張紹輝王凱王玲張曉輝王帥

1.中國石油勘探開發(fā)研究院；2.中國石油遼河油田分公司勘探開發(fā)研究院；3.中海油研究總院

CO2驅注采工藝的應用與發(fā)展

張紹輝1王凱1王玲2張曉輝1王帥3

1.中國石油勘探開發(fā)研究院；2.中國石油遼河油田分公司勘探開發(fā)研究院；3.中海油研究總院

CO2驅是一項實現(xiàn)提高原油采收率和地質埋存雙重目的、綠色環(huán)保的驅油技術，注采工程是其關鍵技術環(huán)節(jié)。為了進一步現(xiàn)場推廣及應用，從注氣工藝、采油工藝、防腐工藝、安全風險控制技術等方面總結了CO2驅注采工藝的技術特點，指出了注采工藝主要問題是氣竄和層間矛盾突出、高氣油比條件下舉升效率低、復雜條件下多因素影響腐蝕控制難度大、施工安全風險高等。通過分析，認為提高注采開發(fā)效果、降低注采工藝成本、保障注采生產安全是CO2驅注采工藝的發(fā)展趨勢，并提出了完善分層注氣工藝、試驗評價新型舉升工藝、優(yōu)化選緩蝕劑配方和加藥工藝、建立CO2驅安全風險管理體系的建議。

CO2驅；分層注氣；人工舉升；防腐；風險控制

CO2驅油可以實現(xiàn)提高原油采收率和地質埋存的雙重目的，兼具經濟和社會雙重效益，是一項綠色環(huán)保的驅油技術，已受到國際政治、經濟、能源界的廣泛關注。CO2驅油提高采收率技術在國外發(fā)展較為成熟，已實現(xiàn)工業(yè)化應用［1］。截至2014年，全球共開展152個CO2驅油項目，年EOR產量已達到147×105t［2］。我國通過近十年來的集中攻關與試驗，取得顯著進展，目前進入工業(yè)試驗階段，處于大規(guī)模推廣前的關鍵期。在當前低國際油價的嚴峻形勢下，降低CO2驅油開發(fā)成本、提高油田開發(fā)經濟效益是該項技術發(fā)展面臨的最大挑戰(zhàn)。

注采工程是CO2驅油技術的關鍵組成環(huán)節(jié)，起著承上啟下的重要作用，是完成油藏方案提出開發(fā)指標的保證，也是地面工程建設的依據(jù)和出發(fā)點。國內外學者針對CO2驅注氣工藝、采油工藝、防腐工藝、安全風險控制技術等方面做了大量研究，并取得了許多的成果，極大地推動了該項技術的發(fā)展。本文針對CO2驅主要注采工藝的技術特點進行系統(tǒng)總結，并分析存在的主要問題及發(fā)展趨勢，為CO2驅在國內的進一步推廣應用提供指導。

1 CO2驅注采工藝應用現(xiàn)狀

Application status of CO2flooding technology

1.1 注氣工藝

CO2flooding technology

目前，CO2驅現(xiàn)場試驗較多采用籠統(tǒng)注氣工藝。對于吸氣剖面比較均勻的儲層，籠統(tǒng)注氣能夠滿足多段油層有效驅替需要。傳統(tǒng)的注入管柱采用整體式管柱設計，暴露出許多問題：封隔器密封效果不太理想、套壓上升速度快、短時間油套壓力平衡等。注入井需要作業(yè)時，放氣作業(yè)會破壞地層壓力系統(tǒng)，增加成本，壓井作業(yè)污染油層，帶壓作業(yè)費用高。張瑞霞、劉建新等人根據(jù)CO2驅注氣需求，研究了分體式丟手免壓井注氣工藝管柱，可以實現(xiàn)錨定、反洗、分體式丟手、免壓井作業(yè)等功能，并設計了相應的管柱配套工具［3-4］。

對于層間差異較大的多段儲層，由于CO2與原油的黏度差導致的氣體竄逸、流度控制問題是注CO2開發(fā)過程中面臨的關鍵問題。氣竄將會導致注入的CO2形成無效循環(huán)，大大降低了CO2波及體積和CO2驅提高采收率的幅度，同時氣竄后的CO2將會產生嚴重的腐蝕問題。利用水與CO2交替注入的開采方式能夠實現(xiàn)注CO2提高微觀驅油效率和注水提高宏觀波及系數(shù)的有機結合，可以防止黏性指進及延緩氣體的早期突破［5-7］。鐘張起、葉恒、呂廣中等人利用數(shù)值模擬方法優(yōu)選了水氣交替注入技術方案［8-11］。研究發(fā)現(xiàn)，在一定井底控制壓力下，最佳氣水段塞比是變化的，對滲透率的變化比較敏感，注氣速度次之，井底控制壓力再次。CO2泡沫封竄技術已在國外多個油藏成功應用，國內目前處于試驗階段［12-13］。王慶、楊昌華等人針對中原油田實驗區(qū)氣竄嚴重的現(xiàn)狀，開發(fā)了耐溫、抗鹽CY-1型CO2泡沫封竄體系。超臨界CO2泡沫具有較強的氣泡和穩(wěn)泡能力，最長穩(wěn)泡時間達3 144.3 min，起到了很好的封竄效果［14］。

針對籠統(tǒng)注氣時由于儲層非均質性產生的氣竄問題，分層注氣更有助于實現(xiàn)儲層的均勻動用。常用分層注氣工藝包括單管分層注氣工藝和同心雙管分層注氣工藝。對于單管分層注氣工藝，利用封隔器完成分注層段分隔，每個注入層對應一個配注器，通過打開關閉各層配注器，實現(xiàn)各個注入層的輪換注氣；通過調節(jié)配注器節(jié)氣嘴，實現(xiàn)井下分層注入量控制（圖1）。目前，CO2驅單管分層注氣工藝存著的問題主要包括：井下分層注氣工具和工藝設計需要進一步優(yōu)化；由于注入井存著瀝青質沉淀，分層注氣氣嘴尺寸較小，易發(fā)生堵塞；CO2井下超臨界狀態(tài)計量難，嘴流特性復雜，使分層注氣測調試難度大，CO2注入壓力高，測試安全風險大。對于同心雙管分層注氣工藝，通過外油管和中心管環(huán)空對上部油層注氣，中心管對下部油層注氣（圖2）。CO2驅同心雙管分層注氣工藝受老井套管尺寸的限制，采用同心雙油管進行注氣時易發(fā)生油管堵塞，在后期需要起管作業(yè)時，雙管工藝作業(yè)困難、費用高。目前，分層注氣工藝還處在研發(fā)與試驗階段，需要進一步研究和完善。

圖1 單管分層注氣工藝Fig.1 CO2flooding in different layers using singular pipe string

在CO2驅注氣過程中，注氣參數(shù)動態(tài)計算和預測、注采方案優(yōu)化設計是進行注采井工程設計和采油工程方案編制的理論基礎。純CO2在不同的溫度、壓力條件下會出現(xiàn)氣、液、固及超臨界狀態(tài)。注氣過程中CO2的相態(tài)會發(fā)生變化，其黏度、密度等物性參數(shù)也會發(fā)生較大變化。因此，注氣參數(shù)的計算和優(yōu)化較為復雜。吳曉東、王慶、張昭等人通過分析對比EXP-RK、SRK、PR、PT狀態(tài)方程，給出了EXPRK和PR狀態(tài)方程相結合的PR-EXP方法，建立了考慮相態(tài)變化的CO2注入井井筒溫度壓力耦合計算模型，能夠對CO2在井筒中的壓力、溫度分布進行求解［15-19］。文星、劉月田等人針對大慶外圍某低滲透油藏，應用數(shù)值模擬軟件組分模擬器，結合正交實驗設計方法，優(yōu)化CO2驅周期注氣的注采參數(shù)，確定了最優(yōu)的注采參數(shù)組合方案［20］。李蒲智、黃全華等人通過建立注氣井垂直管流流入和地層滲流流出動態(tài)節(jié)點分析數(shù)學模型，利用節(jié)點分析法開展了分層注氣井工作制度的優(yōu)化設計，確定了不同井口注氣壓力下的最佳分層注氣量［21］。隨著CO2驅技術的發(fā)展，進一步提高注氣效果和保證高腐蝕、變相態(tài)條件下安全注氣是CO2驅注氣工藝發(fā)展面臨的關鍵問題。

圖2 同心雙管分層注氣工藝Fig.2 CO2flooding in different layers using two concentric pipe strings

1.2 采油工藝

Oil production technology

國內CO2驅試驗區(qū)塊采油工藝主要依靠常規(guī)機抽采油工藝。隨著礦場試驗的進行，采油井陸續(xù)出現(xiàn)套壓升高、氣油比升高、泵效低、間歇出氣等現(xiàn)象，嚴重影響采油井泵效和產量。由于CO2驅試驗區(qū)屬于低滲透油田，具有滲透率低、產量低的特點，氣液分離難度大。常規(guī)舉升方式在油氣比大的油井中使用，泵液充滿程度差，泵效低，還往往出現(xiàn)“氣鎖”，使抽油泵無法正常工作，無法有效保持和發(fā)揮CO2驅油效果，還會發(fā)生“液面沖擊”，加速抽油桿柱、閥桿、閥罩、泵閥、油管等井下設備的損壞［22-24］。

針對套壓升高的現(xiàn)象，為充分利用套管氣體能量來幫助有桿泵舉升流體，將有桿泵采油和氣舉采油技術相結合，在井下一定深度安裝氣舉閥，幫助有桿泵舉升液體。在抽油過程中，當環(huán)空套壓上升至高于氣舉閥打開壓力時，氣體通過氣舉閥進入油管，降低油管內流體的密度，實現(xiàn)攜液舉升；當環(huán)空套壓低于氣舉閥打開壓力時，氣舉閥關閉。通過安裝氣舉閥，可使突破的CO2氣能量得到有效利用，又能將套壓合理自動控制在較低的范圍內，使系統(tǒng)始終處于動態(tài)平衡過程。

針對氣油比高的現(xiàn)象，可以通過控制井底流壓，提高入泵壓力，同時在泵下安裝氣液分離器。井下氣液分離器的工作原理是：當油層產出液進入井筒，由于重力作用氣體向上流動，液體則向下流動進入油管管柱實現(xiàn)初步分離；當經過重力分離后的液體進入氣液分離器，這時的液體為油液氣砂混合液，混合液從下端進液口進入，沿螺旋面下行，在離心力作用下密度較大的砂粒沿螺旋外側下行，進入沉沙尾管；氣液沿內側下行，從下端的進液管進入內管上行，然后進入螺旋氣液分離器，在螺旋氣液分離器內液體沿外側螺旋上行，經排液篩管排出，進入抽油泵篩管，氣體沿內側上行進入集氣罩由放氣閥排出，進入油套環(huán)空。隨著采出井氣液比升高，當氣體影響舉升時，可考慮利用氣錨和防氣抽油泵以達到更好的舉升效果。防氣抽油泵通過設置中空管為泵內氣體提供了通道，增加了工作筒內液體的充滿系數(shù)，降低了泵內的氣油比，排除了氣體的干擾，能夠防止氣鎖、有效提高泵效［25］。

吉林油田結合現(xiàn)有舉升工藝，集成應用防氣抽油泵、氣舉閥和井下氣液分離器工藝，形成了一種新型防氣高效舉升工藝（圖3）。該工藝具有減少氣鎖和提高泵效的雙重作用，可以防止停抽時卡泵現(xiàn)象的發(fā)生，并能夠有效控制油井套壓，提高采收率。進一步提高高氣油比條件下油井的生產效率和實現(xiàn)高腐蝕條件下油井安全生產是CO2驅采油工藝發(fā)展面臨的關鍵問題。

圖3 防氣高效舉升工藝Fig.3 High-efficiency lifting processes

1.3 防腐工藝

Corrosion protection technology

隨著CO2驅的深入開展，CO2逐步突破進入采油井。干燥的CO2氣體沒有腐蝕性。當CO2溶解在水中時，極易引起碳鋼的嚴重腐蝕。CO2腐蝕的典型特征是局部點蝕、蘚狀腐蝕和臺面狀腐蝕，常常造成注采管柱穿孔、斷落、氣體泄漏、井口損壞等事故，影響正常生產［26］。

由于CO2驅的注氣井和采油井大部分都是老井，井筒按常規(guī)油井設計實施，套管使用J55、N80、P110組合的碳鋼套管，油套管嚴重腐蝕。根據(jù)現(xiàn)場防腐需求，研究學者利用室內高溫高壓反應釜模擬現(xiàn)場含CO2環(huán)境，分析和評價了管材、CO2分壓、溫度、流速、溶液礦化度、pH值等因素對腐蝕的影響。結果表明13Cr材質腐蝕速率低，基本上0.01 mm/a左右，普通碳鋼材質腐蝕速率高達5～7 mm/a，必須采取防腐措施。結合CO2試驗區(qū)注采工藝的特點，一般采取優(yōu)化管柱結構、選用耐腐蝕材料、注緩蝕劑等方法來防止或延緩CO2對管材的腐蝕。

對于注入井，在封隔器以上環(huán)空加注油基環(huán)空保護液，消除應力腐蝕環(huán)境，避免對碳鋼套管及油管腐蝕。當注入井實施水氣交替時，為防止CO2和水接觸，注氣井水氣交替前必須加注緩蝕劑段塞。對于采油井，以采油井工藝特點為基礎、結合腐蝕與防護技術研究成果，局部選用耐腐蝕材料和注緩蝕劑組合方法來防止或延緩CO2對管材腐蝕的措施。采油井口常采用CC級防腐采油井口，油管選用涂層或內襯油管，抽油桿、抽油泵、柱塞、凡爾、球座等部件需抗CO2腐蝕。對于不使用封隔器的井從油套環(huán)空加注緩蝕劑；使用封隔器的井，在封隔器以上環(huán)空加緩蝕劑。如果井下工具使用耐腐蝕材料并且油管使用涂層或內襯油管，環(huán)空套管的保護也需要填加緩蝕劑。在代表性的部位安裝腐蝕測試掛片或腐蝕測試掛環(huán)，定期監(jiān)測井內油管腐蝕情況，優(yōu)化調整防腐方案［27］。

在注緩蝕劑防腐措施中，緩蝕劑配方的選擇極為關鍵，由最初的咪唑啉類CO2緩蝕劑逐步發(fā)展為阻垢、殺菌、防腐一體化藥劑體系，能夠有效抑制SRB細菌腐蝕和結垢。現(xiàn)場應用時，還需要結合試驗區(qū)儲層條件開展緩蝕劑配方評價，確定最優(yōu)緩蝕劑配方。同時，緩蝕劑加藥濃度、加藥方式、加藥周期是影響腐蝕防護效果的主要因素。馬鋒等人通過室內研究和經濟評價，制定了吉林大情字油田合理的CO2驅礦場緩蝕劑加藥制度。優(yōu)選出吸附弱成膜性緩蝕劑，當濃度達到100 mg/L時就能達到防腐效果，并確定礦場加藥濃度為100～150 mg/L、加藥周期為5 d較為合理。在保證防腐效果的同時，提高了藥劑的利用率，有效降低了應用成本［28］。

目前，對于CO2腐蝕機理上的研究已經比較深入，防腐措施也取得了一定效果。存在的關鍵問題是如何根據(jù)現(xiàn)場的復雜影響因素采取最簡單、最有效、最經濟的防腐措施。

1.4 安全風險控制技術

Security risk control

CO2驅注采施工涵蓋范圍廣、種類多、專業(yè)性強、施工環(huán)境復雜，存在的主要風險包括設備損壞、腐蝕風險、井控風險、低溫風險、CO2窒息、高壓傷害、機械傷害、環(huán)境污染等，現(xiàn)場安全辨識和風險控制難度大［29-30］。

在二氧化碳驅油過程中，應引入風險評估方法，系統(tǒng)地分析二氧化碳驅油開發(fā)過程中存在的危害因素，確定風險等級，明確重點控制部位，制定有效的控制措施，降低生產事故發(fā)生的概率，杜絕安全生產責任事故。李清、曲作明等人分析了指數(shù)法、指標法、概率風險危險性評價方法（PSA）、危險可操作性分析法（HAZOP）、安全檢查表法、作業(yè)條件危險性評價法（LEC）等風險評價技術用于評價CO2驅油的可行性和優(yōu)缺點，對生產過程中的風險應用HAZOP、安全檢查表、LEC方法進行辨識和分析，根據(jù)風險評價結果確定了CO2驅油過程中涉及的重點危險源，并提出了相應的風險削減和控制措施［31］。

隨著信息技術的發(fā)展，將安全風險管理與計算機、互聯(lián)網技術相結合，開展了安全風險監(jiān)測與控制信息化技術研究。張虎平、王喜東等人應用現(xiàn)代工程風險評價技術，研制了常規(guī)采油作業(yè)現(xiàn)場風險分析與風險評估軟件系統(tǒng)，建立了一套科學的風險辨識思維方式和評估方法，能夠及時、準確、全面地識別施工現(xiàn)場的危險因素，制定有效的監(jiān)測、控制措施，達到削減和規(guī)避施工風險的目的［32］。目前尚未見研究學者開展CO2驅注采施工安全風險監(jiān)測、削減和控制管理平臺的研究。

隨著CO2驅油技術的不斷發(fā)展，越來越多的安全問題暴露出來。與此同時，人們的安全意識日益增強，風險可接受水平不斷下降。CO2驅注采施工現(xiàn)場安全風險管理當前面臨的主要挑戰(zhàn)包括：分析和控制手段落后、缺乏及時有效的信息共享、管理理念落后、安全文化建設落后、管理體系不完整等。

1.5 其他配套工藝

Other supplementary processes

在CO2驅生產過程中，由于溫度與壓力的改變、原油中溶解氣的損失等原因，導致瀝青、石蠟溶解性顯著降低而分離出來，形成沉淀或聚集的固相。當沉淀發(fā)生在地層深處時，嚴重降低地層滲透率，造成儲層傷害，降低開發(fā)效果；當沉淀發(fā)生在井筒附近或井筒內時，將導致采油設備工作效率的下降。瀝青質沉淀造成的危害是不可逆的，通過對發(fā)生瀝青質沉淀的壓力、溫度、CO2注入量等因素進行研究，避免瀝青質沉淀的發(fā)生［33］。對于發(fā)生瀝青質沉淀的注采井，及時做好瀝青質沉淀清除作業(yè)［34］。

在CO2驅生產中也存在著結垢問題，主要是無機化合物的二次沉淀。垢質容易附著在采出管線管道壁和地面設備上，嚴重影響生產的正常進行。生產中一般采用磁法和阻垢劑預防結垢［35］。

2 CO2驅注采工藝發(fā)展趨勢

Trend in development of CO2flooding

2.1 提高注采開發(fā)效果

Enhance production performances

針對CO2驅注氣井氣竄、層間矛盾突出和采油井氣油比高、套壓高、泵效低等問題，應從理論計算、工具研發(fā)與試驗、現(xiàn)場動態(tài)監(jiān)測等方面開展研究。

在理論計算方面，加強變相態(tài)條件下CO2流動規(guī)律研究、CO2井下嘴流特性研究、含CO2多相流井筒流動規(guī)律研究等。通過研究，優(yōu)化注氣參數(shù)和舉升參數(shù)，提高注氣效果和舉升效率。在工具研發(fā)與試驗方面，研發(fā)和完善分層注氣井下工具，開展分層注氣工藝研究與現(xiàn)場試驗；研發(fā)高氣油比高腐蝕條件下新型防氣舉升工具，試驗評價新型舉升工藝。在現(xiàn)場動態(tài)監(jiān)測方面，加強CO2驅氣竄監(jiān)測和控制技術，實現(xiàn)注采參數(shù)動態(tài)監(jiān)測，及時調整注采參數(shù)，提高開發(fā)效果。

2.2 降低注采工藝成本

Minimize operational cost

在低國際油價的嚴峻形勢下，應進一步降低CO2驅注采工程技術成本。在保障注采安全的前提下，優(yōu)化和簡化注采井口、注采管柱、井下工具等；加強注采工具設計與研發(fā)，爭取早日實現(xiàn)工具國產化。CO2驅過程中套管腐蝕現(xiàn)象嚴重，導致開發(fā)成本增加。應開展復雜環(huán)境下多因素影響的腐蝕規(guī)律分析，研發(fā)針對性的緩蝕劑與防垢配方體系，優(yōu)化加藥工藝和制度，創(chuàng)新防腐工藝，降低防腐成本。加強注采井的腐蝕監(jiān)測，便于根據(jù)腐蝕狀況調整現(xiàn)有措施，減少腐蝕帶來的損失。

2.3 保障注采施工安全

Ensure operational safety

在新“兩法”實施后，國家不斷加大對環(huán)境的保護力度，人們的安全環(huán)保意識日益增強，CO2驅注采施工現(xiàn)場安全風險管理面臨著越來越多的挑戰(zhàn)。應加強注采施工現(xiàn)場安全風險管理，以注采井筒為核心，保持注采井筒的完整性和安全可控，建立注采施工安全風險評價方法，研發(fā)注采施工安全風險監(jiān)測和控制工具，完善注采施工安全風險管理體系，保障注采安全施工與生產。

3 結論及建議

Conclusions and proposals

（1）受儲層非均質性影響，CO2驅氣竄嚴重，層間矛盾突出。應進一步完善氣竄監(jiān)測和控制技術，優(yōu)化注氣管柱和注氣參數(shù)；研發(fā)分層注氣工具，加快開展分層注氣工藝現(xiàn)場試驗。

（2）當CO2突破后，采油井氣油比升高、套壓升高、泵效降低，低產油井氣液分離難度大。應優(yōu)化采油管柱和舉升參數(shù)；研發(fā)高氣油比高腐蝕條件下新型防氣舉升工具，試驗評價新型舉升工藝。

（3）CO2驅注采井筒和工具存在著嚴重的腐蝕現(xiàn)象。應加強注采井的腐蝕監(jiān)測，研發(fā)復雜環(huán)境多因素影響條件下經濟、有效的緩蝕劑與防垢配方體系，優(yōu)化加藥工藝和制度，創(chuàng)新防腐工藝。

（4）CO2驅注采施工環(huán)境復雜，存在著較大的安全風險，安全風險辨識和控制難度大。應加強CO2驅安全風險評價、監(jiān)測、控制技術研究，建立完善的安全風險管理體系。

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（修改稿收到日期 2016-09-10）

〔編輯 李春燕〕

Development and application of CO2flooding

ZHANG Shaohui1,WANG Kai1,WANG Ling2,ZHANG Xiaohui1,WANG Shuai3
1.CNPC Research Institute of Petroleum Exploration and Deνelopment,Beijing 100083,China;
2.Exploration and Deνelopment Research Institute of PetroChina Liaohe Oilfield Company,Panjin 124010,Liaoning,China;
3.CNOOC Research Center,Beijing 100028,China

As an environment-friendly EOR technology,CO2flooding can effectively enhance oil recovery and recoverable geologic reserve,during which injection and production are key processes.To further promote on-site application of CO2flooding,technical features of CO2flooding have been summarized with regard to gas injection,oil production,corrosion protection,risk control and other aspects.Gas channeling,severe inter-layer interferences,low lifting efficiencies under high GOR,difficulties in corrosion protection under complicated conditions and high risks in operation safety have been identified as major challenges in CO2flooding operations.Research results show improvement of production performances,reduction of operation costs and control of operation risks are key points and developing trends in the process of CO2flooding.In addition,advices have been proposed related to enhancement of separate-layer gas flooding,innovative lifting technologies,optimization of additive systems and processes and construction of risk control system for CO2flooding operations.

CO2flooding;separate-layer gas flooding;artificial lift;corrosion protection;risk control

張紹輝，王凱，王玲，張曉輝，王帥.CO2驅注采工藝的應用與發(fā)展［J］.石油鉆采工藝，2016，38（6）：869-875.

TE357.4

A

1000-7393（ 2016 ） 06-0869-07

10.13639/j.odpt.2016.06.030

:ZHANG Shaohui,WANG Kai,WANG Ling,ZHANG Xiaohui,WANG Shuai.Development and application of CO2flooding［J］.Oil Drilling &Production Technology,2016,38(6):869-875.

國家科技重大專項“CO2捕集、驅油與埋存關鍵技術及規(guī)模應用”（編號：2016ZX05016）。

張紹輝（1984-），2010年畢業(yè)于東北石油大學油氣田開發(fā)工程專業(yè)，碩士研究生，現(xiàn)從事注采工程技術及安全風險監(jiān)督管理研究，工程師。通訊地址：（100083）北京市海淀區(qū)學院路20號中國石油勘探開發(fā)研究院。電話：010-83598664。 E-mail:shaohuizhang@petrochina.com.cn