CO2驅(qū)機理及注采井工程設計理論方法

1、CO2驅(qū)油機理及注采井工程設計理論方法中原油田采油院博士后交流材料王 慶 2011年10月匯報內(nèi)容CO2驅(qū)注采井工程設計CO2驅(qū)注采井流入動態(tài)模擬CO2驅(qū)注采井井筒流動動態(tài)模擬CO2驅(qū)油機理及存在問題國內(nèi)外CO2驅(qū)現(xiàn)狀1、國內(nèi)外EOR現(xiàn)狀 據(jù)2010年油氣雜志統(tǒng)計：熱采居首，氣驅(qū)提高采收率其次，化學驅(qū)主要在中國。 微生物采油（MEOR）處于探索階段。2010年EOR項目數(shù)2010年EOR產(chǎn)量百分比一、國內(nèi)外CO2驅(qū)現(xiàn)狀凡是以氣體作為主要驅(qū)油介質(zhì)的采油方法統(tǒng)稱為氣驅(qū)。2、國內(nèi)外氣驅(qū)現(xiàn)狀一、國內(nèi)外CO2驅(qū)現(xiàn)狀2010氣驅(qū)項目數(shù)2010氣驅(qū)產(chǎn)量百分比CO2-EOR項目數(shù)占74.1%，產(chǎn)量占51.8%

2、，是氣驅(qū)提高采收率方法中最重要的一種氣驅(qū)手段一、國內(nèi)外CO2驅(qū)現(xiàn)狀2、國內(nèi)外氣驅(qū)現(xiàn)狀1952年美國大西洋煉油公司申請了世界第1個CO2驅(qū)油專利(U.S. Patent 2,623,596)1958年Shell首先在Permian盆地嘗試注CO2驅(qū)油1972年1月首個商業(yè)化CO2-EOR項目在美國德州西部Kelly-Snyder油田的SACROC區(qū)塊實施,到05年底,提高采收率超過10%(Oil & Gas J., April 17, 2006. )2010年世界CO2-EOR產(chǎn)量為1394萬噸/年,占世界總EOR產(chǎn)量16.1%。其中美國CO2-EOR項目數(shù)占世界的88.4%，產(chǎn)量占93.7%。

3、一、國內(nèi)外CO2驅(qū)現(xiàn)狀3、國內(nèi)外CO2驅(qū)現(xiàn)狀 截止2010年，美國CO2驅(qū)項目114個（其中混相驅(qū)109個），占EOR項目總量的59%，年注入CO2約為20001043000104t（其中工業(yè)廢氣約占10%），年產(chǎn)原油1306104t以上。 氣驅(qū)技術(shù)產(chǎn)量百分數(shù)EOR項目數(shù)一、國內(nèi)外CO2驅(qū)現(xiàn)狀4、美國CO2驅(qū)現(xiàn)狀油藏類型和埋深：統(tǒng)計美國100個CO2驅(qū)項目，碳酸鹽巖油藏占68；埋深1200-2400m有79個儲層物性：在100個項目中以中低滲透率為主，沒有特低滲透率地層油性質(zhì)：統(tǒng)計82個油藏,81個地層油黏度小于3mPa.s；地層油密度(122或50條件下)分布在0.82-0.89油藏類型滲透

4、率分布孔隙度分布地層油密度分布0.82-0.89一、國內(nèi)外CO2驅(qū)現(xiàn)狀4、美國CO2驅(qū)現(xiàn)狀一、國內(nèi)外CO2驅(qū)現(xiàn)狀美國大規(guī)模成功實施CO2驅(qū)，其原因是：豐富的CO2氣源；CO2驅(qū)混相壓力低；建設了發(fā)達的CO2地面輸送管線（約為3900英里），輸送成本低。 前蘇聯(lián)自上世紀50年代初開始水與氣態(tài)CO2交替注入、液態(tài)CO2注入等試驗、工藝研究和工業(yè)化應用。因氣源問題，CO2驅(qū)沒有成為主導技術(shù)。 加拿大2010年CO2項目數(shù)6個，年產(chǎn)量427萬桶。 4、美國CO2驅(qū)現(xiàn)狀一、國內(nèi)外CO2驅(qū)現(xiàn)狀 我國CO2驅(qū)油技術(shù)始于上世紀60-70年代，大慶油田在薩南針對高含水油田開展了CO2非混相驅(qū)現(xiàn)場試驗。 2000

5、年以后，針對低滲透油藏，大慶、勝利、吉林、華東和中原油田先后開展了CO2 驅(qū)現(xiàn)場試驗，取得了初步效果。油藏驅(qū)替類型深度m滲透率10-3m2粘度mPa.s溫度壓力MPa大慶芳48區(qū)塊非混相驅(qū)18681.265.887.823.1大慶樹101區(qū)塊非混相驅(qū)21201.063.610822.1吉林黑59區(qū)塊混相驅(qū)24403-98.924.2吉林黑79區(qū)塊混相驅(qū)24405.2-98.924.2吉林乾安老區(qū)區(qū)非混相驅(qū)22005.5-7618.5吉林紅87-2區(qū)塊非混相驅(qū)22000.26-9820.5華東草舍油田混相驅(qū)304224.771710735.9勝利高89地區(qū)混相驅(qū)30004.71.612629中原

6、濮城混相驅(qū)24002991.782.521.8大慶芳48區(qū)塊非混相驅(qū)18681.265.887.823.1陸相生油，混相壓力高 氣源缺乏防竄、防腐等配套工藝技術(shù)尚未過關5、我國CO2驅(qū)現(xiàn)狀匯報內(nèi)容CO2驅(qū)注采井工程設計CO2驅(qū)注采井流入動態(tài)模擬CO2驅(qū)注采井井筒流動動態(tài)模擬CO2驅(qū)油機理及存在問題國內(nèi)外CO2驅(qū)現(xiàn)狀（1）降低油水界面張力,減少驅(qū)替阻力二、CO2驅(qū)油機理及存在問題 大慶榆樹林油田界面張力實驗結(jié)果表明：原油與注入水的界面張力為30.68mN/m，是原油與CO2界面張力的10.5倍；而在CO2飽和情況下,原油與注入水之間的界面張力為19.62mN/m，油水界面張力降低了約1/3，這在

7、水、氣交替驅(qū)中有利于提高驅(qū)油效率。1、CO2驅(qū)油機理（2）降低原油粘度 CO2溶解于原油時,原油粘度顯著下降，下降幅度取決于壓力、溫度和原油組分。溫度較高時，因CO2溶解度降低,降粘作用反而下降；在同一溫度條件下，壓力升高時, CO2溶解度升高,降粘作用隨之提高。但是，壓力超過飽和壓力時，粘度將會上升。二、CO2驅(qū)油機理及存在問題（3）使原油體積膨脹 CO2注入過程中，隨著注入壓力的增加，溶解在原油中的二氧化碳也在增加，飽和壓力也隨著上升，隨著壓力的上升，原油飽和壓力下的膨脹系數(shù)呈逐漸增大的趨勢。這可以膨脹地層原油，有效增加地層能量和可動油。 二、CO2驅(qū)油機理及存在問題（4）壓力下降造成溶解

8、氣驅(qū) CO2進入油層后，占據(jù)一定的孔隙空間，增加了油層的壓力，使原油增產(chǎn)。生產(chǎn)過程中隨壓力的下降，溶于原油的CO2逸出，具有溶解氣驅(qū)的作用。在液體內(nèi)產(chǎn)生氣體驅(qū)動力，提高驅(qū)油效果。據(jù)統(tǒng)計，用CO2溶解氣驅(qū)可采出地下油量的18.6%，對油氣采收率的提高具有非常重要的意義。（5）改善原油與水的流度比 CO2在原油中溶解后使原油的粘度降低，因此流度增加；CO2在水中溶解后使水碳酸化，粘度增加，流度下降；綜合作用的結(jié)果，使原油和水的流度趨于接近，使水的驅(qū)油能力提高，同時也進一步擴大了水驅(qū)的波及面積，提高了掃油效率。二、CO2驅(qū)油機理及存在問題（6）改變巖石孔隙結(jié)構(gòu)遇水可形成弱酸 CO2遇水后可形成弱酸，

9、儲層中分布的某些粘土礦物會被溶解，形成膠體沉淀，在小孔隙中堵塞孔喉；在大孔隙中，隨著水的流動，沉淀物被沖出孔隙，使孔隙的半徑增大，從而提高滲透率，改變巖石孔隙結(jié)構(gòu) 二、CO2驅(qū)油機理及存在問題（7）萃取和汽化原油中的輕質(zhì)烴 在地層條件下，未被地層油溶解的CO2氣相密度較高， CO2驅(qū)替和吞吐浸泡期間，當壓力超過一定值時（此值與原油性質(zhì)及溫度有關），能氣化或萃取原油中的輕質(zhì)成分。特別是部分經(jīng)膨脹仍然未能脫離地層水束縛的殘余油，與CO2氣相發(fā)生相間傳質(zhì)，束縛油的輕質(zhì)成分與CO2氣體形成CO2-富氣相，在CO2吞吐過程中產(chǎn)出，增加單井產(chǎn)量。二、CO2驅(qū)油機理及存在問題8、混相效應 CO2與原油混相后

10、,不僅能萃取和汽化原油中的輕質(zhì)烴,而且還能形成CO2和輕質(zhì)烴混合的油帶。油帶移動是最有效的驅(qū)油過程,可以使原油的采收率達到90%以上。二、CO2驅(qū)油機理及存在問題CO2氣竄控制問題CO2腐蝕問題WAG過程中注入能力異常問題降低MMP問題氣源問題二、CO2驅(qū)油機理及存在問題2、CO2驅(qū)過程中存在的問題CO2驅(qū)過程中生產(chǎn)井井底堵塞問題 CO2驅(qū)過程中的結(jié)垢問題 CO2驅(qū)過程中的瀝青質(zhì)沉淀問題 CO2氣竄的危害注入的CO2形成無效循環(huán) CO2波及體積大大降低降低CO2驅(qū)提高采收率幅度氣竄后的CO2將會產(chǎn)生嚴重的腐蝕問題（1）CO2氣竄控制問題 由于CO2與原油的粘度差導致的氣體竄逸、流度控制問題是注

11、CO2開發(fā)中面臨的關鍵問題。二、CO2驅(qū)油機理及存在問題WAG方法，目前礦場應用較多，缺點是水氣交替注入會降低CO2抽提作用的連續(xù)性，影響混相帶的形成;CO2泡沫控制氣竄，是目前較熱門的一種控制氣竄、改善流度比的方法；無機類化學防氣竄，主要采用硅酸鹽類堵劑；有機凝膠類防氣竄，主要采用聚合物延緩交聯(lián)凝膠；凝膠泡沫類防氣竄，聚合物溶液中加入表面活性劑和交聯(lián)劑生成凝膠泡沫；共聚物-大分子交聯(lián)劑凝膠類，一種新型防氣竄劑，目前仍在研發(fā)階段。二、CO2驅(qū)油機理及存在問題（1）CO2氣竄控制問題（2）CO2腐蝕問題 液相介質(zhì)含水量 介質(zhì)溫度 二氧化碳分壓 介質(zhì)的pH值 流速的影響 腐蝕產(chǎn)物膜的影響 腐蝕介質(zhì)

12、中其他離子的影響 合金元素Cr含量的影響 二氧化碳腐蝕影響因素二、CO2驅(qū)油機理及存在問題控制腐蝕工藝措施使用耐腐蝕鋼。常用：13Cr不銹鋼；9Cr-1Mo鋼；冷加工雙煉不銹鋼。使用涂層?？筛鶕?jù)客觀使用環(huán)境選擇涂層。使用化學腐蝕劑。某些化學藥品可與腐蝕環(huán)境發(fā)生反應，形成無腐蝕的環(huán)境，達到防腐目的。陰極防腐。提供一個第三電極，與腐蝕設備表面電極產(chǎn)生電流中和，以達到防腐目的。脫水處理。對于CO2注入井，需要對CO2進行脫水處理來防腐；對與水氣交替注入，需要將水、氣配注管線分離。完井設計中的流體力學方法。較低流速的大油管管柱比小油管遭受的腐蝕相對要小，在完井設計中采用多大的油管，是預防腐蝕問題的決定

13、因素之一。（3）CO2腐蝕問題二、CO2驅(qū)油機理及存在問題（4）CO2驅(qū)過程中生產(chǎn)井井底堵塞問題 CO2抽提油中輕質(zhì)組分生產(chǎn)井底堵塞原因：井底溫度降低 油氣混合帶在近井地帶，由于壓力突降， CO2從油中分離，抽提油中輕質(zhì)組分，重質(zhì)組分便被留在地下，導致近井地帶滲透率下降。 CO2從油層進入井筒時，經(jīng)孔眼節(jié)流后氣體突然膨脹吸熱導致井底溫度降低，達到原油結(jié)蠟點后將會造成蠟堵。二、CO2驅(qū)油機理及存在問題（4）CO2驅(qū)過程中生產(chǎn)井井底堵塞問題 預防井底堵塞措施如下： 預防井底堵塞的關鍵是要防止或推遲生產(chǎn)井氣竄，為此主要采取的措施是：限定注入井的注氣速度和生產(chǎn)井的產(chǎn)液速度，加大注入水氣比，或者減少每一

14、交替注入的CO2氣量。一旦氣竄引起井底堵塞，可向油層深部擠入“溶解劑”進行解堵。二、CO2驅(qū)油機理及存在問題（5）CO2驅(qū)過程中的結(jié)垢問題 主要為硫酸鹽垢和碳酸鹽垢兩種。礦場實踐顯示，油層內(nèi)未發(fā)現(xiàn)結(jié)垢，井口至水套加熱爐間管線有少量結(jié)垢，水套加熱爐后管線結(jié)垢嚴重，有的甚至堵塞。結(jié)垢原因結(jié)垢的預防磁法防垢 。 磁法防垢是在加熱器進水管上安裝一個永磁軟水器，產(chǎn)出水通過此軟水器時受到磁力作用，生成的垢質(zhì)由于結(jié)晶形態(tài)改變，質(zhì)地疏松，不易附著在管壁上而被液流攜走。阻垢劑防垢。 油氣田所用阻垢劑一般有無機磷酸鹽、有機磷化合物和聚合物三大類，應根據(jù)油田具體情況，通過試驗選定。結(jié)垢的處理結(jié)垢以后再進行處理是很被

15、動的。通常使用一定濃度的鹽酸和甲醛溶液進行清洗，若不適合進行酸處理，可以采用機械法或超聲波法進行除垢。二、CO2驅(qū)油機理及存在問題（6）CO2驅(qū)過程中的瀝青質(zhì)沉淀問題 注入CO2之前，原油以一種比較穩(wěn)定的膠體分散體系形式存在，其中的分散相是以瀝青質(zhì)為核心、以附著于它的膠質(zhì)為溶劑化層而構(gòu)成的膠束。CO2溶于原油后，膠質(zhì)濃度相對減小，在一定溫度、壓力條件下，CO2在原油中的溶解達到一定比例時，原油各組份之間的互溶穩(wěn)定性遭到破壞從而產(chǎn)生瀝青質(zhì)的絮凝和沉積。 瀝青質(zhì)沉淀機理瀝青質(zhì)沉淀的危害 國外CO2驅(qū)礦場實踐均不同程度地發(fā)現(xiàn)了瀝青質(zhì)沉淀，瀝青質(zhì)沉淀將會嚴重降低油藏的滲透率，造成地層傷害，沉積在基巖上

16、的瀝青質(zhì)還會使巖石潤濕性發(fā)生轉(zhuǎn)變，從而最終降低開發(fā)效果。 瀝青質(zhì)沉淀的預防 瀝青質(zhì)沉淀造成的危害是不可逆的，因此，油田注CO2實踐中，應該對發(fā)生瀝青質(zhì)沉淀的壓力、溫度、以及CO2注入量進行研究，以避免瀝青質(zhì)沉淀的發(fā)生。二、CO2驅(qū)油機理及存在問題匯報內(nèi)容CO2驅(qū)注采井工程設計CO2驅(qū)注采井流入動態(tài)模擬CO2驅(qū)注采井井筒流動動態(tài)模擬CO2驅(qū)油機理及存在問題國內(nèi)外CO2驅(qū)現(xiàn)狀三、CO2驅(qū)注采井井筒流動動態(tài)模擬CO2注入井井筒流動模擬CO2驅(qū)采油井井筒流動模擬CO2驅(qū)過程油井流入動態(tài)問題 CO2驅(qū)過程中吸氣能力計算 CO2驅(qū)注采井工程設計過程中需要對注采設備進行選型、注采參數(shù)進行優(yōu)化、配產(chǎn)配注能力進

17、行預測、注采管柱進行校核等內(nèi)容，要完成這些設計內(nèi)容，需要對以下問題進行解答：三、CO2驅(qū)注采井井筒流動動態(tài)模擬1、CO2注入井井筒流動模擬對CO2注入井井筒溫度、壓力計算，目前主要存在兩種方法：宮俊峰等人計算方法唐人選方法Kelly、葉長青方法均將井筒中CO2假設為單一相態(tài)針對不同井段考慮不同相態(tài)進行求解將井筒中CO2考慮為純液態(tài)將井筒中CO2考慮為純氣態(tài)井筒中CO2相態(tài)用PR方程進行判斷，通過分段求解井筒溫度、壓力三、CO2驅(qū)注采井井筒流動動態(tài)模擬1、CO2注入井井筒流動模擬在常溫常壓下，二氧化碳為無色無嗅的氣體，分子量為44.01，其比重約為空氣的1.53倍，偏心因子為0.225。二氧化碳

18、的臨界溫度為31.2，臨界壓力為7.38MPa，臨界點密度為0.468g/mL，臨界點粘度為0.033mPa.s，臨界壓縮因子為0.275。油田一般注CO2過程中，井口溫度在0-10 ，壓力大于5MPa，因此CO2在井筒中一般為液態(tài)、超臨界態(tài)，也可能會出現(xiàn)氣態(tài)1、CO2注入井井筒流動模擬分析認為，注入井筒流體溫度、壓力的計算，需要回答兩個關鍵問題：？1、井筒中CO2流體的相態(tài)預測，和不同相態(tài)下的物性計算2、井筒中CO2流體相變過程中溫度、壓力的耦合計算模型？1、CO2注入井井筒流動模擬超臨界態(tài)指的是流體的溫度和壓力同時超過其臨界溫度和臨界壓力時流體所處的狀態(tài)，對于CO2來講，就是溫度超過304

19、.2K(31.2)，壓力超過7.38MPa，超臨界具有如下特性：密度接近液體,粘度和擴散系數(shù)與氣體接近具有高度可壓縮性,但壓縮超臨界流體時并不能產(chǎn)生液相,只能增加其密度超強的溶解能力和擴散能力，常作為工業(yè)上的萃取劑1、CO2注入井井筒流動模擬 由于CO2在井筒中將會經(jīng)歷液態(tài)以及超臨界態(tài)等相態(tài)，常規(guī)的理想氣體狀態(tài)方程已不適用，必須應用從液態(tài)到氣態(tài)的連續(xù)的狀態(tài)方程來計算井筒中CO2相態(tài)和密度范氏方式 1873年，范德瓦耳斯首次導出了從液態(tài)到氣態(tài)連續(xù)的實際氣體狀態(tài)方程，該方程的最大特色是引入了兩個參數(shù)a 和b ，分別考慮分子間的引力以及氣體分子本身體積 ，該方程對相態(tài)的判斷主要基于以下原則： 該方程

20、為V的三次方形式，求解可得V的三根主要對應以下三種情況： 第一，一實根二虛根。則反應為單一氣相或單一液相，視溫度、壓力范圍而定； 第二，三個數(shù)值不同的實根，則反映為氣液兩相共存，其中最大的實根表現(xiàn)為氣相的V，最小的實根為液相V，中間的根沒意義； 第三，三個相等實根，則表示為臨界點的V。 1、CO2注入井井筒流動模擬 由于范氏方程計算流體密度存在較大誤差，后人根據(jù)各種情況對其參數(shù)進行了修正，本文選用幾種經(jīng)典方程來計算： R-K 方程 SRK 方程 P-R 方程 EXP-RK 方程 上述各個方程都有比較合適的應用范圍，如RK方程比較適合于簡單物質(zhì)，而PR方程對于偏心因子為0.35左右的物質(zhì)比較合適

21、 ，EXP-RK方程則主要針對超臨界流體設計1、CO2注入井井筒流動模擬 井筒微元段能量守恒示意圖 井筒溫度計算模型1、CO2注入井井筒流動模擬 井筒質(zhì)量含氣率分布從圖中可以看出井筒中0-600米CO2質(zhì)量含氣率為0，說明CO2呈液態(tài)，950米以下， CO2質(zhì)量含氣率為1，說明CO2呈超臨界態(tài)，中間井段，則為二者混合共存段1、CO2注入井井筒流動模擬 井筒壓力分布曲線 計算壓力與實測壓力最大誤差為1.5%1、CO2注入井井筒流動模擬 井筒溫度分布曲線 計算溫度與實測溫度最大誤差為1.1% 利用上述模型，對吉林油田4口注氣井最新測試資料與本模型計算結(jié)果進行了對比，結(jié)果顯示四口井溫度計算平均相對誤

22、差為1.18%；壓力計算平均相對誤差為3.48%，模型計算精度較高。1、CO2注入井井筒流動模擬常規(guī)油井井筒流動計算（黑油模型）CO2 驅(qū)采油井井筒計算（組分模型）2、CO2驅(qū)采油井井筒流動模擬三、CO2驅(qū)注采井井筒流動動態(tài)模擬 在CO2驅(qū)工程設計過程中，常常需要通過井口壓力來計算井底流壓，從而為配產(chǎn)設計提供重要參數(shù)。原油密度計算結(jié)果與實測結(jié)果對比密度計算與實測結(jié)果最大相對誤差為1.05%，14個壓力點的平均相對誤差為0.38% 2、CO2驅(qū)采油井井筒流動模擬（4） CO2 /原油混合體系粘度計算模型應用Pedersen模型對CO2 /原油混合體系粘度進行計算，并和實測結(jié)果進行對比Peders

23、en模型粘度計算與實測結(jié)果最大相對誤差為13.8%，14個壓力點的平均相對誤差為6.98%，計算精度可以滿足工程需要 2、CO2驅(qū)采油井井筒流動模擬從圖中可以看出：低壓下， CO2摩爾含量越大，原油密度越大， 分析原因認為在低壓下CO2從原油中脫出，萃取了原油中部分輕質(zhì)組分，導致原油密度增加；壓力較高時，CO2摩爾含量越高則原油密度越小，分析原因認為壓力越高則溶于原油中的CO2就越多，從而使得原油體積膨脹，密度降低 98不同CO2摩爾含量與原油密度關系2、CO2驅(qū)采油井井筒流動模擬 從圖中可以看出：低壓時，CO2摩爾含量對原油粘度的影響較小，分析認為在低壓下CO2在原油中溶解較少，對原油粘度影響較小；壓力較高時，CO2摩爾含量越高原油粘度越小，分析認為，高壓下，CO2在原油中的溶解較多，對原油的粘度影響增大。98不同CO2摩爾含量與原油粘度關系2、CO2驅(qū)采油井井筒流動模擬上圖為CO2未突破時井筒溫度、壓力分布計算與實測結(jié)果對比，結(jié)果顯示，井筒溫度分布計算49個位置點的平均相對誤差為0.6%，壓力分布平均相對誤差為4% ，驗證了本模型的正確性。2、CO2驅(qū)采油井井筒流動模擬匯報內(nèi)容CO2驅(qū)注采井工程設計CO2驅(qū)注采井流入動態(tài)模擬CO2驅(qū)注采井井筒流動動態(tài)模擬CO2驅(qū)油機理及存在問題國內(nèi)外CO2驅(qū)現(xiàn)狀1、