夏惠芬，徐勇

（东北石油大学教育部提高油气采收率重点实验室，黑龙江大庆163368）

低渗透油藏CO2驱油机理及应用现状研究

夏惠芬，徐勇

（东北石油大学教育部提高油气采收率重点实验室，黑龙江大庆163368）

当今社会快速发展，能源问题日益严峻。由于低渗透油藏低孔、低渗、自然能量不足等特点，采用常规方法已经不能有效采出原油，CO2驱是三次采油方法中提高低渗透油藏采收率的一种方法。综述了CO2驱油的机理、CO2驱油效果的影响因素以及近些年来国内外CO2驱油的应用现状，指出CO2驱在我国低渗透油藏的可行性和巨大潜力。

低渗透；CO2驱油；机理；提高采收率；现状

自我国1937年发现玉门油田，到现在我国油气田开发将近有80年的历史。除去最近几年勘探出的新油田，大部分油田开发步入中后期，优质储层减少，但低渗透油藏的储量很可观。低渗透油藏有其特殊的微观孔隙结构，孔隙度小，喉道细小渗流阻力大，岩石孔隙比表面大，层间非均质性强及自然产能低等特征[1]。目前,低渗透油藏有很大一部分还未动用，动用主要采用注水开发,尤其在含水率变高的后期还继续采用注水驱，其开发效果很低[2]。在这种情况下,CO2驱开发方法成为一个更有效的采油方法。近年来，CO2驱技术迅速发展，以美国为首的国家开展了诸多CO2驱油室内实验和矿场实验，增油效果非常显著。中国是一个二氧化碳排放大国，大力推广应用CO2驱不仅可以提高低渗透油藏原油采收率，还可以为减缓温室效应作出贡献。

1 注CO2驱油的机理

CO2的临界温度是31.26℃和临界压力是7.2 MPa（表1），当温度和压力均高于临界点的时候，CO2处于超临界状态，此时纯CO2不可能被液化，但它会变成一种粘稠状物质，很像液体，密度与液体相似，粘度近于气体，扩散系数为液体的100倍，与原油可以充分溶解，原油溶有CO2时，油水界面张力，粘度，流度比等性质会发生变化,这些变化有利于原油从油藏中的驱替[3]。

表1 二氧化碳的临界值Table1 The critical value of carbon dioxide

1.1 降低油水界面张力

CO2在油中溶解度远高于在水中的溶解度，水中的CO2促使岩石颗粒表面的油膜破裂并被冲洗下来，同时，又尽可能保护注水膜;这样，当油水界面张力很小时，积聚的残余油滴在孔隙通道内自由移动，从而提高油相的渗透率[4]。孙长宇等学者研究表明，随着CO2在原油中不断溶解，油水界面张力不断减小，同时还会增加地层压力，有利于驱油[5]。

1.2 降低原油粘度

油田开发过程中，注入的CO2会迅速与原油混溶，降低原油粘度，提高采收率。当压力维持在饱和压力时，可以达到最佳的降粘效果。耿宏章等学者通过二氧化碳气原油的粘温特性实验证明，温度一定时，混合CO2的原油的粘度会随着压力的升高呈现先减小后增大的趋势[6]。

1.3 膨胀作用

CO2溶解于原油，会致使其体积膨胀；CO2的溶解量和原油的分子量是影响原油体积膨胀大小的主要因素，低渗透油藏采用水驱后，一部分油残留在地层中，采用CO2驱，原油体积膨胀，增加地层能量；残留在地层中的剩余油体积膨胀，更容易脱离地层水和岩石表面的束缚，从而采收率提高[7]。

1.4 溶解气驱作用

CO2注入油藏，大部分会溶解在原油当中，没有溶解的那部分气体会占据地层孔隙，增加油藏内能；油井生产过程中，压力不断下降，溶解于原油中的CO2会膨胀脱出，驱替原油入井筒，增加单井产量[8]。

1.5 改善流度比

流度指的是渗透率和粘度的比值，油藏采收率与油水流度比成正比，CO2溶解于原油中可以降低原油粘度增加流度，CO2可以使水碳酸化增加水的粘度降低流度；两者机理共同作用下，水驱能力提高，波及面积增大，扫油效率提高[9]。

1.6 酸化作用

地层水溶解CO2后，其pH值降低。在页岩当中，可以抑制黏土膨胀；在碳酸盐和砂岩当中，酸化后的地层水可以与岩石中的碳酸盐岩胶结物反应，改善地层渗透率，有利于驱油[10]。

2 二氧化碳混相驱与非混相驱

每个油藏都有各自的特性，针对不同的油藏，CO2驱动的方式也不相同，现在矿场实验大多使用混相驱和非混相驱两种方式。

CO2混相驱油提高采收率原理是CO2析取原油中的轻质组分致使原油溶解重质成分能力下降从而降低原油粘度以及原油溶解CO2后体积膨胀，弹性能力增加，原油表面张力减小[11]。受制于CO2气源以及我国CO2混相驱的最小混相压力过高，我国目前对CO2混相驱的矿场实验很少，美国在这项技术上的研究走在世界前列，截止到2014年[12]，美国CO2混相驱项目有128个，产量达1 264×104t/a。

一般在油藏孔隙度、渗透率过高，原油密度、粘度过大时，采油CO2非混相驱。CO2非混相驱相对于混相驱，效率比较低，在油藏条件不适合混相驱的时候，才会采用。CO2非混相驱的驱油机理主要有使原油体积膨胀，降低原油粘度，降低界面张力。我国相继在大庆、胜利等油田进行CO2非混相驱试验，获取了一些经验。1980年开始，美国就进行了CO2非混相驱实验，2014年，美国CO2非混相驱项目9个，产量达107×104t/a[12]。

3 CO2驱油的影响因素

3.1 流体性质

在流体性质中，影响CO2驱油效果的因素主要包括：原油密度和扩散、弥散作用。由于油气密度差，在驱替前缘，CO2更容易向油藏顶部流动，突破时间会减少，大大降低了CO2的波及体积，致使采收率下降[13]。CO2的扩散、弥散作用，减缓CO2向井底的锥进时间，CO2的突破时间增加，迁移范围变广，波及系数提高，采收率提高。

3.2 储层特征

储层的渗透率和非均质性是影响CO2驱油效果的重要因素。在非均质储层中，大部分CO2会进入高渗透层，然后从高渗透层突进到生产井形成黏性指进，而低渗透层中的原油没有被完全驱替，因此会降低驱油效率。储层的非均质性越小，驱替效果越好[14]。

3.3 注气方式

CO2注气方式会根据油藏构造、储层性质，作用机理的不同而有不同的选择，目前注气方式有水气交替注入、重力稳定注入、连续注入、简单注入、周期注气，CO2吞吐等，注入方式依据油藏本身特性来确定，最终的采油效果也均不相同，在一个油藏采用CO2驱之前应该进行可行性评价，优选最佳驱油方式[15]。低渗透油藏渗流机理复杂，水气交替注入是最佳驱油方式，汤瑞佳等学者采用延长油田（低渗透油藏）靖边203井区的地层原油和地层水进行CO2驱驱油实验，表明水气交替注入可以最大程度上提高低渗透油藏采收率[16]。

4 CO2驱油技术应用现状

美国是世界上最早使用二氧化碳驱油的国家，二氧化碳驱油技术掌握十分全面。1952年，美国大西洋炼油公司获得首个二氧化碳驱油专利[17]，1972年，美国Chevron公司进行了世界上第一个CO2驱油商业项目，取得了良好的效果[18]。然而在石油行业日益蓬勃的时刻，从1973-1990年间爆发了三次石油危机，在这三次危机中，以美国为首的一些国家不断调整新能源政策法规，鼓励各种可以提高采收率的方法[19]。在此环境下，美国在1982—1984年间大规模开发了Mk Elmo Domo、Sheep Mountain等多个CO2气田，建设了Bravo Dome Pipeline等连接CO2气田和油田的输气管线[20,21]。在这一系列措施的推动下，CO2驱在全球得到大规模应用。

前苏联开展CO2驱也比较早，1953年就进行研究，并于1967年在图依马津油田进行工业基础实验，随后在科兹洛夫等五个油田进行矿场实验，最终采收率增加了10.4%～13%，俄罗斯2000年《石油业》杂志指出，低渗透油藏应用CO2驱具有广阔前景[22]。

1994年，加拿大石油公司在轻质油藏中开展CO2驱综合研究，1997年，在韦本油田投资11亿美元进行大规模CO2混相驱采油，研究发现，CO2驱比水驱提高采收率35%左右，生产年限延长25年以上。

土耳其石油公司在Bati Raman重油油田，Ikiztepe油田，Camurlu油田进行CO2驱实验，因为三个油田的混相压力远高于油藏压力，采用了CO2非混相驱；Bati Raman重油油田粘度高，原始油藏压力为1 800 l b/in2，Bati Raman采用CO2蒸汽吞吐，截止到1998年1月，增产34×106STB；Ikiztepe油田，在一个200 m×200 m的反五点井网区进行非混相驱实验，开始进行CO2蒸汽吞吐，采出油912 bbl，后面采用连续注入，共注入339.42 MMSCF气,产出油17 284 bbl[23]。

2008年1月下旬，为了减少CO2的排放以及提高原油产量，阿联酋宣布投资20亿～30亿美元用以建设二氧化碳捕集和封存网络。阿联酋拥有广阔的天然气能源，通过捕集和封存排放地区CO2，然后用于临近的油藏，这一措施将提高原油采收率，减缓温室效应。

截至2014年10月，美国有136个油田开展了二氧化碳驱油项目，是世界上利用二氧化碳提高采收率最多的国家，铺设二氧化碳输送管线5 800 km，每天向油田供应二氧化碳约18.7万t，生产原油30万桶/日，二氧化碳驱油累积生产原油高达20亿桶。

相比于国外，我国的CO2驱驱油室内实验和矿场实验起步晚，还没有形成一套成熟的系统。但我国已经在在大庆、江苏、胜利等油田进行了CO2驱油实验，取得了一些经验和一定成果。

1963年，大庆油田首先进行CO2驱采油实验，大庆榆树林油田Y101区块，2009年全部采用CO2注气开采，截止2013年9月底，累积注入液态CO211.06×104t，累积产油5.53×104t，采出程度为4.65%[24]。

1998年起，江苏油田在富14断块进行水气（CO2）交替注入实验，到2000年9月，累计注入CO2620×104m3，注水量24 039 m3，到2000年底，累积增产原油5 218 t[25]。

截止2001年6月底，储家楼油田CO2非混相驱驱油实验，CO2和水以1∶1比例注入，累积注入CO22 605 t,提高采收率0.5%，增产原油988 t吨[26]。

2007年，胜利油田在高89-1区块进行的CO2驱先驱实验，5口井增油2.1 t，截止到2010年，胜利油田CO2驱累计增油7 500 t[27]。

2008年11月，我国在榆树林油田建立第一座CO2注气站，进行CO2驱实验。截止到2012年榆树林油田试验区产油自然递减率为0，推算提高采收率20.1%，增油113.45×104t[27]。

截止到2014年8月，吉林油田已经建立有长岭气田净化站，注气井组34个，并且在黑59区块（产量提高采收率10.4%）、黑79区块、黑46区块进行CO2驱油矿场实验，CO2驱年产能力20万t[28]。

5 结论与建议

（1）油藏在采用CO2驱之前，应该进行可行性评价，针对油藏的构造特征，流体性质，选择CO2驱驱动方式和注入方式。

（2）目前，CO2的捕集、储存和运输是影响推广使用CO2驱的难点，如何经济有效的捕集，安全简便的储存和运输是未来研究的重点。

（3）我国低渗透油藏储量丰富，常规开采方法已经不能经济有效采出原油，应该制定相关政策法规，在我国大力发展CO2驱。

（4）温室气体CO2对环境的影响已引起全球共同的关注，推广使用CO2驱不仅可以提高低渗透油藏的原油采收率还可以减缓温室效应。

［1］徐岩光,张艳玉,占新兵,等.低渗透油藏开采方法综述和展望[J].内蒙古石油化工,2010,4:28-32．

［2］Wang,H.1;Liao,X.W.1;Zhao,X.L.1.The Influence of CO2Solubility in Reservoir Water on CO2Flooding and Storage of CO2Injection into a Water Flooded Low Permeability Reservoir[J].Energy Sources,Part A: Recovery,Utilization,and Environmental Effects,2014,36(8):815-821．

［3］Malcolm D.New approach to CO2:Permian Basin oil and Gas Recovery Conference[J].Midland,Texas,2001,5:15-17．

［4］钱伯章.CO2驱油大有可为[J].中国石化,2010(4):56-57．

［5］孙长宇,王文强,陈光进,等.注CO2油气藏流体体系油/水和油/气界面张力实验研究[J].中国石油大学学报(自然科学版),2006,30(5:109-113)．

［6］耿宏章,陈建文,孙仁远,等.二氧化碳溶解气对原油粘度的影响[J].石油大学学报（自燃科学版）,2004,28(4):78-80．

［7］秦伟.二氧化碳驱提高采收率技术及应用[J].科技与企业,2016,3:98-99．

［8］谷丽冰,李治平,欧谨.利用CO2提高原油采收率研究进展[J].中国矿业,2007,16(10):66-69．

［9］高慧梅,何应付,周锡生.注二氧化碳提高原油采收率技术研究进展[J].特种油气藏,2009,16(1):6-11．

［10］刘忠运,李莉娜.CO2驱油机理及应用现状[J].节能与环保,2009,10: 36-38．

［11］王立辉.二氧化碳驱油在我国的发展现状及应用前景[J].科技与企业,2014,(13):368．

［12］Koottungal L.2014 worldwide EOR survey[J].Oil&Gas Journal,2014, 112(4):79-91．

［13］李相远,李向良.低渗透稀油油藏二氧化碳选井标准研究[J].油气地质与采收率,2001,8(5):66-68．

［14］单文文,刘先贵,等.超临界二氧化碳混相驱油机理实验研究[J].石油学报,2006,27(3):80-83．

［15］王维波,师庆三,余华贵,等.二氧化碳驱油注入方式优选实验[J].断块油气田,2015,22(4):497-500+504．

［16］汤瑞佳,王贺谊,余华贵,等.水气交替注入对CO2驱油效果的影响[J].断块油气田,2016,23(3):358-362．

［17］Whorton L P,Brownscombe E R,Dyes A B.Method for producing oil by means of carbon dioxide:US,2623596[P].1952-12-30．

［18］Langston M V,Hoadley S F,Young D N.Definitive CO2flooding response in the SACROC unit[R].SPE 17321,1988．

［19］秦积舜,韩海水,刘晓蕾.美国CO2驱油技术应用及启示[J].石油勘探与开发,2015,42(2):209-216．

［20］Mohan H,Carolus M,Biglarbigi K.The potential for additional carbon dioxide flooding projects in the United States[R].SPE 113975, 2008．

［21］张蕾.美国CO2驱油补充项目的潜力分析[J].国外油田工程,2010, 26(9):6-9．

［22］温振东.CO2驱在低渗透油田的应用现状及其发展趋势[J].内江科技,2012,9:154,159．

［23］KayhanIssever,莫增敏,石家雄,等.非混相CO2驱提高重油采收率[J].石油石化节能,2000,1:7-10．

［24］汪艳勇.大庆榆树林油田扶杨油层CO2驱油试验[J].大庆石油地质与开发,2015,34(1):136-139．

［25］刘炳官,朱平,雍志强,等.江苏油田CO2混相驱现场试验研究[J].石油学报,2002,23(4):56-60．

［26］钱卫明,张奉东,张家仁,等.储家楼油田CO2非混相驱油试验及效果评价[J].特种油气藏,2001,8(4):79-82．

［27］胡滨,胡文瑞,李秀生,等.老油田二次开发与CO2驱油技术研究[J].新疆石油地质,2013,34(4):436-440．

［28］闫海生.李勇武会长考察吉林油田二氧化碳驱油与埋存项目[J].中国石油和化工经济分析,2014,9:4．

Study on the Mechanism and Application of CO2Flooding in Low Permeability Reservoirs

XIA Hui-fen，XV Yong
（Key Laboratory of Enhancing Oil and Gas Recovery,Northeast Petroleum University,Heilongjiang Daqing 163368,China）

With the rapid development of today's society,the energy problem is becoming more and more serious. Because the low permeability reservoir has low porosity,low permeability and natural energy shortage,the conventional methods cannot effectively produce oil.Carbon dioxide flooding is a method to improve the recovery of low permeability reservoirs.In this paper,the mechanism of carbon dioxide displacement,influence factors of carbon dioxide flooding,research progress of carbon dioxide flooding,and application status of carbon dioxide flooding at home and abroad in recent years were reviewed,the feasibility and great potential of carbon dioxide flooding in low permeability reservoirs were pointed out.

Low permeability;Carbon dioxide flooding;Mechanism;EOR;Status

TE 357

A

1671-0460（2017）03-0471-04

国家自然科学基金项目“二类油层高浓度聚合物驱油机理及优化设计研究”，项目号：51374076。

2016-09-12

夏惠芬（1962-），女，黑龙江大庆人，教授，博士，主要从事提高采收率原理与技术方面的研究。E-mail：xiahuifen1948@126.com。

徐勇（1992-），男，硕士研究生，研究方向：提高原油采收率。E-mail：1028224878@qq.com。