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这类油田的油藏地质条件是;
油层薄,或埋藏太深,或渗透率太低,或含油饱和度太低等。
注CO2可有效提高这类油藏的采收率。
关键词:
二氧化碳驱油;
采收率;
混相驱
1CO2驱提高采收率国内外发展应用情况
利用CO2驱提高采收率的历史可以追溯到上世纪5O年代。
1952年whorton等人获得了第一项采用CO2采油的专利权。
当时CO2是用作原油的溶剂,或形成碳酸水驱。
早期的研究结果表明,在一般的油藏压力下,CO2不能直接与大多数原油混相,但是CO2能够抽提原油中的轻质组分。
五六十年代CO2作为混相驱替液应用,但同时研究者也看到了CO2混相驱的局限性:
原油中要求含有大量中间组分;
达到混相要求高压;
储层深度要求大于1000m。
这些局限性促使研究者开始注意CO2非混相驱。
70年代CO2驱技术有了很大的发展,美国和前苏联等国家都进行了大量的CO2驱工业性试验,并取得了明显的经济效益,采收率可以提高15%~25%。
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CO2驱油的主要国家有:
美国、前苏联、匈亚利、加拿大、法国、西德等。
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%,在西得克萨斯州,CO2是最主要EOR方法,一般可提高采收率30%左右。
我国自60年代以来在大庆、胜利、任丘、江苏等油田先后开展了二氧化碳驱油实验。
由于我国天然的二氧化碳资源比较缺乏,至今尚未发现较为大型的二氧化碳气藏,因此这方面的技术起步较晚,但是,随着小型CO2气藏的发现,CO2驱的作业项目越来越多,而且取得了明显的效果,并且己经证明对于水驱效果不好的透油藏和小段块油藏,CO2驱可以取得很好的效果。
证明CO2驱具有成功率高、风险性低的特点,以技术指标和经济指标双重标准来衡量,CO2驱是三次采油中最具潜力的提高采收率方法之一。
1.1国外发展情况
1.1.1美国CO2驱项目情况
美国是CO2驱发展最快的国家。
自20世纪80年代以来,美国的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。
到2009年美国正在实施的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CO2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。
近年来许多小油田实施了CO2混相驱提高原油采收率方案,同样获得了良好的经济效益。
如位于美国密西西比州的Creek油田就是一个小油田成功实施CO2驱的实例。
该油田于1996年被JP石油公司收购时的原油产量只有143m3/d,因油田实施了CO2驱技术,使该油田的原油采收率大大提高,其原油产量在1998年达到了209m3/d,比1996年增加了46%。
1.1.3重油CO2非混相驱的研究与应用
CO2驱开采重油一般是在不适合注蒸汽开采的油田进行。
这类油田的油藏地质条件是:
大规模使用CO2非混相驱开发重油油田的国家是土尔其。
土尔其有许多重油藏不适合热采方法。
1986年土尔其石油公司在几个油田实施了CO2非混相驱,取得了成功。
其中Raman油田大规模CO2非混相驱较为典型。
加拿大也有许多重油油藏被认为不适合进行热力开采,加拿大对CO2驱开采重油进行了大量的研究。
试验得出,轻油黏度在30饱和压力下从大约从1.4降到20,降低了15倍。
另外,在不同温度下重油黏度测量发现,温度达到275℃左右才能降粘,而CO2一旦溶解在原油中就可使原油黏度降低,并且可以把黏度降低到用蒸汽驱替的水平。
1.2国内研究应用现状
我国东部主要产油区CO2气源较少,但注CO2提高采收率技术的研究和现场先导试验却一直没有停止。
注CO2技术在油田的应用越来越多,已在江苏、中原、大庆、胜利等油田进行了现场试验。
1996年江苏富民油田48井进行了CO2吞吐试验,并已开展了CO2驱试验。
草3井位于苏北盆地溱潼凹陷草舍油田戴一段油藏高部位,产层为Edl段,属底水衬托的油帽子一。
初期自喷生产,日产油约59t,不含水,无水采油期共367天,综合含水升至22%时停喷,转入机抽生产,后日产油4.55t,含水90%。
为了增油降水,在该井进行了CO2吞吐试验,效果明显,原油产量上升,含水下降,泵效增加,有效地延缓了原油产量递减。
江苏油田富14断块在保持最低混相压力的状态下,于1998年末开始了CO2水交替(WAG)注入试验,注入6周期后水气比由0.86:
1升至2:
1,见到了明显的增油降水效果。
水驱后油层中形成了新的含油富集带。
试验区采油速度由0.5%升至1.2%,综合含水率由93.5%降至63.4%。
CO2驱油技术就是把CO2注入油层中以提高原油采收率。
由于CO2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,可以使原油体积膨胀,黏度下降,还可以降低油水间的界面张力。
与其他驱油技术相比,二氧化碳驱油具有适用范围大、驱油成本低、采收率提高显著等优点。
据国际能源机构评估认为,全世界适合CO2驱油开发的资源约为3000亿~6000亿桶。
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CO2驱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。
时下,CO2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CO2驱油项目有近80个。
美国是CO2油项目开展最多的国家。
目前,美国每年注入油藏的CO2量约为2000至3000万吨,其中有300万吨CO2来源于煤气化厂和化肥厂的尾气。
CO2在我国石油开采中有着巨大的应用潜力。
但是,CO2技术在我国尚未成为研究和应用的主导技术。
可以预测,随着技术的发展和应用范围的扩大,CO2将成为我国改善油田开发效果、提高原油采收率的重要资源。
2CO2驱油机理和基本方式
2.1CO2驱油提高采收率的机理
CO2技术的作用机理可分为CO2混相驱和CO2非混相驱。
CO2提高采收率的作用主要有促使原油膨胀、改善油水流度比、溶解气驱等。
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。
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几点:
(1)降低原油粘度
CO2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。
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,CO2降粘效果越明显,如下表所示
原油初始粘度(mPa.s)
CO2完全饱和时原油粘度(mPa.s)
1000~9000
15~160
100~600
3~5
10~100
1~3
1~9
0.5~0.9
(2)改善原油与水的流度比
大量的CO2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℃和12.7MPa的条件下进行了有关试验,试验表明,CO2在油田注入水中的溶解度为5%(质量),而在原油中的溶解度为15%(质量);
由于大量CO2溶于原油中,使原油粘度由9.8mPas降到2.9mPas,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,水的粘度将提高20%以上,同时也降低了水的流度。
因为碳酸化后,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
CO2大量溶于原油中,可使原油体积膨胀,原油体积膨胀的大小,不但取决于原油分子量的大小,而且也取决于CO2的溶解量。
CO2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。
(4)高溶混能力驱油
尽管在地层条件下CO2与许多原油只是部分溶混,但是当CO2与原油接触时,一部分CO2溶解在原油中,同时,CO2也将一部分烃从原油中提取出来,这就使CO2被烃富化,最终导致CO2溶混能力大大提高。
这个过程随着驱替前缘不断前移而得到加强,驱替演变为混相驱,这也使CO2混相驱油所需要的压力要比任何一种气态烃所需要的混相压力都低得多。
用气态烃与轻质原油混相也要27~30MPa,而用CO2混相压力只要9-10MPa即能满足。
在高温高压下CO2与原油溶混机理主要体现在烃从原油中蒸发出来与CO2混相,即主要是蒸发作用;
在低温条件下主要是CO2向原油的凝聚作用和吸附作用。
当压力低于混相压力时,CO2和原油混合物有三个相存在:
气态CO2并含有原油的轻质组份;
失去轻质组份而呈液态的原油,由原油中分离出来的以固体沉淀方式存在的沥青和蜡。
(5)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。
而多数情况下,CO2是通过分子的缓慢扩散作用溶于原油的。
(6)降低界面张力
残余油饱和度随着油水界面张力的减小而降低;
多数油藏的油水界面张力为10~20mN/m,要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或更低。
界面张力降到0.04mN/m以下,采收率便会明显地提高。
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饱和度,从而提高了原油采收率。
(7)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从液体中逸出,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,占据了一定的孔隙空间,成为束缚气,也可使原油增产。
(8)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,CO2溶解于水时可形成碳酸,它可以溶解部分胶结物质和岩石,从而提高地层渗透率,注入CO2水溶液后砂岩地层渗透率可提高5~15%,百云岩地层可提高6~75%。
并且,CO2在地层中存在,可使泥岩膨胀减弱。
2.2CO2驱油的基本方式
2.2.1CO2段塞注水方式
其作用方式与溶剂段塞驱油有某些相似,但是更加复杂化。
具有以下特点:
(1)复杂的边界条件
由于CO2即溶于油,也溶于水,因而存在两个混相带,即CO2-原油混相带,在总混相区前缘;
CO2-水混相带,在总混相区后端。
注意CO2在水中溶解度远低于在原油中溶解度,因而CO2-水混相带边界浓度远达不到1
(2)水驱改善了重烃开采和气体突破问题
CO2段塞不同于溶剂段塞,一般它只与原油部分混相,即主要靠CO2提取作用使原油中轻质烃进入CO2段塞中,形成气相混合物,而原油中重质烃与CO2形成混溶带,其中也包括沥青和胶质。
只有CO2驱时,当地层压力不高时,失去轻质烃的原油开采困难,采出的往往是轻质组份。
而这种不利驱油条件由于采用水驱段塞可以改善,可使混相带中重烃部分也被驱替出来。
CO2气体突破现象也得到部分缓解。
因为用水顶替CO2,CO2夹在油水中间,即使水突破进入CO2段塞,由于形成碳化水,使水相粘度升高,前缘稳定性得到改善。
(3)良好经济指标
水驱CO2段塞具有一般CO2驱油特性,如混相、降粘、膨胀原油等,但由于采用段塞,经济指标大大改善。
2.2.2.高压注CO2气体驱油
与高压注烃类气体过程相似。
首先限制油井采油量甚至关井,向地层中注入大量CO2气体,使地层压力上升,达到或者超过混相压力,与原油充分混相,在保持CO2注入量(定压)条件下开井采油。
这是典型的混相驱油方式,可以同时采出轻质烃与重质烃。
2.2.3注“碳化水”驱油
与常规注水过程相似,但由于水中溶有CO2,它有如下特点:
(1i)可以改善流度比
(2)可以提高洗油效率(3)吸附现象
2.2.4连续向地层注CO2气体
通常在低压“枯竭”油田(平均地层压力约为1MPa)使用,向已枯竭地层中直接注入CO2驱油,由于用量大,通常采用CO2采出分离回注的循环注气方式。
其特点为:
(1)CO2消耗量大,一般为地层孔隙体积的几倍。
(2)CO2提取原油中轻质烃,采出的CO2与轻质烃气体混合物必须在地面分离,经济效益和工艺实际都不利。
(3)不适用于压力过低油田,因为这类油田一方面需要大量CO2,注入CO2与采出烃比值高达100立方米/立方米;
另一方面,过低压力值CO2与原油混相困难,造成只有少量轻质烃采出,大量重质烃留在地下。
2.2.5CO2单井吞吐
与蒸汽吞吐工艺有些相似,在生产井中注入一定量CO2气体后,关井使原油与CO2有充分时间溶混,然后开井采油。
主要利用CO2与原油的混相作用、降粘作用、膨胀作用。
适用于较高地层压力油田,特别是高粘稠油的早期开采。
3动态计算
3.1碳化水驱油动态计算
3.1.1物理模型
碳化水注水不是一个严格的混相驱过程,因为在油藏条件下CO2在油中和在水中都有一定溶解度。
它与原油有条件的混相能力主要取决于足够高的地层压力。
在碳化水注水模型中,水先用CO2饱和,然后注入地层。
进入原油的CO2将减少原油粘度,使其膨胀,从而提高采收率。
3.1.2数学模型及解
设C为水中CO2浓度,Ψ(C)为油中CO2浓度,则有:
(3.1)
式中:
Sw为含水饱和度,
u为渗流速度,
φ为孔隙度。
式(3.1)为CO2总组份浓度的对流方程。
式(3.1)也可以写成:
(3.2)
或
(3.3)
方程(3.3)为一阶拟线性方程,可用特征线方法求解。
特征方程为:
(3.4)
又因为:
(3.5)
所以C=const,即沿特征线方向上,浓度为常数。
特征速度为:
(3.6)
上式即为等浓度面的推进速度方程。
将式(3.6)积分就可以得出水中CO2浓度解C(x,t)。
3.1.3激波条件和物质平衡条件(熵条件)
对于浓度波来说,有三种可能性,一种是发散波,一种是行波,一种是收敛波(也称为激波)。
对于发散波而言,由于特征线不相交,因而构成解曲面C(x,t)是单值函数,但是对于激波则不同,由于特征线交叉,则在交叉点上将会出现两个或两个以上的浓度值,两个特征线交叉点也称为“间断点”或“跳跃点”,因为解在这儿发生间断和跳跃,而不是连续光滑的变化。
激波发生条件从速度角度来讲,就是当上游速度Vcup大于下游速度Vcdown时就会发生激波现象,即Vcup>
Vcdown。
形成激波一个最重要的结果,就是形成解的“跳跃”或者“间断”,而这个“跳跃”或者“间断”的速度是由整个物质平衡(熵条件)得出。
如果设水中CO2跳跃值为0到注入井中的Cwi,油中CO2跳跃值为0到Coi,而且设:
(3.7)
并设(3.8)
则水中CO2浓度的“跳跃”或者“间断”面传播速度为:
(3.9)
我们知道,由于CO2的吸附作用,从而造成了CO2浓度波的前缘要滞后于水驱前缘,这样,就存在两个激波,第一次发生在Sw2点,含水饱和度由Sw2下降到Swc,我们称为饱和度波“S-波”;
第二次发生在Sw3点,是由Sw3下降到Sw2,称为CO2浓度波“C-波”。
我们假定,在碳化水前面的常规水的含水饱和度不随时间变化,也就是说,在CO2浓度间断处其CO2激波速度与此处的常规注水含水饱和度速度相等,而常规注水的含水饱和度Sw速度就等于Sw2的速度。
对于常规注水来说,其特征速度为:
(3.10)
由于:
所以
(3.11)
即:
(3.12)
式(3.12)即为水中CO2前缘波的速度
由于存在间断,Sw3间断处的导数,由激波理论中的间断连续条件:
可以写成:
(3.13)
由(3.12)(3.13)得出:
过P(-K/(1-K),-K/(1-K))作fw(Sw,C)曲线的切线,切点为Sw3,并且与fw(Sw,0)
曲线相交的点即为Sw2。
结论:
(1)两条分流函数曲线
与常规水驱油不同,碳化水驱油具有两条分流曲线,即常规水驱油分流曲线和CO2水驱油分流曲线。
由于CO2提高了水的粘度,增加了原油的相对渗透率以及降低了原油粘度,即总体上减少了水的流动度Krw/μw,而增加了油的流动度Kro/μo,导致含水率数值下降,从而使分流曲线由原始位置向右移动,这表明CO2注水改善了水驱油效果。
(2)与常规注水不同,出现了二次激波“S-波”和“C-波”,在“C-波”后CO2水和束缚水相接触,应当注意矿化度对CO2溶解度、混相能力的影响。
(3)由两条分流曲线切线的斜率分析,CO2注水的斜率低于常规注水的切线斜率,也就是说,CO2前缘的速度低于常规注水前缘速度,表明CO2浓度波“C-波”比水饱和度波“S-波”行进的速度要慢,即存在CO2浓度波的时间滞后现象,使CO2浓度波前缘滞后于水驱前缘约1-7倍。
这主要是由于吸附作用造成的,这样,CO2不能与“C-波”前面的原油直接接触,只能对“C-波”通过地带的原油起作用。
吸附作用对任何物理-化学方法都是一个难以解决的致命问题。
(4)碳化水驱采出原油历程特点
分三个阶段:
第一阶段:
在第一激波“S-波”到达油井井排之前,是无水采油期,该期为采油速度高峰期。
第二阶段:
第一激波“S-波”到达之后,第二激波“C-波”前缘突破之前,这一期间,将有油与水同时采出,此时采油速度因出水而下降。
第三阶段:
第二激波突破之后将有油、碳化水同时采出,由于含水饱和度提高,采油速度进一步减少。
3.2CO2段塞注水动态计算
3.2.1.基本目标
CO2段塞注水动态计算的基本目标是计算整个CO2段塞尺寸,由于CO2即在油中溶解,又在水中溶解,因而段塞尺寸将分为两个部分:
(1)原油与CO2混相段塞,这个计算已经在第一节中详细地研究过。
(2)CO2与水混相(溶解)段塞。
本节将主要介绍CO2与水混合物段塞计算。
3.2.2两种扩散的区别
第一种扩散是CO2向油中扩散,CO2粘度远低于原油粘度,在CO2与原油接触面上粘度变化梯度方向与流动方向一致,即存在着较强的CO2向原油中的对流粘度差扩散现象,与第一节中研究的溶剂段塞混相驱相一致。
第二种扩散是CO2向水中扩散,与上述第一种扩散不同有两点:
在CO2与水接触面上混合物粘度梯度方向与流动方向相反(CO2粘度小于水粘度);
另外,水向CO2中的对流扩散比较弱,因为CO2在水中溶解度远小于在油中溶解度。
在研究CO2与水混相段塞时忽略粘度差扩散项的影响,而认为对流扩散本身是主要的,即:
(3.14)
3.2.3.忽略粘度差扩散影响的数学模型及解
在忽略粘度差扩散时,有标准扩散方程:
(3.15)
表示CO2在水中的比浓度
运动坐标:
其边界条件为:
(3.16)
为水与CO2界面处CO2在水中的浓度。
采用与推导溶剂段塞动态计算公式相同的方法,首先设解满足边界条件,即有形式:
(3.17)
为了使(3.17)式满足扩散方程(3.16),首先计算:
(3.18)
(3.19)
代入(3.16)中,得:
(3.20)
或(3.21)
进行一系列的变化后,得到:
(3.22)
这样就求出了CO2在水中溶解的宽度表达式
3.2.4CO2在水中扩散总体积计算
取微分单元孔隙体积b表示微分单元的宽度,H表示厚度,φ为孔隙度,d表示长度。
若含水饱和度为Sw,溶解度为,因而在微分单元中CO2体积浓度为:
(3.23)
对上式积分便得到CO2和水混相带中CO2的总体积
(3.24)
将(3.17)代入上式并积分得:
(3.25)
代入的表达式(3.22)得(3.26)
利用(3.26)式可以计算在t时刻,CO2扩散到水中的总体积。
4、结论
(1)CO2采油适用范围广:
CO2采油工艺适合于稀油、普通稠油、特稠油、超稠油及高凝油。
对高孔高渗及低孔低渗油藏都适用。
(2)驱油效果好:
在普通稠油油藏条件下进行CO2+水段塞采油是可行性的,其效果要比单一的水驱或单井的CO2吞吐好。
对高含水、地层压力下降较快的普通稠油区块具有一定的稳油控水作用。
国内外试验及应用结果证明,CO2驱比水驱的采收率能提高15%。
(3)经济环保:
CO2采油是一项利国利民的好事,CO2注入地层可以实现减少温室气体排放和增加原油产量的双重目的,是国际环保组织重点推荐的环保项目。
具有投入低、产出高、驱油效率高等优点。
(4)技术成熟:
CO2采油在辽河油田已经是一种非常成熟的采油技术,已经在稠油、超稠油和高凝油油田全面推广应用,年应用井次在400~500井次。
长城钻探投入三千多万开发的烟道气采油项目也正在建设中。
注:
烟道气中
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- CO2 技术