王恒力，高　扬

(西北大学地质学系，陕西 西安 710069)

蒸汽添加CO2改善稠油开发效果的理论分析
——以新疆A区块某稠油油田为例

王恒力，高扬

(西北大学地质学系，陕西 西安 710069)

[摘要]稠油具有粘度高，比重大的特点,因为流动阻力大而难以开采。世界开发稠油油藏的方法中，蒸汽驱、火烧油层、蒸汽吞吐是比较成功的手段。按稠油油藏的特点，开发各个油藏的开采方式也各有所异，但总是沿着降粘和使分子变小、变轻的方向发展。目前较常用的方法是蒸汽驱开发稠油油藏。结合新疆A区块稠油油藏现状，主要从蒸汽中添加CO2开发稠油油藏进行阐述，研究蒸汽添加CO2驱油降粘机理，并对蒸汽驱的汽窜问题予以解决，达到更好的开发稠油油藏的目的。

[关键词]稠油；蒸汽驱；降粘；封堵；汽窜；采收率

目前开采稠油较常用的方法是蒸汽驱，蒸汽驱能够提高稠油采收率至40%～50%，但也有一些不足之处，比如在地层条件下蒸汽温度下降迅速，非均质性强的地层中水蒸汽汽窜严重。本文以新疆A区块为例，研究蒸汽添加CO2驱油效果理论分析，并解决以上两个问题。

1研究区储层概况

1.1地层基本条件

A区块内地下水埋藏较深，浅层无地下水分布。油藏埋藏深度大概为1 140～1 240 m。D1井完井深度为1 440 m。表1为P1地层的基本条件。

表1　P1地层基本条件

1.2储层岩石矿物组成及储集空间类型

储层以岩屑，长石质岩屑砂岩为主，含有碳酸盐岩和粘土矿物。成分成熟度和结构成熟度低。主要成分是石英，约占55%，斜长石约占15%，碳酸盐岩约占12%钾长石约占10%，粘土矿物约占8%。粘土矿物主要成分为伊蒙混石，约占47%，高岭石约占31.4%，绿泥石约占15.5%，伊利石约占6%。

储集空间类型以剩余粒间空隙为主(39.8%)，其次粒内溶孔(18.1%)，粒间溶孔(12.8%)，含少量高岭石晶间溶孔方解石石晶间溶孔等，储层非均质性强。

2蒸汽驱添加CO2降粘理论分析

2.1蒸汽驱降粘

蒸汽驱方法是按照一定的井网形式，从注入井中连续注入蒸汽，把油驱向周围的生产井，并在这一过程中将油加热，降低其粘度。蒸汽驱目前已成为世界范围内的开采稠油的主要技术之一。整个蒸汽驱过程是以高温降粘、蒸馏、热膨胀、混相驱、溶解气驱以及水驱等综合作用提高采收率。最终采收率一般可达40%～50%。

稠油粘度对温度有很强的敏感性，随着温度升高，稠油粘度显著降低，稠油含胶质、沥青质越多，内聚力越大，稠油粘度越高。而在升温过程中，粒子的布朗运动加剧，胶质、沥青质逐步溶解，使稠油内部结构变得松散，稠油内聚力降低，稠油粘度随之减小[1]。在向油层注入高温蒸汽过程中，随着油层温度的升高，原油粘度大幅度下降。稠油油藏，温度上升10度，则其粘度下降约50%[2]。蒸汽是一种热流体，注入地层后，能大大提高油层温度。油层岩石和流体体积膨胀，增加了弹性能量，从而增加了原油的流动能力[3]。

图1是单独注入水蒸汽驱油时稠油粘度随温度的变化曲线图

图1　粘度随温度变化曲线

2.2蒸汽驱添加CO2降粘

深层稠油油藏传统单一注蒸汽干度难以满足汽驱要求，致使油汽比低、采收率低。为了解决这一问题，我们向水蒸汽中添加CO2来改善这一状况。

首先它的来源很广泛，达到了经济效益的目的，其次，它注入地层中有以下几个特点。

(1)利用贾敏效应。提高波及效率，降低残余油饱和度。CO2与蒸汽混合注入，CO2在储集层中产生贾敏效应[4-5]，堵塞狭窄的孔隙喉道，从而调整注汽剖面，使蒸汽向周围均匀波及，使原来呈束缚状的原油成为可动油，从而降低残余油饱和度。

(2)降低稠油粘度。注入的CO2在稠油中发生溶解作用，当CO2溶于稠油中后，由于羧化作用，油分子间的引力降低，减少了流体间流动时的内摩擦力，CO2还可以对稠油内部胶质沥青质所形成的胶束网络结构具有一定的破坏作用。在超临界状态下，CO2有接近气体的粘度，自扩散系数要比液体大100倍以上，因而可以快速渗透到混合体系内部，使得原油粘度降到1/10下[6]。

(3)使稠油体积膨胀，提高驱油效率。CO2溶于稠油之后，会使稠油体积膨胀，大量实验表明，原油中充分溶解CO2，可使原油体积膨胀1.4～1.6倍[7]。其结果不仅增加了原油的内动能，而且可以大幅度降低原油流动过程中的毛管阻力和流动阻力，从而提高原油的流动能力。

超临界CO2溶于稠油后的粘度与稠油中CO2溶解度、温度、压力等密切相关。给出了粘度计算公式

Ln(μm)=X0Ln(μ0)+XsLn(μs)[8]

X0=1-Xs,Xs=(F0B0-1)/(α+F0B0-1)

α=0.255γ-4.16Tr1.85[e7.36-e7.36(1-pr)/e7.36-1]

Pr=P/7.38,Tr=(5/9T+32)/547.57

式中：P为压力，Mpa；T为温度，℃；γ为稠油相对密度；μm为常压下原油粘度；μs为常压下CO2粘度；B0为稠油体积系数；F0为系数；

根据公式得出添加CO2后稠油粘度随温度变化曲线，(如图2)

图2　添加CO2后稠油粘度随温度变化曲线

3蒸汽添加CO2改善汽窜的理论分析

蒸汽驱中存在的问题：蒸汽在注入过程中由于粘度差异极大，在非均质性强的储层中易形成指进窜流，从而导致蒸汽驱有效期短，垂向及平面上的汽驱波及系数不高。下面我们来理论分析通过控制注入CO2量来防止稠油蒸汽驱汽窜的可行性。

表2　P1地层的总体积和总孔隙体积

3.1CO2与高温蒸汽的注入

将CO2与高温水蒸气同时由D1井注入P1层位，水蒸气和CO2按照摩尔比为25：1(地层条件下饱和CO2溶液的水蒸气与CO2摩尔比51：1[9]，这样是为了让CO2始终处于过饱和状态)配制为混合气体。首次注入混合气体量应为5 PV，在地层高温高压条件下CO2与地层水和储层岩石都会发生化学反应，生成沉淀，生成的沉淀随着流体运移至大孔隙停留下来，从而堵塞大孔隙，造成储层渗透率下降。

实验所用岩石孔隙度为23%，直径为2.5 cm，总长度为16.1 cm，总体积为79 cm3。实验注入速度为0.27 mL/h,注入CO2速度为0.16 mol/h。实验所注CO2速度：1.101 3×10-9mol/ h·cm3。表2为P1地层的总体积和总孔隙体积

3.2地层水中各离子浓度随混合气体注入量的变化关系

CO2与地层水及储层岩石发生化学反应，引起地层中各离子浓度变化和地层水pH的变化。以所给条件中的P1层为例研究pH、Ca2+浓度、浓度随注入CO2量的改变而发生的变化。

图3　地层水pH值随CO2注入量改变而变化的曲线图

由图3可分析到，CO2的地层水溶液初始pH值为7.80，为弱碱性。随着反应的进行，pH值在反应开始后的0.1 PV内迅速升高至8.1，随后缓慢下降。在注入量5 PV时，pH值为6.4。在随着反应的进行pH值又缓慢上升，在注入量为25 PV时，最终PH值为7.5。

图4　Ca2+浓度随CO2注入量的变化关系

注入量在0.5 PV范围内，Ca2+质量浓度快速下降，由初始的61.62 mg/L降至约38.5 mg/L，当注入量大于1 PV时，Ca2+浓度迅速升高，在1.1 PV时达到最大值85 mg/L。注入混合气体体积倍数大于1 PV时，反应液释放出的CO2气体含量与Ca2+质量浓度变化进行对比，发现反应气体中CO2脱气量与Ca2+浓度具有很好的相关性。当反应气体中CO2脱气量增高时，对应的Ca2+浓度也增高。

图5　CO2脱气量与累计注入混合气体的变化关系曲线

地层水中Ca2+质量浓度的变化主要与方解石和钙质砂岩的溶解和沉淀有关。在沉积岩的成岩环境中，方解石与钙质砂岩的溶解和沉淀与地下水的化学性质、温度、CO2分压以及PH值有着密切的关系。

图6　未堵塞大孔道时水蒸汽驱油模型图

图7　堵塞大孔道后水蒸汽驱油模拟图

图8　注入不同CO2量的驱油模型[11]

图9　控制CO2量提高水蒸汽波及系数示意图[12]

3.3CO2与地层水及岩石反应机理

由上图可以看出，随着注入CO2量的变化，地层水中的pH、Ca2+浓度、HCO3-浓度不断发生变化。说明随着CO2的注入，不断与地层岩石发生着化学反应。

CO2对钾长石的溶解较为严重，主要因为钾长石成分成熟度和结构成熟度低。在高温条件下，碎屑长石容易与酸性流体反生反应。

2KAlSi3O8+2H++9H2O—Al2Si2O5(HO4)+2K++4H4SiO4

CO2对碳酸盐的溶解非常严重。方解石的溶解和沉淀是溶液中Ca2+质量浓度变化的主要原因[10]。刚开始时，地层水溶液中Ca2+质量浓度一直在减小，说明碳酸盐不仅没有溶解，反而发生了沉淀。这是因为刚开始CO2与砂岩反应强烈，硅酸盐矿物溶蚀释放出二价阳离子与CO32-反应生成碳酸盐，导致溶液pH值快速升高。同时促进了碳酸的二级电离，产生较多的CO32-,进而与溶液中的Ca2+结合，生成碳酸盐。其化学反应方程式为：

HCO3-+Ca2+=CaCO3+H+

CO2+H2O=H++HCO3-

HCO3-=H++CO32-

在CO2与地层岩石发生反应过程中，同时生成一些新的矿物和一些中间产物。新生成的矿物主要为高岭石。新生成的中间产物为碳酸盐岩胶结物质。

在整个反应过程中地层渗透率、孔隙度、空隙体积是不断变化的。在注入CO2时，CO2会萃取稠油中的沥青质，使其吸附在岩石表面，从而降低岩石孔隙度和渗透率。但CO2会和地层中的岩石发生反应，溶解一部分岩石，使得地层孔隙度和渗透率增大。这二者最终的作用可以抵消，对地层渗透率影响不大。最主要的是地层水中Ca2+的溶解和沉淀，对地层孔隙度和渗透率起决定性作用。新生成的高岭石、中间产物和由碳酸盐胶结物质溶解释放出的粘土颗粒一起运移至孔喉，从而堵塞空隙，导致岩石渗透率降低。

3.4利用CaCO3沉淀进行调剖堵水提高波及系数

通过以上对CO2在地层条件下与岩石反应的分析，可以得到Ca2+浓度的变化过程。由上文可知在CO2注入量为5 PV时Ca2+浓度最小，这时Ca2+绝大多数变为碳酸钙沉淀，伴随着碳酸钙沉淀生成的物质还有少量的中间物质(趋向于粘土矿物)和碳酸盐胶体。这些生成物会随着水蒸汽和少量的原油沿着汽窜通道运移，这些生成物会在喉道出现沉降堆积，最终堵塞喉道，降低大孔道的渗透率。这时迫使高温水蒸汽流经小孔道，从而降低小孔道中稠油的粘度，并由水蒸汽驱替出来。水蒸汽的波及面积逐渐扩大。

4结语

(1)CO2在稠油中发生溶解作用，产生羧化作用，同时还可以对稠油内部胶质沥青质所形成的胶束网络结构具有一定的破坏作用，会大幅度降低稠油的粘度，从而提高原油的流动能力。

(2)单独注入水蒸汽时，温度降粘效率一般,在水蒸汽中添加CO2驱替稠油可明显改善这种情况，在温度为70℃时粘度已经降到2.1 mPa·s，容易开采，水蒸汽热损失对温度降粘影响不大。

(3)水蒸汽加CO2驱替稠油，摩尔比为25：1时，注入速度为3.6×1010mol/h时驱油效果最明显,此时Ca2+都转化为碳酸钙沉淀，堵塞大的喉道，改变流动通道，从而提高水蒸气的波及体积改善汽窜现象。

参考文献

[1]范耀，刘易非，茹婷，等.稠油高温气体辅助蒸汽驱的可行性研究[J].新疆石油地质.(34)(5).

[2]秦积舜，李爱芬.油层物理学[M].中国石油大学出版社.

[3]王瑞和，李明忠.石油工程概论[M].中国石油大学出版社.

[4]丁雪艳.CO2驱油技术研究现状与发展趋势[M].

[5]凌建军，黄鹉.非混相二氧化碳开采稠油[J].采收率技术.1996，3(2):13-19.

[6]美合日阿依·穆太力普.CO2驱提高石油采收率的技术经济性分析[D].大连理工.2012.6.

[7]李玉星，张建，李曼曼.超临界CO2超稠油降粘特性与计算模型研究[J].科学技术与工程.2012(02).

[8]安杰.考虑传质扩散作用的CO2驱油数学模型及其影响的研究[J].2009.11.

[9]于志超，杨思玉，刘立，等.饱和CO2地层水驱过程中的水—岩相互作用实验[J].石油学报.2012(06).

[10]于炳松.成岩作用中的地下水碳酸体系与方解石溶解度[J].沉积学报.2006(5).

[11]张忠义，周游，沈德煌，等.直井—水平井组合蒸汽氮气泡沫驱物模实验[J].石油学报.2012.1.

[12]张代森.堵水调剖控水稳油技术[J].胜利采油研究院.2012.3.

[收稿日期]2016-02-28

[作者简介]王恒力(1991-)，男，陕西渭南人，在读硕士研究生，主攻方向：油气田地质与开发。

[中图分类号]P618.13

[文献标识码]B

[文章编号]1004-1184(2016)03-0255-03