第一章 二氧化碳驱油机理
第一节 驱油机理
CO2是一种在油和水中溶解度都很高的气体，当它大量溶解于原油中时，可以是原油体积
膨胀，粘度下降，还可降低油水间的界面张力；CO2溶于水后形成的探索还可以起到酸化作用。它不受井深、温度、压力、地层水矿化度等条件的影响，由于以上各种作用和广泛的使用条件，注CO2提高采收率的应用十分广泛。
人们通过大量的室内和现场试验，都证明了CO2是一种有效的驱油剂，并相继提出了许多注入方案。包括：连续注CO2气体；注碳酸水法；注CO2气体或液体段塞后紧接着注水；注CO2气体或液体段塞后交替注水和CO2气体（WAG法)；同时注CO2气体和水。 连续注入CO2驱替油层时，由于不利的流度比及密度差，宏观波及系数很低，CO2用量比较大，实施起来不够经济，用廉价的顶替液驱动CO2段塞在经济上更有吸引力。用碳酸水驱油实质是利用注入的水和CO2溶液与地层油接触后，从其中扩散出来的CO2来驱油，但此扩散过程较慢，与注入纯CO2段塞相比达到的采收率比较低。注CO2段塞的工艺包括；注CO2段塞后注水、注段塞后交替注水和注CO2气体，前一种方法是水驱动CO2段塞驱扫描整个油层，尾随的水不混相地驱替CO2，在油层中留下一个残余的CO2饱和度，后一种方法，其目的在于降低CO2的流度，提高油层的波及系数。提出的另外一种工艺是通过双注水系统同时注水和CO2（见下图），但是这种工艺的施工和完井的成本高，经济风险更大。沃纳（Warner1977）和费耶尔斯（Fayers）等人在模拟研究中证明，WAG注入法要比连续或单段塞注入法优越。沃纳的研究结果还表明，连续注入CO2可采出潜在剩余油量的20%；注入CO2段塞可采出25%；而WAG法可采出注水后地下原油的38%；同时注入气与水可采出47%的原油，但此法仍存在着严重的操作问题。由此看来，WAG法仍然是最经济可行的CO2驱工艺，但它不适合于低渗透砂岩，因为在这种砂岩中，由于水的流度很低，变换注入方式可能造成注入速度严重降低。
不管CO2是以何种方式注入油层，CO2之所以能有效地从多孔介质中驱油，主要是由于以下各因素作用的结果：
（1）使原油膨胀； （2）降低原油粘度； （3）改变原油密度；
（4）对岩石起酸化作用；
（5）可以将原油中的轻质馏分汽化和提取； （6）压力下降造成溶解气驱； （7）降低界面张力；
至于哪个因素起主要作用，取决于油层温度、压力和原油组分，对于某个具体的CO2驱项目来说，其主要驱替特效性应处于图1-2中所示的五个区域中的一个：
区1：低压环境； 区2：中压、高温环境； 区3：中压、低温环境； 区4：高压环境；
区5：高压、低温（液体）环境。
当CO2处于-56.6 OC,0.422MPa时，固体、液体和气体同时存在，即三相点。当二氧化碳处于31C，7.39MPa时，气体、液体同时存在，即临界点。当温度高于31C时，压力增大，二氧化碳也只能是气态，见图1.3
因为二氧化碳的分子不具有水分子的固有极性，所以在较高的油藏温度和压力下，它不是以低粘度的液体溶于油中，就是以高密度的气体溶于油中；并且随着压力升高，其溶解度也相应增大，见图1.4。
原油中溶有注入的二氧化碳时，原油性质会发生变化，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。下面详细分析二氧化碳驱油提高采收率的机理。
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1.降低原油粘度
二氧化碳溶于原油后，降低了原油粘度，原油粘度越高，粘度降低程度越大，见表。 40C时，二氧化碳溶于沥青可大大降低沥青的粘度。温度较高时（120C以上），因二氧化碳溶解度降低，降粘作用反而变差；在同一温度条件下，压力升高时，二氧化碳溶解度升高，降粘作用随之提高。但是，压力过高，若压力超过饱和压力时，粘度反而上升。
原油粘度降低时，原油流动能力增加，从而提高原油产量
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2.改善原油与水的流度比
大量的二氧化碳溶于原油和水，将使原油和水碳酸化。原油碳酸化后，其粘度随之降低，大庆勘探开发研究院在45C和12.7MPa的条件下进行了有关试验，试验表明，二氧化碳在油田注入水中的溶解度为5%（质量），而在大庆油田原油中的溶解度为15%（质量）；由于大量二氧化碳溶于原油中，使原油粘度由9.8mPa·s降到2.9mPa·s，使原油体积增加了17.2%，同时也增加了原油的流度。水碳酸化后，水的粘度也要增加，据前苏联有关文献报道，二氧
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化碳溶于水中，可使水的粘度提高20%以上，见图，同时也降低了水的流度。因为碳酸化以后，油和水的流度趋向靠近，所以改善了油与水流度比，扩大了波及体积。
3.使原油体积膨胀
二氧化碳大量溶于原油中，可使原油体积膨胀，原油体积膨胀大小，不但决定于原油分子量的大小，而取决于二氧化碳的溶解量。二氧化碳溶于原油，使原油体积膨胀，也增加了液体内的动能，从而提高了驱油效率。
大庆勘探开发研究院用萨尔图油田南4-丁2-346井原油进行了试验。目的是为了了解二氧化碳溶于原油后，油相的体积与原始油样的体积比与压力的关系。
试验条件为：取样深度800m，原油饱和压力6.7MPa，密度0.798g/cm3，粘度8.8mPa·s，二氧化碳纯度96.86%，试验温度48C，测试压力7.00~28.12MPa。试验结果如图
图表明，二氧化碳溶于原油后，油体积先是随着压力的升高而增大，这是因为二氧化碳溶于原油中，溶解度随着压力上升而增大，致使原油体积膨胀率也逐渐增大。图中两条曲线分别表示原油样体积与二氧化碳体积比1：1.7和1：1.6的情况。当压力上升到10.55MPa时，油相体积分别达到最大值。此后，油相体积随压力升高而减小。这就是所谓二氧化碳萃取和汽化原油中轻质烃组分的过程。这也就是下面我们要介绍的二氧化碳混相驱油的重要机理。
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4.使原油中轻烃萃取和汽化
当压力超过一定值时，二氧化碳混合物能使原油中不同组分的轻质烃萃取和汽化。S·B·Mikael和F·S·Palmer对路易斯安娜州采用二氧化碳混相驱的SU油藏64号井的产出油进行了分析，认为二氧化碳混合物对该油藏原油轻质烃其实存在萃取和汽化作用，见图。该井注二氧化碳（CO284%，甲烷11%，丁烷5%）之前，原油相对密度为0.8398；1982年注入CO2混合物后，初期产出油平均相对密度逐渐上升，从0.7587增加到0.8815；这说明原油中轻质烃首先萃取和汽化，以后较重质烃也被汽化产出，最后达到稳定。但是，注入CO2混合物后，产出油的最大相对密度是0.8251；1984产出油的相对密度为0.8251；1985年以后产出油相对密度基本稳定在0.8155。也低于原始原油的相对密度0.8398。这充分证明注入CO2混合物确实存在原油中轻质烃萃取和汽化现象。萃取和汽化现象是CO2混相驱油的重要机理。
在该试验中，当压力超过10.3MPa时，CO2才使原油中轻质烃萃取和汽化；当压力超过7.85MPa时，采收率就相当高，可以高达90%。
5.混相效应
混相的最小压力称为最小混相压力（MMP)。最小混相压力取决于CO2的纯度、原油组分和油藏温度。最小混相压力隋朝油藏温度的增加而提高；最小很想压力随着原油中C5以上组分分子量的增加而提高；最小混相压力受CO2纯度（杂质）的影响，如果杂质的临界温度低于CO2的临街温度，最小混相压力减小，反之，如果杂质的临界温度高于CO2的临界温度，最小混相眼里增大。
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（oil banking）。油带移动是最有效的驱油过程，它可以使采收率达到90%以上。
6.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。特别是当水相将油相与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。
在三次采油中，通过CO2驱动水驱替后的残余油的机理至今还没有完全掌握。如果是因 为油碰撞的结果，则油水弯月面的变化，引起毛细管力平衡的破坏，相的重新排列可能导致油的流动。如果水相被完全驱替，油和CO2直接接触，将使原油降粘和膨胀，增加了原油的内能，也可导致采收率提高。不论是哪种作用，都必须有足够的时间使CO2分子充分地扩散到油中。
在高温和高压条件下，在现场测定CO2扩散系数是非常困难的，通常用下面的经验公式进行计算。
CO2在油中的扩散系数
Ds0=1.41×10-10μ
式中
-0.49
0
Ds·o——CO2在油中的扩散系数，m2/s； μ0——油的粘度，mPa·s。
CO2在水中的扩展系数：
Ds?w?5.72?10-12式中
T??
Ds·w——CO2在水中的扩散系数，m2/s； T——温度，K；
μw——水的粘度，mPa·s。
如果CO2通过水堵段的扩散距离是X，通过水堵段扩散所需的时间是t，可用下式表示它们之间的关系。
t =X2/Ds·w
也可以用实验室岩心驱扩散时间，计算现场CO2扩散时间。
tp ?te ?(式中
Xp2) Xetp——现场CO2扩散时间； te——试验扩散时间；
Xp——现场扩散距离； Xe——试验扩散距离。
7.降低界面张力
试验证明：残余油饱和度随着油水界面张力减小而降低；多数油藏的油水界面张力为10~20mN/m，想使残余油饱和度趋向于零，必须使油水界面张力降低到0.001mN/m或者更低。界面张力降到0.04mN/m一下，采收率便会更明显地提高。CO2驱油的主要作用是使原油中轻质烃萃取和汽化，大量的烃与CO2混合，大大降低了油水界面张力，也大大降低了残余油的饱和度，从而提高了原油采收率，见图。
从图中可以看出，随着见面张力的降低，采收率逐渐提高。
8.溶解气驱作用
大量的CO2溶于原油中，具有溶解气驱作用。降压采油机理与溶解气驱相似，随着压力下降CO2从液体中溢出，液体内产生气体驱动力，提高了驱油效果。另外，一些CO2驱替原油后，占据了一定的空隙空间，成为束缚气，也可使原油增产。
9.提高渗透率
碳酸化的原油和水，不仅改善了原油和水的流度比，而且还有利于抑制粘土膨胀。CO2
溶于水后显弱酸性，能与油藏的碳酸盐反应，使注入井周围的渗透率提高。可见碳酸盐岩油藏更有利于CO2驱油。
第二节 驱油机理的综合利用
CO2是一种多用途的注入气体，它的有利特性不仅仅是由于其混相的能力，而且还具有