二氧化碳驅(qū)油工藝技術(shù)探討

王磊

摘 要 據(jù)國際能源署統(tǒng)計(jì)，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(dāng)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(qū)油技術(shù)的原理是將二氧化碳注入油藏以加速石油回收，該技術(shù)可用于儲油性較差的深層，也可用于復(fù)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(qū)油研究以來，二氧化碳技術(shù)發(fā)展迅速，現(xiàn)在該技術(shù)更是得到了加強(qiáng)，技術(shù)穩(wěn)定可靠。

關(guān)鍵詞 二氧化碳 驅(qū)油 吞吐注采

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

1 我國二氧化碳驅(qū)油的實(shí)踐和前景

在我國，二氧化碳具有較大的石油勘探潛力。根據(jù)第二次研究和中國海上先進(jìn)油田修復(fù)技術(shù)的結(jié)果，在參與勘探的常規(guī)石油部門的101.36億噸原油中，原油儲量已準(zhǔn)備好進(jìn)行二氧化碳驅(qū)油，使用二氧化碳驅(qū)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(qū)域，二氧化碳驅(qū)比水驅(qū)具有更明顯的技術(shù)效益。然而，二氧化碳驅(qū)油技術(shù)在我國還不處于研究和實(shí)踐的領(lǐng)先技術(shù)。隨著技術(shù)的進(jìn)步和用途的擴(kuò)大，可以預(yù)見二氧化碳將成為我國提高石油開發(fā)效益和采收率的重要資源。

我國在二氧化碳驅(qū)油技術(shù)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(chǎn)的干凈二氧化碳來測試，雖然現(xiàn)場試驗(yàn)因油藏氣道的存在而影響了流動效率，但總體上達(dá)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(chǎn)2萬噸二氧化碳排放裝置裝置，產(chǎn)能提高20%，年增產(chǎn)原油5萬噸以上[1]。

2 二氧化碳采油技術(shù)概述

2.1 二氧化碳采油技術(shù)優(yōu)勢

二氧化碳注入技術(shù)是一種除注水外還能提高原油采收率的方法，這一點(diǎn)已經(jīng)被許多理論研究和生產(chǎn)實(shí)際效果所證明。與其他高性能油品技術(shù)相比，二氧化碳采油技術(shù)具有以下優(yōu)勢[2]：

1.驅(qū)油效果好。該技術(shù)在國外已得到廣泛應(yīng)用，并被證明是一種先進(jìn)的采油技術(shù)，對生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益有積極影響，與水效應(yīng)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(shù)可用于儲油設(shè)施較差的深層油壩。它也可用于復(fù)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(shù)逐漸成熟。

2.2 二氧化碳性質(zhì)

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(diǎn)溫度為-78℃，壓力為0.58MPa或83psi;二氧化碳的液態(tài)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(shù)情況下，油藏的溫度高于臨界溫度，因此很難將二氧化碳轉(zhuǎn)移到油層中。

3 二氧化碳驅(qū)油作用機(jī)理

研究稠油、高凝油和輕油中二氧化碳驅(qū)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(chǎn)能的擴(kuò)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(nèi)部創(chuàng)造了有利條件;（2）水流后，油層中的殘油殘?jiān)ㄟ^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(tǒng)可以進(jìn)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(chuàng)造了良好的環(huán)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(dāng)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(shí)現(xiàn)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(dá)到最佳的石油流動效率。

3.3 多級混相驅(qū)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(qū)油。在此期間，內(nèi)部張力很低，可用油量很高，采收率可以達(dá)到90%以上。在低壓下，二氧化碳僅部分減少，當(dāng)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?xì)浠衔?，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(chǎn)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(shù)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(yīng)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(fā)原油中的簡單碳?xì)浠衔?、大量碳?xì)浠衔锏?，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(fā)原油中間烴組分

二氧化碳是一種非常強(qiáng)大的汽化物，可以從原油中的C5～30范圍提取碳?xì)浠衔锊⑻岣咴鸵后w的流動性。

3.6 形成溶解氣驅(qū)

隨著開采期的進(jìn)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(fā)動機(jī)，可以提高釋放水的生產(chǎn)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(chǎn)環(huán)境和不同類型油藏的不同生產(chǎn)時間，二氧化碳的作用機(jī)制也不同。例如，在簡單的油源中，二氧化碳在促進(jìn)油和溶解氣體的運(yùn)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(yè)中的使用包括：注入和吸入二氧化碳（促進(jìn)單一來源進(jìn)入的措施）;連續(xù)注入二氧化碳;充斥碳顆粒;同時注入水;二氧化碳+輕質(zhì)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(qū)油過程。

4.1 氣態(tài)二氧化碳吞吐采油工藝

4.1.1 液態(tài)二氧化碳?xì)饣に?/p>

采用注入液體后加熱氣化的技術(shù)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?xì)鈶B(tài)注入工藝流程

一般情況下，二氧化碳由液態(tài)二氧化碳罐輸送到施工現(xiàn)場，由低壓泵引向柱塞泵。經(jīng)柱塞泵升壓后，由吸入支泵管供油，在壓力下送入熔爐。液態(tài)二氧化碳被導(dǎo)入熔爐，內(nèi)部發(fā)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(jìn)入地層。根據(jù)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(tài)二氧化碳注入?yún)?shù)設(shè)計(jì)

二氧化碳?xì)怏w的設(shè)計(jì)參數(shù)受重力壓力的形成和爐溫等因素的影響。參數(shù)的大小取決于爐子的功率，結(jié)合建筑源的實(shí)際情況，最大功率只能為360千瓦。

4.1.4 氣態(tài)二氧化碳注入后燜井時間

汽化二氧化碳?xì)怏w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(yīng)更長。

4.1.5 氣態(tài)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(qū)動時間，噴發(fā)時的生產(chǎn)壓力差應(yīng)控制在0.51兆帕/天，噴期滿后用機(jī)械吸除油污。當(dāng)送液量急劇上升時，調(diào)整輸入?yún)?shù)，當(dāng)液位變化不大時，調(diào)高側(cè)升和泵送，其他參數(shù)保持不變。

4.2 液態(tài)二氧化碳吞吐注采工藝設(shè)計(jì)

液態(tài)二氧化碳提油工藝與氣態(tài)二氧化碳提油工藝的區(qū)別如下：

1.直接注入二氧化碳。

2.注射速度不是由設(shè)備測量的，可以相應(yīng)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(fù)到原來溫度的90%，一般需要48小時，完全恢復(fù)一般需要7～8天，所以燜井的持續(xù)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(nèi)的壓力足夠高和原油含水量高。氣（CO2）-氣（N2）段塞是在開發(fā)原油液體時增加壓力。

這是由氮?dú)夂投趸寂c原油相互作用的方式?jīng)Q定的。氮本身不溶于水，在原油中的溶解度也很低，彈性系數(shù)大。注入地層后，增加壓實(shí)度，才易溶于原油。

由于二氧化碳對降低常規(guī)稠油粘度具有積極作用，CO2-N2段塞氣和濃縮油生產(chǎn)工藝是資源嚴(yán)重短缺的稠油的理想選擇。試驗(yàn)結(jié)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?dú)夂投趸嫉拿芏炔町?，很容易迫使氮?dú)夥纸舛趸?，造成流量不平衡。段塞比通常?：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?dú)膺M(jìn)入二氧化碳。

5 二氧化碳驅(qū)油的應(yīng)用前景

5.1 二氧化碳驅(qū)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(jìn)二氧化碳排放采油技術(shù)的開發(fā)和實(shí)施。該技術(shù)既能滿足油田開發(fā)需要，又能解決二氧化碳封存和大氣保護(hù)問題。該技術(shù)不僅適用于常規(guī)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(jìn)的石油修復(fù)項(xiàng)目，其中82個是二氧化碳修復(fù)項(xiàng)目。國際能源署估計(jì)，通過二氧化碳技術(shù)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(chǎn)量，這已成為石油生產(chǎn)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(yùn)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(qū)油通?？梢詫⒉墒章侍岣?～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(yè)的開采中找到，不僅可以減少溫室氣體排放，還可以增產(chǎn)油氣。

5.2 二氧化碳驅(qū)油的實(shí)踐爭前景

在能源緊缺和節(jié)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(guān)部門應(yīng)及時采取相應(yīng)措施，支持政策，加快該技術(shù)的開發(fā)和實(shí)施。專家表示，二氧化碳驅(qū)不僅適用于常規(guī)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(jù)油田不同的地理?xiàng)l件，所有額外生產(chǎn)的原油需要1到4噸，兩噸二氧化碳可使原油產(chǎn)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(jù)第二次中國陸上已開發(fā)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(tǒng)石油儲量中，適合二氧化碳排放的原油儲量估計(jì)為12.3億噸，預(yù)計(jì)使用二氧化碳驅(qū)可增加160萬噸。但是，二氧化碳排放技術(shù)在我國還不是研究和使用的領(lǐng)先技術(shù)?？梢灶A(yù)見，隨著技術(shù)的進(jìn)步和應(yīng)用的增加，二氧化碳將成為我國提高石油開發(fā)效果、提高石油采收率的重要資源[3]。

6 結(jié)語

二氧化碳驅(qū)油技術(shù)已經(jīng)得到證實(shí)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前世界上正在進(jìn)行的二氧化碳驅(qū)油項(xiàng)目約有80個，美國是擁有最大二氧化碳驅(qū)油項(xiàng)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(jù)第二次中國海洋石油開發(fā)戰(zhàn)略潛力考察研究的結(jié)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(fā)儲量，使用二氧化碳驅(qū)油具有更明顯的技術(shù)優(yōu)勢?？梢灶A(yù)見，隨著技術(shù)的進(jìn)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(fā)效果、提高采收率的重要資源。

參考文獻(xiàn)：

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