CO2混相驱机理及影响因素探讨VIP

1CO2混相驱机理及影响因素研究2012 年 7 月 1 日2摘要CO2 驱是把 CO2 注入油层，依靠 CO2 的膨胀、降粘等机理来提高原油采收率的技术。随着人们对温室效应认识，将 CO2 注入地层不仅能够提高原油采收率，还可以起到封存 CO2 的作用，是三次采油方法中最具有潜力的采油技术。本文首先调研了 CO2 驱油技术的研究现状，了解 CO2 驱油技术在国内外的应用情况、研究方向和存在的主要问题。然后详细调研了 CO2 驱的驱油机理、驱油方式、注入方式和影响因素。然后，介绍了当前主流的用于描述 CO2 驱的数学模型，主要有组分模型、拟四组分模型、改进的黑油模型及传输-扩散模型，并介绍了一种考虑扩散的 CO2 驱多相多组分分区渗流模型。最后，分别就碳水驱和 CO2 段塞注水，调研其动态计算方法。关键字：混相驱；CO 2 驱；驱油机理；注入方式；数学模型34目录1、研究现状及存在问题 .41.1 国外 CO2驱发展情况 .51.1.1 美国 CO2驱项目情况 .51.1.2 CO2混相驱的应用与研究 .51.1.3 重油 CO2非混相驱的研究与应用 .51.2 国内 CO2驱研究应用现状 .51.3 CO2混相驱存在的问题 .62、 CO 2混相驱机理及影响因素 .72.1 CO2的基本性质 .72.2 驱替机理 .82.2.1 CO2驱机理 .82.2.2 CO2混相驱机理 .102.3 CO2混相驱作用方式 .112.3.1 一次接触混相 .112.3.2 多次接触混相 .122.3.3 轻质油加 CO2混相驱 .122.4 CO2混相驱影响因素 .132.5 CO2混相驱注入方式 .143、 CO 2混相驱数学模型 .153.1 组分模型 .153.2 拟四组分模型 .173.3 改进的黑油模型 .173.4 传输-扩散模型 .183.4.1 传质扩散渗流时的连续性方程 .183.4.2 一维传质扩散渗流方程 .203.5 考虑扩散的 CO2驱多相多组分分区渗流模型 .203.5.1 传统注 CO2渗流数学模型 .203.5.2 考虑扩散的注 CO2渗流数学模型 .21参考文献 .231、研究现状及存在问题20世纪50、60年代，在美国、加拿大进行了大量的烃类混相驱现场试验，近期的混相驱主要是CO 2混相驱。利用CO 2驱提高采收率的历史可以追溯到上世纪50年代。1952年whorton等人获得了第一项采用CO 2采油的专利权。当时CO 2是用作原油的溶剂，或形成碳酸水驱。70年代CO 2驱技术有了很大的发展，美国和前苏联等国家都进行了大量的CO 2驱工业性试验，并取得了明显的经济效益，采收率可以提高1525 %。90年代的CO 2驱技术日趋成熟。目前，CO 2混相驱在美国、加拿大等国家已成为一项重要且成熟的提高原油采收率方法。据相关文献最新统计，2002年美国实施CO 2混相驱的方案数达到 66个，首次超过注蒸汽热采，CO 2混相驱的产量也占到了所有EOR产量的 38。我国低渗、特低渗油藏投入开发后暴露出许多矛盾，如自然产能低、地层能量不足、地层压力下降快等，而注水补充能量因油藏地质条件的限制受到很大制约，因此采收率均较低。从国外EOR技术的发展趋势看，气驱特别是CO 2混相驱将是提高我国低渗透油藏采收率最有前景的方法。1.1 国外CO 2驱发展情况1.1.1 美国CO 2驱项目情况美国是CO 2驱发展最快的国家。自20世纪80年代以来，美国的 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。美国目前正在实施的CO2混相驱项目有64个。最大的也是最早使用CO 2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 2体积约占烃类空隙体积的30 %，提高采收率的幅度为722 %。1.1.2 CO2混相驱的应用与研究过去，CO 2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CO 2驱一般不具有这些优点。近年来许多小油田实施了CO 2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 m 3/d，因油田实施了CO 2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 m 3/d，比1996年增加了46%。1.1.3 重油CO 2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CO2可有效提高这类油藏的采收率。大规模使用CO 2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CO 2非混相驱，取得了成功。其中Raman油田大规模CO 2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CO 2驱开采重油进行了大量的研究。试验得出，轻油黏度在30饱和压力下从大约从1.4降到2O，降低了15倍。另外，在不同温度重油黏度测量发现，温度达到 275 左右才能降粘，而CO 2一旦溶解在原油中就可使原油黏度降低，并且可以把黏度降低到用蒸汽驱替的水平。1.2 国内CO 2驱研究应用现状我国东部主要产油区CO 2气源较少，但注CO 2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CO 2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CO 2吞吐试验，并已开展了CO 2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59 t ，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4.55 t，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CO 2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12 %，综合含水率由93.5 % 降至63.4 %。1.3 CO2混相驱存在的问题国外很多油田已成功地进行大规模CO 2混相驱并取得较好的效果，证明 CO2混相驱具有成功率高、风险性低的特点，以技术指标和经济指标双重标准来衡量，CO 2混相驱是三次采油中最具潜力的提高采收率方法之一。但同时，由于受地层破裂压力，现场设备等条件的限制，CO 2混相驱替只适用于 API重度比较高的轻质油藏，而且也存在一些未解决的问题：（1）混相压力过高CO2与原油的最小混相压力不仅取决于CO 2的纯度和油藏的温度，也取决于原油组分。原油中重质组分（如C5 以上的组分）含量越高，最小混相压力越高。我国油藏中原油的突出特点是“三高”（粘度高，蜡和胶质含量高，凝固点高），这就决定了我国多数油藏中的原油与CO 2的最小混相压力过高。（2）腐蚀与结垢因压力降低与温度升高，注CO 2后会导致结垢( 主要是碳酸盐垢 ) , 此外, CO2和水反应生成的碳酸对管线、设备、井筒有较大的腐蚀性，腐蚀产物被注入流体带入地层还会堵塞储层孔隙。（3）气源采用注CO 2提高原油采收率, 必须具备充足的气源。气源有两种 , 一是天然的CO 2气源, 另外是工业废气。寻找大的气源是我国利用 CO2提高采收率的当务之急。此外，随着CO 2减排的研究在世界范围内的开展 , 越来越多的工业废气将会被用于提高原油采收率。（4）窜流严重在注CO 2采油过程中，CO 2在油藏中的窜流将严重地影响波及效率，导致CO2窜流的主要机理有两个：一是粘性指进，二是油藏非均质性及窜流通道。我国油藏多数为陆相沉积，层间非均质性严重，此外，在许多油藏（尤其是低渗透油藏）具有较发育的天然裂缝，连通的天然裂缝构成了注入水和气的窜流通道。（5）固相沉积CO2对地层中的轻烃具有很强的抽提作用，经CO 2多次抽提后，降低了地层油对石蜡的溶解能力和石蜡组分的稳定性，导致石蜡析出，另外，CO 2的多次抽提，使地层油中低碳数的石蜡组分逐渐减少，导致地层油析蜡温度大幅升高，甚至在地层温度下也能产生石蜡的沉积，对储层造成伤害。（6）混相带不稳定在非均质孔隙介质中，受到非均质性及各力（粘性力、重力等）的综合影响，CO 2气体达不到与原油的充分多级接触，难以形成稳定的混相带。2、CO 2混相驱机理及影响因素2.1 CO2的基本性质在标准条件下，也即在 0.1MPa 压力、273.2K（绝对温度）下二氧化碳是气体状态，气态二氧化碳密度 D=0.080.1 千克/立方米，气态二氧化碳粘度为0.020.08 毫帕秒，液态二氧化碳密度 D=0.50.9 千克/立方米，液态二氧化碳粘度为 0.050.1 毫帕秒，但在高压低温条件下液态与气态二氧化碳的密度相近，为 0.60.8 吨 /立方米。压力、温度对二氧化碳的相态有明显的控制作用。当温度超过临界温度时，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都呈现气体状态，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。二氧化碳在水中溶解性质要比气体烃类好得多，地层条件下在水中溶解度为 3060 立方米 /立方米，而质量比浓度可以达到 35%，其水中溶解度受压力、温度、地层水矿化度的影响，二氧化碳在水中溶解度随压力增加而增加，随温度增加而降低，随地层水矿化度增加而降低。二氧化碳溶于水中形成“ 碳化水 ”，结果使水的粘度有所增加。二氧化碳在地层中存在，可是泥岩的膨胀减弱。二氧化碳在油中溶解度远高于在水中的溶解度，大约是水中溶解度的 410倍，当二氧化碳水溶液与原油接触时，由于其与油、水溶解度的差异，二氧化碳能够从水中转移到油中，在转移过程中水中二氧化碳与油相界面张力很低，驱替过程很类似于混相驱。水中的二氧化碳可以破碎和冲刷、清洗掉岩石表面油膜，从而保持水膜的连续性，造成很低界面张力，让油滴在孔隙通道中自由运移，使油的相对渗透率增加。当压力超过“ 完全混相压力 ”时，不论油中有多少二氧化碳，油与二氧化碳都将形成单相混合物，即达到无限溶混状态。低粘度原有混相压力低，重质高粘度原油混相压力高。二氧化碳与原油混相压力还与原油饱和压力有关。此外，地层温度也影响混相压力。2.2 驱替机理2.2.1 CO2驱机理CO2的主要优点是易于达到超临界状态。CO 2在温度高于临界温度3 1 . 2 6 和压力高于临界压力7 . 2MP a 状态下，处于超临界状态时，其性质会发生变化，其密度近于液体，粘度近于气体，扩散系数为液体的1 0 0 倍，因而具有较大的溶解能力。原油溶有CO 2时，其性质会发生变化 , 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。下面详细分析其提高采收率的机理。图 2-1 原油粘度降低与二氧化碳饱和压力的关系（50） o-原油粘度; m溶有二氧化碳的原油粘度（1）降低油水界面张力，减少驱替阻力残余油饱和度随油水界面张力的降低而减小。CO 2极易溶解于原油, 其在油中溶解度比在水中的溶解度大39 倍。在驱油过程中, 大量的CO 2与轻烃混合, 可大幅度的降低油水界面张力, 减少残余油饱和度, 从而提高原油采收率。同时抽提或汽化原油中的烃类组分，使气驱替前缘不断富化，界面张力不断降低，在一定的压力条件下可达到混相，也可提高采收率。（2） 降低原油粘度CO2与原油有很好的互溶性，当CO 2溶解于原油时，原油粘度显著下降。下降幅度取决于压力、温度和非碳酸原油的粘度大小，一般说来，原油初始粘度越高，降低后的粘度差越大，粘度降低后原油流动能力增大幅度也越高，所以CO2驱对中质和重质油的降粘作用更为明显。在原油饱和CO 2以后，如再进一步增加压力，由于压缩作用，原油粘度将会增加。（3）膨胀作用宾夕法尼亚州B r a d f o r d 油田以及加拿大Ma n o rv i l l e 油田室内实验结果表明, 在一定压力条件下将CO 2注入原油, 可使原油体积膨胀 28 %50 %。注入CO 2后原油的体积增加，其结果不仅增加了原油的内动能，而且大大减少了原油流动过程中毛管阻力和流动阻力，从而提高了原油的流动能力。驱油过程中，在膨胀机理发挥主要作用的条件下，注CO 2对轻质油采收率的提高将高于重质油。这种膨胀作用之所以重要，有两个原因：其一，水驱后留在油层中的残余油与膨胀系数成反比，即膨胀越大，油层中残余油量就越少。其二，溶胀的油滴将水挤出孔隙空间，使水湿系统形成一种排水而不是吸水过程。图 2-2 原油的膨胀系数与二氧化碳物质的量分数关系图 2-2 为原油的膨胀系数与二氧化碳物质的量分数