二氧化碳驱油在我国的发展现状及应用前景.pdf

2 6 A N 细 C E S F T 聂 卷 第 一2 期 A D V A IN F IN E P E T R 0 C H E M IC A LS 二氧化碳驱 油在我 国的发展现 状及应用前景 吕 雷， 王 珂 ( 陕西延长石油( 集团) 有限责任公司研究院， 西安 7 1 0 0 7 5 ) 摘要 综述了co 驱油的机理及方式 、 目标储层的筛选标准以及驱油效果的影响因素， 介绍了我国原油油藏概况和 co 驱油的研究现状及存在的问题 ， 指出 T c o 驱油在我国未来的发 展方向和应用前景。 关键词 二氧化碳驱油机理提高采收率发展现状应用前景 简单来说， 二氧化碳驱油( C O ： 一 E O R) 技术 就是将二氧化碳注入油层中以提高采油率 。天然 的 C O 气 田为 C O ： 一E O R项 目的实施提供 了廉 价的气源 ， 目前进行 的 C O 一E O R项 目大多 以天 然的 C O 气藏作为气 源。C O 也 可从工业废 气 中回收 ， 既可实现使气候变暖的温室气体的减排 ， 又可达到增产油气的目的。 1 Co： 驱油机理及方式 1 1 注 C O2 采油 机理 C O 比一般烃类气体易溶于水 ， 而且它在原 油中的溶解度大于在水 中的溶解度 ， C O ：可以从 水溶液中转溶于原油 中。C O 驱作为气驱的一种 驱替方式 ， 因 C O 本身易溶于油和水的物理化学 特性 ， 具有一些特殊的驱替机理 ： ( 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 。C O ： 极易溶解于油 ， 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 C O 与轻烃混合 ， 可大幅降低油水界面张力 ， 减少 残余油饱和度， 从而提高原油采收率。 ( 2 ) 降低原油黏度 当 C O 溶 解 于原油 时 ， 原油 的黏 度显 著下 降， 下降幅度取决于压力 、 温度和非碳酸原油的黏 度大小。原油的原始黏度越高 ， 黏度降低的幅度 越大， 即 C O 对中质油和重质油的降黏作用更为 明显； 温度升高时， C O 在原油中的溶解度降低， 降黏作用随之减弱； 在同一温度条件下， 压力升高 时 ， C O 在原油中的溶解度增大 ， 降黏作用随之提 高； 然而当压力过高， 超过饱和压力时， 黏度反而 增大 。 ( 3 ) 促使原油体积膨胀 大量室内和现场试验结果表 明， 当原油 中充 分溶解 C O ：时， 原油体积膨胀 1 0 一4 0 ， 这不 仅增加了原油的 内动能 ， 而且大大降低了原油在 流动过程 中所受的毛管 阻力和流动阻力 ， 从而提 高了原油的流动能力 _ 5 J 。 ( 4 ) 压力下降造成溶解气驱 C O 进入油层后占据一定的孑 L 隙空间， 增加 了油层的压力， 使原油增产 J 。在生产过程中， 随着压力的下 降， 溶 于原 油 中的 C O 会不 断逸 出， 起到溶解气驱的作用， 在液体内产生气体驱动 力 ， 提高驱油效果。 ( 5 ) 改善原油与水的流度比 C O 在原油中溶解后会使原油的黏度降低 ， 流度增加 ； C O 在水 中溶解后使水碳酸化 ， 黏度增 加， 流度下降。综合作 用的结果是使原油和水的 流度趋于接近， 提高水的驱油能力， 同时也能增大 水驱的波及面积 。 ( 6 ) 起酸化解堵作用 ， 提高注入能力 由化学反应式 C O +H O=H 2 C O ，可知 ， 溶 解 一T C O 的水溶液略显酸性。在 C O 驱替 、 吞吐 注入及浸泡过程 中， 溶解 了 C O 的地层水可与地 层基质相互反 应。在页岩 中， 由于地层水 的 p H 降低 ， 可以抑制储层的黏土膨胀 ， 因此溶解了 C O ， 的水对黏土的稳定作用； 在碳酸岩和砂岩中， 溶解 了 C O ： 的水与储层矿物发生反应 ， 部分溶解油层 中的碳酸盐生成易溶于水的碳酸氢盐 ， 从而提高 了储层的渗透性。由于注入 C O 气体的酸化作 用导致油层的渗透性提高 ， 在一定压差下 ， 部分游 收稿 日期 ： 2 0 1 21 0一l 6 作者简介 ： 吕雷 ， 助理工程师 ， 目前从事油 田化学研究 J ： 作。 2 0 1 2年 I 2月 二氧化碳驱油在我国的发展现状及应用前景 2 7 离的气体对油层 的堵塞物具有较强的冲刷作用 ， 可有效疏通因二次污染造成的地层堵塞 。 ( 7) 萃取和汽化原油中的轻质烃 _ 】 在地层条件下 ， 未被地层油溶解 的 C O ， 气相 密度较高， C O 驱替和吞吐浸泡期间， 当压力超过 一 定值 ( 此值与原油性质及温度有关) 时， 能气化 或萃取原油中的轻质组分。特别是部分经膨胀仍 未脱离地层水束缚的残余油， 与 C O 气相发生相 间传质 ， 束缚残余油的轻质组分与 C O ： 气体形成 C O 一富气相 ， 在 C O ： 吞吐过程中产出 ， 增加单井 产量 。 ( 8 ) 混相效应 C O 与原油混相后， 不仅能萃取和汽化原油 中的轻质烃， 而且还能形成 C O 和轻质烃混合的 油带 。油带移动是最有效的驱 油过程 ， 可以使原 油的采收率达到 9 0 以上 。 上述各种机理在 注 C O ：采油过程 中是 同时 存在的 ， 但每种机理所起作用 的大小各不相同， 由 油藏岩性 、 流体性质及开发方式决定。 1 2 目前注 C O：主要的开采方式 1 2 1 C O2 混相驱替 在混相驱替过程中 ， C O 抽提 原油中的轻质 组分使其汽化， 从而起到实现混相以及降低界面 张力等作用 ， 是 C O 混相驱最重要的提高采收率 机理 。由于受地层破裂压力等条件 的限制 ， 混相 驱替只适用于 A P I 重度比较高 的轻质油藏。 C O 混相驱替在浅层 、 深层 、 紧密层 、 高渗透 层 、 碳酸盐岩层 、 砂岩层 中都有过较多的应用。分 析以往的经验 ， C O 混相驱替对开采 以下几类油 藏具有更重要的应用意义 ： 水驱效果差的低渗 透油藏； 水驱完全枯竭的砂岩油藏； 接近开采经济 极限的深层 、 轻质油藏 ； 多盐丘油藏。 1 2 2 CO2 非混相驱替 C O 非混相驱替的主要采油机理是降低原油 的黏度 ， 使原油体积膨胀 ， 降低界面张力 。当地层 及流体的性质决定油藏不能采用混相驱替时 ， 利 用 C O 非混相驱开采 ， 也能达到提高采收率的 目 的 ， 其主要应用包括 ： ( 1 ) 用 C O 来恢复枯竭油藏的压力。虽然与 水相 比， 恢复压力所用的时间要长得多 ， 但油藏中 存在的游离气相可 以分散 C O ， 使之接触到 比混 相驱更多的地下原油 ， 从 而增 大波及效率。尤其 对于低渗透油藏 ， 当不能 以经济速度注水驱替来 提高油藏压力时， 采用注 C O 就能实现这一 目 的， 因为低渗透性油藏对注入 C O ： 这类低黏度流 体的阻力很小 。 ( 2 ) 重力稳定非混相驱替。适用于开采高倾 角 、 垂向渗透率较高的油藏。 ( 3 ) 重油 C O ： 驱。可以改善重油的流度， 从 而改善水驱效率。 ( 4 ) 应用 C O 驱开采高黏度原油 。目前在国 外 ， 尤其是在美国， 大多实施 的是 C O 混相驱替 ， 非混相驱替很 少。在美 国注 C O ：混相驱产量 已 经达到 3 7 2 6 9 m ， 而非混相驱替产量仅 4 2 9 m ； 而从正在实施 的项 目看 ， 混相驱项 目有 8 0个 ， 而 非混相驱项 目仅有 2个。因此无论是产量还是项 目数量 ， 混相驱都 占据着主要地位 。 2 CO： 驱油 目标储层的筛选标准 由于经济和技术等 因素的限制 ， 并不是所有 的油藏都适合注 C O ： 采油。自注 C O ： 采油技术 在现场实施 以来 ， 很多学者以油藏和原油的固有 特性为基础开展了注 C O ， 混相驱 、 非混相驱和吞 吐的筛选标准研究 j 。目前注 cO 驱油的筛 选标准较多， 综合多方面因素后得出了普遍采用 的筛选标准， 结果如表 1 所示。 表 1 注 C O： 提高原油采收率筛选标准 需要注意 的是 ， 上述标准比较粗略， 没有用系 统的方法将这些因素联系起来给出评价参数对注 气效果影响的权重 。 3 C O 驱油的影响因素 影响 C O 驱油效果 的因素很多 ， 主要包括地 层流体性质 、 储层参数以及注气方式等。其中流 体性质主要包括原油密度、 扩散及弥散作用等； 储 层参数主要包括油藏的非均质性、 油层厚度、 渗透 率等 。 28 精细石油 fJ c工进展 第 l3卷第 1 2期 ADVANCES I N F I NE PETROCHEMI CALS 3 1 流体性质 3 1 1 原油密度 在油藏中 ， 由于密度差引起溶剂超覆原油而 产生流动。在驱替前缘 ， C O 气体向油藏上部移 动， 在上部与油形成混相 ， 驱替效率较高 ， 油藏下 部的驱替 效率明显 比上部低。当原油密度增大 时， 其采收率减小 ， 主要原 因是油气密度差越大 ， 浮力作用越明显 ， C O 气体越容易沿着油层 的顶 部流动， 气体突破 的时间会变短 ， 大大降低了 C O 气体的体积波及系数， 最终导致采收率下降 。 3 1 2 扩散 、 弥散作用 混相流体的混合作用包括分子扩散 、 微观对 流弥散 、 宏观弥散 3种作用方式。随着横 向扩散 系数的增大 ， 其采 收率也增大 ， 主要原 因是 C O 气体分子的扩散作用。对流弥散作用增加了 C O 的突破时间， 使 C O 向周围迁移 ， 减缓 了 C O 向 生产井的推进 ， 提高了波及系数 ， 最终使采收率提 高。当不考虑分子扩散作用时 ， C O 向生产井的 推进较快， 波及效率较低， 从而使 C O 较早突破， 生产井 C O 的含量迅速上升 ， 采收率相应较低 。 3 2 储层特征 渗透率增大 ， 采收率降低。因为低渗透率 可 提供充分的混相条件 ， 减少重力分离 ， 渗透率太高 容易导致早期气窜 ， 造成驱油效率较低 。 随着非均质性 的增强 ， 采收率 降低 。因为在 非均质油藏 中， 注入 的 C O 优先 进入高渗透层 ， 导致低渗透层 中的原油 尚未被 完全驱扫时 ， C O ： 就已经从高渗透层突人生产井中， 产生黏性指进， 从而使驱油效率降低。因此储层岩石的非均质性 越小越好。 3 3 C O2 注气方式 对 比衰竭后注气 、 连续注气和水气交替注入 ( WA G ) 3种不同注入方式的开发效果 ， 发现 WA G 效果最佳。水气交替注入过程 中， 由于气相和液 相交替驱扫不同的含油孔道， 有效地提高了驱油 效率 ； 另外水气交替注入时 ， 会产生气相渗透率滞 后效应， 并形成较大的滞留气饱和度， 降低了气相 渗透率， 水相主要驱扫油层中下部 ， 而加入的气相 则会由于重力作用向上超覆 ， 主要驱扫油层上部 ， 进一步提高原油采收率 r 。 4 我国原油油藏概况及 C O 驱油发展现状 我国油藏埋藏深度较深 ， 温度较高 ， 基本不低 于 6 0； 密度没有 明显的规律 ； 黏度 比国外原油 高， 所 以不易混相。我 国混相压力较高 的主要 原 因是地层温度高、 原油黏度大。为提高 C O 驱油 效率 ， 必须对混相压力 的实验条件进行系统的研 究， 确定其影响因素 ， 制定相关的测试标准 ， 研究 C O 超临界相态与混相压力的相关性 ， 进一步分 析 C O ，的混相条件 ， 采用特殊工艺或方法 ， 降低 混相压力 ， 实现混相驱 。 我国很多油 田已经开展 过注 C O ，吞吐及部 分 C O ， 驱 ， 正在进行工业化试验的有江苏草舍油 田、 吉林红 岗油 田等 ， 目前还有一些油田正在进行 注 C O ， 试验 ， 实施 的主要油藏是砂岩特低渗透油 藏。由于渗透率太低 ， 只能采用直接气驱 ， 注气方 式单一 ， 油藏容易产生注气突破 ， 试验周期等多方 面因素导致工业化试验效果不明显或见效慢 ， 混 相压力普遍较高， 注气效果差 ， 推广实施受到很大 限制 。 目前我国 C O 排放量居世界第 2位 ， 并且还 在不断地增长。到 2 0 2 5年我国 C O ， 排放总量很 可能超过美 国， 居世界第一位。近 lO年来 ， 世界 注气采油特别是注 C O 提高采收率技 术 ( E O R) 项 目逐年增加 ， 已成为世界范 围内提 高原油产量 的重要手段之一。C O ， 在几种气体中混相压力最 低 ， 效果最好 ， 气源最丰富 ， 因此注 C O 驱油将是 我国油田提高采收率的发展方向。 5结语 ( 1 ) 从注气发展 总方 向来看 ， 注 C O ，是注气 重点方向， 部分有气源的地方可考虑注烃 ， 两种气 源均没有的地方可考虑注空气。 ( 2 ) 由于我 国油藏不易混相 ， 因此应加强我 国油藏注 C O ， 降低混相压 力方面的技 术攻关， 形 成具有中国特色的混相驱配套技术 ， 对于极难混 相的油藏 ， 应重点研究非混相驱和近混相驱技术 。 ( 3 ) 应该对碳酸盐油藏开展注 C O 前期评价 和注气技术研究 ， 加强此类油藏提高采收率技术 的储备与现场试验。 ( 4 ) 积极推广低渗透油藏注空气燃烧高温氧 化驱油技术 ， 探索在无气源 的地区大 幅提高低渗 透油藏采收率的途径 ； 在倾角高的高渗轻质油藏 2 0 1 2年 1 2月 二氧化碳驱油 在我国的发展现状及应用前景 2 9 可考虑低温氧化重力驱 。 ( 5 ) 在我国不能实现水驱 的轻质 中低渗透油 藏 ( 渗透率 1 01 0 m ) ， 或可实现水驱但开 发效果较差的轻质油藏 ， 探索优化注气方式 ， 提高 采收率。 ( 6 ) 加强 C O 排放的政策配套与回收激励机 制建设 ， 解决 C O 驱油的气源问题 ， 大力发展 C O 驱油技术 ， 既有利于提高采收率 ， 又有利于降低温 室气体排放。 ( 7 ) 加强注气突破 流度调整技术研究 ， 提高 波及效率 ， 为充分发挥注气优势提供技术保障。 参考文献 1 陈卫东 cO 2 驱油开发海上油 田的前景与挑战 c 第五届全 国化工年会论文集 西安： 出版者不详 ， 2 O O 8 ： 1 2 5 4 1 2 6 6 2 钱伯章 C O 2 驱 油大有可为 J 中国石化， 2 0 1 0( 4 ) ： 5 65 7 3 路向伟 ， 路佩丽 利用 C O 2非混 相驱提高 采 收率 的机 理及 应用现状 J 石油地质与工程， 2 0 0 7 ， 2 1 ( 2 ) ： 5 8 6 0 4 李孟 涛， 单 文文 ， 刘先 贵， 等 超 I临界二 氧化碳混相驱油机理 实验研究 J 石油学报， 2 0 0 6 ， 2 7 ( 3 ) ： 8 0 8 3 5 钱伯章 二氧化碳驱油一举多得 N 中国石化报， 2 0 0 7一 l22 5( 5 ) 6 谷丽冰， 李治平， 欧谨 利用 C O ： 提高原油采收率研究进展 J 中国矿业 ， 2 0 0 7， 1 6 ( 1 0 ) ： 6 6 6 9 7 高慧梅， 何应付 ， 周锡生 注二氧化碳提高原油采收率技术 研究进展 J 特种油气藏， 2 0 0 9 ， 1 6 ( 1 ，1 ： 6 1 1 8 黄斌 ， 刘 练波 ， 许世 森 二 氧化碳 的捕 获 和封 存技 术进 展 f J 中国电力， 2 0 0 7 ， 4 0 ( 3 ) ： 1 4 1 7 9 K h a t i b A K ， E a r l o u g h e r R C C O 2：I n j e ct i o n a s i m m i s ci b l e a p p l i ca t i o n f o r e n h a n ce d r e co v e r y i n h e a v y o i l r e s e r v o i r s C S P E 9 9 2 8， 1 9 8l ： 11 0 l0 R e i d T B R o b i n s o n H J L i ck cr e e k m e a k i n s a n d u n i t i m mi s i b l e C O2 w a t e r flo o d p r o j e ct C S P E 9 7 9 5 ， 1 9 8 1 ， 3 3 ( 9 ) ： 1 7 2 31 7 2 9 1 1 F i x m N H， B e a t y W G E v a lu a t i o n o f C O 2 flo o d p e rf o r ma n ce ， S p r i n g e r “ A” S a n d C S P E 1 2 6 6 5， 1 9 8 4 ： l l2 l2 J o h n D RRe id B GA lit e r a t u r e a n a ly s is o f t h e WAG m j e ct i v i t y a b n o r m a l i t i e s i n t h e C O 2 p r o ce s s C E 7 3 8 3 0 ， 2 0 01 ： 3 7 53 8 6 1 3 L e e n a K o o t t u n g a L 2 0 0 8 Wo r l d w i d e E O R s u r v e y J O i l a n d G a s J o u r n a l， 2 0 0 8， 1 0 6 ( 1 5 ) ： 4 7 5 9 1 4 D e s ch J B ， L a r B e n W K E n h a n ce d o i l r e co v e ry b y C O 2 m i s ci b le d is p l a ce m e n t i n t h e li t t l e k n i f e fie l d J S P E 1 0 6 9 6 ， 1 9 8 4 ， 3 6 ( 9 ) ： 1 5 9 21 6 0 2 1 5 程诗胜， 刘松林， 朱苏清 单井 C O 2 吞吐增油机理及推广 应用 J 油气 田地面工程 ， 2 0 0 3 ， 2 2( 1 0 ) ： l6一l7 1 6 C h r i s t e n s e n J R， S t e n b y E H， S k a u g e A R e v i e w o f WA G fie l d e x p e r i e n ce c S P E 3 9 8 8 3， 】 9 9 8 ： 11 4 1 7 王玉晶， 林 海波 ， 陈海 岩， 等 二氧化碳 驱油地 面工程技术 研究 J 石油规划设计， 2 0 0 8 ， 1 9 ( 2 ) ： 3 0 3 1 1 8 王涛 ， 姚约束， 李相方， 等 C O 2 驱油效果影响因素与分析 J 中国石油与化工， 2 0 0 8 ， ( 4 ) ： 3 0 3 3 _ J 9 李相远 ， 李 向良 低渗透稀 油油藏二 氧化碳选井 标准研究 J 油气地质与采收率 ， 2 0 0 1 ， 8 ( 5 ) ： 6 66 8 2 O 李士伦， 郭平， 戴磊， 等 发展注气提高采收率技术 J 西 南石油学 院学报 ， 2 0 0 0， 2 2 ( 3 ) ： 4 1 4 6 2 1 李盂 涛， 单 文文， 刘先 贵， 等 超临 界二氧化碳混 相驱油机 理实验研究 J 石油学报， 2 0 0 6 ， 2 7 ( 3 ) ： 8 0 8 3 2 2 路向伟， 路佩丽 利用 C O ： 非混相驱提高采收率的机理及 应用现状 J 石油地质与工程， 2 0 0 7 ， 2 1 ( 2 ) ： 5 8 6 0 2 3 郭平， 苑志旺， 廖广志 注气驱油技术发展现状与启示 J 天然气工业， 2 0 0 9 ， 2 9 ( 8 ) ： 9 2 9 6 De v e lo pme n t S t a t u s a n d App lica t io n Pr o s pe ct o f CO2 Flo o d in g Te chn o lo g y in Ch in a LV Le i W a n g Ke ( R e s e a r ch I n s t it u t e o f S h a a n x i Y a n ch a n g P e t r o le u m C o L t d ， X ia n 7 1 0 0 7 5