贾凯锋，计董超，高金栋，王世璐

(1.西北大学地质学系/大陆动力学国家重点实验室，陕西西安 710069； 2.中石油新疆油田分公司工程技术公司，新疆克拉玛依 834000)

中国的陆相沉积盆地发育的低渗透储层常蕴含着丰富的油气资源，由于技术的发展和研究的深入，我国低渗透油藏的油气产量的占比逐年上升。低渗透油藏的油气地质储量已经占到油气总储量的一半以上，甚至更高[1-2]。低渗透油藏物性差、非均质性强、产能低，常在实施酸化压裂的措施下才能获得工业油流[3]。低渗透储层地下流体流动方式复杂，在开发时，常出现注水困难、油藏能量不足、地层压力下降快、自然产能低等问题，从而导致低渗透储层的原油采收率通常较低。而注CO2驱油时CO2可与油层流体等发生一系列的物理化学反应，能很好地解决这些问题并最终使得采收率得以提高[4-7]，比如CO2与原油混相后可使低渗储层的毛管阻力大幅降低，使原油体积膨胀增加其流动性等。所以低渗透油藏适用于CO2驱油技术进行开发。据统计，CO2驱油技术可将原油最终采收率提高10%～15%甚至更高[8]。故注CO2驱油对低渗透油藏有良好的适应性。近年来，由于人们对气候环境的变化尤为关注，而CO2气体的排放是导致温室效应的主因之一，因此对CO2的减排及资源化利用就变得越来越重要，向地层中注CO2驱替原油就是有效的途径之一。油田开发的过程中，注CO2驱油不仅能提高原油的采收率实现巨大的经济效益，而且能对CO2气体实现资源化利用降低对环境气候的不利影响。因而注CO2驱油具有良好的发展前景[9-11]。

1 国内外注CO2驱油技术研究现状

早在1952年，苏联就首次对CO2驱油技术进行了研究，并于1968年图依马津油田进行了CO2驱油试验，取得了良好的开发效果，使该区的原油最终采收率提高了15%[12]。美国于1958年对Permain盆地进行了CO2驱油现场应用，发现向地层中注CO2不仅可以补充地层能量，同时能提高原油产量[13-15]。20世纪70年代以后，美国的CO2驱油技术取得了巨大进展，并将CO2驱油技术作为提高原油采收率的最重要的手段之一。目前，美国已经是世界上CO2驱油技术应用最多、经验最丰富、技术最成熟的国家[12,16-17]。经过长达半个多世纪的研究和现场试验，也得益于政府的支持及政策的推动，截至2014年，美国已实施的CO2驱油项目达137个，应用该技术提高采收率的年产量为1 371×104t，占世界CO2驱油提高采收率产量的93%[12]。值得注意的是，由于美国储层为海相沉积，油藏的温度压力均较低，容易达到混相驱条件，因此美国CO2混相驱项目占绝大多数，并且CO2混相驱项目主要集中在低孔低渗油藏。81个渗透率小于50 mD的CO2驱油项目中，低渗透油藏的CO2驱油项目占了64%，单井增产效果明显[18]。此外，加拿大、土耳其也开展了CO2驱油技术的相关研究和试验，都不同程度地获得了成功[19-21]。

我国在20世纪60年代开始重视并发展CO2驱油技术，起步较晚，相关研究也较为薄弱。全国部分油田陆续开展了CO2驱油的先导试验，1963年大庆油田首次在国内进行了CO2驱油研究，随后又陆续开展了CO2驱油的试验，1991—1993在萨南东部开展的气水交替注入CO2非混相驱试验中，原油采收率提高了4.67%[22]。1995年吉林油田开展了CO2单井吞吐试验，经多次试验，获得增产原油1 420 t。1998年江苏油田富14断块开展了CO2—水交替注入试验，实现了CO2混相驱；到2002年，CO2波及区的原油采收率已提高了4%，综合含水率也出现大幅下降[23]。1998年胜利油田也进行了CO2单井吞吐试验，获得了单井增产原油200 t以上的良好效果[24]。近年来，鄂尔多斯盆地正在开展低渗透储层注CO2室内研究和现场试验，室内实验效果良好，增产油量及采收率都有较大提升，2012年在靖边油田进行了CO2驱油的室内实验[25]，结果表明，CO2驱油使得该区的驱油效率达到了77.3%[26]。我国的CO2驱油技术过程中，室内实验和矿场试验都取得了重要的进展，开发效果明显得到改善。但由于我国油藏条件与美国相差较大，加之研究进程较短，经验尚不丰富，导致我国CO2技术的研究和应用方面与国外还有不小差距。

2 CO2驱油机理

CO2有气、液、固3 种相态，在温度、压力条件下，其相态和性质都会发生变化。CO2在原油中的溶解度是在水中的3～9倍，故在油藏中CO2更倾向于在油中溶解。由于CO2具有相态易随温度和压力变化、油藏中易溶于原油的性质，因此在油藏开发时，CO2可作为一种高效的驱替剂进行驱油[27-28]。

CO2驱油机理主要有：①降低油水界面张力：在注CO2驱油的过程中，CO2可在一定的温压条件下与原油中的轻质组分(C2～C6)混合，可有效降低油水两相的界面张力，并且CO2浓度越大，界面张力的降低程度越明显。从而使得CO2在驱替过程中受到的阻力大大减小，以达到提高采收率的效果[27,29]。②降低原油黏度：原油中溶解CO2后，其黏度会明显降低。温度和压力对CO2在原油中的溶解度有影响，温度过高会影响CO2在原油中的溶解，不利于降黏；相同的温度条件下，压力上升，会使CO2在原油中的溶解度增大，对降低原油黏度有利。再者，CO2的密度会随压力的上升而增大，有利于减少油气的重力分异现象[27,30-31]。③使原油体积膨胀：试验研究结果表明，CO2在原油中的溶解会使原油体积膨胀10%～40%，并且CO2的溶解度越大，原油的膨胀程度就越大，原油膨胀会使得原油的流动能力增强，更容易被驱替[27]。④驱油过程中压力降低造成溶解气驱：CO2注入油层会使其压力升高，但随着驱替过程的进行，压力的降低会使CO2从原油中重新逸出占据孔隙空间，进而形成溶解气驱，有利于驱油[27,31-33]。⑤改善油水的流度比：CO2在水中使水的黏度增大，而在原油中的溶解会使原油黏度降低，使两者黏度趋于接近，从而改善原油和水的流度比[27,34]。⑥酸化解堵，提高注入能力：CO2溶于水后会生成碳酸而使水溶液呈酸性，对页岩来说，酸性水溶液可以抑制页岩层中黏土的膨胀，使页岩层更加稳定。CO2溶于水形成的酸性溶液也会与砂岩和碳酸盐岩储层中的易溶矿物发生反应，使其物性变好。CO2的大量注入，可在一定程度上冲刷地层的堵塞物，疏通被污染的地层[27,35]。⑦萃取和气化原油中的轻质烃类：CO2可在地层条件下萃取和气化原油中的轻质组分，从而能增加单井产油量[27,36]。⑧混相效应：当压力达到混相压力后，CO2与原油中的轻质烃混合，会在驱替前缘形成油带，使得驱油过程中原油采收率得到极大提高[27,37]。

CO2驱油模式可分为3种：CO2非混相驱、CO2近混相驱和CO2混相驱[38]。

2.1 CO2非混相驱

地层压力小于CO2最小混相压力，CO2与原油之间仍存在较强的界面张力，这种模式称为CO2非混相驱。这种状况下，部分CO2溶于原油，使得原油体积膨胀且黏度降低，从而达到驱油的目的。由于不能达到混相，只有部分CO2与原油作用，因此CO2非混相驱的驱油效率较低，这也是美国、加拿大等国家较少采用CO2非混相驱的原因[27,31,37]。当油藏性质不适宜采用CO2混相驱时，采用CO2非混相驱，也可在一定程度上提高原油采收率。虽然对CO2非混相驱的研究不如CO2混相驱深入成熟，但经长时间的研究和试验，利用CO2非混相驱进行驱油的开发效果已经较之前有了较大的提升，2014年，美国CO2非混相驱的年产量已经达到106.89×104t[18,39]。据统计，CO2非混相驱的原油最终采收率可达50%以上[39]。

2.2 CO2近混相驱

当生产井附近的地层压力小于CO2混相压力，而注入井附近的地层压力大于CO2混相压力时，为CO2近混相驱[37]。即注入井附近CO2与原油实现了混相，生产井附近CO2与原油并没有实现混相。总体上驱替压力低于并接近最小混相压力，所以CO2近混相驱中CO2与原油并未达到真正混相。目前，低渗、特低渗油藏采用CO2驱油技术时多采用近混相驱模式，由于低渗、特低渗储层在生产初期几乎都采取了压裂措施，并且驱替体系的压力多消耗在近生产井地带，因此这类油藏在开发时难以达到混相条件。

2.3 CO2混相驱

当地层压力大于CO2混相压力，小于地层破裂压力时，为CO2混相驱。CO2混相驱中CO2与原油实现混相，消除了两相之间原本存在的界面张力。其主要机理有降低原油黏度、降低油水界面张力、使原油体积膨胀、酸化解堵、改善油水的流度比及萃取和气化原油中的轻质烃类等。由于其提高采收率的程度比非混相驱和近混相驱都好，因此国外油田的试验和开发多数均采用CO2混相驱模式，截至2014年，美国的CO2混相驱项目已达128个，年产量达1 264×104t[27,38]。据统计，CO2混相驱的原油最终采收率可达60%～70%[40]。

3 注CO2驱油目标地层筛选标准

目前CO2驱油藏的筛选标准较多，国内外诸多学者都曾提出气驱的筛选标准[41-44]。这些标准均以达到混相驱为基础，以实现最佳驱替效果为目标，大都没有涉及气驱的经济评价。美国能源部研发的小型软件CO2Prophet在进行筛选时将经济指标纳入其中，但在应用过程中与实际情况相差甚远[41]。目前较为普遍的CO2驱筛选标准见表1，尽管该标准考虑的参数相对较多，但仍是仅仅粗略地给出了一个建议值，也缺少对经济指标的衡量。

表1 国内外CO2驱油油藏筛选标准[41]Table 1 Screening standard of reservoir by CO2 flooding

王高峰、郑雄杰等在表1的基础上考虑了CO2驱油时的经济因素，提出适合CO2驱的低渗透油藏的“4步筛查法”，对表1的筛选标准进行了很好的补充，也使CO2驱油的低渗透油藏筛选更具指导意义。

近年来，杨红等人用灰色关联方法建立CO2驱油油藏分类标准(表2)，为CO2驱油藏筛选标准提供了一种全新的思路，该方法突破了前人仅从参数的取值范围进行筛选的传统模式。杨红等人是对参数进行综合评价分析，消除了单因素对结果的绝对影响，显然更为合理。该方法对7个油藏的影响参数进行初始化分析并求取其权重系数，再求取各影响参数的初始化值与其权重系数的乘积，各乘积求和得到各油藏的CO2驱油适宜程度评价值，将各油藏的CO2驱油适宜程度评价值与其实际CO2驱油提高采收率的幅度进行比较，发现两者具有较为明显的一致性。在此基础上，建立CO2驱油油藏分类标准。

表2 CO2驱油油藏分类标准[45]Table 2 Suitibility classification of CO2 flooding

该分类方法通过多个影响参数进行综合分析，可靠性较高。但不足之处是选取样本太少(仅7个油藏)，大规模推广使用时的准确性和可靠性尚需进一步研究和确认。

4 注CO2驱油的室内研究

CO2驱油技术的室内研究主要集中在最小混相压力确定、流体相态研究和岩心驱替实验3个方面[46]。

4.1 最小混相压力(MMP)的确定

室内实验和现场试验均证明，CO2混相驱提高原油采收率的效果优于CO2非混相驱，要实现CO2与原油混相，最重要的就是测定最小混相压力。理论上，最小混相压力的定义为：在一定温度原油组分条件下，CO2与原油达到混相时所需的最小压力。实际上的定义：原油采收率随压力上升而增大过程中，原油采收率发生急剧变化时所对应的压力[47-48]。

确定最小混相压力的实验方法主要有细长管实验法、升泡仪法和消除界面张力法等[49]。

细管实验法是目前被认为测定最小混相压力精度最高的方法。细管实验法通过建立简化的物理模型，使CO2气体原油在模型中反复多次实现动态混相，获得不同驱替压力下的CO2驱油效率，建立压力与驱油效率的关系曲线，来最终确定CO2与原油的最小混相压力[49]。细长管实验法测定最小混相压力虽然应用广泛，但是尚未形成统一的标准，如细管的长度、细管内部的填充物、细长管的直径等。郭平等[50]认为，在用细长管实验法测定最小混相压力时，要充分考虑注采井的间距，细长管要尽可能长一些[48,51]。并且该方法耗时较长，约1～2周，测量结果易受细管长度和充填物的影响[49]。

升泡仪法确定最小混相压力主要是通过观察不同压力下CO2气体在原油中的形状来判断是否达到混相。该方法的结果带有较大的主观性，误差和不确定性较大[41,44]。

消除界面张力法是根据不同压力下CO2与原油的界面张力大小不同的原理来确定最小混相压力的，界面张力为0时，即表示CO2与原油达到混相，再通过外推得到最小混相压力。常用测定界面张力的方法有高压悬滴法、液滴体积法等[48,52-58]。

确定最小混相压力方法的优缺点见表3。

赵金省等[49]采用可旋转活塞式高温高压配样器，利用两相接触原理，使容器在一定频率下摆动，间隔3 min记录一次容器压力，进而确定最小混相压力。该方法具有原理简单、大幅缩短实验时间的优点，并且其测定结果与细管实验法测得的结果相一致，相对准确可靠。此外，刘瑜等[60]利用CT扫描技术、Liu Yu等[61]利用核磁共振技术、Hawthorne等[62]通过测定不同压力下毛细管中的油柱高度、Michel[63]利用气体在液体中形成气泡的体积与两相界面张力成正比的原理，都分别建立了测定最小混相压力的新方法。

表3 主要方法的优缺点[59]Table 3 Advantages and shortages of main MMP determination methods

目前，确定最小混相压力，细管实验法仍是最常用、最可靠、精度最高的方法。

4.2 流体相态研究

油藏流体的高压物性是实施CO2驱油相关室内测试、数值模拟、方案制定等的基础内容，油藏压力、温度、流体组成以及原油溶解气共同决定着油藏流体物性。一般借助高压PVT仪对液体相态进行测试，通过闪蒸分离实验、恒质膨胀、差异分离等实验方法，获取研究区的泡点压力、黏度、溶解气油比等基本物性参数[59,64]。

CO2与地层油之间的相态研究是CO2驱油机理和可行性研究的关键问题之一。目前研究CO2与地层油相态的方法主要有2种：一是借助高压PVT装置进行加气膨胀实验，二是描述CO2和地层原油动态接触的多次接触实验[59,64]。

4.3 岩心驱替实验

进行CO2驱油实验时，常用的地层能模型主要有细长管、天然岩心、填砂管、人造岩心和平板模型等[48]。目前，在进行驱替实验时，多采用天然岩心进行，岩心直径在2.5 cm左右，长度不等，按布拉法则组合成长岩心(十几厘米至几十厘米不等)进行实验，以尽可能逼近地层条件，提高驱替实验的准确性[65]。研究表明，岩心越长，扩散系数越高，CO2与原油的传质越充分，采用长岩心进行驱替时的采收率明显高于短岩心[48]。由此可见，长岩心在进行CO2混相驱实验时所得结果相对准确、可靠。

近年来，有关学者通过引入核磁共振方法对岩心驱替实验中CO2的驱油特征进行研究[66-67]，实现了CO2驱替过程中的可视化。核磁共振成像技术应用于岩心驱替实验最突出的优点就是无损和直观显示[68-71]。赵越超、宋永臣等[68]利用核磁共振成像技术对岩心驱替实验中CO2的驱油特征进行了可视化研究，该方法直观地展现了CO2混相驱和非混相驱过程中流体的流动状态，并实现了对CO2混相驱和非混相驱过程中流体的窜流和黏性指进现象的实时监测。

5 CO2的注入方式

在通过CO2驱对低渗透油藏进行开采时，CO2注入方式主要有气水交替注入、CO2吞吐、周期注气、连续注气、CO2驱转水驱、水驱转CO2驱等，研究表明，开发效果最好、采收率提高幅度最大的是气水交替注入和CO2吞吐，其余注入方式的开发效果相对较差。

5.1 气水交替注入

实施CO2驱时容易发生气窜，所以一般采用水气交替注入方式[72]，该注入方式是向油藏中注入CO2使原油黏度降低、体积膨胀后，再进行注水，从而有利于扩大波及面积、提高驱油效率和采收率[73]。

研究表明[68-72]，低渗透油藏CO2驱油时，气水交替注入方式下开发效果最好。并且开发效果受气水比、气水交替段塞大小、CO2注入时间、注入速度等的影响。

赵明国等[74]研究表明，低渗透油藏进行CO2驱油时，在同样的注入量下，水气比小于1∶1时，水气段塞不大于0.2 PV的情况下，水气交替段塞越大，驱油效果越好。钟张起、吴义平等[75]研究认为，低渗透油藏进行CO2驱油时，CO2注入时间越早，开发效果越好。杨红、吴志伟[76]通过室内实验对低渗透油藏的CO2注入方式进行了研究，结果表明，气水交替驱的最佳注入速度为0.727 mL/min，最佳注入段塞为0.1 PV，最佳气水比为1∶1。

5.2 CO2吞吐

该注入方式是向油藏中注入CO2，然后关井一段时间，使CO2气体与油藏流体充分接触，再进行生产。其机理仍是降低原油黏度、使原油体积膨胀、酸化解堵、改善油水的流度比及萃取和气化原油中的轻质烃类等。CO2吞吐对稠油油藏的开发效果好[31]，CO2吞吐这种注入方式对于低渗透油藏也有良好的开发效果。

赵明国、刘崇江[77]对松辽盆地中央凹陷区的低渗透油藏的CO2注入方式(CO2吞吐后气驱、水驱转CO2驱、气驱、气驱转水驱和CO2吞吐5种)进行了研究，结果表明，同样条件下，对该区低渗透油藏来说，提高采收率最高的注入方式是CO2吞吐后气驱，只进行CO2吞吐的累积采收率最低。

5.3 周期注气

周期注气具有CO2气水交替、连续注气和CO2吞吐的优点，即先向油层中注一个周期的CO2，然后关井，关井期间CO2会充分接触原油，增大原油体积，降低原油黏度，一个周期结束后，再进行第二周期注气。周期注气能较充分地利用CO2的驱油机理，扩大波及面积，增大驱油效率，提高采收率，但是所需时间较长[78]。

何应付、周锡生等[78]对难以进行气水交替驱的低渗透油藏的注入方式进行了研究，着重将周期注气与其他注入方式进行了比较，发现周期注气应用于低渗透油藏可以取得良好的开发效果。

6 存在问题

6.1 气窜问题

中国低渗透油藏的地质储量大，前已述及，CO2驱油技术适用于低渗透油藏，但是我国多为陆相沉积低渗透储层，储层非均质性强，且部分地区多发育裂缝，注入油藏的CO2极易沿裂缝发生气窜，如何有效地避免在进行CO2驱油过程中过早气窜的问题，是运用CO2驱油技术需要攻克的难关。

6.2 气源问题

气源问题是制约我国现场CO2驱油技术发展的因素之一，美国多以天然的CO2气藏作为气源，经济成本低。而我国则不同，没有完全相应便于利用的CO2气藏作为气源，所以除了江苏油田、胜利油田、吉林油田和大庆油田有天然的CO2气藏作为气源，其他目前无良好天然CO2气藏的油田只能通过收集、处理和运输工业废气或加强CO2气藏的勘探两种方法来解决气源问题，但是收集、处理和运输工业废气工作目前成本还较高、技术也不十分成熟[79-80]。近年发展起来的CO2就地提高采收率技术可在一定程度上有效解决目前存在的CO2气源问题以及管线、设备腐蚀问题，该技术是向地层中注入来源广、费用低的反应液，使其在油藏条件下生成CO2，来达到驱替原油的目的，这项技术不仅能大幅减少CO2形成的酸性液体对地面管线、设备的腐蚀，也能有效减少CO2泄露对环境的污染，经济可行，具有推广优势[81-82]。

6.3 针对我国低渗透油藏的CO2驱的筛选标准尚不完善

我国低渗透油藏储量巨大，但针对CO2驱油低渗透油藏的筛选标准尚未建立，虽然表1 的CO2驱油油藏筛选标准能对CO2驱油低渗透油藏的筛选起到一定的指导作用，但这种指导很有限。虽然后来学者[41,45]都对表1的筛选标准进行了拓展和完善，但都未能提出一个简单易行的适合CO2驱油低渗透油藏的筛选标准。由于我国低渗透油藏的储量巨大，加之CO2驱油对低渗透油藏的适应性，广泛开展室内实验和现场试验的研究、尽快建立CO2驱油低渗透油藏的筛选标准是必要的，这对指导我国低渗透油藏的高效开发具有重要意义。

6.4 最小混相压力过高

由于陆相沉积的特性，中国大部分CO2驱的低渗、特低渗油藏都存在混相压力过高的问题，最小混相压力多接近或高于20 MPa，往往高于地层压力，导致注CO2驱油过程中难以实现混相驱[83-87]。过高的最小混相压力往往会对低渗透油藏的注气开发造成不利影响，如导致CO2注入压力大于地层破裂压力，使CO2驱油项目难以进行等。CO2与原油的最小混相压力受油藏温压、原油组分和CO2纯度3个因素的影响，从这3个影响因素出发进行综合评价分析，以最大限度地降低CO2与原油的最小混相压力，这对CO2驱油项目的顺利进行和实现CO2混相驱都有重要意义。Bon. J通过对澳大利亚的Cooper盆地进行研究发现，在CO2气体中加入少量C5+，可使最小混相压力降低16%[28]；原油中轻质组分含量的增加会导致CO2的MMP的升高[48,88]，而中间组分(C2～C6)含量的增加会使得CO2的MMP降低[48,89-90]。但Yang[91]等的研究结果发现原油中C2～C10含量的增加，也可使CO2的MMP降低；杨红等[92]研究发现原油中C5～C9组分、C10～C14组分含量的增加都利于降低CO2的MMP。气体的组成不同，也会对CO2的MMP产生不同程度的影响，研究发现，CH4、N2都会不同程度地使CO2的MMP增大[93]；C3H8会降低CO2的MMP，CO2中含有25%的C3H8可将其MMP降低30%；CO2中含少量的H2S也会使CO2的MMP降低[94]。

6.5 管线、设备的腐蚀

CO2溶于水产成的酸性易对设备管线等金属材料产生腐蚀，会导致泄露等事件的发生。另外，这些腐蚀产物顺管线进入储层会造成堵塞，污染伤害储层。经不断研究，防腐蚀技术已经取得一定进展，选用耐腐蚀性强的金属材料、涂层、非金属材料和加缓蚀剂等措施已经有效地应用到CO2驱油项目中[27]。

7 结论及展望

我国低渗透油藏储量丰富，为更好地发展CO2驱油技术在我国低渗透油藏的应用，未来的重点应在以下4个方面：首先，尽快建立适应我国CO2驱的陆相低渗透油藏筛选标准；其次，加大低渗透油区的CO2气藏的勘探力度，同时尽快完善和发展CO2就地提高采收率技术；再次，我国的陆相沉积储层常具有油藏温度、压力双高的特点，往往在油藏条件下难以达到混相，所以对降低最小混相压力的研究是CO2驱油技术研究的关键之一；最后，我国应借鉴美国CO2驱油技术的发展经验，出台相应政策和法规，积极鼓励引导非国有资本参与CO2驱油的研究中去，激发多方创新活力，以更好地服务我国CO2驱油技术的发展。