李士倫，湯勇，侯承希

（西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610500）

隨著國民經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定增長，中國已經(jīng)成為世界第二大石油消費(fèi)國和進(jìn)口國。2019年預(yù)計石油需求約為6.68×108t，同比增長6.91%，增速小幅回落。預(yù)計2019年石油凈進(jìn)口量將繼續(xù)增長9.9%至4.79×108t，中國石油對外依存度將升至71.7%。因此，加強(qiáng)油氣資源的勘探開發(fā)、進(jìn)一步提高油氣采收率是緩解我國依賴油氣進(jìn)口的重要對策，這對于保證國家能源安全具有重要戰(zhàn)略意義。而在全國已探明的儲量中，低滲透油藏儲量約占2/3以上。低滲透油氣田高效開發(fā)一直是尚未完全解決的技術(shù)難題，也是油氣田開發(fā)工程學(xué)科的前沿課題[1]。國內(nèi)外實(shí)踐表明，以CO2作為驅(qū)油劑注入油藏，能夠?qū)崿F(xiàn)原油采收率的大幅度提升，同時還能實(shí)現(xiàn)溫室氣體的埋存[2-4]。目前在我國已經(jīng)開展了CO2注入油藏礦場實(shí)施，如草舍油田和吉林油田等，并取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。同時，我國已動用儲量控水穩(wěn)油和提高采收率難度大，未動用儲量中低滲、特低滲比例大，CO2驅(qū)前景巨大。本文回顧了國內(nèi)外CO2驅(qū)發(fā)展歷程及簡況，分析了CO2驅(qū)相態(tài)理論和驅(qū)油機(jī)理，剖析了防氣竄及提高波及技術(shù)，指出了我國CO2驅(qū)發(fā)展趨勢。

1 國內(nèi)外注CO2提高采收率發(fā)展簡況

1.1 國外注CO2提高采收率

國際上CO2驅(qū)油是一項比較成熟的技術(shù)。目前，世界上已有上百個注CO2采油的試驗(yàn)項目或商業(yè)項目在實(shí)施中；CO2驅(qū)是最有發(fā)展前途的EOR（提高采收率）方法之一。最早使用CO2驅(qū)油的國家是美國，1952年美國大西洋煉油公司申請了首個CO2驅(qū)油技術(shù)相關(guān)的專利。1958年在美國Permain 盆地開展了注CO2驅(qū)油礦場應(yīng)用，應(yīng)用結(jié)果表明，CO2驅(qū)油不僅可以提高原油采收率，同時還具有很高的經(jīng)濟(jì)效益。世界首個CO2驅(qū)油商業(yè)項目開始于1972年，位于美國德克薩斯州Kelly-Snyder油田，經(jīng)營公司為Chevron公司，在項目實(shí)施初期單井平均提產(chǎn)達(dá)到了3 倍左右[5]。該區(qū)塊經(jīng)過40年的生產(chǎn)運(yùn)行，由初期的9個井組擴(kuò)展到503 個井組，2014年該區(qū)塊平均單井EOR產(chǎn)量為9.7 t/d，年EOR 產(chǎn)量為138×104t。據(jù)美國《油氣雜志》出版的全球EOR 項目調(diào)查報告，截至2014年，美國是世界上利用CO2提高采收率最多的國家，注氣驅(qū)EOR 項目共計170 個，其中CO2驅(qū)油項目136個，占78.2%，CO2驅(qū)油年產(chǎn)量達(dá)1 371×104t，約占世界CO2驅(qū)油總年產(chǎn)量的93%[6]。

2000年，加拿大韋本油田開始實(shí)行CO2驅(qū)油與埋存項目，13口水平井注CO2、16口直井水氣交替注入，至2012年將近2 200×104t 的CO2被注入了儲層中，油田的原油產(chǎn)量提高到了未進(jìn)行注氣之前的3倍，采收率達(dá)到40%，CO2驅(qū)提高采收率約8%[7]。

CO2非混相驅(qū)也是一種重要的提高采收率技術(shù)，在不同的油藏和流體條件下都具有巨大的潛力。Zhang N 收集和分析來自60 多種出版物中1968—2017年的41 個油田案例（圖1），原油采收率增加為原始原油儲量的4.7 %～12.5 %。水交替氣（WAG）和吞吐是CO2非混相驅(qū)最常用的兩種注入方式?，F(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)表明，CO2非混相驅(qū)的平均成本為19～28 美元/桶，經(jīng)濟(jì)評價表明，砂巖儲層的CO2非混相驅(qū)更具商業(yè)價值，平均CO2注入效率為1 793.4 m3/m3[8]。平均每口井CO2利用率為0.438 9×108m3，平均增產(chǎn)速度為3.657 m3/d?？偟膩碚f，油藏規(guī)模越大需要注入的CO2量越多，并且會有更多的產(chǎn)油量。圖2所示為不同油田CO2非混相驅(qū)提高采收率情況，總體上在4.7%～12.5%，平均在8.5%。

圖1 CO2非混相現(xiàn)場應(yīng)用的項目數(shù)量（自1968年以來）Fig.1 Field application numbers of CO2 immiscible（Since 1968）

圖2 不同油田CO2非混相驅(qū)的采收率增值Fig.2 Recovery increment of CO2 immiscible flooding in different oilfields

吞吐是另一種有效的CO2注入方法，規(guī)模比氣水交替小，且該過程通常運(yùn)行3～4個循環(huán)。圖3舉例說明了吞吐過程的持續(xù)時間。每個循環(huán)向生產(chǎn)井注入CO2為6～63 d，然后浸泡10～13 d。浸泡后，由于壓力的累積，原油首先通過自然流動生產(chǎn)，持續(xù)數(shù)天（根據(jù)壓力的不同，大約10 d），然后通過泵來輔助生產(chǎn)。

圖3 Camurlu油田吞吐過程Fig.3 Huff and puff of Camurlu oilfield

國外CO2驅(qū)綜合分析發(fā)現(xiàn)，油田生產(chǎn)過程中一些操作問題是不可避免的。這些問題可以總結(jié)為：1）早期氣體突破，或裂縫竄流；2）注入率降低；3）硫化氫的存在。主要對策是通過改變井網(wǎng)和調(diào)整注采策略避免早期氣體突破和注采率降低。例如Lick Creek 油田將現(xiàn)有的8 口生產(chǎn)井改造成注入井，以緩解早期氣體突破問題，提高波及效率。在注入井附近進(jìn)行凝膠處理以堵塞裂縫系統(tǒng)。由于CO2的波及系數(shù)較差，Bati油田將注氣方式由連續(xù)CO2注入改為水氣交替泡沫注入，同時采用垂直井和水平井混合配置。在油田中，通常安裝脫硫裝置以去除硫化氫。如果腐蝕嚴(yán)重到使脫硫裝置無法處理，則考慮使用其他材料替代。

1.2 我國注CO2提高采收率發(fā)展回顧

和國外相比，我國CO2提高采收率技術(shù)發(fā)展起步較晚，存在一定差距。我國在20世紀(jì)60年代后期開始探索CO2驅(qū)技術(shù)，進(jìn)入21世紀(jì)后加快了CO2驅(qū)油與埋存技術(shù)的研究和試驗(yàn)的步伐，目前處于中小規(guī)模的礦場試驗(yàn)向擴(kuò)大試驗(yàn)轉(zhuǎn)變的階段。

1963年，大慶油田首先開展了CO2驅(qū)提高采收率的研究。在大慶榆樹林油田扶楊油層[9]利用CO2進(jìn)行驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，至2013年9月底，累計注入液態(tài)CO2達(dá)11.06×104t，累計產(chǎn)油量為5.53×104t。1998年，中國石化江蘇油田在富14 斷塊開展水氣交替驅(qū)試驗(yàn)[10]，截至2000年，累積注水量達(dá)24 039 m3，注CO2總量為620×104m3，采收率提高了4%。2005年，中國石化華東分公司在草舍油田開展CO2混相驅(qū)礦場試驗(yàn)，該項目于2008年實(shí)現(xiàn)了混相，注氣井吸氣剖面明顯改善，到2018年12月，累積注入19×104t 液態(tài)CO2，累積增油13.2×104t，比水驅(qū)提高采收率13%。2017年7月，長慶油田黃3 區(qū)塊開展了CO2驅(qū)礦場試驗(yàn)[11]，采用3注19采井網(wǎng)，截至2018年底累計注入CO2為1.1×104t，井網(wǎng)對應(yīng)的采油井見效比例達(dá)56.5 %，累積增油748.1 t，驅(qū)油效果良好。2018年7月，延長石油CO2驅(qū)油技術(shù)及地質(zhì)監(jiān)測項目在杏子川采油廠啟動，預(yù)計每年封存CO2將超過10×104t，提高采收率8 %以上。2018年，中石油吉林油田開展CCS-EOR 項目，至同年6月底CO2埋存量達(dá)75×104t，驅(qū)油7 000 t 以上，埋存了相當(dāng)于近33×104t 煤燃燒所產(chǎn)生的CO2?，F(xiàn)階段CO2驅(qū)試驗(yàn)已遍地開花，各大石油公司各油區(qū)都在探索。近期冀東油田和大港油田高含水油藏水平井CO2吞吐取得較好的增油效果。新疆瑪湖砂礫巖油田也在積極探索CO2驅(qū)和CO2吞吐的開發(fā)方式。塔里木油田上產(chǎn)3 000×104t 目標(biāo)中也把注氣提高采收率作為重要支撐技術(shù)。對國內(nèi)CO2驅(qū)來說，目前還未形成規(guī)模效應(yīng)，主要原因一是陸相油田，原油石蠟、瀝青質(zhì)膠質(zhì)含量高，最小混相壓力高；二是陸相沉積，非均質(zhì)嚴(yán)重；三是CO2氣源較缺乏。

2 CO2驅(qū)相態(tài)及驅(qū)油機(jī)理評價技術(shù)

2.1 CO2驅(qū)油氣水三相相態(tài)評價

了解注氣過程的混相性和驅(qū)油機(jī)理必須熟悉：1）油藏原油、注入溶劑和頂替氣及其混合物的相態(tài)；2）溶劑和原油、溶劑和頂替氣間的質(zhì)量交換（傳質(zhì)）作用，即分子擴(kuò)散，以及微觀和宏觀對流彌散作用；3）流態(tài)，主要取決于黏滯力/重力比值。注氣相態(tài)研究方法主要是通過現(xiàn)場取樣，在實(shí)驗(yàn)室利用PVT 儀開展高溫高壓油氣相態(tài)研究。除了CO2和原油兩體系之間溶解和膨脹增容相態(tài)外，最新研究還考慮了地層水存在下的油氣水三相相態(tài)。

2.1.1 常規(guī)注氣相態(tài)實(shí)驗(yàn)

常規(guī)注氣相態(tài)主要包括：1）現(xiàn)場取樣及配樣，確定井流物組成；2）單次脫氣實(shí)驗(yàn)測試氣油比及地面油密度和黏度；3）井流物泡點(diǎn)壓力；4）等組成膨脹實(shí)驗(yàn)測試PV關(guān)系、原油壓縮系數(shù)和泡點(diǎn)壓力下流體密度；5）多次脫氣實(shí)驗(yàn)確定脫氣過程中不同壓力下原油體積系數(shù)、密度、黏度和溶解氣油比等物性參數(shù)；6）注CO2膨脹實(shí)驗(yàn)測試不同注氣量下體系的飽和壓力、膨脹系數(shù)和黏度。圖4為注CO2膨脹實(shí)驗(yàn)示意圖，由圖可見注CO2過程中，隨著壓力增加，CO2在原油中不斷溶解，液相體積逐漸膨脹；而當(dāng)壓力繼續(xù)增加，液相體積減小，表現(xiàn)出很強(qiáng)的抽提能力。

圖4 注CO2膨脹抽提實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.4 Expansion extraction experiment by CO2 injection

2.1.2 油氣水三相相態(tài)實(shí)驗(yàn)

CO2在水中溶解能力比一般的天然氣大得多，油藏中地層水的存在必然會對CO2—原油體系相態(tài)產(chǎn)生影響，而常規(guī)的注CO2膨脹實(shí)驗(yàn)均未考慮這一點(diǎn)。王長權(quán)等[12]在PVT儀中研究了CO2—原油—地層水三相系統(tǒng)的相態(tài)變化特征（圖5），研究表明地層水的存在使得三相體系的飽和壓力比不考慮地層水時小，且含水飽和度越大，體系飽和壓力降低程度也越大。這說明部分CO2溶解在水中，使得溶解在原油中的CO2量減少，導(dǎo)致原油飽和壓力降低，含水越多，影響越大。

圖5 不同含水飽和度下飽和壓力隨CO2注入量的變化Fig.5 Saturation pressure varied with CO2 injection volume with different water saturation

CO2—油—水體系和CO2—水體系的降壓過程對比實(shí)驗(yàn)也證實(shí)CO2在地層水中溶解對油氣體系相態(tài)的影響不能忽視（圖6，圖7）。圖6 可見，CO2—地層水體系隨壓力下降，水中CO2釋放，初期降壓體積膨脹較慢。CO2—地層水—原油體系中受CO2抽提作用，降壓過程中原油體積逐漸減小。當(dāng)壓力降低到體系的飽和壓力以下時，水中的CO2快速釋放，因急劇變壓，玻璃筒的透光性能大幅下降，在圖7 中顯示出黑色，說明CO2水中的溶解對CO2—油體系造成了影響。

圖6 CO2—地層水相互作用實(shí)驗(yàn)降壓過程體系相態(tài)變化（含水率70%）Fig.6 Phase change of decompression process system in the interaction experiment of CO2-formation water（Moisture content is 70%）

2.2 CO2驅(qū)油機(jī)理評價

注氣多次接觸混相機(jī)理分為向前多次接觸（蒸發(fā)混相驅(qū)）和向后多次接觸（凝析混相驅(qū)）兩種。CO2驅(qū)以蒸發(fā)混相為主，實(shí)際油藏很多也表現(xiàn)出凝析—蒸發(fā)雙重作用?；煜鄩毫νǔＳ眉?xì)管實(shí)驗(yàn)測試獲取。物理模擬實(shí)驗(yàn)還有一維長巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)、二維平面驅(qū)替和三維驅(qū)替實(shí)驗(yàn)。另外，還有高壓油氣界面張力實(shí)驗(yàn)、注氣過程固溶物（蠟、瀝青質(zhì)）沉積實(shí)驗(yàn)和微觀驅(qū)油機(jī)理實(shí)驗(yàn)（CT掃描或核磁共振測試）。

CO2驅(qū)油主要機(jī)理是CO2溶于原油后引起原油體積膨脹，增加孔隙中含油飽和度；降低原油黏度，改善流度比，增加其流動性；改善毛細(xì)管滲吸作用。另外CO2溶于水，也能起三個作用：增加水黏度；CO2水溶液能溶解部分礦物成分，從而提高儲層滲透率；降低油水界面張力，提高驅(qū)油效率。CO2在油、水中擴(kuò)散系數(shù)較高，能使CO2重新分配，使相系統(tǒng)平衡穩(wěn)定，對油水相對滲透率能起到正面影響。CO2還能抽提原油中烴類（C2—C30），降低剩余油飽和度。

CO2驅(qū)油機(jī)理可通過細(xì)管實(shí)驗(yàn)、巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)合核磁共振實(shí)驗(yàn)、微觀驅(qū)油實(shí)驗(yàn)以及組分油藏數(shù)值模擬進(jìn)行綜合評價。一維模擬可反映相態(tài)傳質(zhì)過程，壓力越高，CO2抽提重?zé)N量越多，抽提能力越強(qiáng)，油氣黏度和密度越接近，油氣界面張力在兩相帶中部更趨于零。

湯勇等[13]研究了考慮CO2在地層水中溶解的驅(qū)油特征，研究顯示CO2溶解在油中摩爾含量約為70%，溶解在地層水中的摩爾含量約為2%?？紤]CO2溶解時，含油飽和度、含氣飽和度剖面比不考慮CO2溶解時滯后，形成的油墻需要更長的時間才能推進(jìn)到生產(chǎn)井端（圖8）?？紤]CO2在地層水中溶解時，注氣突破時間相對較晚，注入1.0PV的CO2時原油采出程度可高約6%（圖9）。這可以從一定程度解釋實(shí)際油藏注CO2驅(qū)見效滯后的現(xiàn)象。

圖8 長巖心注CO2驅(qū)油氣水飽和度剖面變化（含水飽和度為0.67時，0.6HCPV）Fig.8 Variation of gas-water saturation profile of long core by CO2 flooding（Water saturation was 0.67 with 0.6HCPV）

圖9 長巖心注CO2驅(qū)采出程度對比（含水飽和度為0.67）Fig.9 Comparison of recovery degree of long core by CO2 flooding（Water saturation was 0.67）

另外，有時注氣壓力不一定都保持在最小混相壓力（MMP）水平，要全面、綜合考慮孔隙大小分布、界面張力和流度比三者的關(guān)系。如果儲層的孔隙喉道很小，而且比較均勻，那么就要盡量達(dá)到混相條件。如果儲層為孔喉尺寸較大的體系，氣體的溶解使原油黏度降低、體積膨脹顯得比界面張力更為重要。如果油藏巖石親水性強(qiáng)，較小的孔隙多被水所充滿，形成一個零界面張力帶就沒有必要。

3 CO2驅(qū)油藏工程方案優(yōu)化設(shè)計技術(shù)

CO2驅(qū)油藏工程方案優(yōu)化設(shè)計影響CO2驅(qū)整體效果。油藏CO2混相驅(qū)的難點(diǎn)在于提高波及系數(shù)，控制黏性指進(jìn)和氣體突破。地質(zhì)研究重點(diǎn)強(qiáng)化儲層砂體的連通性、非均質(zhì)性、裂縫網(wǎng)絡(luò)及高滲透條帶的描述，為油藏工程設(shè)計提供依據(jù)。方案設(shè)計時需要考慮適合于油藏特點(diǎn)的井網(wǎng)形式，一般要滿足以下幾點(diǎn)：1）氣驅(qū)控制程度高，有利于保持較高的地層壓力；2）井網(wǎng)與裂縫系統(tǒng)匹配，有利于進(jìn)行流度控制，減緩氣竄速度；3）井網(wǎng)后期調(diào)整具有較高的靈活性；4）層系組合具有一定的物質(zhì)基礎(chǔ)。

CO2驅(qū)油藏工程方案優(yōu)化設(shè)計整體思路是以各項室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果為擬合目標(biāo)，應(yīng)用組分油藏模擬手段，實(shí)現(xiàn)物模和數(shù)模有機(jī)結(jié)合。流體相態(tài)方面突出CO2—原油體系相態(tài)描述，擬合相態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，標(biāo)定狀態(tài)方程參數(shù)。多相滲流方面突出油氣水三相滲流，標(biāo)定油水和油氣相滲曲線。在生產(chǎn)歷史擬合的基礎(chǔ)上，優(yōu)選注入方式、水氣比、最佳轉(zhuǎn)注時機(jī)、注氣壓力系統(tǒng)等注CO2驅(qū)工程設(shè)計關(guān)鍵參數(shù)。注CO2驅(qū)方案設(shè)計流程如圖10所示。注氣開發(fā)具有許多不確定性，方案設(shè)計后還常須通過現(xiàn)場先導(dǎo)試驗(yàn)來回答一系列問題：是否具備足夠多的可流動原油；操作步驟與裝備的技術(shù)要求；項目的預(yù)期開采年限和經(jīng)濟(jì)評價。

圖10 CO2驅(qū)油藏方案設(shè)計流程Fig.10 Program design process of CO2 flooding reservoir

同時要使注氣技術(shù)具有競爭力，必須滿足以下三個條件：1）要有足夠數(shù)量的注入溶劑，即需有充足的氣源，并且價格便宜，可在經(jīng)濟(jì)上獲利；2）油藏必須能提供溶劑與原油間混相所要求的壓力，即最小混相壓力；3）注氣后原油產(chǎn)量有大幅度的提高。另外也要關(guān)注CO2的腐蝕，蠟、瀝青質(zhì)的沉淀，以及水氣交替切換時可能會引起注入能力下降。

4 CO2驅(qū)防氣竄及提高波及體積技術(shù)

注氣的最大問題是黏性指進(jìn)和密度差引起的重力分異作用，克服這一問題目前普遍采用的方法是水氣交替注入（WAG）、注入泡沫劑和調(diào)剖。對于地層傾斜度大、尖頂塊狀生物礁和鹽丘側(cè)翼遮擋油藏可利用重力控制注入速度來提高波及體積。

4.1 水氣交替

水氣交替主要目的是控制流體流動性。水氣交替能有效改善注氣驅(qū)流度比、防止黏性指進(jìn)、提高波及效率。據(jù)2010年注氣調(diào)查報告顯示，國外共計59個水氣交替項目，其中CO2占47%，單個CO2段塞體積約為0.1%～0.3%PV，總CO2段塞體積約為烴類孔隙體積的35%～42%。

注采參數(shù)對于水氣交替的效果影響較大，如段塞大小、井網(wǎng)設(shè)置、注入速度、注入水氣比、循環(huán)次數(shù)、注入水礦化度、潤濕性等都會對水氣交替工藝產(chǎn)生影響，應(yīng)針對油田具體情況實(shí)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計。水氣交替過程中主要的問題有氣體過早突破、注入損失、腐蝕、瀝青質(zhì)沉淀和水合物生成等。目前已形成了凝膠處理、添加聚合物輔助等解決方法，能一定程度上緩解不利因素。

4.2 CO2輔助重力驅(qū)

氣體輔助重力驅(qū)（GAGD）是提高采收率常用的工藝手段之一。GAGD 工藝?yán)弥亓Ψ之悂硪种谱⑷霘獾酿ば灾高M(jìn)，形成穩(wěn)定連續(xù)的驅(qū)替界面，進(jìn)而大幅度提高采收率（圖11）。與連續(xù)注氣和水氣交替相比，氣體輔助重力驅(qū)解決了注入氣體積波及系數(shù)低的問題，采收率甚至能達(dá)到水驅(qū)的兩倍。由于油氣藏中水、氣和油三相流體在地層條件下具有不同的密度，受重力影響會形成氣體在上、油在中間、水在底部的流體分布，氣體輔助重力驅(qū)正是利用這一性質(zhì)，在油藏頂部通過注入井注氣形成氣體聚集帶，將地層原油向下驅(qū)替進(jìn)入水平生產(chǎn)井。

在GAGD 過程中，流體重力分異和向有效層底部泄油，使得波及效率提高，采收率提升。由于CO2具有較高的體積波及效率和微觀驅(qū)替效率，特別是在混相驅(qū)替下，因此CO2是GAGD工藝的優(yōu)良注入介質(zhì)[14]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示CO2輔助重力驅(qū)效果比水氣交替更好[15]，通過可視化物理模型驗(yàn)證，混相條件下CO2輔助重力驅(qū)體積波及效率近乎100%。

圖11 GAGD工藝示意圖Fig.11 GAGD technology

美國德克薩斯州Wolfcamp 油田，原油性質(zhì)為輕油，進(jìn)行水驅(qū)開采后殘余油飽和度約35%。隨后采用了頂部注CO2混相驅(qū)替進(jìn)行三次采油，并在水層持續(xù)注水以保持地層壓力，最終含油飽和度下降到10.5%，氣驅(qū)增加采出程度27%。

4.3 CO2泡沫驅(qū)

泡沫驅(qū)提高采收率技術(shù)始于20 世紀(jì)50年代，1964—1967年美國聯(lián)合石油公司在Higgins 油田開展了泡沫驅(qū)油礦場試驗(yàn)，結(jié)果表明泡沫驅(qū)能有效降低油井含水率，增產(chǎn)原油2.2×104t。在90年代，美國、英國、俄羅斯等國家相繼進(jìn)行了泡沫驅(qū)油礦場試驗(yàn)[16]，并且都取得了較好的效果。在20 世紀(jì)70年代初，我國也開展了泡沫驅(qū)油相關(guān)研究，1965年在玉門油田進(jìn)行了泡沫驅(qū)試驗(yàn)，隨后在克拉瑪依油田、大慶油田相繼進(jìn)行了泡沫驅(qū)礦場實(shí)驗(yàn)，均取得了良好效果。

在CO2驅(qū)替未達(dá)到混相條件時，由于氣體黏度、密度較低，通過高滲流區(qū)容易產(chǎn)生黏性指進(jìn)、竄流和重力超覆，影響驅(qū)替效果。可以利用泡沫技術(shù)，形成CO2泡沫體系，增加流體表觀黏度，增大高滲通道的滲流阻力，減小層間和層內(nèi)干擾，形成較為穩(wěn)定的驅(qū)替前緣，從而提高體積波及效率。目前常用的起泡劑為表面活性劑，能夠起到降低界面張力、改變巖石潤濕性和乳化原油的效果。采用離子型表面活性劑的同時，在CO2泡沫體系中加入適當(dāng)?shù)募{米顆粒材料或聚合物[17]，能夠起到提高泡沫阻力系數(shù)和穩(wěn)定性、增大泡沫體系黏度的作用，使其在原油、地層水和高溫高壓條件下也能穩(wěn)定存在，擴(kuò)大了CO2泡沫驅(qū)技術(shù)的應(yīng)用范圍。

吉林油田試驗(yàn)了CO2泡沫驅(qū)，且見到一定的效果，加泡沫后注入壓力升高，說明封堵性較好。初期針對小規(guī)模氣竄采用陰離子表活劑開展泡沫調(diào)驅(qū)試驗(yàn)?，F(xiàn)場試驗(yàn)累計注入泡沫液量100 m3，液態(tài)CO2量240 m3，注入過程中壓力逐漸上升，注液壓力上升3.6 MPa，注氣壓力上升6.2 MPa。

腰英臺油田屬于高溫高鹽低滲透油藏，2011年3月對7口井實(shí)施注CO2驅(qū)油，2012年5月15口油井見氣，6 口井CO2含量超過60 %，氣竄嚴(yán)重。2012年6月3口井轉(zhuǎn)注泡沫劑溶液，CO2注入過程中注入壓力逐漸升高，平均升高2 MPa 以上，地層CO2泡沫生成明顯。采取措施2 個月后，措施井組綜合含水率下降，有效抑制了氣竄，井組增油11.89%。

盡管實(shí)踐證明泡沫在輔助CO2驅(qū)油過程中具有較好的效果，但是由于CO2泡沫體系在地層中存在不可避免的問題，例如泡沫穩(wěn)定性差、作用距離有限，表面活性劑在地層巖石上的吸附嚴(yán)重，采出液乳化嚴(yán)重等，致使CO2泡沫驅(qū)在礦場大規(guī)模推廣能力有限，因此下一步還需加強(qiáng)現(xiàn)場應(yīng)用研究。

4.4 碳化水驅(qū)

碳化水驅(qū)是在一定的溫度和壓力下，將溶有一定量CO2的水注入地層進(jìn)行驅(qū)油的方法[18]。因CO2在不同介質(zhì)中化學(xué)勢的差異，水中溶解的CO2會通過傳質(zhì)作用逐步轉(zhuǎn)移到地層原油中，引起原油膨脹，降低油水界面張力，改善地層流體流度比，從而提高波及效率。注CO2驅(qū)和碳化水驅(qū)的橫向波及效率對比如圖12所示。由圖可見，單純注CO2驅(qū)時因受到重力分異效果的影響，注入的CO2會沿地層較高部位竄進(jìn)。同時由于氣體和原油黏度的差異，CO2會沿高滲帶發(fā)生黏性指進(jìn)導(dǎo)致氣體的提前突破，地層較低部位波及效率很低。而注碳化水驅(qū)能夠大幅降低重力和黏度差異的影響，形成較為穩(wěn)定連續(xù)的驅(qū)替界面，提高波及效率。美國俄克拉荷馬州Dewey 油田在衰竭開采后實(shí)施了碳化水驅(qū)，最終采收率達(dá)到了43%，比常規(guī)水驅(qū)的最終采收率提高了10%。

圖12 CO2驅(qū)和碳化水驅(qū)波及效率對比Fig.12 Comparison of horizontal sweep efficiency between CO2 flooding and water flooding with saturated CO2

4.5 裂縫及高滲帶封堵技術(shù)

CO2驅(qū)油技術(shù)在低滲油田開采上表現(xiàn)十分優(yōu)異，在我國大部分油田有著很好的應(yīng)用前景。但由于不利的流度比，注入地層后CO2氣體容易沿著高滲條帶發(fā)生快速突破，導(dǎo)致波及系數(shù)低，直接影響了最終驅(qū)油效果。解決CO2驅(qū)油過程中的氣竄問題成為這項技術(shù)應(yīng)用成敗與否的關(guān)鍵。采用示蹤劑監(jiān)測，并結(jié)合生產(chǎn)動態(tài)分析和數(shù)值模擬方法可以較好地識別儲層優(yōu)勢滲流通道，為CO2驅(qū)過程中的調(diào)整策略提供參考。

陳祖華等[19]針對CO2驅(qū)開發(fā)后期油藏氣竄逐漸加重，開發(fā)矛盾不斷加劇的問題，從開發(fā)層系、注采結(jié)構(gòu)、注入方式以及注入剖面四個方面開展改善CO2驅(qū)開發(fā)效果研究，提出了細(xì)分層系、高部位注氣、水氣交替、全過程調(diào)剖和CO2+泡沫驅(qū)防竄等技術(shù)對策，現(xiàn)場實(shí)施后增油防竄的效果顯著。延長油田針對裂縫性的特低滲油藏和基質(zhì)中的高滲透氣竄通道提出兩種不同的適應(yīng)性封堵體系，即改性淀粉堵劑體系和乙二胺堵劑體系，分別進(jìn)行堵劑配方優(yōu)化和性能評價，取得了較好的封堵效果。為了提高CO2的突破裂縫的能力，Weyburn 油田試驗(yàn)了多種CO2注入方法，如水和CO2同時注入、水和CO2交替注入等。總之，封堵裂縫及高滲透條帶對提高CO2驅(qū)波及體積作用顯著，但封堵層位的選擇及工藝的優(yōu)化需要進(jìn)一步的研究。

5 CO2驅(qū)油及地質(zhì)埋存技術(shù)

油藏注CO2提高采收率并實(shí)現(xiàn)CO2地質(zhì)埋存是一種雙贏舉措。國內(nèi)延長和長慶等油田實(shí)現(xiàn)了CO2捕集和埋存一體化工程，這極大地提高了該項目的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

CO2油藏地質(zhì)封存機(jī)理一般存在四種：1）地質(zhì)構(gòu)造封存，注入的CO2處于超臨界的狀態(tài)，在浮力的作用下向儲層頂部聚集，直到遇到蓋層底部、低滲透斷層或者砂體尖滅；2）吸附封存，CO2由于毛細(xì)管力的作用被吸附在巖石礦物表面，因而滯留在孔隙內(nèi)而被封存；3）溶解封存，注入的CO2會溶解在原油和地層水中；4）礦化封存，注入的CO2溶解在地層水中，導(dǎo)致地層水的pH值下降，溶解性增強(qiáng)，部分巖石礦物被溶解后和CO2發(fā)生礦化反應(yīng)，生成新礦物。

Weyburn 油田的CO2地質(zhì)封存項目（IEAGHG Weyburn CO2Monitoring and Storage Project）由于其完善的科學(xué)監(jiān)測和顯著的經(jīng)濟(jì)效益，是國際上公認(rèn)的最成功的CO2捕集與埋存（CCS）案例。Weyburn油田的產(chǎn)油層深度為1 300～1 500 m，是Mississippian 階的碳酸鹽層。其Midale 儲層由上而下主要分為兩層：Marly層和Vuggy層。上部是以灰?guī)r為主的Marly層，厚度8～22 m，屬于高孔隙、低滲透的碳酸鹽巖地層，孔隙度從16%到38%不等，平均約27%，氣測滲透率（1～50）×10-3μm2；下部是以白云巖為主的Vuggy層，厚度2～12 m，屬于低孔隙、高滲透性的碳酸鹽巖地層，孔隙度8%～20%，平均約11%，氣測滲透率（10～300）×10-3μm2。1964年開始，Weyburn 油田對Vuggy 層開始注水開發(fā)；1991年引入水平井技術(shù)，繼而開發(fā)高孔低滲的Marly層。但是由于Marly層滲透率很低，注水開發(fā)不明顯。到2000年，開啟CCS 項目，進(jìn)行CO2—EOR。主要目的層為剩余油飽和度高的Marly 層，同時對Vuggy 層進(jìn)行CO2—EOR，至2012年總共埋存了將近2 200×104t的CO2，油田采收率達(dá)到40%，其中CO2驅(qū)提升約8%。

6 結(jié)論及展望

通過綜合分析，對CO2驅(qū)提出以下的看法：

1）CO2驅(qū)油和地質(zhì)埋存相結(jié)合是未來發(fā)展趨勢，可以得到政策上的支持，特別是CO2捕集和驅(qū)油一體化具有廣闊前景。另外，CO2吞吐是特超低滲透油藏以及高含水后期油藏提產(chǎn)的重要方向。

2）CO2在多孔介質(zhì)條件下的多相相態(tài)及驅(qū)油機(jī)理是CO2驅(qū)的基礎(chǔ)，建議綜合考慮界面張力、相態(tài)、流度和孔隙結(jié)構(gòu)。驅(qū)油機(jī)理可通過CO2巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)合CT、核磁共振等開展研究，需要進(jìn)一步研制高溫高壓CO2驅(qū)在線瞬時飽和度分布測試專用實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

3）CO2驅(qū)油藏工程方案的設(shè)計重點(diǎn)在于盡量提高驅(qū)油效率和波及效率。需結(jié)合油藏地質(zhì)特點(diǎn)、流體相態(tài)特征和滲流特征，實(shí)現(xiàn)混相或近混相，控制黏性指進(jìn)和氣體突破，優(yōu)化設(shè)計注入?yún)?shù)和井網(wǎng)形式。

4）提高CO2驅(qū)宏觀上的波及體積比混相更重要。根據(jù)油田實(shí)際情況，合理采用水氣交替、GAGD、泡沫驅(qū)、碳化水驅(qū)、封堵調(diào)剖等技術(shù)，有條件的油藏優(yōu)化注采井網(wǎng)井型。

5）CO2驅(qū)油結(jié)合地質(zhì)埋存技術(shù)既能有效提高原油采收率，又能實(shí)現(xiàn)CO2的地質(zhì)封存、減少碳排放，可謂一舉兩得，是今后技術(shù)發(fā)展的重要方向。

總體上，從國內(nèi)外來看，注CO2提高石油采收率具有很大的潛力和發(fā)展前景，需要在總結(jié)國內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，做好不同類型油氣藏注CO2驅(qū)及CO2吞吐提高采收率的頂層設(shè)計。