水驅后油藏CO2驅提高采收率評價研究

敖文君，趙仁保，楊曉盈，嚴 偉，肖愛國

（中國石油大學（北京）石油工程教育部重點實驗室，北京 102249）

注水是我國油藏開發的重要方式，但我國大部分油田已進入中后期，水驅后仍有大量剩余油滯留于儲層中，水驅無法進一步提高采收率[1]。研究表明，注水開發的油藏在含水達到90%以后，耗水量會增大，但采油速度很低，且油藏剩余油會更加的分散，很難取得明顯的經濟效益。對于滲透率較低的油藏，由于儲層中水敏性粘土礦物的存在，在見水后粘土膨脹使孔隙通道變窄，滲透率降低嚴重，且水驅注入壓力高，工藝設備要求高，不適合長期開采。氣體易流動，溶于原油后，可使原油粘度降低，體積膨脹，油水界面張力降低等作用，能有效的解決注水開發遇到的問題。國外油田的現場實施證明，中高期含水油油藏實施CO2驅后，日產水量明顯降低，且驅油效率提高，油田平均含水率也顯著降低，國內已有華北、吉林、勝利等油田進行了CO2驅油現場應用，并取得了很好的開發效果[2-3]。因此分析我國油田在水驅后進行CO2提高采收率有著十分的必要性。

1 油藏水驅后儲層的變化特征

注水開發油藏進入高含水期后，其儲層的很多特征都會發生一定的變化。

（1）滲透率的變化，在注水開發初期，粘土礦物的運移，可以疏通孔吼通道，使滲透率增加，但其增幅較小。經長期水驅后，被水沖刷脫落的粘土礦物顆粒會不斷運移使小孔隙喉道堵塞，滲透率降低，使油藏最終的采收率降低。

（2）水敏性礦物的變化，長期的水侵，會使粘土礦物發生膨脹，孔吼變窄，物性變差，特別對于中低滲油藏來說，其油藏的非均質性會增強，水敏指數將更高[4]。

（3）孔隙結構的變化，長期水驅后，低滲透巖心的孔吼不僅減小，其喉道變化更加復雜，巖心的連通性與儲集能力將變差。

因此水驅開發油藏含水達到一定程度后，會出現注入壓力升高，甚至注水注不進去的現象，繼續注水無法進一步提高采收率，而氣體不易和地層流體以及儲層中的巖石礦物發生反應，不宜傷害儲層，且氣體可使原油粘度降低等作用，采用氣驅可以進一步提高開發效果，保持油田的穩產。

2 CO2驅油技術

注CO2提高采收率有兩種驅油方式，混相驅和非混相驅。兩種方式的主要區別是地層壓力是否達到最小混相壓力，最小混相壓力是CO2與原油完全混合時的壓力，當高于最小混相壓力時為混相驅油，反之，則為非混相驅油。其提高采收率的主要驅油機理為使原油粘度降低、體積膨脹、油水界面張力降低，并且可以改善儲層滲透率、抽提和萃取原油中的輕組分[5]等。因油藏物性和儲層特性的差異，每種機理在CO2驅開發過程中所起的主導作用也不一樣。

2.1 CO2混相驅油

混相驅的基本機理是驅替劑和被驅劑在油藏條件下，發生擴散、傳質作用形成混相。從而使得兩種流體之間界面張力和毛管力。依據驅油機理的不同，混相驅可分為一次接觸混相和多次接觸混相。一次接觸混相指在一定的溫度和壓力下，注入流體按任何比例直接與地下原油進行混相，并且保持單相的過程；如果注入流體與地層原油不能發生一次接觸混相，但在油藏流動過程中，可以經過反復接觸、溶解，到充分傳質后，也能達到混相為多級接觸混相。一般在正常的油藏壓力和溫度，CO2驅油過程中很難達到一次接觸混相，通常是CO2和原油在地下充分接觸，不斷的抽提和萃取原油中的輕質組分，并不斷的溶于原油中，最終達到混相狀態[6]。

在CO2混相驅替過程中，不僅能抽提和萃取原油中的輕組分，而且CO2溶于原油中，與原油中的輕質組分形成混合的油帶，這樣就降低了界面張力和毛管力，可提高微觀驅替效率。

2.2 CO2非混相驅

CO2非混相驅是指在注CO2驅替過程中，CO2和油藏流體之間存在界面張力，地層壓力不足以使CO2完全溶解。非混相驅的主要采油機理是使原油體積膨脹，粘度降低，減小界面張力，抽提和萃取原油中的輕質組分等。主要應用為（1）恢復和保持地層壓力；（2）重力穩定非混相驅替；（3）提高重油流度，改善油水流度比；（4）用于開采高粘度原油[7]。

表1 不同CO2注入方式的對比分析

圖1 水與氣交替注入示意圖

3 CO2驅注入方式優選

CO2注入儲層的方法包括連續CO2注入方法、水與CO2氣體交替注入方法（WAG）和重力穩定CO2注入方法。重力穩定注入方法是將CO2以較低的速度注入到儲層構造的頂部，因密度比地層流體低，會形成人工氣頂，將原油向儲層構造下部及兩側推移到采油井采出。連續注CO2氣體是向已枯竭的地層中直接連續的注入CO2氣體，將原油驅向井口。水與CO2氣體交替注入結合了注水與注氣提高采收率方法的優點，是國內外目前應用最廣、實施效果最好的一種CO2驅替方式，在驅替過程中采用一段氣一段水的方式交替注入到油層，將原油驅向井口（見圖1）。因不同油藏地下條件的差異，油藏的最佳注入方式也不同，各種注入方式的對比分析（見表 1）[8]。

進入高含水期后，儲層中存在的水將束縛原油的流動，使得CO2非混相驅油的效果將很差[9]。所以油藏水驅進入高含水期后，一般不采用重力穩定注入的方法。同時水驅后的油藏，由于地層中CO2的粘度和密度遠低于原油和水，容易發生黏性指進和早期突破等現象，使CO2波及系數降低，驅油效果變差。水與CO2氣體交替注入（WAG）不僅具有降低原油粘度、使原油體積膨脹、降低油水界面張力等驅油作用，還可以有效改善油水流度比，在油層實現相對均勻的驅替，降低黏性指進和延緩CO2早期突破，擴大波及面積，同時CO2驅與水驅相結合，能夠有效提高油層縱向驅替程度，使驅油效果顯著提高[10-11]。因此水驅后的油藏主要采用水與CO2交替注入的方式。

影響水氣交替注入的主要參數包括水氣段塞大小、氣水比、注氣速度和注采比[12-14]。

（1）段塞大小，為了有效控制油氣比上升速度，防止黏性指進和CO2早期突破，一般使用小段塞注入，但注氣段塞不能太小，否則氣水交替周期次數過多，現場工藝程度要求高。

（2）氣水比，一般比例為1：2，可以降低地層能量損耗速度，控制產出水，從而提高CO2波及系數和驅油效率。

（3）注氣速度過高，生產汽油比難以控制，對地面壓縮和注氣設備的要求也會提高，甚至有可能導致注氣壓力超過地層破裂壓力；注氣速度過低，驅油效果不明顯。對于不同油田，要采用合理的注氣速度開采。

（4）注采比一般為1：0.9，不宜過大，這樣可以有效的保持地層能量，使CO2與原油可以更好的混相，太大的注采比，可能會使地層壓力大于地層破裂壓力，產生裂縫，導致氣竄。

4 水驅后油藏CO2驅驅油特征

經過長期水驅開采后的油藏其油藏的含水率一般很高。使得油藏內的平均含水飽和度高于含油飽和度；采用CO2驅后，產水率不會立刻降低，仍要維持一段時間的高產水量后，才會出現產水量迅速下降、產油量上升的現象。這是因為油藏經長期注水開發后，從注入井到生產井之間仍然為高含水飽和度帶，從實施CO2驅開始，CO2作為驅替力主要是推動注入井附近孔隙內的水流向生產井，驅替前緣要經過一段時間后才到達生產井，在生產井附近仍然是水驅油，原油還沒有溶解CO2，而采油井附近儲層孔道內的油水比例基本沒有變化。在這個階段，驅油過程為多次混相接觸，因出口端附近油水組成不變，油井含水率和產水量與注CO2前相比，變化不大。隨著驅替的不斷進行，CO2驅替前緣將不斷向生產井推進，一定時間后，油井產水量就開始下降、產油量逐漸上升，最終當驅替逐漸穩定后，就會出現含水率快速下降、產量上升的現象。在氣體突破后，就會出現產量大幅度的提高[15]。這也解釋了為什么水驅后的高含水油田，實施CO2驅后，產油能力增強，產水降低以及油田的平均含水率會大幅度降低。

5 應用現狀

國外注氣提高采收率技術已經很成熟，并取得了較好的效果，表明注CO2驅油提高采收率最具潛力的方法之一。其中美國和加拿大等國開展CO2混相和非混相驅項目很多，且實施效果很好。到目前國內外正在進行CO2提高采收率項目共有124項，產油量達到27.41×104桶/天，其中以美國開展注CO2項目最多，達到了105個，占全部注CO2項目數的84.67%，其產油量為 24.96×104桶/天，占全世界注 CO2產量的 91.06%[16]。并且美國現在注CO2采油仍然保持著連續增長的好勢頭。

我國因設備與氣源等問題，注CO2采油技術研究起步比較晚，與國外相比尚還有一定的差距，但隨著勘探技術進一步的擴大，我國一大批CO2氣源，濟陽、蘇北、松遼、黃驊等坳陷和三水盆地登東部含油氣中，已發現了許多無機成因CO2氣藏[17]，并且隨著國產工藝設備的不斷提高以及學習國外的先進技術，我國注CO2驅油技術也日益成熟，取得了很好的開發效果。

河北任丘任11碳酸鹽巖油藏，至2010年年底，平均地層壓力為26.87 MPa，原油采出程度26.70%，綜合含水率93.06%。通過油藏數值模擬，如果采用注CO2開發方案繼續開發20年后，整體采出程度為31.31%，其中裂縫的原油采出程度為42.08%，基巖的原油采出程度為24.82%。注CO2方案比基礎方案原油采出程度可增加3.54%，增產原油380.75×104[18]。

大慶油田1988年開辟了薩南東部過渡帶注CO2試驗區，1990年至1995年先后對葡Ⅰ2油層和薩Ⅱ10-14油層進行了礦場試驗，都是先采用前期水驅，再進行水與CO2交替注入方式，CO2注入的總量為0.2 PV。兩次礦場試驗都降低了水油比和水驅剩余油飽和度。其中葡Ⅰ2油層水驅0.44 PV，綜合含水98.6%，中心井含水率99.5%，然后再進行水驅，水氣交替20個月，年注氣速度0.214 PV，注氣4個周期。最后全區采收率提高了4.67%。薩Ⅱ10-14油層水驅0.102 PV，全區含水98.1%，中心井含水92.3%。水氣交替年注入速度是0.18 PV，注6個周期，最后全區采收率提高了5.7%[19]。

蘇北盆地草舍油田泰州組油藏為復雜小段塊，原始地層壓力為35.9 MPa，最小混相壓力為32.06 MPa，1981年5月投入開發，1990年9月開始注水，2004年地層壓力為32.06，驅替類型為混相驅，2005年7月開始向5口井注氣，2007年2月油藏注氣見效，截至2009年12月，綜合含水由56%下降至44%，提高采收率2%[20]。

6 結論

（1）水驅后的油藏，由于水敏性粘土礦物較多，見水后易發生膨脹而阻塞孔隙，使注水壓力高，注水成本高，滲透率降低嚴重，產量下降較快，無法進一步提高采收率。而氣體不易與巖石礦物發生反應，不宜造成儲層的傷害。

（2）介紹了CO2驅增油機理、混相驅和非混相驅兩種驅油方式以及混相驅和非混相驅的驅油機理和適應性。

（3）優選了水驅后油藏的CO2注入方式，水驅后的高含水油藏主要采用水與CO2交替注入的方式開采，不僅可以進一步提高油田采收率，也可以防止黏性指進及延緩氣體的早期突破。

（4）隨著我國CO2采油技術的日益成熟以及CO2氣源的不斷發現，實現水驅后油藏繼續高效穩產具有重要意義。

[1]韓大匡.深度開發高含水油田提高采收率問題的探討[J].石油勘探與開發，1995，22（5）：47-55.

[2]Stein M H，Frey D D，Walker R D，et al.Slaughterestate unit CO2flood:comparison between pilot andfield-scale performance [J].Journal of PetroleumTechnology，1992，44（9）:1026-1032.

[3]李士倫，周守信，杜建芬，等.國內外注氣提高石油采收率技術回顧與展望[J].油氣地質與采收率，2002，9（2）：1-5.

[4]黃艷梅，唐韻，李莉，等.中低滲油藏水驅后儲層變化及影響因素分析[J].石油天然氣學報（江漢石油學院學報），2013，35（8）：143-147.

[5]Bond L.LApplications of carbon dioxide in enhanced oilrecovery.Energy Conversion and Management[J].Journal of Canadian PetroleumTechnology，2003，33（2）：579-586.

[6]仵元兵，胡丹丹，常毓文，等.CO2驅提高低滲透油藏采收率的應用現狀[J].新疆石油天然氣，2010，6（1）：36-39.

[7]祝春生，程林松.低滲透油藏CO2驅提高原油采收率評價研究[J].鉆采工藝，2007，30（6）：55-57，60.

[8]高慧梅.注二氧化碳提高原油采收率技術研究進展[J].特征油氣藏，2009，16（1）：6-12.

[9]Espie AA.Obstacles to the storage of CO2through EOR operations in the North Sea[J].Greenhouse Gas Control technologies，2003，20（9）:68-70.

[10]Kovseek A R.Screening criteria for cq storage in oil reservoirs[J].Petroleum Science and Technology，2003，20（7-8）:841-866.

[11]李保振，李相方，Kamy Sepehrnoori，等.低滲油藏CO2驅注采方式優化設計[J].西南石油大學學報（自然科學版），2010，32（2）：101-106.

[12]宋兆杰，李治平，剌楓鵬，等.水驅油藏轉注CO2驅油參數優化與效果評價[J].西安石油大學學報（自然科學版），2012，27（6）：42-47.

[13]John D R，Reid B G.A literature analysis of the WAG injectivity abnormalities in the CO2Process [C].SPE 73830，2001.

[14]Bond L P L.Applications of carbon dioxide in enhanced oil recovery [J].Journal of Canadian Petroleum Technology，2003，33（2）：579-586.

[15]俞宏偉，楊思玉，李實，等.低滲透油藏CO2驅過程中含水率變化規律[J].吉林大學學報（地球科學版），2011，41（4）：1028-1032.

[16]Leena Koottungal.2008 Worldwide EOR Survey[J].Oil and Gas Journal，2008，106（15）：47-59.

[17]李登偉，張烈輝，周守信，等.CO2吞吐提高近海油田的采收率[J].中國西部油氣地質，2005，1（2）：232-234.

[18]郭平，周耐強，張茂林，等.任11碳酸鹽巖油藏注CO2提高采收率研究[J].西南石油大學學報（自然科學版），2012，34（2）：180-184.

[19]謝尚賢，韓培慧，錢昱.大慶油田薩南東部過渡帶注CO2驅油先導性礦場試驗研究[J].油氣采收率技術，1997，4（3）：13-19.

[20]羅二輝，胡永樂，李保柱，等.中國油氣田注CO2提高采收率實踐[J].特種油氣藏，2013，20（2）：1-7.