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北美石油工业二氧化碳提高采收率现状研究摘要环境保护受到高度关注，由于温室气体大量排放而引起的全球气候变暖问题日趋严峻，必须采取积极有效措施。应用CO提高采收率是埋存CO的重要途径，美国拥有应用二氧化碳提高采收率的成熟技术。CO提高采收率包括混相驱油和非混相驱油2种方式，实现了最大CO的埋存和提高原油产量有机结合，改善开发效果。北美提高采收率的机理和应用思路研究，必将为全球生态保护，石油资源的高水平、高效益开发和可持续发展提供理论及实践依据。 关键词二氧化碳，提高采收率，混相驱油，非混相驱油 1、应用CO提高采收率主要工作量 在北美陆上油田，CO-EOR是增加原油产量的成功技术。2004年在世界范围内有79个CO-EOR项目，在美国有70个CO-EOR混相驱油项目，1个CO-EOR非混相驱油项目。2个CO-EOR混才目驱油项目在加拿大，5个中试阶段的CO-EOR非混相驱油项目在Trinidad，1个CO-EOR商业非混相驱油项目在Turkey。2004年累计日增油约23万bd，占世界原油产量的0。3%。20世纪80年代在Uungary，CO-EOR项目数量少且应用规模小，到90年代中期项目被终止。在Egmanton油田有一CO-EOR混相驱油项目，项目运行不成功且注入CO较少。 94%的CO-EOR项目在美国，自80年代以后CO-EOR项目稳定增长。2004年CO-EOR增加的原油产量占美国提高采收率项目总产量的31%。CO-EOR的产量占美国石油产量的3.6%。5个大型项目，产油量占所有CO-EOR产量的12，Wasson-Deriver项目产量为41000bd，Means项目产量为7200bd。1972年第一个CO-EOR混相驱油项目在Permian盆地的Sacroc油田实施，在70年代到80年代早期CO-EOR技术得到适度的发展，到80年代和90年代虽然油价低，但CO-EOR技术迅速发展。有3个主要原因： 一是油价决定于新技术的发展，新技术应用使原油成本下降； 二是天然气藏CO的大量供应，使得CO成本降低，到Permian盆地的长距离的CO输送管线建成，输送CO量为30Mm 三是重组后的石油公司经营效果明显好转，财政激励使EOR项目增多。 图1是美国CO-EOR项目的分布及生产情况。-EOR混相驱油实践-EOR混相驱油项目数量不断增加，使CO-EOR应用规模扩大，提供了CO-EOR驱油的物理化学机理。但CO-EOR项目实施条件及个别项目效果目前发表的文章较少。 多数CO-EOR项目在美国的西南部，在德克萨斯州西部的Permian盆地，及新墨西哥东部。其他项目在Rocky Mountain地区、墨西哥的Gulf、MidweSt。多数项目使用的CO来自天然CO气藏，气藏提供高压高纯度的CO。如Colorado的McElmo圈闭，CO储量为283Mm，储层地层压力为13.5MPa。只有少量的CO-EOR项目的CO来自人工捕获的CO，如CO来自于气化过程及化肥厂的废气处理。每年来自于人工捕获的CO为5.7万t。最大的项目在加拿大的Weyburn项目，每年有1.8万t的CO捕获于美国的煤气化工厂。然后通过325km的管线输送到Weyburn油田，日增产原油1000bd。美国有2个具有气化过程的工厂为Rangely和Shanon，每年提供1.2万tCO-EOR实施的储层地质条件： 储层的深度范围在10003000m范围内； 致密和高渗透率储层； 原油粘度为低的或中等级别； 储层为砂岩或碳酸岩。 Permian盆地的10个CO-EOR项目实践表明，储层中注入纯净的CO(注入总量CO和循环注入CO是有区别的)，平均164m替换每桶原油(即330kgb)。在Rocky Mounrain为270kgb，在Midwest为400kgb。在Permian盆地提高采收率10.9%，在Rocky Mountain地区提高采收率7.6%，在Midwest提高采收率7.2%。 在美国大量的CO-EOR项目的实践及研究表明，CO-EOR混相驱油提高采收率范围在4%12%之间，而纯净CO注入储层，占储层中流体体积的10%45%。高采收率与水与气交替注入方法(WAG)有关，CO采用锥形注入方式效果好，见图2。 由于经济和技术的原因，不是所有的储层都适合于CO-EOR混相驱油。以CO-EOR的实践和研究为依据，关于CO-EOR项目的一般规律如下： 储层可以达到最小混相压力(MMP)，可以实现混相驱油并最小消耗CO 储层经过注水开发以后，原油饱和度在35%40%范围内； 储层的连通性好，储层纵向非均质性较低，具有中或高等级的渗透率，渗透率应大于100Md； 原油比重应高于35API(低于0.85)，粘度在12cp范围内； 虽然很多报告指出成功的水驱是CO-EOR项目实施的基础。争论在于水驱后，储层中剩余大量的水需要CO推动，由于CO溶解在水中会损失大量的CO，影响驱油效果。-EOR混相驱油存在一些问题，导致项目实施失败，问题如下： 在项目开始之前研究不足，如对储层的地质的、岩石物理的性质知道得少。低采收率原因如下，一是由于储层严重的非均质性导致CO驱油效率低；二是CO注入量低增油效果不明显；注入的CO沿高渗透通道早期突破(如在断层部位)，原因是储层地质描述工作不细。所以在项目开始之前需要大量的监测工作，并且对储层地质特征进行细致的研究。 由于CO注入量低，使地层压力下降，导致只有小部分完成混相驱油，驱油效果差。压力下降，在井眼附近的氢氧化合物、沥青就会沉淀，导致储层渗透性发生变化。使CO注入压力升高，储层注气能力下降。必须通过提高附近注入井CO的注入量，来提高地层压力；-EOR项目规模受注水管线及油水井数的影响。CO会使储层中地层水PH值下降。从石灰岩或储层中胶结的矿物中溶解Ca。钙质盐在储层中富集，压力的下降导致钙质盐的沉淀，影响项目效果；驱油项目存在设备腐蚀问题，CO溶解在水中形成碳酸盐腐蚀铁质设备及管线。 3、C0-EOR非混相驱油实践 与CO-EOR混相驱油项目相比，CO-EOR非混相驱油项目较少。一个大型的CO-EOR非混相驱油项目在实施，项目在Turkey东南的Bati Raman油田。储层中的原油为重油，比重为915API。传统采油方式只是采出1.5%的原始地质储量。1986年注入CO，原油产量为6000bd。预测使用CO-EOR油田的采收率为6.5%。-EOR非混相驱油机理是，大量CO，溶解在原油中(13mb)，使原油膨胀，使原油粘度下降10个级数。项目开始以来CO注入量约1700td，16%60%的CO循环注入。CO埋存的主要原理是CO溶解在储层中的流体中，见4。在美国一个小型的CO-EOR非混相驱油项目在运行，在Trinidad有5个CO-EOR非混相驱油的中试项目。过去大量的CO-EOR非混相驱油项目在美国中试，如Weeks lsand，Bay St Elaine，Timbalier Bay项目。这几个都是商业项目，虽然中试计划很有希望，但是项目没有成功。如Weeks lsand项目，虽然水驱后有60%的原油留在储层中，是因为盐水层中地层压力过高，无法实现注入CO来驱油。在八九十年代有大量的CO-EOR非混相驱油项目。注入CO在储层构造顶部形成气顶，使地层压力增加，将原油向储层下部合两边推动，那里有生产井将原油采出，见图5。项目研究表明，需要380m驱替1桶原油(760kgb)。 适合CO-EOR非混相驱油的条件如下： 储层纵向渗透率高； 储层中大量的原油形成油柱； 储层具有可以形成气顶的圈闭构造，储层连通性好； 储层中没有导致驱油效率降低的断层和断裂。 虽然CO-EOR非混相驱油项目较少，驱替1桶原油需要280400m，即560790kgb，CO-EOR非混相驱油项目可最大提高采收率20%。 4、混相驱油与非混相驱油的区别 由于注入的CO与储层中原油作用不同，产生了CO驱油的2种方式。当注入压力及储层地层压力高于最小混相压力(MMP)时，实现混相驱油。当压力达不到最小混相压力(MMP)时，实现非混相驱油，或部分混相驱油。采油量增加依靠地层压力增加、原油膨胀、原油粘度下降等实现。 假定混相驱油以水与气交替注入方法(WAG)注入CO，非混相驱油以重力稳定CO注入方式(GSGI)注入。混相驱油可在水驱留下的设备条件(如利用原油水井)下进行，这种油水井利用方式与重力稳定CO注入方式(GSGI)不同。两种驱油方式对比见表2。 应用CO提高采收率工作目前有几个问题需要进一步研究。一是CO注入过程中最小损失量；二是CO注入后储层的监测；三是非混相如何最大提高产量；四是注入气体中杂质对开发效果的影响；五是CO进入空隙和盐水层中的机理研究。 5、结论 美国具有最先进的CO-EOR驱油技术，94%的CO-EOR项目在美国。-EO