二氧化碳驱油原理

第一章 二氧化碳驱油机理第一节 驱油机理2CO 是一种在油和水中溶解度都很高的气体，当它大量溶解于原油中时，可以是原油体积膨胀，粘度下降，还可降低油水间的界面张力；2CO 溶于水后形成的探索还可以起到酸化作用。

它不受井深、温度、压力、地层水矿化度等条件的影响，由于以上各种作用和广泛的使用条件，注2CO 提高采收率的应用十分广泛。

人们通过大量的室内和现场试验，都证明了2CO 是一种有效的驱油剂，并相继提出了许多注入方案。

包括：连续注2CO 气体；注碳酸水法；注2CO 气体或液体段塞后紧接着注水；注2CO 气体或液体段塞后交替注水和2CO 气体（W AG 法)；同时注2CO 气体和水。

连续注入2CO 驱替油层时，由于不利的流度比及密度差，宏观波及系数很低，2CO 用量比较大，实施起来不够经济，用廉价的顶替液驱动2CO 段塞在经济上更有吸引力。

用碳酸水驱油实质是利用注入的水和2CO 溶液与地层油接触后，从其中扩散出来的2CO 来驱油，但此扩散过程较慢，与注入纯2CO 段塞相比达到的采收率比较低。

注2CO 段塞的工艺包括；注2CO 段塞后注水、注段塞后交替注水和注2CO 气体，前一种方法是水驱动2CO 段塞驱扫描整个油层，尾随的水不混相地驱替2CO ，在油层中留下一个残余的2CO 饱和度，后一种方法，其目的在于降低2CO 的流度，提高油层的波及系数。

提出的另外一种工艺是通过双注水系统同时注水和2CO （见下图），但是这种工艺的施工和完井的成本高，经济风险更大。

沃纳（Warner1977）和费耶尔斯（Fayers ）等人在模拟研究中证明，W AG 注入法要比连续或单段塞注入法优越。

沃纳的研究结果还表明，连续注入2CO 可采出潜在剩余油量的20%；注入2CO 段塞可采出25%；而WAG 法可采出注水后地下原油的38%；同时注入气与水可采出47%的原油，但此法仍存在着严重的操作问题。

由此看来，W AG 法仍然是最经济可行的2CO 驱工艺，但它不适合于低渗透砂岩，因为在这种砂岩中，由于水的流度很低，变换注入方式可能造成注入速度严重降低。

不管2CO 是以何种方式注入油层，2CO 之所以能有效地从多孔介质中驱油，主要是由于以下各因素作用的结果：（1）使原油膨胀；（2）降低原油粘度；（3）改变原油密度；（4）对岩石起酸化作用；（5）可以将原油中的轻质馏分汽化和提取；（6）压力下降造成溶解气驱；（7）降低界面张力；CO驱项至于哪个因素起主要作用，取决于油层温度、压力和原油组分，对于某个具体的2目来说，其主要驱替特效性应处于图1-2中所示的五个区域中的一个：区1：低压环境；区2：中压、高温环境；区3：中压、低温环境；区4：高压环境；区5：高压、低温（液体）环境。

CO处于-56.6 O C,0.422MPa时，固体、液体和气体同时存在，即三相点。

当二氧化当2碳处于31○C，7.39MPa时，气体、液体同时存在，即临界点。

当温度高于31○C时，压力增大，二氧化碳也只能是气态，见图1.3因为二氧化碳的分子不具有水分子的固有极性，所以在较高的油藏温度和压力下，它不是以低粘度的液体溶于油中，就是以高密度的气体溶于油中；并且随着压力升高，其溶解度也相应增大，见图1.4。

原油中溶有注入的二氧化碳时，原油性质会发生变化，甚至油藏性质也会得到改善，这就是二氧化碳提高原油采收率的关键。

下面详细分析二氧化碳驱油提高采收率的机理。

1.降低原油粘度二氧化碳溶于原油后，降低了原油粘度，原油粘度越高，粘度降低程度越大，见表。

40○C时，二氧化碳溶于沥青可大大降低沥青的粘度。

温度较高时（120○C以上），因二氧化碳溶解度降低，降粘作用反而变差；在同一温度条件下，压力升高时，二氧化碳溶解度升高，降粘作用随之提高。

但是，压力过高，若压力超过饱和压力时，粘度反而上升。

原油粘度降低时，原油流动能力增加，从而提高原油产量2.改善原油与水的流度比大量的二氧化碳溶于原油和水，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○C和12.7MPa的条件下进行了有关试验，试验表明，二氧化碳在油田注入水中的溶解度为5%（质量），而在大庆油田原油中的溶解度为15%（质量）；由于大量二氧化碳溶于原油中，使原油粘度由9.8mPa·s降到2.9mPa·s，使原油体积增加了17.2%，同时也增加了原油的流度。

水碳酸化后，水的粘度也要增加，据前苏联有关文献报道，二氧化碳溶于水中，可使水的粘度提高20%以上，见图，同时也降低了水的流度。

因为碳酸化以后，油和水的流度趋向靠近，所以改善了油与水流度比，扩大了波及体积。

3.使原油体积膨胀二氧化碳大量溶于原油中，可使原油体积膨胀，原油体积膨胀大小，不但决定于原油分子量的大小，而取决于二氧化碳的溶解量。

二氧化碳溶于原油，使原油体积膨胀，也增加了液体内的动能，从而提高了驱油效率。

大庆勘探开发研究院用萨尔图油田南4-丁2-346井原油进行了试验。

目的是为了了解二氧化碳溶于原油后，油相的体积与原始油样的体积比与压力的关系。

试验条件为：取样深度800m，原油饱和压力6.7MPa，密度0.798g/cm3，粘度8.8mPa·s，二氧化碳纯度96.86%，试验温度48○C，测试压力7.00~28.12MPa。

试验结果如图图表明，二氧化碳溶于原油后，油体积先是随着压力的升高而增大，这是因为二氧化碳溶于原油中，溶解度随着压力上升而增大，致使原油体积膨胀率也逐渐增大。

图中两条曲线分别表示原油样体积与二氧化碳体积比1：1.7和1：1.6的情况。

当压力上升到10.55MPa 时，油相体积分别达到最大值。

此后，油相体积随压力升高而减小。

这就是所谓二氧化碳萃取和汽化原油中轻质烃组分的过程。

这也就是下面我们要介绍的二氧化碳混相驱油的重要机理。

4.使原油中轻烃萃取和汽化当压力超过一定值时，二氧化碳混合物能使原油中不同组分的轻质烃萃取和汽化。

S·B·Mikael和F·S·Palmer对路易斯安娜州采用二氧化碳混相驱的SU油藏64号井的产出油进行了分析，认为二氧化碳混合物对该油藏原油轻质烃其实存在萃取和汽化作用，见图。

该井注二氧化碳（CO284%，甲烷11%，丁烷5%）之前，原油相对密度为0.8398；1982年注入CO2混合物后，初期产出油平均相对密度逐渐上升，从0.7587增加到0.8815；这说明原油中轻质烃首先萃取和汽化，以后较重质烃也被汽化产出，最后达到稳定。

但是，注入CO2混合物后，产出油的最大相对密度是0.8251；1984产出油的相对密度为0.8251；1985年以后产出油相对密度基本稳定在0.8155。

也低于原始原油的相对密度0.8398。

这充分证明注入CO2混合物确实存在原油中轻质烃萃取和汽化现象。

萃取和汽化现象是CO2混相驱油的重要机理。

在该试验中，当压力超过10.3MPa时，CO2才使原油中轻质烃萃取和汽化；当压力超过7.85MPa时，采收率就相当高，可以高达90%。

5.混相效应混相的最小压力称为最小混相压力（MMP)。

最小混相压力取决于CO 2的纯度、原油组分和油藏温度。

最小混相压力隋朝油藏温度的增加而提高；最小很想压力随着原油中C 5以上组分分子量的增加而提高；最小混相压力受CO 2纯度（杂质）的影响，如果杂质的临界温度低于CO 2的临街温度，最小混相压力减小，反之，如果杂质的临界温度高于CO 2的临界温度，最小混相眼里增大。

CO 2与原油混相后，不仅能萃取和汽化原油中轻质烃，而且还能形成CO 2和轻质烃混合的油带（oil banking ）。

油带移动是最有效的驱油过程，它可以使采收率达到90%以上。

6.分子扩散作用非混相CO 2驱油机理主要建立在CO 2溶于油引起油特性改变的基础上。

为了最大限度地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CO 2饱和原油。

但是，地层基岩是复杂的，注入的CO 2也很难与油藏中原油完全混合好。

多数情况下，CO 2是通过分子的缓慢扩散作用溶于原油的。

分子扩散过程是很慢的。

特别是当水相将油相与CO 2气相隔开时，水相阻碍了CO 2分子向油相中的扩散，并且完全抑制了轻质烃从油相释放到CO 2相中。

在三次采油中，通过CO 2驱动水驱替后的残余油的机理至今还没有完全掌握。

如果是因 为油碰撞的结果，则油水弯月面的变化，引起毛细管力平衡的破坏，相的重新排列可能导致油的流动。

如果水相被完全驱替，油和CO 2直接接触，将使原油降粘和膨胀，增加了原油的内能，也可导致采收率提高。

不论是哪种作用，都必须有足够的时间使CO 2分子充分地扩散到油中。

在高温和高压条件下，在现场测定CO 2扩散系数是非常困难的，通常用下面的经验公式进行计算。

CO 2在油中的扩散系数Ds.0=1.41×10-10μ0-0.49式中 Ds ·o ——CO 2在油中的扩散系数，m 2/s ；μ0——油的粘度，mPa ·s 。

CO 2在水中的扩展系数：ωμT 12-105.72w Ds ⨯=⋅ 式中 Ds ·w ——CO 2在水中的扩散系数，m 2/s ；T ——温度，K ；μw ——水的粘度，mPa ·s 。

如果CO 2通过水堵段的扩散距离是X ，通过水堵段扩散所需的时间是t ，可用下式表示它们之间的关系。

t =X 2/Ds ·w也可以用实验室岩心驱扩散时间，计算现场CO 2扩散时间。

2e p )(t t Xe Xp == 式中 t p ——现场CO 2扩散时间；t e ——试验扩散时间；X p ——现场扩散距离；X e ——试验扩散距离。

7.降低界面张力试验证明：残余油饱和度随着油水界面张力减小而降低；多数油藏的油水界面张力为10~20mN/m ，想使残余油饱和度趋向于零，必须使油水界面张力降低到0.001mN/m 或者更低。

界面张力降到0.04mN/m 一下，采收率便会更明显地提高。

CO 2驱油的主要作用是使原油中轻质烃萃取和汽化，大量的烃与CO 2混合，大大降低了油水界面张力，也大大降低了残余油的饱和度，从而提高了原油采收率，见图。

从图中可以看出，随着见面张力的降低，采收率逐渐提高。

8.溶解气驱作用大量的CO 2溶于原油中，具有溶解气驱作用。

降压采油机理与溶解气驱相似，随着压力下降CO 2从液体中溢出，液体内产生气体驱动力，提高了驱油效果。

另外，一些CO 2驱替原油后，占据了一定的空隙空间，成为束缚气，也可使原油增产。

9.提高渗透率碳酸化的原油和水，不仅改善了原油和水的流度比，而且还有利于抑制粘土膨胀。