注空气氮气二氧化碳天然气蒸汽等提采机理

1 .二氧化碳驱油机理1.1二氧化碳驱油机理二氧化碳驱动的作用机理分为CO2混相驱动和CO2非混相驱动(表1-1 )，最小混相压力小于原始地层压力时，可实现混相驱动油，高于原始地层压力时为非混相驱动。非混相驱动主要通过溶解、膨胀、粘度降低、界面张力降低等作用驱油的混相排除溶解、膨胀、粘度降低等，CO2和原油达到混合相，即相态，没有界面张力，理论上排油效率可达100%。 一般稀油藏主要采用CO2混相驱动，重油藏主要采用CO2非混相驱动。表1-1混相驱动油和非混相驱动油的比较表稀油藏条件下CO2易与原油混相，混相压力下降超临界状态CO2影响的油水界面张力。 CO2注入浓度越大，油水相界面张力越小，原油越容易被置换。 通过调整注入气体的分段塞使CO2成为混合相，可以提高原油采收率的增幅。非混相CO2开采稠油的机理主要是降低原油粘度，改善油水流量比，使原油膨胀，乳化作用和减压开采。 CO2在油中的溶解度随着压力的增加而增加。 压力下降时，CO2从饱和CO2原油溢出，驱动原油，形成溶解气体驱动。 气态CO2渗入地层与地层水反应产生的碳酸，对改善井筒周围地层的渗透率是有效的。 提高抽油机理。 与CO2驱动相关联的另一种开采机制是CO2产生的自由气体部分地替代油藏中的剩馀油。CO2清除机制主要有以下几点(一)降低原油粘度；CO2溶于原油后，原油的粘度降低，原油的粘度越高，粘度降低的程度越大(表1-2 )。 原油粘度降低，原油流动能力增加，原油产量提高。 另外，原油的初期粘度越高，CO2的粘度降低效果越显着。 江苏油田富48井注入37.161% (摩尔百分比) CO2后，原油粘度下降60.173%，Maini和Sayegh的研究表明，在61.55MPa下重油饱和CO2后，其粘度从6822MPas下降到226MPas。表1-2 CO2完全饱和时原油粘度变化的比较表原油的初始粘度(mPa.s )CO2完全饱和时的原油粘度(mPa.s )1000900015160100600351010013190.50.9温度高(超过120)时，CO2溶解度降低，反而粘度降低作用变差(图1-1 )。 在相同温度条件下压力升高时，CO2溶解度升高，粘度降低作用提高，但压力超过饱和压力时，粘度反而上升(图1-2 )。 原油粘度降低，原油流动能力增加，原油产量提高。图1-1 CO2溶解量随温度的变化曲线图1-2 CO2溶解量随压力的变化曲线(2)改善原油和水的流量比大量的CO2溶解在原油和水中，使原油和水碳酸化。 原油碳酸化后，粘度降低，大庆勘探开发研究院在45和12.7MPa的条件下进行了实验，显示CO2在油田注入水中的溶解度为5% (质量)，在原油中的溶解度为15% (质量)的大量CO2溶于原油中，因此原油的粘度从9.8mPa.s下降到2.9mPa.s，原油的体积为17.5 MPa.s 水碳酸化后，水的粘度上升20%以上(图1-3 )，同时水的流动度也下降。 碳酸化后，由于油和水的流动接近，油和水的流动比得到改善，波及体积扩大。图1-3地层水粘度与CO2溶解浓度的关系(3)使原油体积膨胀CO2在原油中大量溶解，使原油体积膨胀，使原油体积膨胀的大小，不仅取决于原油分子量的大小，还取决于CO2的溶解量。 CO2溶于原油，使原油体积膨胀，增加液体内的动能，提高驱油效率。 通常，CO2在原油中溶解后体积会增加10%40%。这种膨胀作用在驱油非常重要的：水驱后，油层中残留的剩馀油与膨胀系数成反比，膨胀越大，油层中残留的油量越少，溶解了CO2的油滴将水挤出空隙空间，水湿系统不是吸水过程，而是形成排水， 漏油的相对渗透率曲线高于这些自动吸油的相对渗透率曲线，在任何规定的饱和度条件下形成有利的油流动环境原油体积膨胀时弹性能显着增加，而膨胀的剩馀油脱离地层水的束缚，成为可动油。(4)以高溶解混合能力抽油地层条件下尽管CO2和许多原油部分融合，但CO2和原油接触后，一部分CO2溶解于原油，同时CO2也从原油中提取出一部分烃，CO2富含烃，结果大幅度提高了CO2融合能力。 该过程随着驱动替代前缘的发展而加强，驱动替代变为混相驱动，CO2混相驱动油所需的压力远低于气态烃所需的混相压力。 气态烃和轻质原油的混相也能满足2730MPa，CO2混相压力能满足910MPa。高温高压下CO2与原油相溶的机理主要是烃从原油中蒸发与CO2混相，即主要显示蒸发作用的低温条件下CO2在原油中的聚集作用和吸附作用。 压力低于混合相压力时，在CO2和原油的混合相中，存在含有气态CO2和原油的轻质成分、失去轻质成分呈液态的原油、以从原油中分离出来的固体沉淀方式存在的沥青和蜡这3相。(5)分子扩散作用非混相CO2的驱油机理主要基于CO2溶于油而使油特性发生变化。 为了最大限度地降低油的粘度，增加油的体积，获得最佳的驱油效率，在储油温度和压力条件下使CO2饱和需要足够的时间。 但是，地层的岩盘很复杂，注入的CO2也很难与油藏中的原油完全混合。 大多数情况下，CO2通过分子缓慢的扩散作用溶解在原油中。(6)降低界面张力剩馀油饱和度随油水界面张力的减小而降低的多数油藏油水界面张力为1020mN/m，要使剩馀油饱和度为零，油水界面张力必须降低到0.001mN/m以下。 界面张力在0.04mN/m以下时，采收率显着提高。 CO2净化的主要作用是提取和汽化原油中的轻质烃，将大量烃与CO2混合，大幅度降低油水界面张力，大幅度降低残留油的饱和度，提高原油的采收率。随着CO2注入压力的增加，CO2油界面张力降低，压力越高，界面张力的降低幅度越大。 在最小混相压力下，界面张力不是0，细管实验中求出的最小混相压力小于多次接触求出的最小混相压力。 细管实验中确定的混相没有达到严格的物理化学意义上的混相(界面张力0 )，只是工学意义上的“混相”。(7)溶解气体驱动用由于CO2在原油中的溶解度大，大量的CO2溶解于原油中，具有溶解气体驱动作用。 降压采油的机理与溶解气体驱动相似，注入过程中CO2的一部分溶解于原油中，随着注入压力的上升溶解CO2量增加，油藏停止注入CO2，随着生产的进行油藏压力下降。 随着压力的下降，油藏原油中的CO2从原油中分离出来，为溶解气体驱动提供能量，使天然型溶解气体驱动液体内产生气体驱动力，提高了油驱动效果。 另外，一些CO2驱逐原油后，占有一定的空隙空间，成为束缚气体，也可以增产原油。 即使停止注水，油藏中的CO2气体也能代替油藏中的原油，而且有些CO2残留地被关在油藏中，达到了进一步增加采油量，提高原油采收率的目的。 因此，CO2的溶解量与采收率的提高呈正相关(图14 )。图1-4提高的采收率与总注入量的关系(8)提高渗透率和酸消除堵塞作用碳酸化的原油和水，不仅能改善原油和水的流量比，也有助于抑制粘土的膨胀。 CO2溶于水后显示弱酸性，CO2溶于水时形成碳酸，它可溶解粘结物质和部分岩石，提高地层渗透率，注入CO2水溶液后可提高砂岩地层渗透率515%，百云岩地层渗透率675%。 另外，CO2存在于地层中，可以减弱泥岩的膨胀。二氧化碳水的混合物带有一点酸性，根据地层基质进行反应，原理是：CO2 H20H2C03H2CO3 CaC03Ca(HC03)2H2C03 MgC03Mg(HC03)2生成的碳酸氢盐易溶于水，提高碳酸盐的渗透率，特别是井筒周围的大量水和二氧化碳通过碳酸岩的时间带。 另外，二氧化碳和水的混合物可以通过氧化作用在一定程度上消除储层的无机垢堵塞，使油的流通通道通畅，恢复井的生产能力。(9)提取作用轻质烃与CO2之间存在良好的相互溶解性，压力超过一定值时(该值与原油的性质和温度有关)，CO2提取原油中的轻质烃使其气化，CO2突破时，主要沿着大孔流动，其流动加快，CO2的置换作用降低，主要是用CO2提取原油中的轻质成分气体突破前产油的颜色和化学成分变化不明显，气体突破后形成CO2萃取，随着CO2的流动，原油和高压CO2多次接触，逐渐用碳化学成分从轻到重萃取，萃取后残留重碳成分，萃取的油颜色变浅，油气化学成分变化。 提取量与CO2压力和密度成正比，CO2首先提取原油中的轻质烃气化，主要为C5C20成分，然后产生较重质烃气化，最后稳定下来。 降低温度可以提高提取量，CO2为液态时提取效果好，但这样会损伤地层。(10 )增加捆扎水饱和度在CO2驱动中，在CO2溶于油的同时，大量的CO2溶于水，溶于油的CO2减少。 通过在水中溶解CO2，减少与油作用的CO2的量，同时溶解CO2的捆扎水，体积膨胀，捆扎水的一部分变成流动水。 注气压力越高，溶于水的CO2就越多，结束水的体积膨胀就越大，油层的水量就越多。(11 )混相效应混合相效应是指两种流体相互溶解，不存在界面，界面张力消除。 将CO2与原油混合，不仅可以提取原油中的轻质烃气化，还可以形成CO2与轻质烃混合的油带。CO2和原油的混合相取决于原油的组成、储藏压力和温度。 在油藏压力为中等以上、油藏温度高的油藏中，通过注入的CO2与原油多次接触，不断提取原油中的中间成分C2C6，使注入气体丰富，用动态混合相，即蒸发气体驱动混合相。 在高压低温油藏中，CO2凝结形成富含CO2的液相，与原油一次接触形成混相。 但在大多数油藏条件下，CO2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CO2和原油的多次接触混合相(蒸发气体驱动混合相)的CO2/原油系统中最重要的特性是CO2能够从原油中提取(提取、蒸发、汽化)轻烃成分。 CO2可在低温和高温下萃取原油中的轻烃，而CO2萃取原油的特性是发展CO2多级混相驱动的基本条件。 CO2与原油接触时，提取原油中的轻质成分，加入富含CO2的丰富的CO2，与原油接触提取原油，再接触提取原油，不断富含CO2，CO2提取足够的链烷烃，富含的CO2相与原油融合。(12 )降低地层启动压力低渗透储层存在启动压力梯度，两相启动压力梯度比单相渗流大得多，岩石渗透率越小，平均孔径越小，喉道越细，启动压力梯度也越大。 水驱启动压力梯度大于CO2驱动启动压力梯度，CO2驱动显着降低地层启动压力，提高注入能力。(13 )改变岩石孔隙结构CO2驱动后，岩石渗透率、平均细孔半径、最大细孔半径增加，大细孔的细孔半径增加，小细孔的细孔半径降低。 岩石孔隙结构的变化主要与岩石矿物组成有关。(14 )岩石润湿性的变化通过CO2提高岩石的亲水性。 随着压力的增加，亲水性增强，驱动CO2有利于油进入孔中间，减少油的流动阻力。1.2影响二氧化碳抽油的因素二氧化碳在混合相和非混合相条件下提高原油开采率，决定了其石油开采机理，存在有利于石油开采过程的因素和不利因素。 影响二氧化碳抽油过程的有利因素包括：(1)CO2溶于水后，使水的粘度增加20%30%，水流度降低23倍。(2)CO2溶于油后，使油的粘度减少115215倍，使原油的流量增加。(3)CO2溶于油后，降低原油水界面张力。(4)CO2溶于油后，增加体积，影响剩馀油的替代。同时，在CO2驱动中存在一系列不利因素(1)随着温压条件的变化，CO2浓度降低，之后蜡和沥青从原油中沉淀析出。(2)油井发生CO2气体窜漏；(三)油井和油田设备腐蚀；(四) 4)CO2运输问题。(5)工艺成本高。(6)油田附近缺少CO2气源或供应量不足。(7)CO2粘度低，易突破生产井；(8)混相后粘度低，容易进入手指，因此气水交换较多。2氮气排放量排放油的机理N2驱油机理主要通过增加地层能量、降低原油粘度或与原油混合来提高原油采收率。 其作用机制为：1 )注入氮气有利于保持地层压力，注入地层后具有一定的弹性势，其能量释放可发挥良好的气运、助排作用2 )注入油藏的氮气优先占有多孔介质中的油孔，使本来处于约束状态的原油成为可以流出的原油，提高排油效率3 )非混相驱动用：氮、油、水三相形成乳液，降低原油粘度，提高驱油效率。 注入的流体与油藏流体之间出现重力分离，形成非混相驱动，可提高油藏纵向移动的程度，改善开发效果(4)重力分离作用油层注入氮气后，因重力不同注入的氮气进入微结构高处，形成次小气味顶，增加附加的弹性能，代替顶部原油向下移动，延缓油水界面的恢复。对于倾斜的垂直渗透高的地层，向含油气结构顶部注入N2，利用重力分离作用保持或部分保持油藏压力。 油层需要足够高的垂直渗透率，以便油气能够在垂直方向有效地分离和移动，注入速度必须小于临界速度Vc。 重力将密度小的N2与原油分离，抑制粘性指数的形成，提高波及系数。(4)水锥作用氮气不溶于水，不易溶于油，且具有良好的膨胀性，抽油时具有弹性，可保持地层压力，有助于延缓底水锥的进入(5)交替注入氮气和水有效结合驱水和气的优点，不仅能改善气水粘度不同引起的粘性指标，还能使驱动目标相对均匀，通过渗透作用，有利于低渗透层剩馀油的驱动。 水相主要扫油层中的下部，注入的氮气相在重力的分离作用下，主要扫油层的上部，气液交替扫不同的含油孔，降低水的饱和度和水相的渗透率，水的扫除系数