計秉玉,何應(yīng)付
(中國石化石油勘探開發(fā)研究院,北京102206)
通過注入CO2提高采收率的方法研究早在1920年就有文獻記載[1],美國人WHORTON[2]在1952年申請了第一個CO2采油技術(shù)專利。CO2的現(xiàn)場應(yīng)用最早開始于1956年,在美國Permain(二疊)盆地首先進行了注CO2混相驅(qū)替試驗[3]。結(jié)果表明,注CO2不但是一種有效的提高采收率方法,而且具有很高的經(jīng)濟效益,從而成為繼熱采之后的又一大EOR(提高采收率)技術(shù)。
中國注CO2提高采收率室內(nèi)研究始于20世紀(jì)60年代,礦場試驗始于20 世紀(jì)90年代。大慶油田將CO2驅(qū)油作為提高采收率的手段,在高含水油田薩南葡I2 開展試驗[4-5],采收率提高8 個百分點左右,但由于無法與化學(xué)驅(qū)競爭而終止(化學(xué)驅(qū)提高采收率12個百分點以上)。
與美國、加拿大等國家不同,中國的化學(xué)驅(qū)是提高采收率的主流技術(shù),主要應(yīng)用于中高滲透的高含水油藏。采用CO2驅(qū)油的油藏更多的是低滲透油藏。2003年以來,延長油礦,中國石油的大慶油田、吉林油田,中國石化的華東分公司、東北分公司、勝利油田、中原油田、江蘇油田先后開展了致密/低滲透油藏CO2驅(qū)油先導(dǎo)試驗。實踐表明,與水驅(qū)相比,CO2驅(qū)大幅度提高了注入能力,解決了補充能量困難的問題[6-15],CO2驅(qū)油應(yīng)用于低滲透油藏前景廣闊。在目前碳達(dá)峰、碳中和的背景下,注CO2能夠滿足驅(qū)油與埋存的雙重需求[16],是CCUS 實施的主要陣地,不僅具有現(xiàn)實的經(jīng)濟意義,而且具有顯著的社會效益。
系統(tǒng)介紹了中國石化低滲透油藏CO2驅(qū)礦場試驗進展,分析了主要做法及取得的效果,并針對低滲透油藏CO2驅(qū)所存在的問題,提出了下一步的發(fā)展方向,旨在為CO2驅(qū)在低滲透油藏的規(guī)模應(yīng)用提供借鑒和參考。
截至2020年底,中國石化針對無法水驅(qū)或水驅(qū)效果差的油藏已開展了43 個區(qū)塊(井組)礦場試驗,覆蓋儲量3 350×104t,其中低滲致密區(qū)塊共33 個,覆蓋地質(zhì)儲量2 608×104t,年注氣14×104t,累計注氣192×104t,年產(chǎn)油8.5×104t,年增油3.4×104t,累計增油38.2×104t。
歷年注氣區(qū)塊(井組)和覆蓋儲量數(shù)變化表明(圖1),中國石化盡管CO2氣源短缺,費用較高,但自2003年起,區(qū)塊數(shù)和覆蓋儲量數(shù)持續(xù)增加,特別是蘇北盆地應(yīng)用規(guī)模明顯增大。
圖1 中國石化CO2驅(qū)覆蓋儲量和區(qū)塊數(shù)變化Fig.1 Changes of CO2 flooding covered reserves and block number of Sinopec
先導(dǎo)試驗按照早期開發(fā)情況,分為5 類:第一類為一般低滲透注水開發(fā)后CO2混相驅(qū),典型代表為蘇北盆地草舍油田泰州組油藏(實際上在CO2驅(qū)替過程中,生產(chǎn)井流壓也遠(yuǎn)低于長細(xì)管實驗確定的最小混相壓力);第二類為一般低滲透油藏注水開發(fā)后CO2非混相驅(qū),典型代表為蘇北盆地馬38區(qū)塊;第三類為特低滲透油藏衰竭開采后注CO2混相驅(qū),典型代表為蘇北盆地張家垛油田張1斷塊;第四類為特低滲透裂縫性油藏注水開發(fā)后CO2非混相驅(qū),典型代表為腰英臺油田腰西區(qū)塊;第五類為特低滲透早期注CO2近混相驅(qū),典型代表為勝利油田高89-1區(qū)塊。
草舍油田南斷塊泰州組油藏平均埋藏深度3 020 m,含油面積0.703 km2,地質(zhì)儲量142×104t,可采儲量59×104t,儲層平均孔隙度為14.8%,滲透率46.0×10-3μm2,地層傾角10°~15°,油藏溫度104 ℃,原油密度0.879 g/cm3,原油黏度12.80 mPa·s,為斷塊封閉的弱邊水—彈性驅(qū)動類型的塊狀砂巖油藏。注氣前油藏壓力為32.06 MPa,CO2-原油最小混相壓力29.34 MPa。2005年7月開始注氣采油先導(dǎo)試驗,2007年9月主體部位注氣,注采井距250 m 左右,采用連續(xù)注氣后轉(zhuǎn)水氣交替方式,2015年12月注氣結(jié)束(圖2)。試驗區(qū)注氣井6 口,采油井15 口,累計注氣20.8×104t,累計增油11.60×104t。2017年試驗區(qū)開展二次注氣試驗,探索注CO2后油藏提高采收率的可行性,截至2020年12月,二次注氣試驗累注氣8.2×104t,累增油1.92×104t。
圖2 蘇北盆地草舍油田注氣混相驅(qū)產(chǎn)油量組成曲線Fig.2 Oil production composition of miscible flooding in Caoshe Oilfield,Subei Basin
蘇北盆地馬38區(qū)塊地質(zhì)儲量41×104t,地層傾角10.5°,孔隙度16%,滲透率15.7×10-3μm2,原油密度0.84 g/cm3,原油黏度12.3 mPa·s,地層壓力21.0 MPa,地層溫度81℃,CO2-原油最小混相壓力28 MPa。2018年3月 開 展CO2試注,注采井 距300 m 左 右,2018年10月開展CO2非混相驅(qū)替,采用連續(xù)注氣方式,注氣井2口,日注氣41 t,截至2020年10月底,累積注入液碳1.5×104t,日增油3.1 t,累計增油0.47×104t,換油率0.313 t/t(圖3)。
圖3 蘇北盆地馬家嘴油田馬38區(qū)塊注氣非混相驅(qū)產(chǎn)油量變化曲線Fig.3 Oil production variation curve of gas injection immiscible flooding in Ma-38 Blockof Majiazui Oilfield in Subei Basin
張家垛油田張1 區(qū)塊位于蘇北盆地南部海安凹陷西部曲塘次凹的北部陡坡帶,主力含油層系為阜三段,油藏埋深2 700~3 700 m。儲層巖性以細(xì)、粉砂巖為主,儲層以長石石英細(xì)砂巖和巖屑石英細(xì)砂巖為主,動用含油面積0.91 km2,儲量47×104t,滲透率5×10-3μm2,孔隙度17%,地層傾角40°,地層溫度112 ℃,原油密度0.80 g/cm3,原油黏度1.74 mPa·s,CO2-原油最小混相壓力32 MPa,地層壓力32 MPa。區(qū)塊于2015年12月開始注氣,井距350 m左右,采用連續(xù)注氣方式,截至2019年12月底注氣累計增油1.93×104t,年增油7 186.66 t,月增油430.42 t,換油率0.82 t/t,累計換油率0.58 t/t,階段提高采收率4.10%(圖4)。
圖4 蘇北盆地張家垛油田張1區(qū)塊注CO2產(chǎn)量變化曲線Fig.4 Change curve of production before and after CO2 injection in Zhang-1 Block of Zhangjiaduo Oilfield in Subei Basin
腰英臺油田CO2驅(qū)先導(dǎo)試驗區(qū)主要開發(fā)層系為青一Ⅱ和青二Ⅳ砂巖組,儲層中深2 100 m,平均孔隙度14.23%,平均滲透率2.0×10-3μm2,三角洲前緣沉積微相,天然微裂縫發(fā)育,裂縫密度0.2條/m 左右;原油黏度1.91 mPa·s,原油密度0.79 g/cm3,CO2-原油最小混相壓力26 MPa,注氣前平均地層壓力僅為12 MPa。油藏早期采用水驅(qū)開發(fā)方式,注氣前含水率82.4%,第一期試驗區(qū)2011年4月開始注氣,采用沿裂縫排狀井網(wǎng)線性驅(qū)替,注采井距300 m 左右,單井日注30 t 左右,連續(xù)注氣1.5 a 后,第二期試驗區(qū)轉(zhuǎn)注,與一期試驗區(qū)交替實施水氣交替驅(qū)。2015年8月停止注氣,累計注氣22.6×104t,累計增油1.74×104t,CO2階段埋存率92.6%(圖5)。
圖5 松遼盆地腰英臺油田CO2第二期先導(dǎo)試驗產(chǎn)油量變化曲線Fig.5 Oil production curve of the second CO2 pilot test in Yaoyingtai Oilfield of Songliao Basin
該試驗區(qū)位于正理莊油田西部,主力含油層系為沙四段,地質(zhì)儲量170.0×104t,油藏埋深2 700~3 100 m,滲透率4.7×10-3μm2,孔隙度12.5%,原油黏度1.59 mPa·s,原油密度0.738 g/cm3,原始地層壓力41.8 MPa,地層溫度126 ℃,注氣前地層壓力23.2 MPa,最小混相壓力28.9 MPa。2018年1月開始注氣,超前注氣半年后,地層壓力升高6 MPa(圖6),對應(yīng)油井不壓裂可自噴生產(chǎn)。截至2020年11月,年產(chǎn)油0.73×104t,年增油0.33×104t,年注氣1.0×104t,累計注氣28.8×104t,累計增油9.3×104t,區(qū)塊提高采出程度5.4%,CO2換油率0.32 t/t,預(yù)測區(qū)塊最終可提高采收率14.6%。
圖6 渤海灣盆地正理莊油田高89-1區(qū)塊超前注氣結(jié)束后地層壓力分布模擬結(jié)果Fig.6 Simulation results of formation pressure distribution after advanced gas injection in Gao 89-1 reservoir of Zhenglizhuang Oilfield in Bohai Bay Basin
從已實施的CO2先導(dǎo)試驗見效情況看,不論是一般低滲還是特低滲油藏,都取得了較好的增產(chǎn)效果,特別是混相壓力較低油藏,油井見效比例高,有效期長,不僅技術(shù)上成功,也具有較好的經(jīng)濟效益。但中國CO2驅(qū)主要用于水驅(qū)無法正常開發(fā)的低滲透、特低滲透油藏,且多數(shù)采用壓裂開發(fā),強非均質(zhì)性和優(yōu)勢通道導(dǎo)致氣竄嚴(yán)重,特別是裂縫性油藏非混相驅(qū)替,氣竄速度較快,腰英臺油田部分井2~3個月見氣,且氣油比上升速度較快,影響經(jīng)濟效益。
CO2驅(qū)關(guān)鍵指標(biāo)主要指注入能力、增油量、提高采收率和換油率等方面,是CO2驅(qū)油可行性的重要表征。
低—特低滲透油藏實施CO2驅(qū)的最大優(yōu)勢是注入能力強,補充能量效果顯著。腰英臺油藏2-2 井Hall(霍爾)曲線分析表明注CO2能力是注水能力的2~3 倍(圖7)。衛(wèi)42 塊儲層滲透率3.85×10-3μm2,注水壓力高達(dá)40 MPa,注水井轉(zhuǎn)注氣壓力下降為30 MPa(表1),實現(xiàn)了注水困難油藏有效注入。
圖7 松遼盆地腰英臺油田腰2-2井注水注氣Hall曲線對比Fig.7 Comparison of Hall curves of water injection and gas injection in Well-Yao2-2 of Yaoyingtai Oilfield in Songliao Basin
表1 衛(wèi)42塊氣驅(qū)方案實施前后注入井情況對比Table 1 Comparison of injection wells before and after gas flooding of Wei-42 Block
從中國石化低—特低滲透油藏各試驗區(qū)實施效果看,方案實施6個月后油井逐漸見效,見效后油井產(chǎn)量有明顯的升高,其中混相驅(qū)、近混相驅(qū)單井產(chǎn)量升高1 倍以上,比如草舍泰州組CO2混相驅(qū)平均單井產(chǎn)量由2.05 t/d升高至5.79 t/d,增加了1.8倍;高89-1區(qū)塊近混相驅(qū)平均單井產(chǎn)量由2.84 t/d 升高至6.05 t/d,增加了1.1倍。非混相驅(qū)單井產(chǎn)量增加了30%以上,比如馬38 區(qū)塊平均單井產(chǎn)量由1.15 t/d 升高至2 t/d,增加了74 %;腰英臺油田注CO2后見效井平均單井增油0.67 t/d,比實施前增加40%。
中國石化已實施區(qū)塊的階段換油率介于0.1~0.4 t/t(圖8),其中換油率低于0.2 t/t的區(qū)塊數(shù)占總實施項目的40%左右,高于0.3 t/t的區(qū)塊數(shù)占總項目數(shù)不到30%,所有區(qū)塊平均換油率0.20 t/t,與美國0.4~0.5 t/t水平相比差距加大,需要進一步提高方案設(shè)計水平,改善CO2驅(qū)的經(jīng)濟效益。
圖8 部分低—特低滲油藏注CO2階段換油率對比Fig.8 Comparison of oil exchange rates during CO2 injection in some low-ultra low permeability reservoirs
中國石化低滲透油藏CO2驅(qū)預(yù)期提高采收率幅度介于8%~12%,低于美國CO2驅(qū)提高采收率的平均值15.86%。主要原因:①美國CO2驅(qū)油藏以海相沉積為主,CO2-原油混相壓力低,部分油藏甚至低于10 MPa;②美國CO2設(shè)計注入量和實際注入總量都較高,但由于非均質(zhì)性強導(dǎo)致氣竄,中國CO2注入總量不高(圖9)。
圖9 部分低滲透油藏預(yù)期提高采收率對比Fig.9 Comparison of expected EOR in some low permeability reservoirs
從已實施區(qū)塊的監(jiān)測數(shù)據(jù)看,各區(qū)塊CO2采出量較低。截至2020年11月,各試驗區(qū)累計采出CO2量僅為13.92×104t,占總注入量的7.25 %,即目前階段埋存率為92.75 %。隨著項目的實施,CO2會逐漸產(chǎn)出,埋存率可能會出現(xiàn)較大幅度的下降。
美國CO2驅(qū)采用循環(huán)注氣方式,理論埋存率可達(dá)100%。根據(jù)中國碳中和的政策,未來實施CO2驅(qū)必然采用回收循環(huán)利用的技術(shù)政策。目前該技術(shù)已經(jīng)在中國石化華東油氣田試驗成功,能夠?qū)崿F(xiàn)100%的存碳率,并回收部分輕烴。
中國油藏多為陸相沉積,非均質(zhì)性嚴(yán)重,必然影響CO2波及體積。除化學(xué)封竄外,注采方式優(yōu)化是防竄并提高CO2波及體積的主要手段。室內(nèi)研究表明,已有的注入方式中,水氣交替效果最好,周期注氣次之,連續(xù)注氣最差。從礦場實施情況看,由于低—特低滲透油藏注水較為困難,且擔(dān)心水鎖,多數(shù)試驗區(qū)在試注階段、驅(qū)替早期階段采用先連續(xù)注氣方式,隨著驅(qū)替的進行逐漸轉(zhuǎn)為水氣交替的方式。對比轉(zhuǎn)水氣交替前后的產(chǎn)量變化來看,即使轉(zhuǎn)水氣交替(WAG)前已經(jīng)見效,產(chǎn)量明顯提升,轉(zhuǎn)水氣交替后仍然會再次見效,產(chǎn)量會出現(xiàn)第二個高峰,比如草舍泰州組、張家垛油田張1 區(qū)塊(圖4)、張3 區(qū)塊(圖10)、腰英臺油田一期試驗區(qū)。對比不同方式換油率也可以看出,連續(xù)轉(zhuǎn)水氣交替換油率保持在較高水平,明顯高出連續(xù)注氣(曲塘、帥垛、華莊、祝莊、文138等低于0.2 t/t)的效果。因此,建議在能夠注水或者連續(xù)驅(qū)替一段時間后能夠注水的油藏實施水氣交替政策。
圖10 蘇北盆地張家垛油田張3區(qū)塊產(chǎn)油量與增油量變化曲線Fig.10 Variation curve of oil production and oil increase in Block-3 of Zhangjiaduo Block of Subei Basin
層系、井網(wǎng)和井距對CO2驅(qū)波及體積和驅(qū)替效果影響顯著。實踐表明,CO2驅(qū)油層系劃分要保證主力油層發(fā)揮作用,嚴(yán)控射孔界限,盡量不壓裂。低—特低滲透油藏CO2驅(qū)合理井網(wǎng)形式要綜合考慮砂體分布形態(tài)、壓裂裂縫方位、剩余油分布、儲量動用程度等,現(xiàn)有先導(dǎo)試驗區(qū)主要采用五點法(高89-1 區(qū)塊)行列井網(wǎng)(腰英臺)或高部位點狀注氣(花32 斷塊、馬38 斷塊);CO2驅(qū)合理井距主要考慮啟動壓力梯度和儲量豐度,既要使得原油能夠被驅(qū)動,又要經(jīng)濟有效,研究和礦場實踐表明,CO2驅(qū)技術(shù)極限井距是水驅(qū)技術(shù)極限井距的2 倍左右,一般為300~400 m,最大井距700 m可實現(xiàn)經(jīng)濟有效動用(中原油田文200)。
中國油藏大多陸相生油,原油重質(zhì)組分含量高,原油密度和黏度相對較高,CO2-原油最小混相壓力較高,一般大于25 MPa,如何提高混相程度是CO2驅(qū)技術(shù)政策優(yōu)化的另一個核心。中國石化各試驗區(qū)主要采用超前注氣[17]、高壓低速[18]、控制注采比等方式保持地層壓力,改善混相程度。比如高89-1 區(qū)塊超前注氣半年,將地層壓力由23.2 MPa提高至29.2 MPa,達(dá)到最小混相壓力。目前,中國石化多家單位正在探索注入CO2增效劑來降低最小混相壓力的方法。該方法已在室內(nèi)實驗中取得了成功,最小混相壓力可降低20%以上。
與水驅(qū)相比,油氣黏度比較大,在注氣驅(qū)油時大多會產(chǎn)生較為嚴(yán)重的黏性指進現(xiàn)象,同時CO2易溶解于原油并在原油中擴散,使得CO2驅(qū)存在相和組分兩個前緣。為了降低黏性指進并發(fā)揮CO2溶解擴散作用、延緩氣相突破時間,中國石化提出了周期注氣、異步周期注采等新低速開發(fā)模式。數(shù)值模擬表明,驅(qū)替速度越低,Peclet 數(shù)(對流速率與擴散速率之比)越小,擴散溶解作用發(fā)揮越充分,組分突破越早而相突破越晚,開發(fā)效果越好;由于CO2的擴散和溶解作用,在周期注氣、異步周期注采等的浸泡期間,黏性指進現(xiàn)象會逐漸消失,CO2進入連續(xù)驅(qū)替后剩下的旁通油等死油區(qū)部位,將這些連續(xù)驅(qū)替難以動用的剩余油采出。
此外,由于CO2流度大,陸相儲層非均質(zhì)性強,還應(yīng)持續(xù)加大技術(shù)攻關(guān)力度,研發(fā)低成本泡沫復(fù)合驅(qū)技術(shù)、智能注采調(diào)整技術(shù)等提高CO2波及體積技術(shù);同時,加強驅(qū)油埋存一體化技術(shù)研究,變驅(qū)油導(dǎo)向為驅(qū)油封存協(xié)同導(dǎo)向,可實現(xiàn)增加原油產(chǎn)量和CO2埋存的雙贏。
與北美相比,中國東部老區(qū)CO2驅(qū)無論在技術(shù)效果方面,還是經(jīng)濟效益方面都有很大差距,目前還難以規(guī)?;归_,存在的主要問題概況為如下幾個方面。
1)碳源缺乏
國外CO2驅(qū)氣源主要是天然CO2氣藏(85 %以上)及高碳天然氣開發(fā)副產(chǎn)品,比如Weyburn(韋本)油田項目來自美國北達(dá)科他合成燃料廠凈化裝置的CO2;中國天然CO2氣藏不足,高碳天然氣藏資源也有限,大規(guī)模發(fā)展CO2驅(qū)油需要借力工業(yè)廢氣的捕集處理,導(dǎo)致國內(nèi)CO2供應(yīng)不及時、供應(yīng)量不足且價格高昂,這也是現(xiàn)有項目經(jīng)濟效益有限的主要因素。在碳達(dá)峰、碳中和政策下,碳源價格有望下降,有利于CO2驅(qū)的推廣應(yīng)用。
2)運輸成本高
管輸是工業(yè)化實施CO2驅(qū)油和埋存的基本條件,國外管網(wǎng)發(fā)達(dá),已經(jīng)建成的長距離輸送CO2管線超過3 000 km。國內(nèi)以車載、船運為主,管網(wǎng)不健全,中國石化只在小管徑短距離高壓輸送方面進行過嘗試。CO2氣工業(yè)化處理和管輸方法還沒有形成,限制了高含CO2天然氣田開發(fā)和CO2驅(qū)油規(guī)模應(yīng)用。
3)非均質(zhì)性強且混相難度大
國外實施CO2驅(qū)油的油藏以海相生油為主,儲層均質(zhì)性較好、混相壓力低;國內(nèi)主要針對難動用儲量,儲層品質(zhì)較差,且多數(shù)采用壓裂開發(fā),非均質(zhì)性強,易產(chǎn)生氣竄,且陸相生油,原油多為石蠟基,CO2混相壓力高,多數(shù)試驗區(qū)最小混相壓力高于25 MPa,混相難度大。對中國石化部分低滲透油田數(shù)值模擬計算表明,混相體積系數(shù)一般小于35%,近混相體積系數(shù)一般小于50%(表2),說明對于中國東部陸相沉積低滲透油藏,CO2驅(qū)主要為非完全混相驅(qū)[19-20]。
表2 中國石化部分低—特低滲透油藏CO2驅(qū)混相程度評價Table 2 Evaluation of miscible degree of CO2 flooding in some oil reservoirs with low-ultra of low permeability of Sinopec
4)腐蝕問題嚴(yán)重
腐蝕問題是困擾中國石化大規(guī)模推廣CO2驅(qū)的重大問題之一,比如江蘇油田富14 區(qū)塊正是由于腐蝕問題導(dǎo)致試驗停止。目前中國石化CO2驅(qū)注采輸系統(tǒng)和產(chǎn)出氣循環(huán)利用系統(tǒng)以注防腐劑防腐為主,投資偏大,運行成本高。
整體來看,中國石化CO2驅(qū)受碳源和運輸成本偏高,以及油藏非均質(zhì)性強和混相壓力高等影響,提高采收率幅度不高,經(jīng)濟效果受限。
1)中國石化針對低—特低滲透油藏開展了多年的先導(dǎo)試驗,結(jié)果表明CO2驅(qū)解決了低—特低滲透油藏有效補充能量的難題,多采用連續(xù)注氣轉(zhuǎn)水氣交替的注入方式,混相驅(qū)平均單井增油1 倍以上,換油率介于0.15~0.40 t/t。
2)CO2驅(qū)油與封存是最為經(jīng)濟有效的減排方式,建議CCUS 整體優(yōu)化,并爭取國家政策,降低氣源成本,提升經(jīng)濟效益。
3)針對我國油藏地質(zhì)特點和缺乏低成本氣源的實際,探索CO2驅(qū)油與化學(xué)驅(qū)方法的復(fù)合增效驅(qū)油、CO2尾追煙道氣、N2等驅(qū)油機理與技術(shù)研究,發(fā)揮不同驅(qū)替劑的協(xié)同優(yōu)勢,提升CO2驅(qū)油效果。