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CO2驱油机理研究综述第一章概述1.1 CO2驱国外发展概况注入二氧化碳用于提高石油采油率已有30多年的历史。
二氧化碳驱油作为一项日趋成熟的采油技术已受到世界各国的广泛关注，据不完全统计，目前全世界正在实施的二氧化碳驱油项目有近80个。
90年代的CO2驱技术日趋成熟，根据1994年油气杂志的统计结果，全世界有137个商业性的气体混相驱项目，其中55﹪采用的是烃类气体，42﹪采用的是CO2，其他气体混相驱仅占3﹪。
目前，国外采用二氧化碳驱油的主要国家有：美国、俄罗斯、匈牙利、加拿大、法国、德国等。
其中美国有十个产油区的292个油田适用CO2驱，一般提高采收率7﹪～15﹪，在西德克萨斯州，CO2驱最主要是EOR方法，一般可提高采收率30﹪左右。
1.1.1国外CO2驱项目情况在国外，注二氧化碳（）技术主要用于后期的高含水油藏、非均质油藏以及不适合热采的重质油藏。
推广二氧化碳驱油的主要制约因素是天然的二氧化碳资源、二氧化碳的输送及二氧化碳向生产井的突进问题以及油井及设备腐蚀、安全和环境问题等。
为解决以上问题，提出了就注提高原油采收率技术，这种技术是向地层中注入反应溶液，使其在油藏条件下充分反应而释放出气体，溶解于原油之中，降低原油粘度，膨胀原油体积，从而达到提高原油采收率的目的。
美国是CO2驱发展最快的国家。
自20世纪80年代以来，美国CO2驱项目不断增加，已成为继蒸汽驱之后的第二大提高采收率技术。
美国目前正在实施的CO2混相驱项目有64个。
最大的也是最早使用CO2驱的是始于1972 年的SACROC 油田。
其余半数以上的大型气驱方案是于1984～1986年间开始实施的，目前其增产油量仍呈继续上升的趋势。
大部分油田驱替方案中，注入的CO ：体积约占烃类空隙体积的30 %，提高采收率的幅度为7 %～22％。
1.1.2小油田CO2混相驱的应用与研究过去，CO2混相驱一般是大油田提高原油采收率的方法。
大油田由于生育储量多，剩余开采期长，经济效益好，而小油田CO2驱一般不具有这些优点。
目前，世界上大部分油田仍采用注水开发，这就面临着需要进一步提高采收率和水资源缺乏的问题。
对此，国外近年来大力开展二氧化碳驱油提高采收率技术的研发和应用。
这项技术不仅能满足油田开发的需求，还可以解决二氧化碳的封存问题，保护大气环境。
该技术不仅适用于常规油藏，尤其对低渗、特低渗透油藏，可以明显提高原油采收率。
一、二氧化碳驱油技术二氧化碳驱油，是一种把二氧化碳注入油层中以提高油田采收率的技术。
标准状况下，二氧化碳是一种无色、无味、比空气重的气体，密度是1.977克/升。
当温度压力高于临界点时，二氧化碳的性质发生变化：形态近于液体，黏度近于气体，扩散系数为液体的100倍。
这时的二氧化碳是一种很好的溶剂，其溶解性、穿透性均超过水、乙醇、乙醚等有机溶剂。
如果将二氧化碳流体与待分离的物质接触，它就能够有选择性地把该物质中所含的极性、沸点和分子量不同的成分依次萃取出来。
萃取出来的混合物在压力下降或温度升高时，其中的超临界流体变成普通的二氧化碳气体，而被萃取的物质则完全或基本析出，二氧化碳与萃取物就迅速分离为两相，这样，可以从许多种物质中提取其有效成分。
二氧化碳驱油一般可提高原油采收率7%~15%，延长油井生产寿命15~20年。
在二氧化碳与地层原油初次接触时并不能形成混相，但在合适的压力、温度和原油组分的条件下，二氧化碳可以形成混相前缘。
超临界流体将从原油中萃取出较重的碳氢化合物，并不断使驱替前缘的气体浓缩。
于是，二氧化碳和原油就变成混相的液体，形成单一液相，从而可以有效地将地层原油驱替到生产井。
应用混相驱油提高石油采收率的一个关键性参数是气体与原油的最小混相压力（MMP），MMP是确定气驱最佳工作压力的基础。
一般情况下，因为混相驱油比非混相驱油能采出更多的原油，所以希望在等于或略高于MMP下进行气驱。
如果压力远高于MMP,就容易造成地层破裂，无法保障生产过程的安全性，其结果是不仅不能大幅度提高原油产量，还会降低经济效益。
1.二氧化碳驱油机理1.1二氧化碳驱油机理二氧化碳驱的作用机理可分为CO2混相驱和CO2非混相驱（表1-1），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。
非混相驱主要通过溶解、膨胀、降粘，降低界面张力等作用来驱油；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，理论上驱油效率能够达到100%。
一般稀油油藏主要采用CO2混相驱，而稠油油藏主要采用CO2非混相驱。
表1-1 混相驱油与非混相驱油对比表在稀油油藏条件下CO2易与原油发生混相，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注入浓度越大，油水相界面张力越小，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。
非混相CO2驱开采稠油的机理主要是：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在油中的溶解度随压力增加而增加。
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（表CO21-2）。
原油粘度降低时，原油流动能力增加，从而提高了原油产量。
并且原油初始粘度越高，CO降粘效果越明显，如下表所示。
江苏油田富48井注入37.161%2后,原油粘度降低了60.173%；Maini和Sayegh研究发现,在(摩尔分率)CO2之后,其粘度从6822MPa·s降低到了226MPa·s。
61.55MPa下,稠油饱和CO2表1-2 CO2完全饱和时原油粘度变化对比表原油初始粘度（mPa.s) CO2完全饱和时原油粘度（mPa.s）1000～9000 15～160100～600 3～510～100 1～31～9 0.5～0.9溶解度降低，降粘作用反而变差（图1-1）。
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。
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（WAG 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W AG 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；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2CO 驱项目来说，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。
当二氧化碳处于31○C，7.39MPa 当2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CO2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C5以上组分分子量的增加而提高；最小混相压力受CO2纯度（杂质）的影响，如果杂质的临界温度低于CO2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CO2的临界温度，最小混相眼里增大。
CO2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CO2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也很难与油藏中原油完全混合好。
多数情况下，CO2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CO2气相隔开时，水相阻碍了CO2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CO2相中。
在三次采油中，通过CO2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CO2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CO2分子充分地扩散到油中。
在高温和高压条件下，在现场测定CO2扩散系数是非常困难的，通常用下面的经验公式进行计算。
CO2在油中的扩散系数Ds.0=1.41×10-10μ0-0.49式中Ds·o——CO2在油中的扩散系数，m2/s；μ0——油的粘度，mPa·s。
CO2在水中的扩展系数：式中Ds·w——CO2在水中的扩散系数，m2/s；T——温度，K；μw——水的粘度，mPa·s。
如果CO2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 =X2/Ds·w也可以用实验室岩心驱扩散时间，计算现场CO2扩散时间。
式中t p——现场CO2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。
CO2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CO2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CO2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CO2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CO2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。
CO2溶于水后显弱酸性，能与油藏的碳酸盐反应，使注入井周围的渗透率提高。
可见碳酸盐岩油藏更有利于CO2驱油。
第二节驱油机理的综合利用CO2是一种多用途的注入气体，它的有利特性不仅仅是由于其混相的能力，而且还具有因CO2溶于原油后使原油体积膨胀、粘度降低等改变油流特性的有点。
