低渗透油藏二氧化碳驱油的研究

杨 昭，郑 洲，张国芳，齐 梦，马 静

（哈尔滨石油学院石油工程系，黑龙江 哈尔滨150027）

在提高原油采收率的方法中，混相驱的驱油效率是最高的，若不考虑波及系数，混相驱几乎可以将残留在油层的全部剩余油驱替出来。现今多数油田是以水驱为主，这必然会存在水资源问题和经济极限的问题。而近年来二氧化碳驱油技术的快速研发，既能解决油田低渗透油藏开发的需求，又能解决大气中二氧化碳含量升高带来的温室效应问题[1]。二氧化碳驱油技术不仅可用于常规油藏，而且对低渗透油藏、特低渗透油藏均可明显提高原油采收率。

1.二氧化碳驱油机理

1.1 低界面张力机理

在一定温度和压力下，二氧化碳可萃取、汽化原油中C2-C6组分，色谱分析表明，二氧化碳可以抽提原油中C2-C24组分，其中C4-C8组分占抽提物总量的24%，C4-C12组分占抽提物总量的48%，达到平衡状态从而降低σ，相对渗透率发生了相应的变化，剩余油饱和度随σ的降低而降低，当σ降到最低值时，剩余油饱和度降为零[2]，采收率可超过90%。

一般情况下，二氧化碳通过分子的缓慢扩散作用而溶于原油。

1.2 降低粘度机理

在许多油藏条件下，二氧化碳的密度与原油相似，因此较易溶解于原油中，二氧化碳溶解于原油后可使原油的粘度降低，低粘度原油流动阻力小，即提高原油的流度，有利于提高驱油剂的波及系数，如图1所示。

图1 二氧化碳饱和压力与原油粘度降低的关系（50℃）

μo-原油粘度；μm-溶有二氧化碳的原油粘度

1.3 原油膨胀机理

二氧化碳与原油混相后，可使原油体积发生膨胀，油层弹性能量亦增加，增加了原油的可移动性，膨胀后的原油易于被驱出油层，提高了洗油效率，从而提高石油采收率[3]。

图2 为二氧化碳浓度与膨胀系数的关系。由图可知，膨胀系数随二氧化碳在原油中浓度的增加而增加，随原油平均相对分子质量的增大而减小，这说明在一定的二氧化碳浓度下，轻质组分的膨胀系数高于重质组分的膨胀系数。

图2 二氧化碳浓度与膨胀系数的关系

1.4 提高地层渗透率机理

二氧化碳溶于地层水后，生成碳酸，碳酸与地层中的石灰岩和白云岩发生反应，能够生成水溶性的重碳酸盐，从而提高地层的渗透率，扩大驱油介质的波及系数。

1.5 溶气驱机理

降压采油机理与溶解气驱相似，从注入井到采出井的驱油过程是一个降压过程，根据地层压力的不断降低，气体就会从液相中不断析出，析出的二氧化碳气体成为驱替原油的驱动力，使驱油效果得到提高[4]。此外，一部分二氧化碳气体替换了原孔隙空间中的流体，在一定程度上也能提高原有的采收率。

2.二氧化碳驱油技术

二氧化碳驱油是将二氧化碳气注入到油层中来提高石油采收率的一种技术。二氧化碳物理形态有气、液、固三态，标准状态下为气态，其临界温度是31.2℃，临界压力是7.38MPa，当温度、压力超过临界值时，其性质随之发生改变，粘度近似于气体，形态近乎于液体，扩散系数远大于液体，此时的二氧化碳优良溶剂，其溶解性、扩散能力均超过乙醇、乙醚、水等溶剂[5]。

采用混相驱来提高石油采收率的一个关键性参数就是气体与原油之间的最小混相压力（MMP），MMP是气驱采收率超过90%的驱动压力。通常情况下，由于混相驱油比非混相驱油采收率高，因此希望混相条件下驱替，即等于或略大于MMP下进行驱替。当驱动压力远大于MMP时，易发生地层破裂，此时产生安全性生产问题，原油产量提高难以实现，经济效益还会下降[6]。当MMP高于地层的破裂压力时，为了不破裂地层，只能采取二氧化碳的非混相驱油技术，其机理仍然是降粘机理、原油膨胀机理、减小σ以及对原油中轻烃成分的汽化和抽提。

3.二氧化碳注入方式

3.1 连续注二氧化碳气体

直接向已枯竭的地层中连续注入二氧化碳气体，特点为：该方法效果明显，此时二氧化碳气体耗量较大，常数倍于油层孔隙体积；却存在不利水油流度比，易气窜且不易控制，气体利用率低；一般不应用于压力过低的油藏，因为消耗二氧化碳气体的量较大，另外二氧化碳对原油中轻烃成分的汽化和抽提困难，重组分不易采出。

3.2 注碳酸水

根据二氧化碳能够溶于水，将水、二氧化碳形成的碳酸水注入到油层后，正是由于二氧化碳存在扩散作用，碳酸水中的气体分子才能够与原油接触而进行驱油[7]。

3.2.1 改善水油流度比

因为水中二氧化碳更易溶解于原油中，所以碳酸水中的二氧化碳扩散到残余油相中，降低残余油粘度，提高残余油运移能力，另外二氧化碳对水具有增稠作用，能够改善水油流度比，使得毛管力降低和润湿角缩小，对于原来水波及不到的位置，因为水中溶有二氧化碳而能够波及到，通常碳酸水波及系数较普通水高出数倍[8]。

3.2.2 提高洗油效率

对于水和原油两相，二氧化碳更易溶于原油，当碳酸水接触到原油时，气体分子会发生扩散，使得原油中重质油膜粘度降低，重质油膜被溶解，流动能力增强，即提高了原有的洗油效率。

3.2.3 吸附现象

二氧化碳亦存在吸附性，却有别于驱油聚合物，原因是二氧化碳在表面处吸附和原油处吸附不但不降低原油采收率，还有利油层的原油开采。

3.3 二氧化碳与水段塞交替注入

用较小的段塞尺寸把二氧化碳、水交替注入油层进行驱油。虽然在注入时可能出现注入能力下降、也可能存在二氧化碳绕流、重力分层和水屏蔽[9]，但气体流度得到了改善，流度比降低，改高了波及范围，因此二氧化碳与水段塞交替注入方式能够经济有效。

3.4 二氧化碳与水两相同时注入

此方式是利用双注系统把水、二氧化碳同时注入到油层的方法。缺点为：如果将二氧化碳与水的混合物高压注入，易出现注入井严重腐蚀的现象；如果将二氧化碳与水同时注入，易出现注入能力降低的现象。

4.结论

注二氧化碳驱油提高采收率机理包括低界面张力机理、降粘机理、原油膨胀机理、提高地层渗透率机理、溶气驱机理等；低渗透油藏在二氧化碳驱前，要进行可行性评价，并根据低渗透油藏构造特征和流体性质，选择二氧化碳驱动方式和注入方式；温室气体二氧化碳使全球气候变暖，推广采用二氧化碳驱油不仅可封存二氧化碳气体减缓温室效应，而且还可提高低渗透油藏的原油采收率。