致密油藏注CO2 吞吐技术研究

2021-01-15陈熙嘉樊毅龙

石油化工应用 2021年12期

陈熙嘉，樊毅龙

（1.西安石油大学石油工程学院，陕西西安 710000；2.中国石油长庆油田分公司第二采油厂，陕西西安 710000）

21 世纪以来，全球油气工业的必然趋势是将勘探开发领域从常规油气藏转变为非常规油气藏。近年来，致密油成为继页岩气之后的新热点[1，2]。目前，全国大部分地区的油田已正式进入勘探中油气产品的中后期油气生产阶段，面临着油气总产量下降、开发难度加大、开发成本高等多重挑战[3]。国内对于致密油的研究虽然已经多年，但技术水平仍属于刚刚开始阶段[4]。即使如此，由于其储量巨大、国内能源的刚需要求，必须针对其物理性质差等特性研究出更加有效的开发手段。

经过一段时间的探索，发现注水可以补充能量，但也会出现“注不进、采不出”的现象，并且体积缝网的形成易引发水窜，有可能直接导致油井水淹[5]。即使水平井采用大规模体积压裂衰竭式生产，油井产量也会在初期后迅速下降，整体采收率低，地层能量不足的缺陷依然存在[6]。CO2吞吐作为一种高效开发方式广泛应用于现场作业，一方面可以有效提高致密油采收率，解决现有开发技术上的诸多不足，实现经济效益；另一方面，在回收CO2的同时，也可以缓解其大量排放造成的环境压力，符合中国可持续发展战略的要求[7]。

1 注CO2 吞吐研究现状

1.1 国外注CO2 吞吐研究现状

关于注CO2的研究，国外起步较早，大约在20 世纪70 年代便开始了。岩心物理模拟，这是美国研究此项方法的第一种技术。之后经过几年的进一步研究，其方法便被众多油田加以学习利用。之后不断的进步、发展，出现了数值模拟这一方式，研究方法逐步成熟起来。

Wilmington 油田第一次使用上述方式，且取得了很好的效果。之后在Camurlu、Shoemaker 等各大油田开始了实验研究，以增加可采储量为目标，大幅度减少采出油中所含的水量，充分利用现有技术手段，最终达到降本增效、提升经济效益的作用[8]。

Hill B 等[9]了解到注CO2的这一方法，便开始致力于实验研究，结果显示，这一方式可大力的增加致密油产量，并且可以充分消耗大气中的二氧化碳，起到保护环境的作用。

Chen 等[10]在多次的实验中发现，采用二氧化碳气驱的方式可以使得原油的黏度变得很低，并表示采用这一方法可以大幅度的提升采收率、增大经济效益。

Abedini A 等[11]采用多种不同的渗透率进行实验，多次实验结果显示，采用CO2吞吐技术能够大幅度提高致密油采收率。并且，指出了影响这种方法效率的主要因素，通过模拟验证对比的多种方式，使得实验结果更加准确、更有实际应用效果。

Kim T H 等[12]采用对比实验的方式，将其他影响因素计算在内，经过多次的比较分析，证明了CO2驱的确可以大量的增加可采储量，起到有效挖潜致密油的效果。

1.2 国内注CO2 吞吐研究现状

华东石油局在国内首次进行了标准的人工注CO2吞吐现场试验[13]。1989 年至1995 年期间，我国在国内多个油田进行了CO2吞吐试验。经多次试验结果对比分析，多井原油产量大幅度提高，多个地区以此为例，经济效益提升明显。

此后至2000 年以前[14，15]，CO2吞吐技术又得到了进一步发展，许多油田开始在单井中注入实验。与各个区块联合实验，在不同的油藏类型中进行实验模拟，并现场检测。观察显示，多个油井产量较之前有了大幅的提高，且实验成功率高达90%以上。

2001 年至2002 年[16]，国内油田开展了联合灌注大量CO2的原油吞吐和联合开采深层惰性稠油的联合实验，成功率平均最高可以直接达到90%以上；大庆葡萄花油田分别在2 口采矿区下降井同时进行了注CO2和下降吞吐现场监测试验。

杨正明等[17]对大规模深部露头致密岩样品，建立了压裂压力水平井模型。在室内对其采用多种方式进行注入研究。经多次实验结果表明，使用此种方法较其他常规方法而言，可以更大程度提高采收率。

黄小亮等[18]率先在煤矿中进行二氧化碳驱实验研究，经过多次的吞吐效果分析，这一方法对于煤矿中页岩气的开采依然具有实际应用作用。通过大量的仿真实验，发现二氧化碳使用的量对于采收率的影响巨大，这值得深入探究。

由于各种井型对致密油开发的影响，梁宏儒等[19]开始了CO2气驱在各种井型中的实际应用。其主要研究在水平井中的驱替效果，以松辽盆地为例，不断的更换不同的CO2影响因素，并在水平井中试验，多次试验结果认为，此方法可以有效提高水平井产能。

在前人的不懈努力下，关于CO2驱影响的因素已经研究的越来越清晰，之后便是对其进行优化，以期望得到更好的应用效果。例如我国著名学者许国晨等[20]经过多次的实验分析验证，总结得出井中的气体参数依然是此方法效果的影响因素之一。

李龙龙等[21]对Y 油田长7 致密油藏水平井中注入CO2的吞吐作用效果进行了综合评价。分析结果表明，致密油藏中怎样才能有效地补充土壤中的地层能源，这个问题亟待加大探索和研究。

2019 年，Li 等[22]基于CO2吞吐与N2吞吐的平行对比实验指出CO2的分子扩散作用导致了大量的CO2以溶解气的形态存在于储集层中且有利于采收率的提高。

2 注CO2 吞吐作用机理[23]

2.1 原油黏度降低

与N2和CH4相比，CO2具有相当低的最小混相压力。与其他溶于水的可溶物质相比，原油中氢直接溶解的水和CO2酸的含量几乎是汽油直接溶于水的2～8倍。而且CO2通过溶解直接排入碳和原油，大大降低了碳和原油的化学黏度。通过研究，原油黏度可以降低到原黏度的10%，降黏系数接近9 倍，大大地提高了原油的流动能力。

2.2 原油体积膨胀

由于部分CO2与其他原油溶液接触后完全溶解在其他类似原油中，会直接导致其他原油在一定体积内严重膨胀，膨胀的严重程度与其他原油中碳的相对分子质量和溶解在其他原油溶液中的各种CO2分子的含量密切相关。原油在空气中膨胀时，其内能也会增加，有利于石油开采。在CO2溶解于原油的整个过程中，原油体积随温度和压力的变化而增大，这主要是由于温度和压力影响CO2的溶解速率增大，使CO2溶解后的原油体积增大、膨胀。

2.3 酸化解堵

在CO2吞吐和浸泡过程中，与地层水中的气体和液体反应生成弱酸性碳酸钠，与地层水中的碳酸钙等其他基质反应，使这些膜状胶结物的一部分直接溶解成为碳酸氢盐，以此提高储层渗透率。同时，CO2还能够抑制黏土颗粒的膨胀，增加渗流孔径的面积。此外，碳酸与固井剂的相互作用也可以减少对近井的污染，提高井筒周围岩石的渗透性，有利于储层油流入井内。

2.4 分子扩散

CO 驱动燃料的效率是由于原油中CO2溶解后其他燃料的特性变化而决定的。而且CO2存在于其与原油的接触当中，它是一个对流扩散或者是分子扩散。在进行空气中的CO2煅烧炖井的工作过程中，CO2和其他物质之间的相互作用主要是发生在一个被称为分子扩散的过程中，它们直接地控制着从空气中吸取的大量CO2直接溶解并进入到原油中的速度。

2.5 混相效应

CO2和地层混合物的性质主要取决于环境中原油的结构、地层压力和温度。例如，当储层温度较高，储层压力远高于介质时，CO2进入储层后会与另一层的原油接触。CO2与空气接触时，通过蒸发气流提取并释放地层原油中C2～C6组分，然后这一作用使空气中CO2和空气中水溶性组分达到动态混相状态，称为蒸发气驱混相。除了原油的提取和蒸发，还可能形成CO2与其他轻质组分混合的区域。CO2和较轻组分混合带的生产和运输可以有效地驱动油。动态混合后，可直接产出采收率90%以上的油。

2.6 调剖作用

如果用CO2进行复合吞吐，在大气和表面活性剂中可能会产生丰富稳定的气体和泡沫，使CO2释放缓慢。当泡沫从大孔隙进入小孔隙时，可能产生贾敏效应，暂时堵塞高渗透储层，将原油驱入低渗透储层，最终提高采收率。

2.7 改善界面张力

当地层中的某种原油在特定条件下与通过气体扩散注入地层的CO2发生溶解时，原油会随着孔隙中的气体在地层中流动，使地层中的原油受到毛细管中压力的约束，注入空气中的CO2会形成混合流体，界面张力会大大降低，并产生界面张力。在某一压力下，CO2和原油能够混合到一起，使得油气的界面张力降为零，从而完全消除毛细管对压力的干扰。

3 CO2 吞吐效果的影响因素

CO2吞吐效果的影响因素有很多，主要包括岩石渗透率、原油黏度、含油饱和度、油层非均质性、吞吐前采出程度、投产初期产量、含水程度等[24，25]。

3.1 岩石渗透率

对于岩石渗透率比较低的储层，注入的CO2在油层中的驱替速度比较慢，使得CO2能够充分的溶解在原油中，降低了原油的流动性，增加了原油产量。

3.2 原油黏度

CO2吞吐效果对原油黏度比较敏感，当原油黏度比较大时注入CO2，黏度的降低幅度就比较大，从而增加换油率。

3.3 含油饱和度

储层含油饱和度决定了注入CO2的时间点，含油饱和度较高，天然能量就很高，开发效果就会更好，就不需要注CO2来提高产量。但是如果含油饱和度比较低的话，注CO2也不一定就能有好的效果，所以含油饱和度决定了注CO2的最佳时机。

3.4 油层非均质性

油层的非均质性决定了各层的吸气能力，高渗透油层易发生气窜，导致采收率降低。此外，吞吐前采收率越低，生产初期产量越高，含水率越低，CO2吞吐效果越好。

对于稠油油藏，许多学者进行了实验研究，如只注CO2、只注水、气水交替注入等方法。总结出CO2注入只适用于储层厚度较小的储层，也就是说CO2驱油效果受储层厚度的影响；对于有底水的油藏，为了增加油气界面的气接触面积，如果在油水界面注入CO2，抽一段时间井，所得数据用相应的仪器进行分析，证明这种方法由于能量损失是不可行的，即吞吐效果受井位影响；此外，CO2的吞吐效果还在于其在原油中的溶解度。当外界温度高于CO2的临界温度时，在不受压力限制的情况下，CO2在重油中的溶解度大大增加。然而，当外界温度低于临界温度时，CO2在重油中的溶解度低于临界压力以上时的溶解度。