CO2混相驱机理及影响因素研究Word文档下载推荐.docx
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2.2.1CO2驱机理8
2.2.2CO2混相驱机理10
2.3CO2混相驱作用方式11
2.3.1一次接触混相11
2.3.2多次接触混相12
2.3.3轻质油加CO2混相驱12
2.4CO2混相驱影响因素13
2.5CO2混相驱注入方式14
3、CO2混相驱数学模型15
3.1组分模型15
3.2拟四组分模型17
3.3改进的黑油模型17
3.4传输-扩散模型18
3.4.1传质扩散渗流时的连续性方程18
3.4.2一维传质扩散渗流方程20
3.5考虑扩散的CO2驱多相多组分分区渗流模型20
3.5.1传统注CO2渗流数学模型20
3.5.2考虑扩散的注CO2渗流数学模型21
参考文献23
1、研究现状及存在问题
20世纪50、60年代，在美国、加拿大进行了大量的烃类混相驱现场试验，近期的混相驱主要是CO2混相驱。
利用CO2驱提高采收率的历史可以追溯到上世纪50年代。
1952年whorton等人获得了第一项采用CO2采油的专利权。
当时CO2是用作原油的溶剂，或形成碳酸水驱。
70年代CO2驱技术有了很大的发展，美国和前苏联等国家都进行了大量的CO2驱工业性试验，并取得了明显的经济效益，采收率可以提高15～25%。
90年代的CO2驱技术日趋成熟。
目前，CO2混相驱在美国、加拿大等国家已成为一项重要且成熟的提高原油采收率方法。
据相关文献最新统计，2002年美国实施CO2混相驱的方案数达到66个，首次超过注蒸汽热采，CO2混相驱的产量也占到了所有EOR产量的38％。
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。
1.1国外CO2驱发展情况
1.1.1美国CO2驱项目情况
美国是CO2驱发展最快的国家。
自20世纪80年代以来，美国的CO2驱项目不断增加，已成为继蒸汽驱之后的第二大提高采收率技术。
美国目前正在实施的CO2混相驱项目有64个。
最大的也是最早使用CO2驱的是始于1972年的SACROC油田。
其余半数以上的大型气驱方案是于1984～1986年间开始实施的，目前其增产油量仍呈继续上升的趋势。
大部分油田驱替方案中，注入的CO2体积约占烃类空隙体积的30%，提高采收率的幅度为7～22%。
1.1.2CO2混相驱的应用与研究
过去，CO2混相驱一般是大油田提高原油采收率的方法。
大油田由于生育储量多，剩余开采期长，经济效益好，而小油田CO2驱一般不具有这些优点。
近年来许多小油田实施了CO2混相驱提高原油采收率方案，同样获得了良好的经济效益。
如位于美国密西西比州的Creek油田就是一个小油田成功实施CO2驱的实例。
该油田于1996年被JP石油公司收购时的原油产量只有143m3/d，因油田实施了CO2驱技术，使该油田的原油采收率大大提高，其原油产量在1998年达到了209m3/d，比1996年增加了46%。
1.1.3重油CO2非混相驱的研究与应用
CO2驱开采重油一般是在不适合注蒸汽开采的油田进行。
这类油田的油藏地质条件是：
油层薄，或埋藏太深，或渗透率太低，或含油饱和度太低等。
注CO2可有效提高这类油藏的采收率。
大规模使用CO2非混相驱开发重油油田的国家是土尔其。
土尔其有许多重油藏不适合热采方法。
1986年土尔其石油公司在几个油田实施了CO2非混相驱，取得了成功。
其中Raman油田大规模CO2非混相驱较为典型。
加拿大也有许多重油油藏被认为不适合进行热力开采，加拿大对CO2驱开采重油进行了大量的研究。
试验得出，轻油黏度在30饱和压力下从大约从1.4降到2O，降低了15倍。
另外，在不同温度重油黏度测量发现，温度达到275℃左右才能降粘，而CO2一旦溶解在原油中就可使原油黏度降低，并且可以把黏度降低到用蒸汽驱替的水平。
1.2国内CO2驱研究应用现状
我国东部主要产油区CO2气源较少，但注CO2提高采收率技术的研究和现场先导试验却一直没有停止。
注CO2技术在油田的应用越来越多，已在江苏、中原、大庆、胜利等油田进行了现场试验。
1996年江苏富民油田48井进行了CO2吞吐试验，并已开展了CO2驱试验。
草3井位于苏北盆地溱潼凹陷草舍油田戴一段油藏高部位，产层为Edl段，属底水衬托的“油帽子”。
初期自喷生产，日产油约59t，不含水，无水采油期共367天，综合含水升至22%时停喷，转入机抽生产，后日产油4.55t，含水90%。
为了增油降水，在该井进行了CO2吞吐试验，效果明显，原油产量上升，含水下降，泵效增加，有效地延缓了原油产量递减。
江苏油田富14断块在保持最低混相压力的状态下，于1998年末开始了CO2水交替（WAG）注入试验注入6周期后水气比由0.86:
1升至2:
1，见到了明显的增油降水效果，水驱后油层中形成了新的含油富集带。
试验区采油速度由0.5％升至1．2%，综合含水率由93.5%降至63.4%。
1.3CO2混相驱存在的问题
国外很多油田已成功地进行大规模CO2混相驱并取得较好的效果，证明CO2混相驱具有成功率高、风险性低的特点，以技术指标和经济指标双重标准来衡量，CO2混相驱是三次采油中最具潜力的提高采收率方法之一。
但同时，由于受地层破裂压力，现场设备等条件的限制，CO2混相驱替只适用于API重度比较高的轻质油藏，而且也存在一些未解决的问题：
（1）混相压力过高
CO2与原油的最小混相压力不仅取决于CO2的纯度和油藏的温度，也取决于原油组分。
原油中重质组分（如C5以上的组分）含量越高，最小混相压力越高。
我国油藏中原油的突出特点是“三高”（粘度高，蜡和胶质含量高，凝固点高），这就决定了我国多数油藏中的原油与CO2的最小混相压力过高。
（2）腐蚀与结垢
因压力降低与温度升高，注CO2后会导致结垢（主要是碳酸盐垢）,此外,CO2和水反应生成的碳酸对管线、设备、井筒有较大的腐蚀性，腐蚀产物被注入流体带入地层还会堵塞储层孔隙。
（3）气源
采用注CO2提高原油采收率,必须具备充足的气源。
气源有两种,一是天然的CO2气源,另外是工业废气。
寻找大的气源是我国利用CO2提高采收率的当务之急。
此外，随着CO2减排的研究在世界范围内的开展,越来越多的工业废气将会被用于提高原油采收率。
（4）窜流严重
在注CO2采油过程中，CO2在油藏中的窜流将严重地影响波及效率，导致CO2窜流的主要机理有两个：
一是粘性指进，二是油藏非均质性及窜流通道。
我国油藏多数为陆相沉积，层间非均质性严重，此外，在许多油藏（尤其是低渗透油藏）具有较发育的天然裂缝，连通的天然裂缝构成了注入水和气的窜流通道。
（5）固相沉积
CO2对地层中的轻烃具有很强的抽提作用，经CO2多次抽提后，降低了地层油对石蜡的溶解能力和石蜡组分的稳定性，导致石蜡析出，另外，CO2的多次抽提，使地层油中低碳数的石蜡组分逐渐减少，导致地层油析蜡温度大幅升高，甚至在地层温度下也能产生石蜡的沉积，对储层造成伤害。
（6）混相带不稳定
在非均质孔隙介质中，受到非均质性及各力（粘性力、重力等）的综合影响，CO2气体达不到与原油的充分多级接触，难以形成稳定的混相带。
2、CO2混相驱机理及影响因素
2.1CO2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。
2.2驱替机理
2.2.1CO2驱机理
CO2的主要优点是易于达到超临界状态。
CO2在温度高于临界温度31.26℃和压力高于临界压力7.2MPa状态下，处于超临界状态时，其性质会发生变化，其密度近于液体，粘度近于气体，扩散系数为液体的100倍，因而具有较大的溶解能力。
原油溶有CO2时，其性质会发生变化,甚至油藏性质也会得到改善,这就是二氧化碳提高原油采收率的关键。
下面详细分析其提高采收率的机理。
图2-1原油粘度降低与二氧化碳饱和压力的关系（50℃）
μo--原油粘度;
μm—溶有二氧化碳的原油粘度
（1）降低油水界面张力，减少驱替阻力
残余油饱和度随油水界面张力的降低而减小。
CO2极易溶解于原油,其在油中溶解度比在水中的溶解度大3～9倍。
在驱油过程中,大量的CO2与轻烃混合,可大幅度的降低油水界面张力,减少残余油饱和度,从而提高原油采收率。
同时抽提或汽化原油中的烃类组分，使气驱替前缘不断富化，界面张力不断降低，在一定的压力条件下可达到混相，也可提高采收率。
（2）降低原油粘度
CO2与原油有很好的互溶性，当CO2溶解于原油时，原油粘度显著下降。
下降幅度取决于压力、温度和非碳酸原油的粘度大小，一般说来，原油初始粘度越高，降低后的粘度差越大，粘度降低后原油流动能力增大幅度也越高，所以CO2驱对中质和重质油的降粘作用更为明显。
在原油饱和CO2以后，如再进一步增加压力，由于压缩作用，原油粘度将会增加。
（3）膨胀作用
宾夕法尼亚州Bradford油田以及加拿大Manorville油田室内实验结果表明,在一定压力条件下将CO2注入原油,可使原油体积膨胀28%～50%。
注入CO2后原油的体积增加，其结果不仅增加了原油的内动能，而且大大减少了原油流动过程中毛管阻力和流动阻力，从而提高了原油的流动能力。
驱油过程中，在膨胀机理发挥主要作用的条件下，注CO2对轻质油采收率的提高将高于重质油。
这种膨胀作用之所以重要，有两个原因：
其一，水驱后留在油层中的残余油与膨胀系数成反比，即膨胀越大，油层中残余油量就越少。
其二，溶胀的油滴将水挤出孔隙空间，使水湿系统形成一种排水而不是吸水过程。
图2-2原油的膨胀系数与二氧化碳物质的量分数关系
图2-2为原油的膨胀系数与二氧化碳物质的量分数关系。
从图2-2可以看到，原油中二氧化碳物质的量分数越高，原油的密度越高，相对分子质量越小，原油的膨胀系数越大。
（4）溶解气驱作用
因注入的CO2在原油中的溶解，形成CO2溶解气，在井下随温度的升高，部分CO2游离汽化，以压能的形式储存部分能量。
当油井开井生产，油层压力降低时，大量的CO2则从原油中游离、膨胀而脱出，从而将原油驱入井筒，起到溶解气驱的作用，另外，一些CO2驱替原油后，占据了一定的孔隙空间，成为束缚气，也可使原油增产，并且由于气体具有较高的运移速度，还可将将油层堵塞物返吐出来。
（5）改善流度比
因大量注入的CO2在原油和水中的溶解，地层水碳酸化，使原油流度增加，而水的流度降低，从而使原油和水的流度趋于接近，使水的驱油能力提高，同时也进一步扩大了水驱的波及面积，大大提高了扫油效率。
（6）酸化解堵
由化学反应式
可知，溶解了二氧化碳的水溶液略显酸性。
在二氧化碳驱替、吞吐注入及浸泡过程中，溶解了二氧化碳的地层水可与地层基质相互反应。
在页岩中，由于地层水pH值降低，可以抑制储层的粘土膨胀，因此二氧化碳水对粘土有稳定作用。
在碳酸岩和砂岩中，二氧化碳水与储层矿物发生反应，部分溶解油层中的碳酸盐，生成易溶于水的碳酸氢盐，从而提高了储层的渗透性。
由于注入二氧化碳气体的酸化作用导致油层的渗透性提高，在一定压差下，一部分游离气对油层的堵塞物具有较强的冲刷作用，可有效地疏通因二次污染造成的地层堵塞。
（7）萃取和汽化原油中的轻质烃
CO2吞吐浸泡期间,CO2能够萃取和汽化原油中的轻质组分,形成CO2富气相,从而减小注入气与原油之间的界面张力,减小原油的流动阻力,使油更易于流动,提高波及效率。
特别是部分经膨胀仍然未能脱离地层水束缚的残余油，与二氧化碳气相发生相间传质，束缚油的轻质成分与二氧化碳气体形成二氧化碳—富气相，在二氧化碳吞吐过程中产出，增加单井产量。
（8）混相效应
CO2与原油混相后，不仅能萃取和汽化原油中轻质烃，而且还能形成CO2和轻质烃混合的油带。
油带移动是最有效的驱油过程，可使采收率达到90％以上。
（9）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，注入的CO2也很难与油藏中原油完全混合好。
多数情况下，CO2是通过分子的缓慢扩散作用溶于原油的。
分子扩散过程是很慢的。
特别是当水将油相与CO2气相隔开时，水相阻碍了CO2分子向油相中的扩散，并且完全抑制了轻质烃从油相释放到CO2相中。
2.2.2CO2混相驱机理
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反映了几种油一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，原油一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。
对于原油一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，因此原油一CO2系统的界面张力随着压力增加而快速下降。
对于原油一天然气系统而言，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）
2.3CO2混相驱作用方式
2.3.1一次接触混相
一次接触混相是指混相溶剂（CO2）直接与油藏中的原油在一定的压力和温度下相混合，并且混合后的混合物始终保持单相。
其它灼洛剂并不直接与地层油混合，但在适当的压力和溶剂组分条件下，这种溶剂可以实现动混相，这种动混相是在原地靠溶剂与地层油反复接触而产生的质量迁移来实现的。
Lw．霍姆等人利用细长管驱替试验表明了在温度为57．22℃，压力为17．5MPa的条件下，二氧化碳与实验油完全混相。
在这种条件下，没有发生碳氢化合物萃取，此时所构成的混相带只是地层油和CO2的混合物。
混相带中的液态碳氢化合物的成分与非混相带中油的成分相同。
此外，实验也表明，CO2与地层油混相后的混相带的区域要比与地面油混相后的混相带小得多，这种现象可以解释为，在地层油中溶有一定量的天然气，这些气体直接影响着CO2与地层油混相。
2.3.2多次接触混相
CO2驱油最重要的特性之一，是可以从地层油中萃取或者汽化碳氢化合物。
CO2在低温条件下为液态，高于临界温度时为气态。
D.E门泽等人II的研究工作表明，在温度为57，22℃和压力为14.0MPa的条件下，CO2可以汽化或萃取一种相对密度为0.8498原油的50％。
L.W霍姆等人的实验表明，当温度一定时，压力达到某一值以后，CO2萃取原油才能发生。
该混相过程可以被解释为：
当CO2注入时，轻质组分的C2~C4首先被汽化，扩大了平衡气体。
随着注入CO2量的增加，萃取碳氢化合物组分也增多。
这就形成了一个把CO2与地层油分开的混相带，这种多次接触混相带的大小是与驱动压力有关的。
在低压条件下，这种混相带较大。
换句话说，在较高的压力下，混相带的碳氢化合物浓度较大，并且在驱替结束以后留在岩心中的残余油饱和度较小。
这充分说明，混相压力适当的提高，可以得到令人满意的采收率。
2.3.3轻质油加CO2混相驱
CO2和轻质碳氢化合物在相当低的压力和温度下，是可以完全混相的，但与重质碳氢化合物要达到完全混相则需要很大的压力，这一结论已得到了人们的承认。
利用CO2前面的低相对分子质量的或者高相对分子质量的碳氢化合物在一定的条件下与地层油混相，形成一个段塞，这种段塞也早已被人们所公认。
库曼等人对轻质油加CO2混相驱较详细地进行了室内实验。
实验使用了四种不同比例的混合物，分别为l5:
85，25:
75，50:
50和75:
25。
实验之前，用一种粘度为8.9mPa·
S，相对密度为0.8423的地层油饱和试样，然后用水驱替。
当试样中原油饱和度为45％时，注入轻质油加CO2的混合物。
混合物的注入量为0.3倍孔隙体积，注入速度1.52～2.13m/d，实验过程中压力保持在14.0MPa以上，温度为37.8摄氏度，注入0.3倍孔隙体积段塞后，以1.22m/d的速度注水来驱动段塞。
不同混合比例的实验结果表明，轻质油加CO2比例为75:
25最好，25:
75次之，从经济效益角度考虑，25％轻质油比例是足够了。
2.4CO2混相驱影响因素
为了明确CO2混相驱油的产能影响因素，可以应用油藏数值模拟方法，考察不同动静态因素对油井产能的影响，进而确定其敏感因素。
经过研究发现，影响CO2混相驱效果的主要因素有下面这些：
（1）渗透率
其他条件一定，保持注采压力不变，随着渗透率的增大，注气速度明显增大，生产井和注气井的工作时间缩短，驱油效果变好。
（2）纵、横向渗透率比值
随着纵、横向渗透率比值的增大，CO2的驱油效率减小，主要是由于浮力的作用加剧，使得层间矛盾更加突出。
（3）地层沉积韵律
正韵律模型CO2的驱油效率大于逆韵律模型，原因在于逆韵律模型上部渗透率大，下部渗透率小，使注CO2气体驱油时，沿着油层上部驱油，下部的波及效率和驱油面积远远小于上部，层间矛盾更加突出，油藏的采收率低。
（4）平面非均质性
随着储集层平面非均质性的增强，CO2的驱油效率有所下降，因为非均质性越强，指进现象越严重，气体突破时间越短。
（5）粘度比
油气的粘度比越小，油藏的CO2的驱油效率越高。
由于油气粘度比越小，CO2气体的波及面积越大；
而油的粘度越小，轻烃含量越多，CO2气体更容易跟油发生萃取作用，降低油的粘度，改善驱油效果。
在非均质地层中，气体粘度小，油气流动能力相差较大，气驱过程中往往会发生严重的指进，导致气体在生产井过早突破，降低波及面积，使采收率大大减小。
（6）密度差异
由于油气在储集层中存在密度差异，会引起气体超覆原油而产生流动，特别是对于逆韵律地层，使注入的CO2更容易沿着地层上部高渗透带驱进，气体突破时间短，波及体积系数大大减小。
（7）扩散、弥散作用
分子扩散作用、对流弥散作用使CO2向周围迁移，有助于延迟CO2的突破时间，增大波及面积，提高驱油效率。
分子扩散作用和对流弥散作用对注CO2驱油有重要影响，尤其对裂缝型油气藏意义更大。
（8）横、纵向扩散比
在地层中，横、纵向扩散系数不同也会对注CO2采油产生影响，随着扩散比的增大，相邻两层之间的混相带浓度分布更均匀。
在注入速度恒定的条件下，横、纵向扩散系数比越大，CO2驱油效果越好。
（9）注气方式
采用水气交替注入开发的方式，由于水在前面的驱替作用，不仅可以达到增加波及面积的目的，同时也降低气相的渗透率,从而降低了气相的流度，减缓气窜的发生，使CO2的驱油效率和储存系数都有提高。
2.5CO2混相驱注入方式
在实际应用中，CO2驱替的注入方式主要有以下几种，其各有不同的适用条件：
（1）CO2段塞注水方式
二氧化碳段塞注水方式是以段塞形式将二氧化碳注入储层，然后用水顶替段塞驱油，其作用方式与溶剂段塞驱油相似，但是更加复杂化，其特点为：
①复杂的边界条件，由于二氧化碳既溶于油又溶于水，因而存在两个混相带；
②水驱改善了重烃开采和气体突破问题；
③良好的经
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