CO2混相驱和非混相驱的驱油机理

题目：CO2混相驱和非混相驱的驱油机理

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2014年 4 月 12 日

CO2混相驱和非混相驱的驱油机理

CO2驱是把CO2注入油层，依靠CO2的膨胀、降粘等机理来提高原油采收率的技术。随着人们对温室效应认识，将CO2 注入地层不仅能够提高原油采收率，还可以起到封存CO2的作用，是三次采油方法中最具有潜力的采油技术。 CO2混相驱

我国低渗、特低渗油藏投入开发后暴露出许多矛盾，如自然产能低、地层能量不足、地层压力下降快等，而注水补充能量因油藏地质条件的限制受到很大制约，因此采收率均较低。从国外EOR技术的发展趋势看，气驱特别是CO2混相驱将是提高我国低渗透油藏采收率最有前景的方法。 1、CO2的基本性质

在标准条件下，也即在0.1MPa压力、273.2K（绝对温度）下二氧化碳是气体状态，气态二氧化碳密度D=0.08-0.1千克/立方米，气态二氧化碳粘度为0.02~0.08毫帕秒，液态二氧化碳密度D=0.5-0.9千克/立方米，液态二氧化碳粘度为0.05-0.1毫帕秒，但在高压低温条件下液态与气态二氧化碳的密度相近，为0.6-0.8吨/立方米。

压力、温度对二氧化碳的相态有明显的控制作用。当温度超过临界温度时，压力对二氧化碳相态几乎不起作用，即在任何压力下二氧化碳都呈现气体状态，因此在地层温度较高的油层中应用二氧化碳驱油，二氧化碳通常是气体状态而与注入压力和地层压力无关。

二氧化碳在水中溶解性质要比气体烃类好得多，地层条件下在水中溶解度为30-60立方米/立方米，而质量比浓度可以达到3-5%，其水中溶解度受压力、温度、地层水矿化度的影响，二氧化碳在水中溶解度随压力增加而增加，随温度增加而降低，随地层水矿化度增加而降低。

二氧化碳溶于水中形成“碳化水”，结果使水的粘度有所增加。二氧化碳在地层中存在，可是泥岩的膨胀减弱。

二氧化碳在油中溶解度远高于在水中的溶解度，大约是水中溶解度的4-10倍，当二氧化碳水溶液与原油接触时，由于其与油、水溶解度的差异，二氧化碳能够从水中转移到油中，在转移过程中水中二氧化碳与油相界面张力很低，驱替过程很类似于混相驱。水中的二氧化碳可以破碎和冲刷、清洗掉岩石表面油膜，从而保持水膜的连续性，造成很低界面张力，让油滴在孔隙通道中自由运移，使油的相对渗透率增加。

当压力超过“完全混相压力”时，不论油中有多少二氧化碳，油与二氧化碳都将形成单相混合物，即达到无限溶混状态。低粘度原有混相压力低，重质高粘度原油混相压力高。二氧化碳与原油混相压力还与原油饱和压力有关。此外，地层温度也影响混相压力。 2、驱油机理

注入的流体与油藏原油在油层中反复接触，发生分子扩散作用，组分传质，最终消除多相状态，达到混相，这就是所谓的多级接触混相（动态混相）。这种接触混相的过程，会产生一个相过渡带，位于

驱替前缘，在这个过渡带中，流体的组成由油藏原油的原始组成过渡为注入的流体的组成。

向前接触和向后接触是多级接触混相中常用的两个概念。向前接触混相过程是指注入气不断与新鲜的地层油接触，将油相所含的中间烃蒸发到气相中去，最终实现混相的过程。向后接触过程是指地层油不断接触新鲜的注入气，不断凝析注入气中所含的中间烃，最终达到多次接触混相的一种混相形式。这两种驱替过程是同时但在地层中不同地点发生。向前接触发生在前缘，而向后接触发生在后缘。

混相驱油是在地层高温条件下，原油中轻质烃类分子被CO2析取到气相中，形成富含烃类的气相和溶解CO2的液相(原油)两种状态。其驱油机理主要包括以下三个方面：

(1)当压力足够高时，CO2析取原油中轻质组分后，原油溶解沥青、石蜡的能力下降，重质成分从原油中析出，原油黏度大幅度下降，提高了油的流动能力达到混相驱油的目的。在适合的储层压力、温度及原油组分等条件下，临界CO2与原油混合，形成一种简单的流体相同。

(2)CO2在地层油中具有较高的溶解能力，从而有助于地层油膨胀，充分发挥地层油的弹性膨胀能，推动流体流人井底。

(3)油气相互作用的结果可以使原油表面张力减小。图1反映了几种油-气系统界面张力与压力的关系，它表明了溶解气种类对油气体系界面张力的影响。随着压力的增加，原油-空气系统的表面张力减小不大，这是由于氮气(空气的主要成分)在油中的溶解度极低，因

此，系统的表面张力随压力变化缓慢。对于原油-CO2系统，由于CO2的饱和蒸汽压很小，在原油中的溶解度大于甲烷在原油中的溶解度，因此原油-CO2系统的界面张力随着压力增加而快速下降。对于原油-天然气系统而言，天然气中甲烷以及少量的乙烷、丙烷、丁烷等使得天然气在油中的溶解度要远大于氮气的溶解度，故界面张力随压力增加而急剧降低。

图2-3 典型油-气系统界面张力

（① 原油与空气；②原油与天然气；③原油与CO2）

CO2非混相驱

1、重油的相对分子量很高,CO2与原油的混相压力比油藏压力高得多,因此通过注CO2提高原油采收率必须依赖非混相驱。在非混相驱中, CO2溶入原油后,使油膨胀,并降低油的粘度,从而达到驱油增 产的目的。通过介绍非混相CO2驱在油藏增产中的驱油机理,证明 CO2作为一种有效的驱油剂,可以提高油藏原油的采收率。 2、驱油机理

（1）降低原油粘度

CO2溶于原油后,降低了原油粘度,试验表明,原油粘度越高,粘度降低程度越大。40℃时,CO2溶于沥青可以大大降低沥青的粘度。温度较高(大于120℃)时,因CO2溶解度降低,降粘作用反而变差。在同一温度条件下,压力升高时,CO2溶解度升高,降粘作用随之提高,但是,压力过高,若压力超过饱和压力时,粘度反而上升。原油粘度降低时,原油流动能力增加,从而提高了原油产量。 （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。一般地,二氧化碳溶于水后,可使水粘度增加20% -30%,水流度增加2-3倍,同时随着原油流度的降低,油水流度比和油水界面张力将进一步减小,使油更易于流动。 （3）膨胀作用

CO2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CO2的溶解量。 （4）溶解气驱作用

由于CO2在原油中的溶解度较大,在注人过程中,一部分CO2溶于原油,随着注人压力上升,溶解的CO2量越来越多,当油藏停止注CO2时, 随着生产的进行,油藏压力降低,油藏原油中的CO2就会从原油中分离出来,为溶解气驱提供能量,形成类似于天然类型的溶解气驱。即使停驻，油藏中的CO2气体仍然可以驱替油藏中的原油,而且,一部分 CO2像残余气一样圈闭在油藏中,进一步增加采出油量,从而达到提高原油的

采收率的目的。

（5）提高渗透率和酸化解堵作用

二氧化碳-水的混合物略带酸性并与地层基质相应地发生反应。在页岩中,由于pH值降低,碳酸稳定了粘土,生成的碳酸氢盐很容易溶于水,它可以导致碳酸盐的渗透率提高,尤其是井筒周围的大量水和二氧化碳通过碳酸岩时圈。另外,二氧化碳-水混合物由于酸化作用可 以在一定程度上解除储层无机垢堵塞,疏通油流通道,恢复单井能。 （6）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CO2也很难与油藏中原油完全混合好。多数情况下,通过分子的缓慢扩散作用溶于原油的。

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