面由油組分系線控制。從圖1可以看出，油組分和氣組分所在位置與水平面和垂直面的相對位置決定了驅油機理的不同，或者說哪條系線成為臨界系線決定了多次接觸混相的驅油機理：①臨界系線是原油系線則屬于純蒸發氣驅；②臨界系線是原油系線或注入氣系線則屬于蒸發／凝析氣驅(V／C)；③交差系線是臨界系線則是凝析／蒸發氣驅；④注入氣系線是臨界系線則屬于純凝析氣驅。

近年來很多學者通過進一步研究提出了近混相的概念，Orr等人在進行CO₂驅油細管實驗時，提出采收率曲線中的轉效點并不一定表示由非混相驅替到動態混相驅替的轉變，轉效點可能應是“近似混相的”。Shyeh—yung又將近混相驅的概念擴展，提出近混相驅是指注入氣體并非與油完全混相，只是接近混相狀態。Lars Hoier提出了近混相驅替的最小混相壓力計算方法，沈平平等人通過多年的實驗研究也相繼討論了近混相驅現象。

不管注CO₂混相驅的機理如何，實際油藏注CO₂混相驅的條件為：在高于最小混相壓力條件下注入CO₂，并且最小混相壓力要低于油藏地層壓力。最小混相壓力是儲層進行CO₂混相驅油的基礎條件，因此大量研究工作集中在最小混相壓力的測量和預測上。目前主要通過實驗、經驗公式以及熱力學模型等方法測量和預測最小混相壓力。

2.2注COO₂驅油目標地層篩選標準

由于經濟和技術方面的原因，并不是所有的油藏都適合注CO₂采油。自CO₂采油技術在現場實施以來，很多學者以油藏和原油的固有特性為基礎開展了注CO₂混相驅、非混相驅和吞吐的篩選標準研究。1998年Thomas指出注氣篩選油藏的6個重要參數是相態特征、界面張力、流度效應、孔隙大小分布、相對密度及潤濕性。目前注CO₂驅油的篩選標準較多，在綜合了經濟因素以后，得出普遍采用的篩選標準(表3)。

上述標準較粗，沒有把這些因素用系統的方法綜合聯系起來，給出評價參數對注氣效果影響的權重。針對存在的這些問題，提出用模糊層次分析法對CO₂埋存及提高采收率候選地層進行篩選評價，該方法是建立在模糊數學基礎上的一種模糊線性變換，圖2是模糊層次分析法思路的示意框圖。

3注CO₂驅油開發設計技術

3.1井網類型和注入時機

目前，已實施的注COO₂驅油項目所采用的井網類型主要是反九點、五點和線性類型3種。如小溪油田和SACROC采用的是反九點井網，而Wey—bum油田和SSU單元采用的是線性驅動類型；土耳其Ikiz tepe油田采用的是200m x200m五點法井網。

選擇CO₂驅油的進行時機通常要考慮經濟效益和風險因素，實施越早風險越高，但是伴隨風險的是提高采收率的潛能，如果項目能夠成功，投資回報速度是較高的。相反，油藏開發時間越長，對油藏特征的認識越深刻，風險越低。CO₂注入時機通常有4種：利用CO₂直接進行二次采油(沒有水驅)、在水驅產量達到峰值時進行CO₂驅油、在水驅產量遞減之后進行C02驅油、在水驅產量達到經濟界限時進行CO₂驅油。大部分CO₂驅項目是在水驅幾年之后就開始實施了，經過多年的流體注入，增加了對油藏的動態認識，減小了風險(表4)。但是對于注水能力太低的油藏，由于CO₂具有較低的粘度，可以達到足夠大的注入能力，因此可以相應提前注入時機。

3.2注入方式

在注CO₂驅油時，CO₂注入儲層的方式主要包括：連續注入、水氣交替注入(WAG)、CO₂吞吐、重力穩定驅、水和C02同時但分開注入(sSWG)，其中水氣交替注入和CO₂吞吐是最為常用的2種注入方式。但是由于地下條件的不同，不同油藏的最佳注入方式也不相同，各種注入方式的對比分析見表5。

水氣交替注入方式綜合了2個最常用的提高采收率方法(注水和注氣)的優點，其注入方式為交替注入CO₂小段塞和水直到完成所需要的CO₂注入總量為止。這種注入方式的特殊情況就是只注一個CO₂段塞，然后連續注水。通過調研發現，WAG是目前在現場最主要的開發方式，并且采用交替注入小段塞CO₂和水是提高油藏采收率的最佳措施。

最早采用WAG方式開發的油田是加拿大North Pembina油田，其在1957年開始實施WAG，并且取得了很好的效益。由于水氣的交替注入，氣水交替驅替采油的過程是三相滲流的，因此在每個循環中都會產生滲吸和驅替2種效應。水氣交替開采原油效果的最佳條件是氣水兩相的注入使得在油藏中氣水兩相滲流速度相等。

單井注入CO₂吞吐的開采方式類似注蒸汽吞吐，這種注入方式最適合那些早期不能投資很大的油藏，比如面積很小的斷塊油藏，強烈水驅后的塊狀油藏。注CO₂吞吐近年來已成功地用于輕油開采中，雖然增加的采收率并不是特別大，但評價報告一致認為，這種方法確能在CO₂耗量相對較少的條件下增加采油量。另外，多數情況下，采用這種技術的井在試驗以前均已接近經濟極限。

4發展趨勢

通過文獻調研和前面的分析可以發現，注CO₂采油的機理易于實現，因此應用較為廣泛，而且也越來越受到人們的重視，但是就目前的技術現狀來看，還有一些問題需要解決，這主要包括以下幾點。

(1)腐蝕問題。采用注CO₂提高原油采收率技術會將CO₂帶入原油生產系統。CO₂溶于水后，對油氣井管材具有很強的腐蝕性，在相同的pH值時其總酸度比鹽酸還高，故它對井內管材的腐蝕性比鹽酸更嚴重。

截至目前，世界各國在涉及CO₂的油氣生產實踐中，已經試驗和使用了多種防腐措施，積累了比較豐富的經驗。主要的防腐措施包括：選用耐腐蝕金屬材料、涂層和非金屬材料、緩蝕劑處理等。

(2)過早氣竄和較小的波及系數。由于CO₂的粘度與原油粘度之間具有很大的差異引起流度比很不理想，又進一步導致了氣體的過早突破和很

小的波及系數，這對注氣開發是非常不利的。目前，如何控制注氣開發的流度比，從而推遲CO₂的突破時間以及增大CO₂的波及系數，是注CO₂開發面臨的最為重要的問題。

針對這一問題，國外進行了很多有益的嘗試。主要集中在3個方面：一是與其他EOR相結合，比如在注氣過程中加入表活劑形成泡沫，可降低氣體流度和減小油藏非均質性的影響，從而提高注入氣體的波及效率；二是發展新的注氣方式，2001年D．，Malcolm提出SAG注入方式，其想法與注COs吞吐的想法類似，即首先注入1個周期的COs，然后關井浸泡一段時間，在浸泡期間，CO₂溶解到原油中，使原油體積增大，粘度降低，待浸泡期結束后再開井繼續注入，也就是說在2個注入周期中間加入一個關井浸泡時間段；三是利用智能井技術，通過智能完井用井底流量控制閥控制生產井見水區CO₂產量和注入井中CO₂注入量，減少CO₂在注入井和生產井間不必要的循環，可以提高波及效率，增加原油產量，并提高最終采收率。目前，智能完井技術在德克薩斯州Sacroc油田已得到成功應用。

(3)最小混相壓力的降低。目前在國外，特別是美國進行的注CO₂采油的方法基本上都是混相驅替，但是最小混相壓力主要與油藏的壓力、溫度以及流體的組分相關，對于有些溫度較高的油藏很難實現混相驅替，而采用非混相驅替其采出程度要比混相驅替小很多。如何有效地降低最小混相壓力從而實現動態混相驅替是一個重要的問題。最近在這一問題上J．，Bon提出在CO₂中加入少量的C₂₊可以有效地降低最小混相壓力，文中針對澳大利亞中部Cooper盆地的油藏進行了研究，指出在CO₂氣體中加入0.3m01％的C₅₊使得最小混相壓力從23.7MPa下降到19.8MPa，可以看出加入C₅₊以后，原油的混相壓力降低明顯。

(4)氣源問題。在國外進行的CO₂—EOR項目氣源主要分為天然氣源和工業廢氣，目前的發展方向逐漸向工業廢氣方向轉移，并且由于環境保護的需要，天然CO₂氣源的利用正逐漸受到越來越多的限制。

5結論

通過文獻調研發現，CO₂在石油開采工業中作為一種驅替劑，在國外被廣泛采用過。目前注CO₂驅油項目呈逐年增加的趨勢，適用油藏參數范圍較寬，在能達到混相的條件下，CO₂具有極高的驅替效率，能大幅度提高油井的生產能力。

本文詳細分析了近年來發展的近混相驅替理論和建立在模糊層次分析法基礎上的油藏篩選方法，對已有的井網類型和注氣時機進行了研究，并對比了各類注氣方式的優缺點，指出水氣交替方式是現場最主要的開發方式。

注CO₂采油技術正越來越受到世界各國的重視，雖然技術上遇到了一定的問題，但是都逐漸得到解決，并且正在向捕集、封存與驅油循環經濟模式發展，創造能源與環境和諧是CO₂驅油發展的必然趨勢。