二氧化碳驅油工藝技術探討

王磊

摘 要 據國際能源署統計，全球二氧化碳排放量在3000億至6000億噸之間。由于二氧化碳在油和水中都是一種高度溶解的氣體，當其大量溶解在原油中時，可以增加原油的體積，降低其粘度，減少油水摩擦。二氧化碳驅油技術的原理是將二氧化碳注入油藏以加速石油回收，該技術可用于儲油性較差的深層，也可用于復雜的油配方，如低滲透、高粘度和高凝油。自從1950年代在美國開始二氧化碳驅油研究以來，二氧化碳技術發展迅速，現在該技術更是得到了加強，技術穩定可靠。

關鍵詞 二氧化碳 驅油 吞吐注采

中圖分類號：TE3 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2022）01-0049-03

1 我國二氧化碳驅油的實踐和前景

在我國，二氧化碳具有較大的石油勘探潛力。根據第二次研究和中國海上先進油田修復技術的結果，在參與勘探的常規石油部門的101.36億噸原油中，原油儲量已準備好進行二氧化碳驅油，使用二氧化碳驅油可以增加約1.6億噸的儲量。此外，在63.2億噸低密度獲取的原油儲量中，尤其是50%左右的未利用區域，二氧化碳驅比水驅具有更明顯的技術效益。然而，二氧化碳驅油技術在我國還不處于研究和實踐的領先技術。隨著技術的進步和用途的擴大，可以預見二氧化碳將成為我國提高石油開發效益和采收率的重要資源。

我國在二氧化碳驅油技術方面做了很多先行研究。例如，中國大慶油田使用加氫凈化裝置生產的干凈二氧化碳來測試，雖然現場試驗因油藏氣道的存在而影響了流動效率，但總體上達到了降低截水、提高采收率的效果。因此，中原油田石化總廠建成了年產2萬噸二氧化碳排放裝置裝置，產能提高20%，年增產原油5萬噸以上[1]。

2 二氧化碳采油技術概述

2.1 二氧化碳采油技術優勢

二氧化碳注入技術是一種除注水外還能提高原油采收率的方法，這一點已經被許多理論研究和生產實際效果所證明。與其他高性能油品技術相比，二氧化碳采油技術具有以下優勢[2]：

1.驅油效果好。該技術在國外已得到廣泛應用，并被證明是一種先進的采油技術，對生產和經濟效益有積極影響，與水效應相比，這種方式會將采油效率提高約15%。

2.適用范圍廣泛。該技術可用于儲油設施較差的深層油壩。它也可用于復雜的油配方，如低滲透、高粘度和高凝油。

3.對油層無傷害。

4.施工操作方便。

5.工藝技術逐漸成熟。

2.2 二氧化碳性質

在常溫常壓下，二氧化碳是一種致密、無色、無味的氣體，粘度非常低。二氧化碳的臨界溫度為31.11℃，臨界壓力為7.53MPa或1071psi。高于此臨界溫度時，二氧化碳以氣體形式存在，并且其尺寸隨著壓力的增加而增加。二氧化碳的沸點溫度為-78℃，壓力為0.58MPa或83psi;二氧化碳的液態溫度為17℃，壓力為2.1MPa。二氧化碳在水中極易溶解，其溶解度隨壓力增加而增加，隨溫度增加而減少，隨鹽度增加而減少。在大多數情況下，油藏的溫度高于臨界溫度，因此很難將二氧化碳轉移到油層中。

3 二氧化碳驅油作用機理

研究稠油、高凝油和輕油中二氧化碳驅油的主要方法可歸納如下：

3.1 使原油體積膨脹

注入二氧化碳后原油產能的擴大有三個因素：（1）原油體積增加，含油孔隙體積增加，為石油流入內部創造了有利條件;（2）水流后，油層中的殘油殘渣通過注入二氧化碳而膨脹，從孔隙中抽出，降低殘油飽和度;（3）泄漏的油滴從孔隙空間中提取水分，使水系統可以進行排水而不是吸水的過程，并改變了入口相，為各種條件下的油流動創造了良好的環境。

3.2 降低原油粘度

一旦二氧化碳溶解在原油中，原油的粘度就會急劇下降。當二氧化碳完全飽和時，原油的粘度可能下降到1/10或1/100。隨著原油粘度的升高，其粘度也隨之下降，其中粘度降低對原油精煉的影響尤為明顯。降低原油的粘度有助于提高原油的流動性。因此，可以注入一定量的二氧化碳，以實現石油的最佳流動。換句話說，可以加入一定量的二氧化碳，以達到最佳的石油流動效率。

3.3 多級混相驅油

一旦二氧化碳注入地層中，它就會與原油儲層混合。在特定溫度和壓力下，二氧化碳和原油形成單一化合物以混相驅油。在此期間，內部張力很低，可用油量很高，采收率可以達到90%以上。在低壓下，二氧化碳僅部分減少，當壓力高（6.9～9.7MPa）和溫度高（55°C）時，二氧化碳會不斷向燃料中釋放低重量的碳氫化合物，形成二氧化碳富氣相。豐富的氣相加劇了二氧化碳和石油的裂化，在高壓下二氧化碳的含量接近原油，可以加速汽化原油，與原油形成完全無法分解的相。

3.4 降低界面張力

二氧化碳在油和水中具有溶解作用，減少了分子間作用力引起的相互作用。這改變了油和水的流入量，即油相的等量輸入增加而水的流入量減少，以生產更多的油。

殘余油飽和度隨著油水表面張力的降低而降低;大多數油藏中油水界面張力為10～20mN/m。如果剩余油濃度趨于零，則油水界面張力應降至0.001mN/m以下。界面張力低于04 mN/m時，回收率將顯著提高。CO2采油的主要作用是置換和蒸發原油中的簡單碳氫化合物、大量碳氫化合物等，顯著降低油水不相容性和殘留油含量，從而提高原油回收率。

3.5 蒸發原油中間烴組分

二氧化碳是一種非常強大的汽化物，可以從原油中的C5～30范圍提取碳氫化合物并提高原油液體的流動性。

3.6 形成溶解氣驅

隨著開采期的進行，地層的壓力會逐漸降低，開始溶解在原油中的二氧化碳會大量釋放，形成一個熔融氣體發動機，可以提高釋放水的生產率。

上述二氧化碳與原油的作用，是一個通用的參考。在不同的生產環境和不同類型油藏的不同生產時間，二氧化碳的作用機制也不同。例如，在簡單的油源中，二氧化碳在促進油和溶解氣體的運動方面起著重要作用。

4 二氧化碳采油工藝分類

二氧化碳在石油工業中的使用包括：注入和吸入二氧化碳（促進單一來源進入的措施）;連續注入二氧化碳;充斥碳顆粒;同時注入水;二氧化碳+輕質石油氣。因此，我們專注于二氧化碳注入和吸收過程的各個階段，以及二氧化碳驅油過程。

4.1 氣態二氧化碳吞吐采油工藝

4.1.1 液態二氧化碳氣化工藝

采用注入液體后加熱氣化的技術方法。即從儲蓄罐送來的二氧化碳開始被壓縮、吸入到地層的壓力中，然后被燃燒。

4.1.2 二氧化碳氣態注入工藝流程

一般情況下，二氧化碳由液態二氧化碳罐輸送到施工現場，由低壓泵引向柱塞泵。經柱塞泵升壓后，由吸入支泵管供油，在壓力下送入熔爐。液態二氧化碳被導入熔爐，內部發生熱交換，吸熱后溫度升高，空氣中的二氧化碳就會在壓力作用下進入地層。根據所需的各種程序，二氧化碳可以從油層的空間注入，或從油管注入，或包在油層的頂部，然后注入油管。

4.1.3 氣態二氧化碳注入參數設計

二氧化碳氣體的設計參數受重力壓力的形成和爐溫等因素的影響。參數的大小取決于爐子的功率，結合建筑源的實際情況，最大功率只能為360千瓦。

4.1.4 氣態二氧化碳注入后燜井時間

汽化二氧化碳氣體的最佳燜井時間為10～15天。在稠油油藏孔隙度和滲透率低的油藏中，燜井時間應更長。

4.1.5 氣態二氧化碳注入后回采速度

二氧化碳吞吐的第一階段，通常有一個驅動時間，噴發時的生產壓力差應控制在0.51兆帕/天，噴期滿后用機械吸除油污。當送液量急劇上升時，調整輸入參數，當液位變化不大時，調高側升和泵送，其他參數保持不變。

4.2 液態二氧化碳吞吐注采工藝設計

液態二氧化碳提油工藝與氣態二氧化碳提油工藝的區別如下：

1.直接注入二氧化碳。

2.注射速度不是由設備測量的，可以相應增加抽真空的速度。

3.二氧化碳在油層中加熱需要時間，油線溫度恢復到原來溫度的90%，一般需要48小時，完全恢復一般需要7～8天，所以燜井的持續時間一般為2～3天。

4.其他條件與氣體情況基本相同。

4.3 氣（CO2）-氣（N2）段塞吞吐采油工藝

原油成功地從地層中提取出來，必須要滿足兩個條件：即油藏內的壓力足夠高和原油含水量高。氣（CO2）-氣（N2）段塞是在開發原油液體時增加壓力。

這是由氮氣和二氧化碳與原油相互作用的方式決定的。氮本身不溶于水，在原油中的溶解度也很低，彈性系數大。注入地層后，增加壓實度，才易溶于原油。

由于二氧化碳對降低常規稠油粘度具有積極作用，CO2-N2段塞氣和濃縮油生產工藝是資源嚴重短缺的稠油的理想選擇。試驗結果表明，段塞長度越短越好，段塞長度一般為0.2、0.3PV。長時間連接油層的高壓，由于氮氣和二氧化碳的密度差異，很容易迫使氮氣分解二氧化碳，造成流量不平衡。段塞比通常為1：1至1：3，另一種注入氣體的方法是將氣體均勻地分成幾種，可以防止氮氣進入二氧化碳。

5 二氧化碳驅油的應用前景

5.1 二氧化碳驅油的意義

目前，世界上許多油田都采用注水方式，面臨著石油再生和水資源短缺的需求。對此，近年來，國外大國積極推進二氧化碳排放采油技術的開發和實施。該技術既能滿足油田開發需要，又能解決二氧化碳封存和大氣保護問題。該技術不僅適用于常規油藏，也適用于低滲、特低滲透油藏，可以大大提高原油采收率。2006年，美國共有153個改進的石油修復項目，其中82個是二氧化碳修復項目。國際能源署估計，通過二氧化碳技術得到的石油將從3000億桶增加到6000億桶。將二氧化碳注入枯竭的石油儲量可以增加油氣田的產量，這已成為石油生產的共識。90%以上的二氧化碳純度可用于提高采收率，二氧化碳在水中溶解后，水的粘度可增加20～30%，運移性能可增加2～3倍;油中二氧化碳溶解后，原油體積增加，粘度降低30～80%，二氧化碳驅油通常可以將采收率提高7～15%，并將油壽命延長15～20年。二氧化碳的來源可以在能源廠、化肥、水泥廠、化工廠、煉油廠、天然氣加工廠等行業的開采中找到，不僅可以減少溫室氣體排放，還可以增產油氣。

5.2 二氧化碳驅油的實踐爭前景

在能源緊缺和節能減排的背景下，二氧化碳排放具有更廣闊的推廣和利用潛力。有關部門應及時采取相應措施，支持政策，加快該技術的開發和實施。專家表示，二氧化碳驅不僅適用于常規油藏，特別是低滲、特低滲透油藏，還可以大大提高石油采收率。根據油田不同的地理條件，所有額外生產的原油需要1到4噸，兩噸二氧化碳可使原油產量增加油田總儲量的10%左右。二氧化碳在我國具有巨大的石油潛力，根據第二次中國陸上已開發油田提高采收率潛力評價與策略研究，在參與研究的101.36億噸傳統石油儲量中，適合二氧化碳排放的原油儲量估計為12.3億噸，預計使用二氧化碳驅可增加160萬噸。但是，二氧化碳排放技術在我國還不是研究和使用的領先技術。可以預見，隨著技術的進步和應用的增加，二氧化碳將成為我國提高石油開發效果、提高石油采收率的重要資源[3]。

6 結語

二氧化碳驅油技術已經得到證實。據不完全統計，目前世界上正在進行的二氧化碳驅油項目約有80個，美國是擁有最大二氧化碳驅油項目的國家。一個油藏中每年沉積的二氧化碳量約為20～3000萬噸，其中300萬噸來自天然氣廠和化肥廠。根據第二次中國海洋石油開發戰略潛力考察研究的結果，二氧化碳在我國具有石油勘探的潛力。我國已探明原油儲量63.2億噸的低滲透油藏，尤其是50%未開發儲量，使用二氧化碳驅油具有更明顯的技術優勢。可以預見，隨著技術的進步以及消耗量的不斷增加，二氧化碳將成為我國提高油田開發效果、提高采收率的重要資源。

參考文獻：

[1] 楊翠萍.二氧化碳驅配套工藝技術研究與應用[J].化學工程與裝備，2019（06）：93-95.

[2] 于中奇，李金禹，王海靜.二氧化碳驅壓井工藝技術在Y93-C16井的應用[J].化學工程與裝備，2018（08）： 196-197.

[3] 李紅正，吳建朝.二氧化碳驅油工藝技術探討[J].化學工程與裝備，2017（09）：173-175.