頁巖油藏注CO2 提高采收率開發研究現狀及展望

范靈頤，黎保廷

（1.西安石油大學石油工程學院，陜西西安 710065；2.西安石油大學陜西省油氣井及儲層滲流與巖石力學重點實驗室，陜西西安 710065）

由于持續消耗常規油氣資源，常規油氣的可采剩余儲量越來越少，現階段探明新增儲量的難度較大，能源短缺問題越來越嚴重。所以例如頁巖油、致密油、頁巖氣等非常規油氣資源以其資源規模大，勘探開發潛力大等特點受到國內外越來越多的關注。世界石油工業正在迎來大變革—從常規向非常規跨越。實現非常規油氣頁巖油的高效開發可以解決嚴重的能源短缺問題保障我國能源安全具有重要戰略性意義?？碧浇Y果顯示，我國陸相盆地存在非常豐富的頁巖油氣資源，初步預估我國陸相頁巖油可采儲量可達（30～60）×108t[1-3]。近十幾年來，綜合應用水平井和體積分段壓裂技術使得全球頁巖油產量迅速增加，“水平井+分段壓裂”已成為頁巖油藏開發的有效工程方法。但是，頁巖油藏水平井和分段壓裂之后衰竭式開發仍然存在單井產量低、產量遞減快、采收率低（5%～10%）的嚴重問題，急需研究尋找有效提高頁巖油藏采收率的開發方式[4]。

目前頁巖油藏在“水平井＋分段壓裂”之后提高采收率開發技術有水驅、化學驅、氣驅、氣體吞吐等，但這些技術存在不同程度的問題。對于水驅來說：（1）頁巖中黏土礦物發育，注水會產生嚴重的水敏反應，發生黏土膨脹；（2）頁巖儲層具有強非均質性，實際驅油生產時波及效率較低；（3）頁巖層系廣泛普遍發育微納米級孔隙，具有低滲透率、低孔隙度的特點[5]，注水時毛細現象嚴重，注入能力差，注水開發難度較大。對于化學驅來說，依然存在低孔低滲條件下難以注入的問題，除此之外，化學試劑大分子極難發揮作用，會發生環境污染并且使用成本高不適合頁巖油大規模開發生產。對比分析之下，氣驅以及氣體吞吐方式更加適合于頁巖油藏。

在注入氣的選擇上，大量室內模擬實驗研究以及礦場實踐報告顯示注CO2能夠有效提高頁巖油采收率。室內模擬實驗研究表明CO2的混相注入壓力低于氮氣（N2）和甲烷（CH4）。對于選擇注CO2來說，具體可以分為CO2驅以及CO2吞吐。頁巖油藏注CO2開發具備很多優點：（1）原油與CO2接觸，能夠降低儲層原油黏度，原油體積會發生膨脹，降低了界面張力，增加原油內動能，提升原油流動能力；（2）CO2遇水形成碳酸，碳酸可溶解碳酸鈣，提高滲透率；并且將CO2注入頁巖油儲層；（3）可以緩解溫室效應，有利于實現“碳達峰、碳中和”雙碳戰略目標；（4）CO2驅油和地質封存相結合將會是未來的發展趨勢，注CO2一方面強化油氣開采，一方面推動實現碳捕集、碳利用和碳封存（CCUS）。然而，現如今中國頁巖油藏注CO2開發技術發展仍然不足以滿足大規模工業生產的需要。為促進頁巖油藏注CO2開發技術的應用發展，筆者大量調研了國內外文獻，介紹了注CO2技術（CO2驅、CO2吞吐）的國內外研究現狀，分析了CO2驅、CO2吞吐的增產機理和各自的優缺點以及未來發展趨勢，以此對實際生產提供理論指導與參考。

1 頁巖油藏儲層特征

1.1 頁巖油定義

關于頁巖油的定義，在過去很長一段時間內，國內專家學者對于頁巖油的定義都存在較大分歧。一些專家學者認為，頁巖油的定義必須用巖性來界定，在嚴格區分儲層巖性的同時應強調烴源巖的重要性，只有頁巖儲層中的游離油、吸附油和溶解油才能稱為頁巖油，頁巖層系中其他致密儲層中的原油稱為致密油。隨著國內專家學者與國外相關領域學者的交流融合，目前大多數學者普遍認為，頁巖油的定義不再需要嚴格區別巖性而是應該覆蓋全部的頁巖層系，頁巖油指的是全部頁巖層系中包含的石油資源，其中不僅包括頁巖中賦存的石油，也包括頁巖層系當中如致密碳酸巖或致密砂巖夾層中的石油資源[6，7]。與美國和加拿大所稱的致密油（tight oil）同義，有時與shale oil 混合使用，國外相關領域記作tight oil/shale oil。美國和我國頁巖油儲量的估算都是基于所有頁巖層系的原油儲量。頁巖原本自身就是烴源巖，非常規頁巖油-源內油氣分布（見圖1），頁巖油屬于源內油，頁巖油藏屬于典型的自生自儲式油氣滯留聚集類型。頁巖油藏的成功勘探開發突破了理論傳統意義上的圈閉找油模式，極大的擴展了找油區域范圍，推動了全盆地勘探開發的進程[8]。

圖1 非常規頁巖油-源內油氣分布圖（據文獻[1]修改）

1.2 頁巖油藏儲層特征

我國頁巖油氣資源與美國的頁巖油氣資源不同主要分布在陸相沉積盆地中。中國頁巖油氣資源主要分布于鄂爾多斯盆地、松遼盆地、柴達木盆地、準噶爾盆地、四川盆地等[9]。各大盆地對應的層系分別為：三疊系、白堊系、古近系、二疊系、侏羅系。

雖然頁巖油資源地質儲量大，但由于勘探開發難度較大，目前我國頁巖油仍處于勘探開發初期，相關開發技術并不成熟，我國部分油田如長慶油田、勝利油田等建立了一些先導性試驗井區，目前還沒有實現大規模工業開發。中國陸相頁巖油與美國海相頁巖油儲層地質特征條件存在很大差別。我國頁巖油藏主要儲層地質特征（見表1）。

表1 我國頁巖油藏儲層基本特征（據文獻[1]修改）

（1）頁巖油儲層普遍廣泛發育微納米級孔隙，主要包含有機質納米孔、黏土礦物粒間孔、巖石骨架礦物孔、古生物化石孔和微裂隙。其中有機質納米孔和黏土礦物粒間孔發育最為廣泛[10]。

（2）頁巖油儲層脆性礦物石英、長石等含量較高。在壓裂條件下形成人工裂縫，因此比較適合儲層壓裂改造以此提升頁巖油采收率[11]。

（3）頁巖油藏是典型的自生自儲油藏，頁巖不僅是生油巖（烴源巖），而且還是油氣儲集的場所。

（4）頁巖油儲層熱演化程度偏低，頁巖油整體較稠，黏度高，流動能力較弱，開發具有一定的難度。

（5）主要形成于半深湖-深湖環境中，I 型和Ⅱ型干酪根為主[12]，頁巖油儲層黏土礦物（蒙脫石、伊利石等）含量比較高。

2 國內外研究現狀

國內外頁巖油資源較為豐富，其大多主要分布在北美、東歐（主要是俄羅斯）和亞太（主要是中國）地區。根據2021 年EIA 統計顯示，美國在2020 年頁巖油產量達到3.78×108t，大約占到美國石油總產量的66%[13]。美國擁有七大頁巖油氣產區，分別是：Appalachia 產區、Anadarko產區、Bakken產區、Eagle Ford產區、Haynesville 產區、Niobrara 產區以及Permian 產區。其中Bakken 產區、Eagle Ford 產區和Permian 產區是三大主要的頁巖油產區，另外四個產區主要生產頁巖氣。以美國為代表注CO2驅油技術已經較為成熟，形成了一套機理研究、油藏工程開發方法與數值模擬相結合的方法體系[14]。我國長慶油田近幾年建立了頁巖油開發試驗區，并對試驗區進行了注CO2開發，礦場實踐表明注CO2開發采收率可提高15%～30%。截止2021 年11 月，勝利油田位于濟陽坳陷的20 余口頁巖油生產井，90%累積產量超過千噸，目前正在加快腳步創建頁巖油國家級開發示范區。

另一方面，專家學者也進行了大量室內物理模擬實驗研究，國內外研究現狀列舉如下：2013 年Song 等[15]開展了Bakken 儲層巖心與CO2以及水的注入實驗，研究結果表明水驅提高采收率的程度高于CO2非混相條件，近混相和混相條件下的采收率程度優于水驅。2014年Gamadi.T 和Sheng.J 等[16]進行了頁巖油藏注氣實驗。對比研究了頁巖油藏不同提高采收率方法的可行性，研究結果表明對于頁巖油藏注氣開發比其他開采方式更高效更實用。2018 年梅海燕等[17]進行了氣驅物理模擬實驗，對比研究了注入CO2、CH4和N2的驅油效率。實驗研究表明注入CO2提高采收率效果最好，其次是CH4，最后是N2。2016 年Yu Y 和Li L 等[18]進一步探究了不同氣體在吞吐實驗中，燜井時間和開采時間對裂縫基質性頁巖油藏采出程度的影響。2017 年宋海建[19]進行了頁巖油藏有效開發方式研究，分析研究頁巖油藏不同滲透率下的有效開發方式。對比研究了CO2驅、CO2吞吐和衰竭開采對于采收率的影響程度。同年Li等[20]進行了頁巖巖心CO2吞吐物理模擬實驗，研究了注入壓力對CO2吞吐的影響，實驗研究表明CO2吞吐可以有效提高采收率，注入壓力最好高于最小混相壓力。2018 年Alfarge 等[21]研究認為總有機碳（TOC）和接觸時間是影響頁巖提高采收率效果的主導因素。2019年趙清民等[22]研究了注CO2接觸時間和接觸次數對采出程度的影響，分析了注CO2動用頁巖油機理。2021年郎東江等[23]研究了注CO2提高采收率的影響因素，結合核磁共振測試結果分析了作用時間、壓力、溫度以及裂縫發育程度對頁巖油提高采收率程度的影響。

3 注CO2 開發方式

3.1 CO2 驅（連續注氣）

CO2驅根據驅替壓力是否高于最小混相壓力（MMP）又可以分為非混相驅、近混相驅以及混相驅。影響CO2與原油實現混相的最小混相壓力因素包括：CO2純度、油藏溫度以及原油組分。其中原油中的重質組分（例如C5以上的組分）含量越高，最小混相壓力（MMP）越高[24-26]。

CO2非混相驅是指：在注CO2驅替原油的過程中，CO2與原油之間存在界面，驅油劑CO2與地層原油互不混溶。CO2混相驅指的是：在使用CO2驅油時，在一定條件下，CO2與原油互相溶解界面消失，消除多相狀態，混為一相，理論上可使驅油效率高達90%以上[27]。影響CO2驅替效率的因素有很多，例如驅替壓力、驅替時間、CO2注入量、注采井網、巖石本身的滲透率、非均質性等。

3.1.1 CO2驅提高采收率機理 CO2非混相驅、近混相驅以及混相驅三種不同驅替方式對應不同的驅油機理。當驅替壓力高于最小混相壓力（MMP）時，CO2與原油達到混相狀態。在混相狀態下的CO2混相驅提高原油采收率的主要途徑是：通過CO2與原油溶解，降低原油黏度，原油體積發生膨脹，大幅度降低界面張力，并且通過萃取抽提作用抽提原油中的輕烴組分以及通過混相作用形成油帶以此大幅度提高驅油效率。當驅替壓力低于最小混相壓力（MMP）時，該過程處于非混相或近混相狀態。非混相CO2驅油機理主要是基于CO2溶于原油引起原油性質的改變。提高采收率的主要途徑是降低界面張力、降低原油黏度、原油溶脹、CO2與水接觸形成碳酸發生溶蝕作用，改善滲透率以及孔隙度等。近混相驅替機理與混相驅替機理相似，同樣具有溶解、抽提作用[28]。大量實驗研究表明混相、近混相驅替過程中的產油性能高于非混相驅[29]。對于頁巖油藏，最理想的狀態就是實現混相驅。當然這對油藏條件下油藏壓力等有較高要求。

3.1.2 CO2驅存在的問題及未來發展方向

3.1.2.1 氣竄嚴重 CO2驅開發頁巖油藏具有很多優點，但是仍然存在一些問題，比如極其容易發生氣竄。實際油田生產與實驗研究結果存在較大出入。發生氣竄嚴重地影響到波及效率使波及效率變低。導致氣竄的原因主要有兩個：一是黏性指進；二是頁巖油藏非均質性以及氣竄通道。我國頁巖油藏基本是陸相頁巖，層間非均質性嚴重。此外由于頁巖油藏開發普遍壓裂導致的人工裂縫與天然裂縫溝通形成了氣竄通道。

3.1.2.2 CO2氣源短缺 為了實現CO2驅，非常充足的氣源是必須的。目前有兩種氣源：一種是天然CO2氣源，如天然CO2氣藏；第二種是工業CO2廢氣源。對于這兩種氣源來說，捕集利用工業CO2廢氣更具有發展前景，CO2是國際公認的主要溫室氣體之一，捕集利用CO2對于環保意義重大，結合雙碳目標，CO2的捕集利用和封存（CCUS）將是未來的研究發展方向。但是現階段工業廢氣還缺少相關企業以及配套技術實現規?；都?。

3.1.2.3 混相壓力過高 在大部分頁巖油藏地層條件下，CO2與頁巖油處于非混相或者近混相狀態，因此必須補充能量才能實現CO2混相驅替，但如果在開發過程中地層壓力持續下降，由于頁巖油藏孔隙度和滲透率低以及體積壓裂產生的裂縫，注入氣的有效性就會降低補充能量就會更加困難，為了提高CO2驅替效率，有必要研究相應的應用技術以改善混相性[30]。

3.1.2.4 腐蝕 CO2遇水發生反應生成的碳酸會腐蝕設備、管線、井筒等，造成不必要的經濟損失，并且對礦場安全生產形成隱患。

3.1.2.5 固相沉積 一方面，當CO2與原油實現混相時，同時也降低了原油對分散于其中的瀝青質、石蠟的穩定性，使石蠟、瀝青質析出產生石蠟、瀝青質沉積，會對儲層造成傷害。另一方面，CO2與地層水中的成垢離子（Ca2+、Mg2+等）作用反應發生沉積，可堵塞產油孔道不利于提高采收率。

在常規油藏中以及非常規致密油藏中解決黏性指進以及波及效率低的方法有水氣交替注入（WAG）、CO2泡沫驅以及近期備受關注的超臨界CO2驅等，對于頁巖油藏來說，水氣交替以及CO2泡沫驅替等方法都值得被嘗試應用和發展，現階段頁巖油藏處于勘探開發初期，但今后未來相關技術發展勢頭不可忽視。

3.2 CO2 吞吐（循環注氣）

CO2吞吐技術是作用于單井的提高原油采收率技術，CO2吞吐在“吞吐”和關井過程中，只涉及一口井，既作為注入井，又作為生產井。吞吐技術用以克服頁巖油藏早期氣竄問題，CO2吞吐作用于單井包括三個階段過程：注氣階段—燜井階段（浸泡階段、關井階段）—采油階段。通常實施3～5 個吞吐輪次。在現場，定時關井需要中斷生產，也需要更多的操作。CO2吞吐也是目前頁巖油藏有效提高采收率技術之一。另外除了頁巖油藏，CO2吞吐技術廣泛應用于低滲油藏、致密油藏如致密砂巖油藏、致密礫巖油藏、稠油油藏等[31-33]。

影響CO2吞吐驅油效率的因素主要分為兩大類：第一類是自身物理特性，如滲透率、非均質性、有機碳含量等；第二類是工程技術因素，如燜井時間、CO2注入量、吞吐輪次、CO2注入速度、注入壓力、開采速度等。礦場實踐和室內物理模擬實驗結論表明吞吐輪次在3～5 輪次范圍內，鄂爾多斯長7 段頁巖油CO2吞吐采收率（見圖2）。累積采收率隨著吞吐輪次的增加而增加，但單次吞吐周期下的采收率隨著吞吐輪次的增加而降低，因此考慮到各方面條件因素，建議最佳吞吐輪次為3～4 次。與常規油藏相比不同的是，頁巖油藏需要更長的燜井時間（關井時間）、更高的注入壓力以此使CO2進入頁巖儲層的微小納米級孔隙與原油接觸反應。

圖2 鄂爾多斯盆地長7 段頁巖油CO2 吞吐采收率隨吞吐輪次影響變化圖

3.2.1 CO2吞吐提高采收率機理 CO2吞吐提高采收率的作用機理以溶解擴散以及降黏膨脹為主，在向單井注入CO2的過程中，CO2率先與容易進入的大孔喉中的頁巖油接觸反應，在燜井過程中，由于分子擴散作用，CO2逐步進入難以進入的微小孔喉中，在回采過程中，頁巖油被CO2帶動采出。結合核磁共振實驗可以從微觀孔隙尺度闡明動用頁巖油機理，相關研究表明，CO2吞吐主要動用大、中孔隙中的頁巖油且CO2分子擴散是頁巖油藏吞吐增產的主要機理。有關CO2吞吐驅油機理詳細列舉如下：

3.2.1.1 降低原油黏度 CO2溶于原油后，降低了原油黏度，原油流動能力提升，從而提高采收率。

3.2.1.2 原油體積膨脹 CO2大量溶于原油后使原油體積膨脹增加了原油的內動能，推動原油從儲層流出，從而提高了驅油效率。

3.2.1.3 分子擴散作用 CO2通過分子擴散作用溶于原油，由于儲層條件復雜，CO2很難與油藏中的原油完全融合，因此CO2和原油必須擁有足夠的接觸時間。

3.2.1.4 置換作用 CO2注入之后，通過等分子置換可以有效開采吸附態頁巖油，降低剩余油飽和度[34]。

3.2.1.5 抽提萃取作用 抽提萃取頁巖油中的輕質組分從而降低剩余油飽和度提高采收率。

3.2.1.6 降低界面張力 剩余油飽和度隨著油水界面張力的減小而降低，油水界面張力的降低可以減少驅油阻力從而提高采收率。

3.2.1.7 混相效應 如果在注氣階段以及燜井階段，井底壓力大于最小混相壓力（MMP）時，CO2與頁巖油實現混相可以形成CO2和輕質烴混合的過渡油帶，混相作用將殘存的剩余油大部分開采出來，大幅提升采收率。

3.2.2 CO2吞吐存在的問題及未來發展方向 對于連續注入（CO2驅）以及單井循環注入（CO2吞吐）來說，不能簡單的判定哪一種注入方式是更適合頁巖油藏的注氣方式。對于不同區域具有特定儲層地質背景的頁巖油藏，還需要反復實驗，確定哪種注氣方式更適合、更有利。在實驗室模擬實驗以及礦場實踐中，都存在關于燜井時間的問題。在燜井階段油氣之間的混合程度增強，已被觀察到可以提高采油性能。但是頁巖油藏需要的燜井/關井時間更長，增加的采油量是否彌補了關井燜井時的原油產量損失是一個問題。在實際的現場操作中更值得注意的是應該考慮許多操作變量。

近些年伴隨著CO2吞吐技術不斷地發展，可以預見未來應用于頁巖油藏的CO2吞吐技術發展變革方向有：單井發展為井組吞吐、單一CO2吞吐模式發展為復合/綜合CO2吞吐模式、傳統CO2吞吐發展為超臨界CO2吞吐[35]。其中超臨界CO2指的是維持在臨界溫度以及臨界壓力（臨界溫度為31 ℃，臨界壓力為7.37 MPa）以上的CO2流體。超臨界二氧化碳與普通的二氧化碳相比同時兼具液體和氣體的特點，具有非常強的溶解性、擴散性[36，37]。由于超臨界CO2所具有的特性使得超臨界CO2吞吐比一般的吞吐具有更高的原油采收率。

4 結語與展望

與美國先進完善的注CO2開發頁巖油藏技術相比，我國頁巖油藏注CO2開發技術起步較晚，現階段仍處于初步探索研究階段。未來頁巖油藏注CO2技術將會進一步發展完善。目前面臨的挑戰以及未來發展方向有以下幾個方面：

（1）我國頁巖油藏屬于陸相沉積非均質性較強，分段壓裂產生的裂縫以及頁巖自身發育的裂縫/裂隙相互溝通產生氣竄通道，因此注CO2容易發生氣竄導致CO2波及效率低，如何減少CO2低效甚至無效注入，擴大波及效率將成為亟待解決的問題，適應于頁巖油藏的相關配套注入新手段、新方法將成為接下來礦場實踐的重點。

（2）根據頁巖油藏儲層基本特征頁巖油黏度較大、重質組分較多，頁巖油藏溫度較高。這導致頁巖油與CO2的最小混相壓力較高，在頁巖油儲層地層壓力條件下很難達到混相條件。為了提高CO2驅油效率，急需研究相關改善頁巖油藏混相條件的方法。這將成為未來研究發展的一大挑戰。

（3）未來頁巖油藏的開發可能會像常規油藏開發進展一樣，從單一模式發展為復合、綜合模式。對于注CO2技術來說，單一注CO2開發技術將會向復合、綜合注CO2開發技術發展。因為頁巖油藏條件的復雜性以及敏感性，單一的注CO2（CO2驅、CO2吞吐）驅油開發技術不能很好的解決頁巖油藏開發中遇到的各種復雜問題。復合注CO2模式將成為CO2提高原油采收率領域的研究導向。

（4）在碳捕獲、利用和封存（CCUS）的背景下，不僅僅是頁巖油藏甚至其他致密油藏、稠油油藏、常規低滲、超低滲油藏等都將會探索發展注CO2提高采收率開發技術。大多數常規油藏在歷經幾十年的注水開發，長期注水形成水竄通道，含水率較高，產量大幅度降低，水驅開發效果大不如前，大力發展注CO2技術是未來趨勢。