三次采油

三次采油—CO2驱油技术研究
摘要
油藏经过二次采油后，仍有大量的原油存留于地下，经过三次采油后，储层的含油饱和度提升的空间仍然很大。

EOR（提高采收率技术）在油田中应用的越来越广泛，主要有化学驱，微生物驱，气驱，热力驱。

随着人类大量排放的温室气体CO2使全球气候变暖，对人类的生存和社会经济的发展构成了严重的威胁。

CO2的地质处置最有效的方式就是注入油气田，不但封存了CO2，而且还可提高油气田的采收率。

CO2的地质处置最有效方式就是注入油气田，不但封存了二氧化碳，而且还可提高油气田的采收率。

本次作业主要介绍了注二氧化碳提高采收率的机理、室内研究进展以及国内外开展现场试验的情况。

在现场应用中二氧化碳吞吐、混相驱和非混相驱都可有效提高采收率，合适的注CO2工艺需根据油藏条件选择。

并指出了注CO2技术目前面临的腐蚀、气源、气窜及高投资等问题。

关键词:最小混相压力;二氧化碳气驱;提高采收率；（非）混相；腐蚀；
1概述
随着世界对石油需求量的不断增加，石油作为有限的不可再生资源，再发现大油田的几率越来越小，已开发的油田正在不断老化，未开采的多为稠油、超稠油油田，非常难于开发。

这就迫使人们把注意力转向提高老油田原油采收率的技术上。

三次采油(EOR)技术是一项能够利用物理、化学和生物等新技术提高原油采收率的重要油田开发技术。

近年来我国石油供需缺口逐年增大,以及石油价格的急剧攀升,提高采收率技术在我国受到了空前的重视。

目前，三次采油技术在提高采收率，稳定老油田的原油产量方面尤为重要，尤其是在油田开发后期，必须进行三次采油。

近几年,注气提高采收率技术发展迅速,其中又以注CO2技术的发展速度最快。

如今，人类大量排放的CO2温室气体量越来越巨大，导致全球气候变暖,其幅度已经超出了地球本身自然变动的范围,对人类的生存和社会经济的发展构成了严重的威胁。

而CO2的地质处置最有效的方式就是注入油气田,不但封存了二氧化碳,而且还可提高油气田采收率。

国外很多油田已成功地进行大规模CO2驱
油并取得较好的效果，证明CO2驱油具有成功率高、风险性低的特点。

CO2驱油在我国石油开采中有着巨大的应用潜力，以技术指标和经济指标双重标准来衡量，CO2驱油是三次采油中最具潜力的提高采收率方法之一。

据“中国陆上已开发油田提高采收率第二次潜力评价及发展战略研究”结果 ,仅在参与本次评价的101.36×108t常规稀油油田的储量中,适合CO2气驱的原油储量约为12. 3×108 t,预计利用CO2驱油方法可增加可采储量约1.6×108 t。

另外,对于我国现已探明的63.2×108 t的低渗透油藏原油储量,尤其是其中50 %左右尚未动用的储量,CO2驱油方法有更明显的技术优势。

2 国内外CO2驱油研究现状
近年来，国内外应用二氧化碳驱替或采油技术已在二、三次采油过程中得到广泛应用，并形成了配套技术。

从50年代起国外在实验室和现场对二氧化碳增加原油的采收率进行了大量的研究，此法目前已成为除了热采以外发展较快的提高采收率的最佳方法。

二氧化碳驱替在提高稠油油藏采收率具有良好的应用前景。

具体到我国，当前和今后一段时期，二氧化碳减排必须走高效之路，二氧化碳驱油提高采收率和埋存技术必定拥有广泛的应用前景。

2.1 国外情况
从20世纪50年代开始,CO2驱油成为提高采收率的重要方法[9]。

国外采用CO2驱油的主要国家有：美国、前苏联、匈牙利、加拿大、法国、西德等。

据《油气杂志》2006年统计，全球实施CO2-EOR项目共有94个，其中，美国82个（80个混相驱，2个非混相驱），加拿大6个。

特立尼达5个，土耳其1个。

可以看出，CO2-EOR技术的应用主要集中在美国，其年产油量为1186×104t/a，占世界CO2-EOR总产量的94.2%。

美国有十个产油区的292个油田适用CO2驱，一般采收率为7%-18%,在西德克萨斯州，CO2是最主要的EOR方法，一般可提高采收率30%左右。

CO2混相驱在美国、加拿大等国已成为一项重要且成熟的提高原油采收率方法[15]。

图2.1 美国CO2-EOR项目分布及增产效果
2004年，日本国家石油公司(JNOC)和日本EOR研究协会(J EORA)在Ikiztepe油油田成功完成了非混相CO2现场试验,在一个200 m×200 m的反五点井网应用CO2非混相驱。

试验动态说明,CO2非混相驱是提高这类油藏采收率的可行办法。

在Amurlu 重油油藏的几口蒸汽吞吐井注入CO2富气 ,使产油量增加了2～3倍。

Shoemaker 油田为了提高油井生产能力,曾广泛应用压裂措施,影响水驱效果。

作为一种替代措施,自1985年以来进行了注CO2开采试验,在技术和经济上获得了成功。

2.2 国内情况
我国东部主要产油区CO2气源较少,但注CO2提高采收率技术的研究和现场先导试验却一直没有停止。

注CO2技术在油田的应用越来越多,已在江苏、中原、大庆、胜利等油田进行了现场试验[16]。

1963年首先在大庆油田作为主要提高采收率方法进行研究,1966 、1969 、1985 、1991 、1994年先后开展了注CO2先导试验。

吉林油田利用万金塔CO2气田的液态CO2 ,开展CO2吞吐和CO2泡沫压裂已达100井次以上。

1996年江苏富民油田48井进行了CO2吞吐试验,并已开展了CO2驱油试验，取得了相当不错的结果[3]。

3CO2驱油的机理
3.1 相关概念
混相：当两种或更多的流体按任何比例混合都没有流体间的相界面形成，所有的混合物都保持单一均质相时，则称这些流体是混相的。

反之，若有流体相存在，则认为这些流体是非混相的。

最小混相压力：在油层温度下，注入气体与原油达到多级接触混相的最小限度压力。

确定最小混相压力的方法分为实验室测定和理论计算两大类，通过国内
外学者对最小压力确定方法进行了长期的研究，公认为细管实验法最为可靠。

CO2驱：就是一种在一定的压力及原油组成条件下，把二氧化碳注入油层中，在一定条件下CO2会从原油中抽提出较重组分的碳烃化合物，不断使CO2的驱油前缘与原油组成接近，从而形成混相，有效地将原油驱替入生产井，达到提高采收率的目的。

3.2驱油机理
CO2驱油按作用机理，可分为CO2混相驱油和CO2非混相驱油（表3-1），也就是当最小混相压力小于原始地层压力时，能够达到混相驱油，高于原始地层压力时为非混相驱。

表3-1混相驱油与非混相驱油对比表
CO2驱提高采收率的作用主要有促使原油膨胀、降低油水界面张力、降低黏度、萃取和汽化原油中的轻质挺、溶解气驱等[1,2]。

两种机理的驱油示意图如下：
图3.1 CO2非混相驱油示意图
图3.2 CO2混相驱油示意图
非混相驱主要通过溶解、膨胀、降粘，降低界面张力进行驱油；而混相驱除了溶解、膨胀、降粘等，就是CO2与原油能够达到混相，也就是一种相态，没有界面张力，理论上驱油效率达到100%。

一般稀油油藏主要采用CO2混相驱，而稠油油藏采用CO2非混相驱（表3-2）。

在稀油油藏条件下，CO2易于原油发生混相，在混相压力下，处于超临界状态下的CO2可以降低所波及的油水界面张力。

CO2注入的浓度越大，油水相界面的张力越小，原油越容易被驱替。

通过调整注入气体的段塞使CO2形成混相，可以提高原油采收率增加幅度[4]。

表3-2 CO2驱筛选原则[3]
非混相CO2驱开采稠油的机理[5—8]主要是：降低原油粘度，改善油水流度比，使原油膨胀，乳化作用及降压开采。

CO2在油中的溶解度随着压力的增加而增加。

当压力降低时，CO2从饱和CO2原油中溢出并驱动原油，形成溶解气驱。

气态CO2渗入地层与地层水反应产生的碳酸，能有效改善井筒周围地层的渗透率，提高驱油机理。

与CO2驱相关的另一个开采机理是由CO2形成的自由气可以部分代替油藏中的残余油。

CO2驱油机理主要有以下方面：
（1）降低原油粘度[10]：CO2溶于原油后，原油粘度越高，粘度降低程度越大（表3-3）。

原油粘度降低时，原有流动能力增加，从而提高了原油产量。

并且原油初始粘度越高，CO2降粘效果越明显。

表3-3 CO2完全饱和时原油粘度变化对比表
温度较高（120度以上）时，因二氧化碳溶解度降低，降粘作用反而变差（图
3.3）。

在同一温度条件下，压力升高时，CO2溶解度升高，降粘作用随之升高，但当压力超过饱和压力时，粘度反而上升（图3.4）。

图3.3 CO2溶解量随温度变化曲线图3.4 CO2溶解量随压力变化曲线
（2）改善原油与水的流度比[10]：大量CO2溶于原油与水，将使原油和水碳酸化。

原油碳酸化后，其粘度随之降低。

大庆勘探开发研究院
在45度和12.MPa的条件下进行了有关实验，实验表明, CO2在油
田注入水中的溶解度为5%，而在原油中的溶解度为15%；由于大
量的CO2溶于原油中，使粘度由9.8mPa.s降到2.9mPa.s，使原油
体积增加了17.2%。

同时也增加了原有的流度。

水碳酸化后水的粘
度提高20%以上（图3.5），同时也降低了水的流度，改善了油水流
度比，扩大了波及体积。

图3.5 地层水粘度与CO2溶解浓度的关系
（3）使原油体积膨胀[10]：大量室内和现场试验表明，原油中充分溶解CO2
后，可使原油体积膨胀10%~40%，其结果不仅增加了原油的内动能，而且也大大减少了原油流动过程中的毛管阻力和流动阻力，从而提高了原油的流动能力。

（4）高溶混能力驱油[10]：CO2与原有接触时，一部分溶解在原油中，同时，CO2也将一部分烃从原油中抽提出来，这就使CO2被烃富化，最终导致CO2融溶混能力大大提高。

（5）降低界面张力[11]：残余油饱和度随着油水界面张力的减小而降低，多数油藏的油水界面张力为10-20mN/m,要想使残余油饱和度趋于零，必须使油水界面张力降低到0.001mN/m或更低。

界面张力降低到0.04mN/m以下，采收率便会明显提高。

CO2驱油的主要作用是使原油中的轻质烃萃取和汽化，大量的烃与CO2混合，大大降低了油水界面的张力，也大大降低了残余油饱和度，从而提高了原油采收率。

（6）分子扩散作用[12]：非混相CO2驱油机理主要建立在CO2溶于油引起油特性改变的基础上。

为了最大限度的降低油的粘度和增加油的体积，以便获得最佳驱油效率，必须在油藏温度和压力条件下，要有足够的时间使CO2饱和原油。

但是，地层基岩是复杂的，注入的CO2也很难与油藏中的原油完全混合好。

而多数情况下，CO2是通过分子的缓慢扩散作用溶于原油的。

（7）溶解气驱作用[13]：由于CO2在原油中的溶解度较大，大量的原油溶于石油中，具有溶解气驱的作用。

降压采油机理与溶解气驱相似，在注入过程中，一部分CO2溶于油，随着注入压力上升，溶解的CO2量越来越多，当油藏停止注CO2时，随着生产的进行，油藏压力降低。

随着压力降低，油藏中原有的CO2就会从原油中分离出来，为溶解气驱提供能量，形成类似于天然类型的溶解气驱液体内产生气体驱动力，提高了驱油效果。

另外，一些CO2驱替原油后，占据了一定的孔隙空间成为束缚气，也可使原油增产。

即使停注，油藏中的CO2气体仍然可以驱替油藏中的原油，而且，一部分CO2像残余气一样圈闭在油藏中，进一步增加采出油量，从而达到提高原油采收率的目的。

因此CO2的溶解量与提高采收率为正相关。

（图3.6）
图3.6 提高的采收率与注入量的关系
（8）提高渗透率和酸化解堵作用：由化学反应式：
CO2+H2O→H2CO3，
H2CO3+CaCO3→Ca(HCO3)2；
H2CO3+MgCO3→Mg(HCO3)2；
可知，溶解了CO2的水溶液略显酸性。

在CO2驱替、吞吐注入及浸泡过程中，溶解了CO2的地层水可与地层基质相互反应。

在页岩中，由于地层水PH 值降低，可以抑制储层的粘土膨胀，因此CO2水对粘土有稳定作用。

在碳酸岩和砂岩中，CO2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CO2气体的酸化作用导致油层的渗透性提高，在一定压差下，一部分游离气对油层的堵塞物具有较强的冲刷作用，可有效地疏通由于二次污染造成的地层堵塞
（9）混相效应[14]：混相效应是指两种流体能相互溶解而不存在界面，消除了界面张力。

CO2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CO2和轻质烃混合的油带。

（10）岩石润湿相变化：在CO2作用下，岩石亲水力增强。

随着压力增加，亲水力增强，CO2驱有利于油入孔道中间，减小油流动阻力。

（11）增加束缚水饱和度：在CO2驱中，CO2溶于油中，同时大量的CO2溶于水中，减少了溶于油中的CO2。

由于水中溶解了CO2，减小了与油作用的CO2量，同时溶解CO2的束缚水，体积膨胀，使部分束缚水变成流动水。

注压力越高，水中溶解的CO2越多，束缚水体积膨胀越大，油层水量增多。

（12）改变岩石孔隙结构：经过CO2驱后，岩石渗透率、平均孔隙半径、最大孔隙半径增加，小孔隙的孔隙半径降低。

4适合CO2驱的油藏类型及地质条件
4.1 储层筛选
从技术可行性考虑，一般是与油气开发的油气藏有以下特点：储层泥质含量过高，注水开发容易引起水敏的油藏；油层束缚水饱和度高，注水效果不好的油藏；一般稠油油藏；裂缝不发育，不易引起气窜的均值油藏；薄油层；低渗油藏；由于经济和技术的原因，不是上述油藏中所有的储层都适合二氧化碳驱油，同时二氧化碳混相驱和非混相驱使用的储层条件也不同。

混相驱：1）储层可以达到最小混相压力可以实现混相驱油并消耗较少的
CO2；
2）储层连通性好，纵向非均质较低，具有中或高渗透率。

非混相驱：1）储层纵向渗透率高；
2）储层具有形成气顶的圈闭构造，连通性好；
3）没有导致驱油效率降低的断层；
4.2 油藏类型筛选
CO2驱这种方法不论是在开发早期的低渗油藏开发，还是晚期的高含水油田提高采收率方面，不论是砂岩油藏，还是碳酸盐岩油藏均能应用。

具体来讲，CO2非混相驱适合的油藏类型包括：压力衰竭的低渗透油藏，高倾角、垂向渗透率高的油藏，重油或高黏油油藏。

CO2非混相驱在浅层、深层、致密层、高渗透层、碳酸盐层、砂岩中都有过应用的实例。

CO2混相驱适合的油藏类型主要有水驱效果差的低渗透油藏，水区枯竭的砂岩油藏，接近开采经济极限的深层、轻质油藏、多丘状油藏。

另外，还有CO2气吞吐方法，主要用于不适合大规模驱替的小断块油田。

4.3 CO2-EOR储层地质条件筛选
CO2-EOR实施的储层地质条件：1）储层深度范围1000-3000m范围内；2）致密和高渗透均质储层；3）原油粘度为低的或中等级别；4）储层为砂岩或者碳酸盐岩；5）裂缝、断层等不发育；
CO2-EOR混相驱油储层要求：
1）储层可以达到最小混相压力，可以实现混相驱油，并消耗较少的CO2；
2）储层经过注水开发以后，原油饱和度在35%-40%范围内；
3）储层的连通性好，纵向非均质性较低，具有中等或高等级的渗透率，
4）渗透率应大于100md；
5）原油比重应高于35API,粘度在1-2cp范围内；
适合CO2-EOR非混相驱油储层要求：
1）储层纵向渗透率高；
2）储层中大量的原油形成油柱；
3）储层具有可以形成气顶的圈闭构造；
4）没有导致驱油效率降低的断层或裂缝；
5 CO2驱的不足
虽然CO2驱越来越受到重视，在提高原油采收率上应用的越来越广泛，但是，就目前的技术现状来看，还有一些问题需要解决，这主要包括以下几点：1）气源采用注CO2提高原油采收率的方法，必须具备充足的气源。

一般来说，气源具有两种，一是天然的CO2气藏作为气源，目前在世界上进行的注CO2项目，大多是以天然CO2气藏作为气源的，美国之所以大量开展了注CO2采油，其主要原因就是具有充足的CO2气源；另外一种是通过收集一些工业企业的废气来作为气源，由于目前收集和储存CO2的技术还不是十分的成熟，因此这种方法目前在世界上应用较少，但随着CO2减排的研究在世界范围内的开展，越来越多的工业废气将会被用于提高油藏采收率。

国内注CO2采油技术发展较晚的最根本原因是CO2气源不足,不像美国、加拿大等国在油田附近就有大的CO2气藏。

随着江苏、胜利吉林油田相继发现一些中小规模的CO2气藏,我国的注CO2技术有了很大发展。

2）投入大注CO2技术一次性投资大,需要铺设从气源到油田的输气管线,要有大型气体压缩机注气,但一旦形成规模,生产效益还是很可观的。

3）腐蚀CO2和水反应生成的碳酸对管线、设备、井筒有较大的腐蚀性。

腐蚀产物被注入流体带入地层会堵塞储层孔隙。

CO2的腐蚀作用受多种因素影响,包括CO2分压、温度、含水量、流速、氧、硫化氢、氧化物浓度等。

近年来随着防腐技术的进步,这一问题正在逐步得到解决。

目前主要的防腐措施包括：选用耐腐蚀金属材料、涂层和非金属材料、缓蚀剂处理等等。

4）流度比的控制在注CO2驱替开采原油时，由于CO2的粘度与原油粘度之间具有很大的差异，引起流度比很不理想，又进一步导致了气体的过早突破和很小的波及系数，这对注气开发非常不利。

目前，如何控制注气开发的流度比，从而推迟CO2的突破时间以及增大CO2的波及系数，是注CO2开发中面临最为重要的问题。

5）气窜CO2黏度很低, CO2混相驱过程中黏性指进较严重, CO2趋向流入高渗透地层或水驱后，油藏中油气饱和度低的地层,加上密度差引起的重力分异,致使CO2过早突破含油带,影响驱扫效率,因此注CO2前必须进行有效的调
剖处理。

6 结论
CO2驱油可以有效地提高原油的采收率。

（1）CO2采油适用范围广。

CO2采油工艺适合于稀油、普通稠油、特稠油、超稠油及高凝油，对高渗高孔或者低渗低孔油藏都适合。

（2）驱油效果好。

在普通稠油油藏条件下进行CO2+水段塞采油是可行的，其效果要比单一的水驱或单井的CO2吞吐好。

对高含水、地层压力下降较
快的普通稠油区具有一定的稳油控水作用。

国内外试验应用结果都证明，CO2驱比水驱的采收率提高15%左右。

（3）经济环保。

CO2采油是一项利国利民的好事，CO2注入地层可以实现减少温室气体排放和增加原油产量的双重目的，是国家环保组织重点推荐的环保项目，具有投入低、产出高、驱油效率高等优点。

（4）技术成熟。

注CO2提高采收率的主要方式有混相驱和非混相驱，注CO2提高采收率的主要影响因素有最小混相压力（MMP），界面张力，油层压力，原油物性；
（5）大势所趋。

目前，再发现大的油田的几率已经非常非常小，而老油田已处于开发后期，由于储层物性的下降，原油产量不再稳定。

而CO2对低渗
透油气藏可以明显提高原油的采收率，从而实现CO2埋存和提高原油产
量的结合，必将成为全球生态保护，石油资源的高水平、高效率，高收益
开发和可持续发展提供理论和实践依据。

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