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CO2驱替提高原油采收率研究现状与展望
CO2驱替提高原油采收率:
回顾、现状与展望
赵然磊1,高有峰2※,王祝文3,苏小四4,王璞珺1
1.吉林大学地球科学学院,长春130061
2.吉林大学古生物学与地层学研究中心,长春130026
3.吉林大学地球探测科学与技术学院,长春130026
4.吉林大学环境与资源学院,长春130021
摘要:
CO2驱替提高原油采收率技术(CO2-EOR)自20世纪50年代起用于油田开发,对自然产能低、水敏性强和稠油等复杂油藏可明显增产。
我国自1963年至今陆续开展CO2-EOR试验,显示出乐观前景同时也遇到诸多问题。
本文从驱油机理、目标油藏筛选标准、注入工艺等方面总结CO2-EOR的国内外现状。
着重从储层基础地质描述、驱替助剂、油藏流体模拟、动态监测等方面讨论CO2驱替实施过程中存在的问题。
综合国外经验和我国油藏地质条件展望了CO2-EOR在我国的应用前景,指出我国低渗透油藏适合CO2驱,并应积极开展相关研究和实施工作。
主要应着眼于油藏地质描述、地下流体模拟和监测,以及CO2驱替助剂的研发;同时考虑将CO2驱油与CO2地质埋存相结合;探索资源高效利用与环境有效保护的新途径。
关键词:
CO2驱替提高原油采收率;CO2混相驱与非混相驱;储层地质描述;流体模拟与监测
CO2-EnhancedOilRecovery(EOR)inChina:
PastandFurther
ZhaoRan-Lei1,GaoYou-Feng2,WangZhu-Wen3,SuXiao-Si4,WangPu-Jun1
1.CollegeofEarthSciences,JilinUniversity,Changchun130061,China
2.ResearchCenterofPalaeontology&Stratigraphy,JilinUniversity,Changchun130026,China
3.CollegeofGeoExplorationScienceandTechnology,JilinUniversity,Changchun130026,China
4.CollegeofEnvironmentandResources,JilinUniversity,Changchun130021,China
Abstract:
Sinceitsfirstusein1950s’,CO2-EORhasbeensignificantlyeffectiveforincreasingproductionofthelownaturalproductivityreservoirsincludinglowporosity/permeability,water-sensitivity,andheavyoilreservoirs.TheCO2-EORtechniquehasbeencontinuouslydevelopedsince1963inChina,ithasshowedgoodprospectthoughmanyproblemsstillremained.Inthispaper,wereviewtheresearchstatusofCO2-EORinChinafocusingontheirdisplacementmechanisms,screeningcriteria,andinjectiontechnology.WepresenttheachievementandproblemsconcerningCO2floodingprocesssuchasdetailgeologicdescriptionofreservoir,displacementassistant,fluidmodeling,anddynamicmonitoringofthereservoir.BasedonsuccessfulexperiencesofCO2-EORinthepastandgeologicconditionsofthereservoirssuchasinDaqingOilField,wesumtheapplicationprospectofCO2-EORinChina.ItwasconcludedthatmanylowpermeabilityreservoirsinChinaaresuitablefortheapplicationofCO2-EOR.Thus,furtherresearchandapplicationshouldbeacceleratedactively,emphasizingongeologicdescription,modelingandmonitoringofsubsurfacefluid,anddevelopmentofdisplacementassistantreagent.Ontheotherhand,ithasbeeninitiallytestedtocombineCO2-EORwithCO2captureandstorageunderground,anattractivewayofefficientuseofnaturalresourcesandeffectiveprotectionofenvironment.
Keywords:
CO2-enhancedoilrecovery(CO2-EOR);CO2misciblefloodingandimmiscibleflooding;reservoirgeologicdescription;modelingandmonitoringoffluid
0.引言
_______________________________________________________________________________________________________________________________原油开采一般分为仅依靠天然能量开采的“一次采油”阶段;人工向地层中补充能量进行开采的“二次采油”阶段;采用向地层注入除水、气以外的其他驱油剂或引入其他能量的方法采出二次采油未能采出的残余油和剩余油的“三次采油”阶段[1]。
在油田开发过程中,水敏性油藏、低渗透油藏等特殊油藏的注水能力较差,甚至注不进水,导致原油采收率较低。
针对这些自然产能低、注水因地质条件受限而采收率低的复杂油藏,开展注气驱,可有效提高原油采收率(EnhancedOilRecovery,简称EOR)。
注气驱包括注空气驱、注CO2驱、注N2驱及注烃类驱等[2~4]。
注CO2驱可应用到“二次采油”和“三次采油”两个阶段,因具有较好的驱油效果和经济效益,已为越来越多的油田所应用,并成为继水驱之后重要的EOR方法之一。
自1952年Whorton等人取得第一个利用CO2采油的专利[5]开始,注CO2驱用于提高原油采收率(CO2-EnhancedaOilRecovery,简称CO2-EOR),已经有几十年的历史[4~9]。
1958年,美国Permian盆地第一次将CO2驱应用到现场;1972年,Permian盆地SACROC油田CO2混相驱现场试验(MiscibleCO2displacementFieldTest)取得成功[10~16],第一次实现了CO2驱的工业化应用;其后,伴随着CO2集输、注入工艺的日趋成熟及腐蚀与结垢等问题的不断解决,CO2混相驱和非混相驱技术都有了很大的发展并被逐步应用到工业化生产中[17~20]。
2012年《Oil&GasJournal》统计数据显示[21,22],世界上已开展CO2-EOR工业化项目的国家有美国、加拿大、巴西、特立尼达和多巴哥、英国及土耳其等国家,已成功开展CO2驱项目135个,且在未来两年中,将有13项CO2驱项目实施。
在我国,注CO2驱技术也已应用到了现场,多数油田开展了CO2吞吐作业试验,并有一些油田开展了CO2驱替先导性矿场试验,积累了一些适合于我国油藏的经验和技术,但是与国外成熟的CO2-EOR工业化生产还有较大的差距。
本文总结了CO2-EOR技术国内外研究现状和存在问题,结合我国地质条件和技术现状展望了CO2-EOR技术在我国的研发与应用前景。
1.CO2-EOR研究现状
1.1CO2-EOR驱油机理
注CO2驱可分为CO2混相驱(MiscibleCO2displacement)和CO2非混相驱(ImmiscibleCO2displacement)。
注CO2驱替过程中能否达到混相主要取决于地层压力是否达到CO2的最小混相压力(MinimumMiscibilityPressure,简称MMP,在地层温度下,注入气体与原油发生混相时所需要的最小压力),当地层压力高于最小混相压力(MMP)实现混相驱,当地层压力低于最小混相压力时,为非混相驱,或近混相驱[12,13]。
由于CO2混相驱具有更高的提高采收率效果,在施工过程中总是希望注CO2驱能够达到混相状态。
实际生产中,受油藏实际条件的影响,注CO2驱往往不能达到绝对混相,而是处于非混相状态或者近混相状态。
CO2-EOR驱油机理主要为:
提高地层压力、促使原油膨胀、降低原油黏度、降低油水界面张力、改善储层渗透率、萃取和汽化原油中轻质烃、形成溶解气驱、改善水油流度比、萃取汽化原油中轻烃组分并产生混相效应等[4]。
(1)CO2非混相驱驱油机理
CO2非混相驱是指在注CO2驱过程中,地层压力未达到CO2与原油的最小混相压力,CO2气体和原油不能达到混相,两者之间存在界面张力、互不溶解,通过注入CO2保持地层压力的驱油方法。
CO2非混相驱的驱油机理为:
①注入CO2气体可提高地层压力、增加原油体积、降低原油黏度、形成溶解气驱、降低油水界面张力;②CO2-H2O合物略显酸性,可与地层基质发生反应,能够稳定粘土及部分溶解油层岩石提高碳酸盐岩渗透率等,进而提高注入能力[4,23,24],但同时溶解也会引起不起反应的物质自由流动,堵塞下游孔隙,同时形成的硫酸钙或者沥青质沉淀也会造成堵塞,从而降低渗透率和注入能力[4,24];③注入CO2气体溶于油水中可降低原油黏度并提高水黏度,有效改善水油流度比;④当达到一定温压条件时注入的CO2气体可以萃取和汽化原油中的轻烃质组分[25]。
(2)CO2混相驱驱油机理
CO2混相驱是指在注CO2驱过程中,地层压力达到CO2与原油的最小混相压力,使得CO2气体和原油之间相互溶解、界面消失,达到混相,从而表面张力和毛管力减少到零的驱油方法[1]。
CO2混相驱按混相机制可分为一次接触混相驱和多次接触混相驱。
实验证明在一定的条件下,CO2与原油可达到完全混相,实现一次接触混相,并且此时混相带只是由原油和CO2混合物构成,不会发生碳氢化合物的萃取(霍姆实验)。
但是在正常的油藏温度和压力条件下,CO2和绝大多数的原油不能达到一次接触混相,而是通过多次接触混相的形式达到混相,即CO2和原油在地下充分接触,通过多次接触逐步实现组分交换,最终达到凝析气驱混相和汽化气驱混相[26~28]。
CO2混相驱机理除了包含形成溶解气驱、膨胀、降黏、提高储层渗透率、改善水油流度比等机理之外,最主要的是能够产生混相效应。
注入CO2气体通过汽化或抽提原油中轻质组分达到多次接触混相(汽化气驱混相),并形成CO2和轻质油的混相带,即CO2与原油能够达到混相形成一种相态,没有界面张力,具有较高的驱油效率。
伴随着注CO2驱的的应用和研究,越来越多的人认识到在CO2混相驱的过程中,CO2与原油并非严格物理意义上的混相,只是在凝析和汽化的作用下油气两相接近混相。
这被称为近混相驱,近混相驱的驱油机理主要是介于混相驱和非混相驱之间,但是更接近混相驱驱油机理[29]。
1.2CO2-EOR目标油藏筛选标准
CO2-EOR能够产生较好的驱油效果,但并不意味着所有的油藏都适合应用该技术手段,必须综合考虑经济和技术可行性等多方面因素[30],筛选出适合CO2-EOR并具有开发潜力的油藏。
在CO2-EOR技术应用发展过程中,国内外许多专家综合考虑各种因素提出了多种CO2-EOR目标油藏筛选标准,目前应用较多的是从原油性质和油藏条件两个方面展开评价[31],例如Taber等1997年给出的CO2混相驱油藏条件(表1)。
表1CO2混相驱目标油藏筛选标准[31]
Table1TechnicalScreeningGuidelinesforCO2miscibleflooding
分类
参数
标准(建议)
原油
密度(°API)
>22
黏度(cp)
<10
组成
中组分原油占较大比例
油藏
原油饱和度(%)
>40
地层岩性
相对较薄的砂岩和碳酸盐岩
渗透率(md)
无严格要求
深度(m)/温度(°C)
使井底压力达到最低混相压
本文对当前国外已成功开展CO2驱的项目及其实施过程中的参数进行总结分析[21,22],在表1相关参数的基础上总结出一套CO2混相驱、非混相驱目标地层筛选标准(表2)。
该标准在分析总结过程中没有直接对经济等因素进行权重评价,但鉴于该标准是对国外已成功开展CO2驱的项目进行总结分析,因此具有一定的借鉴意义,希望该标准范围能够为我国开展CO2驱油工作提供一定的参考。
表2CO2驱目标油藏筛选标准
Table2TechnicalScreeningGuidelinesforCO2-EOR
分类
参数
混相驱
非混相驱
原油
密度(°API)
28-45
11-35
黏度(cp)
0.4-6
0.6-45
油藏
原油饱和度(%)
26.5-89
30-86
孔隙度(%)
3-29.5
17-30
渗透率(md)
0.1-123
30-500
深度(m)
350.52-3642.36
350.52-2590.24
温度(°C)
27.78-126.67
27.78-92.22
地层岩性
碳酸盐岩和砂岩为主
砂岩为主
注:
据《Oil&GasJournal》2012年有关已成功实施的120个CO2混相驱和15个CO2非混相驱项目统计数据总结归纳。
1.3CO2-EOR注入工艺
CO2-EOR经历了几十年的发展历程,从最初提出该思路的研究人员开始,多种CO2气体、液体注入的工艺被提出。
目前常见的CO2注入工艺主要有CO2吞吐、CO2连续注入、注碳酸水、水气交替注入(WAG)、重力稳定驱(主要用于背斜油气藏或具有较大倾角的油藏中,可埋存大量CO2)、水和CO2同时但分开注入(SSWG)、CO2+LPG(液化石油气)、CO2顶替LPG段塞等[4,10,11,17,32,33]。
实际生产中应用较多的为CO2吞吐和水气交替注入(WAG)两种工艺。
目前,我国各大油田进行的CO2-EOR的主要工艺为CO2吞吐,通常稠油开采过程中采用CO2驱与蒸汽驱及表面活性剂驱相结合的复合驱工艺。
CO2提高原油采收率生产中应用最多的是CO2混相驱,通常采用水气交互(WAG)注入工艺[34],驱油过程如图1所示。
CO2气体和水被交替注入地层中,CO2与原油接触,开始捕获原油,达到最小混相压力的情况下实现混相[4],形成混相带,混相状态下油滴开始变大并向生产井方向运移形成集油带并被驱入生产井,生产井产出混相原油和气体经油气分离系统,产出CO2循环气通过循环系统再注入地层中。
从经济可行角度考虑,水气交替注入(WAG)具有较高的可行性,但是由于在低渗透砂岩中水的流度太低,严重影响了注入速度,因此该种工艺不太适用于低渗透砂岩储层。
图1CO2-EOR水气交互(WAG)注入混相驱过程示意图(据Herbeck,1976修改)
Figure1AschematicofaWAGmiscibleCO2-EORoperation(AdaptfromHerbeck,1976)
1.4我国CO2-EOR研究现状
自20世纪60年代以来,我国在大庆、吉林、吐哈、胜利、中原、江苏等油田先后开展了CO2驱替先导性矿场试验,取得了一定的效果和技术收获[35,36]。
但在20世纪90年代以前,我国CO2-EOR技术发展相对缓慢。
近年来,伴随着能源紧张和CO2气藏的陆续发现,国内开展CO2-EOR试验的项目逐渐增多(表1),试验证明对水驱效果不好的低渗透油藏和小断块油藏,CO2驱可取得较好的增产效果,并显示出良好的发展前景。
另外,针对我国当前油气资源供应紧张、石油进口度高、老油田采收率降低等问题,考虑环境保护及CO2资源化利用等问题[37],国家科技部于2006年批准973国家重大基础研究发展计划“温室气体提高石油采收率的资源化利用及地下埋存”;中国石油天然气集团公司于2007年设立重大科技专项“温室气体CO2资源化利用及地下埋存关键技术研究”,并设立重大矿场试验“吉林油田CO2提高采收率及地下埋存现场试验”[23]。
同时,国内各油田、高校、科研单位也开展了CO2-EOR、高效廉价CO2捕集、CO2储运、腐蚀、结垢、数值模拟、适合我国油藏的CO2驱油藏筛选等相关课题的研究[23,35,38-42]。
但总体而言,该技术在我国仍然处于起步阶段,多数油田仅开展了CO2吞吐作业试验,少数油田开展了CO2驱替先导性矿场试验,工业化应用相对较少,各方面配套技术尚不成熟,亟需增加相关科研及现场试验项目。
表3我国开展CO2-EOR试验情况
Table3ThedetailsofCO2-EORfieldtestinChina
单位
时间
内容
结果
大庆油田
1963年
开展我国最早的CO2驱油的相关研究。
1985年
长垣油田开展有关CO2非混相驱提高采收率试验的研究,先后在萨南东部过渡带葡I2油层和萨II10-14油层进行矿场试验。
两个油层试验均取得较好的成果,采收率提高5个百分点[43]。
2003年
开展了注气可行性研究和芳48区块CO2驱油先导性试验。
取得了阶段性进展和认识[44,45]。
2007年
大庆长垣外围宋芳屯油田的芳48区块和榆树林油田的树101区块开展工业性试验。
树101区块达到方案设计指标,芳48区块未达方案设计预期目标,取得一定认识。
吉林油田
1995年
开展CO2吞、CO2泡沫吞吐试验。
增产效果明显45]。
2008年
吉林油田CO2提高采收率及地下埋存现场试验。
形成含CO2天然气藏开发技术和CO2驱油与埋存技术两套技术系列[45]。
江苏油田
1996-2003年
开展了CO2室内实验及单井吞吐试验及推广应用。
在吞吐油井优选和工艺参数的优化等方面取得了一定的认识[46,47]。
1998年
富民油田复杂小断块油藏CO2混相驱。
取得成功,提高采收率4%[48]。
2003年
草舍油田CO2驱矿场先导性试验。
综合含水量下降15个百分点[47]
胜利油田
2000年
在东辛、桩西油田开展CO2吞吐试验。
成功率70%以上[46]。
2009年
分别在低渗透、特稠油等油藏中开展了CO2驱先导性试验。
CO2驱先导性试验取得成功。
吐哈油田
2007年
CO2吞吐驱油试验。
试验成功[49]
冀东油田
2011年
开始CO2吞吐试验[50]。
中原油田
2012年
CO2吞吐试验启动[51]。
2.我国CO2-EOR应用存在的问题
CO2-EOR已成为国外提高原油采收率的主导技术,但是由于我国油藏条件复杂,实现CO2-EOR在我国石油工业开发中的高效应用还存在着许多问题,概括表现为以下几个方面:
2.1储层地质描述问题
储层地质描述是开展注CO2驱油工作的基础,在对CO2驱目标储层进行客观精细描述的基础上,才能实现注CO2驱合理、高效的开发应用。
但在CO2驱过程中,出现了诸如CO2驱油单向突进、充注CO2后地层压力未见明显上升、适合CO2驱的储层界限不明确、平面上油井受效不平衡等问题,导致驱油工作不能达到预期目标,原油采收率较低。
这主要是由于CO2-EOR技术所应用的目标储层组成和结构复杂、非均质性强,目前认识还不能满足CO2驱开发设计的实际需求。
主要表现为适合CO2驱油的储层非均质描述方法和储层三维地质建模方法不完善,需要从宏观和微观两个方面展开系统的研究。
由于目标储层深处地下,在储层地质描述的研究过程中存在着很多的难题,诸如河道砂体边界确定与井间预测、储层河道砂体和各成因砂体的精细刻画和储层非均质性有效描述存在较大难度,特别是针对河道砂体边界确定与井间预测、储层泥质含量、成岩作用、裂缝表征和预测及储层敏感性等方面是实际生产中迫切需要解决但又难于解决的问题。
因此,通过研究形成适合CO2驱的储层非均质描述方法并建立真正能够反映实际地质条件的储层三维地质模型,找出实际生产中所出现问题的地质诱因,并寻求解决或避免的办法,为CO2驱经济有效开发提供详实的地质依据,是CO2-EOR储层地质描述所面临的关键问题。
2.2注入剂问题
我国油藏中原油“三高”(黏度高、蜡和胶质含量高、凝固点高)的特点,决定了原油与CO2的最小混相压力过高[52],导致CO2与原油在地层条件下很难达到混相,降低了原油采收率。
CO2驱替过程中,由于CO2气体黏度低及储层非均质性强等因素影响,易出现黏性指进及气窜现象,导致波及系数较小,降低了CO2驱替效率。
调研显示,在注CO2驱油过程中,注入混相剂和增稠剂,可有效解决混相压力高、气窜等问题,并能显著提高CO2驱效果。
国外对CO2驱混相剂和增稠剂已有研究,但由于经济性和通用性较差,目前无法开展大规模应用。
我国增稠剂和混相剂的研发基本上处于探索和起步阶段,多数研究仅处于理论计算和实验室实验阶段,距离工业化产品还有较大的距离。
在CO2驱替过程中,CO2注入量和注入压力低时会导致地层压力不足、混相和驱油效果差。
而注入量和注入压力高时,当压力下降时在井眼附近易形成氢氧化合物/碳酸盐及沥青类沉淀物,导致储层渗透性变差,储层注气能力下降。
因此研发经济、通用、高效、环保的增稠剂和混相剂,优选CO2注入量和注入压力等参数是我国CO2-EOR注入剂研究所面临的重要问题。
2.3流体数值模拟问题
CO2驱是一个多相多组分反应性流动的复杂过程,CO2注入后可改变地层水的水化学特征及储层岩石的表面性质和润湿性,进而影响驱替效率。
此外,地层水的酸化还可导致储层破坏、开采设备腐蚀[4,24]等问题的产生。
能否成功应用CO2-EOR技术受储层及其中多相流体的物理-化学性质及相关反应等因素的共同影响。
只有清楚的了解CO2驱过程中所发生的复杂物理-化学反应等内在机理,才能更好的进行实施方案的设计、驱油效果的评价并预测工程实施过程中可能出现的问题。
开展CO2驱替流体数值模拟,可对不同条件下流体相态变化和物理-化学反应及CO2驱不同阶段进行模拟,并根据需要对各种不确定性参数进行分析和评价,为CO2驱的实施提供理论和技术支撑。
当前数值模拟技术已经较成熟,CMG、Eclipse等商业性数值模拟软件已被广泛应用于CO2驱流体数值模拟中,但这些软件主要考虑流体物理-化学
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