CO2驱气机理与提高采收率评价模型

2022-09-28王高峰廖广志李宏斌胡志明丛连铸

油气藏评价与开发 2022年5期

王高峰，廖广志，李宏斌，胡志明,，魏宁，丛连铸

（1.中国石油勘探开发研究院，北京100083；2.中国石油勘探与生产分公司，北京100007；3.中国石油大庆油田开发事业部，黑龙江大庆163002；4.中国科学院武汉岩土力学研究所，湖北武汉430071）

截至2020年底，中国累计探明天然气地质储量约为17×1012m3，年产气量为1 866×108m3[1]。作为天然气消费大国，对外依存度高达43 %，供需矛盾突出。中国天然气藏采收率偏低，以中国石油为例，致密砂岩气藏标定采收率低于50%，页岩气藏采收率不到30 %。如果能将天然气采收率提高10 个百分点以上，将增加可采储量近2×1012m3，故采用进攻性技术大幅度提高气藏采收率意义重大。孙龙德院士指出，实现天然气规模化上产并长期稳产，仍面临复杂气藏提高采收率等系列挑战；未来十到十五年，已开发主力气田将全面进入稳产或递减期，要保持稳产必须依靠采收率的提高；中国已开发气田74%为复杂气藏，提高采收率难度很大。常规的排水采气技术提高采收率通常为1～3 个百分点[2]，“以气驱气”有望大幅度提高采收率。页岩气储层极为致密，孔喉半径多介于2～30 nm[3-9]；塔里木库车凹陷深层致密砂岩气藏以及苏里格致密砂岩气田储层岩石孔隙喉半径均以亚微米—纳米为主[10]，开采难度也很大。在致密的非常规储层中，天然气赋存方式以吸附态和游离态为主，而吸附态天然气储量可占比40 %以上。近年来，在攻关研究致密气、页岩气、煤层气的开采技术过程中，发现CO2具有很强的甲烷解吸附能力[11-16]，实验显示CO2可置换出约30%的吸附态甲烷[14,17]，这启示了利用CO2置换纳米孔喉天然气的可能性。与此同时，国内开展了若干十至千吨级的CO2驱气试验，如中联煤层气公司在沁水盆地开展的CO2驱采煤层气小型试验[15]，潞安煤矿CO2强化开采煤层气微型试验，以及延长石油致密气的CO2压裂等试验，通过这些试验进一步深化了关于CO2驱气过程的认识。

中国以CO2驱为代表的注气提高石油采收率技术已经取得了长足进展[18-28]，凝析气藏循环注气保压开采在塔里木油田也有规模应用[24-26]，然而，向干气藏注气强化开采技术在国内尚处于小试阶段。干气藏注气进展缓慢主要有如下几个原因：一是中国天然气藏开发整体处于快速上产阶段，提高采收率技术需求还不如原油那么迫切；二是有关天然气驱替开发的研究还不充分，驱气介质的廉价规模供给也是个问题；三是引入外部气体会改变气藏产出气组成，将会增加采气综合成本。但国家碳达峰碳中和目标提出后，减碳压力增大，利用CCUS 技术实现油气田企业规模减排显得愈发现实。此外，处于开发中后期的老气田产量与效益较低，从打造碳产业角度制定符合实际的规划，比如为地方准备注入能力，对盘活老气田地面系统有广阔前景[28-29]。当前，立足开展先导试验以突破CCUS-EGR（驱气类碳捕集、利用与封存）技术[28]，将试验控制在一定规模并不明显增加某个大气区内天然气的综合开发成本。在总结CO2驱提高气藏采收率机理的基础上，建立了CO2驱提高气藏采收率计算方法，并提出了设置CO2驱提高气藏采收率重大开发试验项目的若干建议。

1 CO2驱提高气藏采收率机理

1.1 优势吸附置换作用

实验发现，CO2分子与岩石之间亲和力比CH4大，将优先占据岩石表面上原本由吸附态CH4占据的空间，使CH4解吸附转化为游离态。特别是当CO2为超临界状态时，分子活性高，更易进入微纳米孔隙。采用高压等温吸附仪测定发现[16]：高煤阶煤岩对CO2和CH4的吸附量之比约2∶1，对于低煤阶煤，该比例往往大于5（图1）；富有机质页岩对CO2的吸附能力大约是甲烷的5～10 倍（图2）。CO2的这种优势吸附能力可将吸附态甲烷从岩石基质或页岩母质上有效地解吸附置换并占据其位，从而将吸附态甲烷转化为便于流动的游离态。由图1 和图2 可知，气体吸附量随孔隙压力升高而增加，即气藏埋深越大，单位质量岩石吸附量也越大，吸附埋存CO2的能力越大。

图1 煤岩对CO2和CH4的吸附对比Fig.1 Comparison of adsorption of CO2 and CH4 by coal rock

图2 页岩对CO2和CH4的吸附对比Fig.2 Comparison of adsorption of CO2 and CH4 by shale rock

基于核磁共振技术的竞争吸附与提高采收率实验平台，从微观上明确了CO2与CH4竞争吸附与提高采收率机理：页岩吸附饱和CH4后注入CO2，吸附态CH4逐步被CO2置换，转化为游离态进入大孔隙和微裂缝，吸附态CH4被解吸附置换的比例可高达29 %（图3）。从分子动力学角度可对CO2与CH4竞争吸附现象给出理论解释：CO2优势占据行为从微观上属于非连续性的分子碰撞，气体在岩石上的吸附过程存在放热反应，吸附放热量可用于衡量岩石对气体的吸附能力。单位物质的量CO2吸附放热量为32.7 kJ/mol，大于CH4的24.3 kJ/mol，故CO2吸附更为稳定[16]。中联煤层气公司在沁水盆地南部开展了CO2强化开采煤层气小型试验，起到了明显增产效果。CO2注入量为193 t，累积采出量60 t，大部分滞留于煤层，验证煤岩对CO2具有吸附与封存能力[16]。

图3 CO2与页岩CH4竞争吸附核磁共振T2谱Fig.3 Nuclear magnetic resonance T2 spectrum competition adsorption between shale CH4 and CO2

1.2 连续对流排驱作用

不论哪种类型的气藏，其中储存的甲烷都可以分为吸附态、游离态和溶解态这3 种类型（对于凝析气，每一组分亦可类似划分），区别在于3种赋存状态天然气在地质储量中的占比不同。

在CO2驱气过程中，游离态甲烷包括孔隙中原本就远离岩石或富有机质壁面的游离态CH4，以及被CO2解吸附后转化为游离态的CH4。在驱替压力梯度下，上述两部分游离态CH4被CO2驱赶向采气井，将此机理概括为连续对流排驱。如果说优势吸附置换机理是“打台球”式的离散分子碰撞行为，连续对流排驱就属于宏观流动；根据流动空间及类型，连续对流排驱可以进一步细分为孔隙盲端中的类涡状排驱[30]、连通迂曲孔道中的渗流迂渗排驱（图4），以及宽裂缝中的管流排驱等类型；因此，连续对流排驱亦可称为多重对流排驱。潞安煤矿CO2强化开采煤层气试验停注CO2期间产出气中的瓦斯体积分数显著下降，是对流排驱机理的验证[16]。

图4 连通孔道中CO2对流排驱CH4示意图Fig.4 Schematic diagram of CH4 convective displaced by CO2 in connected channels

由于驱替介质CO2与被驱替的CH4黏度接近且无界面张力，连续对流排驱的效率通常较高，可达75%～90%[14,31]，达不到100%的原因是受优势流动孔隙路径和盲端的影响；对于有水气藏，驱气效率影响因素比较复杂，连续对流排驱的效率会有所降低。

1.3 补充气藏能量作用

天然气藏开发通常采取衰竭开采方式，地层能量持续下降直至气藏废弃。注入CO2等气体介质可弥补气藏亏空，补充地层能量，提高气藏地层压力，甚至可使剩余天然气恢复到原始压力产状，从而提高采气速度，延长气藏开采寿命，具有进一步提高天然气采收率的效果。

对于给定气藏，地层压力越高，储层吸附CO2的能力也越强。补充气藏能量作用将会强化优势吸附置换机理，同时能够埋存更多的CO2。

对于有水气藏，通过注气补充地层能量，还能够起到逼退或抑制边水入侵和底水锥进，延长气藏的无水或低含水开采年限，或是降低气藏产水量，不仅有益于天然气最终采收率的提高，还能降低排水采气的作业量和成本。

2 CO2驱提高气藏采收率计算模型

向天然气藏注CO2的作用最终体现在对波及系数和驱气效率的改变上。CO2驱对吸附、游离和溶解3 种赋存状态甲烷的驱替效率明显不同，但3 种赋存状态的甲烷被CO2波及的体积系数可近似认为相同，据此可建立CO2驱提高气藏采收率预测公式。

在3 种机理作用下，CO2驱能够起到提高采收率的效果，并且提高采收率的幅度主要取决于优势吸附置换和对流排驱采出的天然气量。吸附态甲烷在气藏储量中所占比例可以表示为：

式中：xads为吸附态甲烷在气藏储量中的占比；xfree为游离态甲烷在气藏储量中的占比；xdisv为溶解态甲烷在气藏储量中的占比。

将吸附态甲烷被CO2置换的比例记为EDads，游离态甲烷被CO2排驱出来的比例为EDfree，溶解态甲烷因CO2溶解于水而被替换出的比例为EDdisv。比照驱油效率，可得到CO2驱气效率如下：

式中：EDg为CO2驱气效率，%；EDads为吸附态甲烷被CO2置换的比例，%；EDfree为游离态甲烷被CO2排驱出来的比例，%；EDdisv为溶解态甲烷因CO2溶解于水而被替换出的比例，%。

在CO2驱阶段，基于原始地质储量的天然气藏采出程度可写作：

显然，开始CO2驱前的天然气采出程度为：

式（3）—式（4）中：Re-inCO2为CO2驱阶段天然气藏采出程度，%；EVg为注入CO2的波及系数；Re-preCO2为开始CO2驱时的天然气藏采出程度，%；Re0为转CO2驱时的天然气藏采出程度，%。

假设CO2驱阶段的气藏压力接近原始水平，CO2注入结束后继续衰竭开采直至废弃，则CO2驱后阶段的天然气采出程度可近似写作：

CO2驱阶段连同衰竭开采阶段的总采收率为：

CO2驱提高天然气采收率幅度为：

式（5）—式（7）中：Re-postCO2为CO2驱后阶段的天然气采出程度，%；Reu0为天然气藏衰竭开采标定采收率，%；ReuCO2为天然气藏总采收率，%；ΔReuCO2为CO2驱提高天然气采收率值，%。

联合式（3）—式（7），整理后得到：

式（8）即为CO2驱提高气藏采收率计算模型。实际中，天然气在地层水中溶解度很低，溶解态甲烷的储量占比常小于3 %，予以忽略不计，则上式可简化为：

利用式（9）计算CO2驱提高气藏采收率值，需要已知若干参数。其中，需要实验测定的包括游离态甲烷在天然气储量的占比（经验值大于20%[14,32]）、CO2驱替吸附态甲烷的效率（经验值介于20%～30%）、CO2驱替游离态甲烷的效率（有水气藏介于40%～60%，弱水侵气藏高于80 %[32]）。不同类型气藏CO2的波及系数需要通过数值模拟、物理模拟并结合实际经验确定一个多影响因素的经验关系，衰竭开发的气藏采收率可根据经验标定，转驱时采出程度据实计算。

现假定某页岩气藏游离态甲烷在气藏储量中占比50 %，页岩气注CO2对流排驱游离气的效率为80%，吸附态甲烷被CO2置换的比例为25%，页岩气衰竭开采标定采收率20%，CO2波及系数在0.2～0.7取值，以页岩气采出程度表示转驱时机[33]。根据式（9）可以绘制出不同波及系数和转驱时机下的CO2驱提高天然气采收率值的变化情况（图5）。

图5 典型页岩气藏CO2驱提高采收率值图版Fig.5 EGR value chart of CO2 flooding in typical shale gas reservoir

研究表明，油藏中CO2驱油的波及系数一般与水驱接近，通常高于0.35[23,28]。CO2驱天然气的流度比要比CO2驱油过程有利得多，CO2驱天然气的波及系数应该更高。根据柯克亚凝析气藏高压循环注气的模拟研究，干气驱替凝析气的波及系数在0.65 左右[24-26]。根据图5 可知，波及系数在0.4 以上时，CO2驱提高天然气采收率值可达15%～35%，这一采收率效果的提高对页岩气藏来说，相当于重新发现了一个新气藏，意义重大。须指出，可采储量倍增将使页岩气井网整体效益调整成为可能。由此，建议针对中深层页岩气、深层煤层气、强水驱气藏等具有较好碳封存条件的气藏，进行CO2驱提高天然气采收率的经济可行性评估，优选目标气藏开展多种类型的重大开发试验，深入检验CO2驱提高天然气采收率效果。

3 CO2驱提高气藏采收率试验主攻方向

3.1 试验烟气组分协同驱替效果

油气田企业内部及周边往往有丰富的低体积分数烟气碳源，天然气净化厂通常也有中小规模碳源，均可用作试验碳源。烟气中CO2含量通常介于10%～40%，其余成分主要是N2。等温吸附实验表明，高阶煤岩对CO2、CH4和N2的吸附量之比约4∶2∶1（图6）；对于页岩基质，该比例往往大于10∶2∶1。三者之中，CO2最容易被吸附，N2最不容易吸附。烟气驱替过程中，优势吸附置换机理发展主要靠CO2，对流排驱机理主要靠N2实现。廉价烟气的主要组分协同驱替，有望大幅降低CO2利用成本并保障技术效果。当然，若有低成本的中高纯度的碳源可供利用则更好。

图6 高阶煤岩对不同气体的吸附量Fig.6 Adsorption capacity of high rank coal for different gases

3.2 试验扩大CO2驱波及体积技术

根据图5 可知，CO2的波及系数为0.4 时，CO2驱提高采收率幅度可达到15%以上（页岩气天然能量开发的标定采收率通常在20%左右）。须指出，可采储量倍增将使页岩气井网整体效益调整成为可能，结合井网调整和注采工作制度优化还可以进一步提高CO2的波及系数和采收率。通过井网井型优化和开发层系组合，并加强排采制度研究提高CO2波及系数，力争提高气藏采收率20个百分点以上。

3.3 开展天然气藏CO2驱提高采收率与埋存潜力评价

在碳达峰碳中和背景下，开展天然气藏的CCUS/CCS 潜力评价，对于明确中国尤其是石油行业的碳中和实现路径、CCUS 试验与推广应用项目部署，以及碳产业的发展具有重要意义。潜力评价主要包括建立CO2驱提高天然气藏采收率与埋存潜力技术经济评价方法、研究CO2驱气波及系数与驱气效率变化规律及主控因素、建设天然气藏基础信息数据库、潜力评价方法的应用与结果分析等工作。