CO2混相驅機理及影響因素研究2012

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摘要CO2驅是把CO2注入油層，依靠CO2的膨脹、降粘等機理來提高原油采收率的技術。隨著人們對溫室效應認識，將CO2注入地層不僅能夠提高原油采收率，還可以起到封存CO2的作用，是三次采油方法中最具有潛力的采油技術。本文首先調研了CO2驅油技術的研究現(xiàn)狀，了解CO2驅油技術在國內外的應用情況、研究方向和存在的主要問題。然后詳細調研了CO2驅的驅油機理、驅油方式、注入方式和影響因素。然后，介紹了當前主流的用于描述CO2驅的數(shù)學模型，主要有組分模型、擬四組分模型、改進的黑油模型及傳輸-擴散模型，并介紹了一種考慮擴散的CO2驅多相多組分分區(qū)滲流模型。最后，分別就碳水驅和CO2段塞注水，調研其動態(tài)計算方法。關鍵字：混相驅；CO2驅；驅油機理；注入方式；數(shù)學模型

目錄1、研究現(xiàn)狀及存在問題 41.1國外CO2驅發(fā)展情況 51.1.1美國CO2驅項目情況 51.1.2CO2混相驅的應用與研究 51.1.3重油CO2非混相驅的研究與應用 51.2國內CO2驅研究應用現(xiàn)狀 51.3CO2混相驅存在的問題 62、CO2混相驅機理及影響因素 72.1CO2的基本性質 72.2驅替機理 82.2.1CO2驅機理 82.2.2CO2混相驅機理 102.3CO2混相驅作用方式 112.3.1一次接觸混相 112.3.2多次接觸混相 122.3.3輕質油加CO2混相驅 122.4CO2混相驅影響因素 132.5CO2混相驅注入方式 143、CO2混相驅數(shù)學模型 153.1組分模型 153.2擬四組分模型 173.3改進的黑油模型 173.4傳輸-擴散模型 183.4.1傳質擴散滲流時的連續(xù)性方程 183.4.2一維傳質擴散滲流方程 203.5考慮擴散的CO2驅多相多組分分區(qū)滲流模型 203.5.1傳統(tǒng)注CO2滲流數(shù)學模型 203.5.2考慮擴散的注CO2滲流數(shù)學模型 21參考文獻 231、研究現(xiàn)狀及存在問題20世紀50、60年代，在美國、加拿大進行了大量的烴類混相驅現(xiàn)場試驗，近期的混相驅主要是CO2混相驅。利用CO2驅提高采收率的歷史可以追溯到上世紀50年代。1952年whorton等人獲得了第一項采用CO2采油的專利權。當時CO2是用作原油的溶劑，或形成碳酸水驅。70年代CO2驅技術有了很大的發(fā)展，美國和前蘇聯(lián)等國家都進行了大量的CO2驅工業(yè)性試驗，并取得了明顯的經濟效益，采收率可以提高15～25%。90年代的CO2驅技術日趨成熟。目前，CO2混相驅在美國、加拿大等國家已成為一項重要且成熟的提高原油采收率方法。據(jù)相關文獻最新統(tǒng)計，2002年美國實施CO2混相驅的方案數(shù)達到66個，首次超過注蒸汽熱采，CO2混相驅的產量也占到了所有EOR產量的38％。我國低滲、特低滲油藏投入開發(fā)后暴露出許多矛盾，如自然產能低、地層能量不足、地層壓力下降快等，而注水補充能量因油藏地質條件的限制受到很大制約，因此采收率均較低。從國外EOR技術的發(fā)展趨勢看，氣驅特別是CO2混相驅將是提高我國低滲透油藏采收率最有前景的方法。1.1國外CO2驅發(fā)展情況1.1.1美國CO2驅項目情況美國是CO2驅發(fā)展最快的國家。自20世紀80年代以來，美國的CO2驅項目不斷增加，已成為繼蒸汽驅之后的第二大提高采收率技術。美國目前正在實施的CO2混相驅項目有64個。最大的也是最早使用CO2驅的是始于1972年的SACROC油田。其余半數(shù)以上的大型氣驅方案是于1984～1986年間開始實施的，目前其增產油量仍呈繼續(xù)上升的趨勢。大部分油田驅替方案中，注入的CO2體積約占烴類空隙體積的30%，提高采收率的幅度為7～22%。1.1.2CO2混相驅的應用與研究過去，CO2混相驅一般是大油田提高原油采收率的方法。大油田由于生育儲量多，剩余開采期長，經濟效益好，而小油田CO2驅一般不具有這些優(yōu)點。近年來許多小油田實施了CO2混相驅提高原油采收率方案，同樣獲得了良好的經濟效益。如位于美國密西西比州的Creek油田就是一個小油田成功實施CO2驅的實例。該油田于1996年被JP石油公司收購時的原油產量只有143m3/d，因油田實施了CO2驅技術，使該油田的原油采收率大大提高，其原油產量在1998年達到了209m3/d，比1996年增加了1.1.3重油CO2非混相驅的研究與應用CO2驅開采重油一般是在不適合注蒸汽開采的油田進行。這類油田的油藏地質條件是：油層薄，或埋藏太深，或滲透率太低，或含油飽和度太低等。注CO2可有效提高這類油藏的采收率。大規(guī)模使用CO2非混相驅開發(fā)重油油田的國家是土爾其。土爾其有許多重油藏不適合熱采方法。1986年土爾其石油公司在幾個油田實施了CO2非混相驅，取得了成功。其中Raman油田大規(guī)模CO2非混相驅較為典型。加拿大也有許多重油油藏被認為不適合進行熱力開采，加拿大對CO2驅開采重油進行了大量的研究。試驗得出，輕油黏度在30飽和壓力下從大約從1.4降到2O，降低了15倍。另外，在不同溫度重油黏度測量發(fā)現(xiàn)，溫度達到275℃左右才能降粘，而CO1.2國內CO2驅研究應用現(xiàn)狀我國東部主要產油區(qū)CO2氣源較少，但注CO2提高采收率技術的研究和現(xiàn)場先導試驗卻一直沒有停止。注CO2技術在油田的應用越來越多，已在江蘇、中原、大慶、勝利等油田進行了現(xiàn)場試驗。1996年江蘇富民油田48井進行了CO2吞吐試驗，并已開展了CO2驅試驗。草3井位于蘇北盆地溱潼凹陷草舍油田戴一段油藏高部位，產層為Edl段，屬底水襯托的“油帽子”。初期自噴生產，日產油約59t，不含水，無水采油期共367天，綜合含水升至22%時停噴，轉入機抽生產，后日產油4.55t，含水90%。為了增油降水，在該井進行了CO2吞吐試驗，效果明顯，原油產量上升，含水下降，泵效增加，有效地延緩了原油產量遞減。江蘇油田富14斷塊在保持最低混相壓力的狀態(tài)下，于1998年末開始了CO2水交替(WAG)注入試驗注入6周期后水氣比由0.86:1升至2:1，見到了明顯的增油降水效果，水驅后油層中形成了新的含油富集帶。試驗區(qū)采油速度由0.5％升至1．2%，綜合含水率由93.5%降至63.4%1.3CO2混相驅存在的問題國外很多油田已成功地進行大規(guī)模CO2混相驅并取得較好的效果，證明CO2混相驅具有成功率高、風險性低的特點，以技術指標和經濟指標雙重標準來衡量，CO2混相驅是三次采油中最具潛力的提高采收率方法之一。但同時，由于受地層破裂壓力，現(xiàn)場設備等條件的限制，CO2混相驅替只適用于API重度比較高的輕質油藏，而且也存在一些未解決的問題：（1）混相壓力過高CO2與原油的最小混相壓力不僅取決于CO2的純度和油藏的溫度，也取決于原油組分。原油中重質組分（如C5以上的組分）含量越高，最小混相壓力越高。我國油藏中原油的突出特點是“三高”（粘度高，蠟和膠質含量高，凝固點高），這就決定了我國多數(shù)油藏中的原油與CO2的最小混相壓力過高。（2）腐蝕與結垢因壓力降低與溫度升高，注CO2后會導致結垢(主要是碳酸鹽垢),此外,CO2和水反應生成的碳酸對管線、設備、井筒有較大的腐蝕性，腐蝕產物被注入流體帶入地層還會堵塞儲層孔隙。（3）氣源采用注CO2提高原油采收率,必須具備充足的氣源。氣源有兩種,一是天然的CO2氣源,另外是工業(yè)廢氣。尋找大的氣源是我國利用CO2提高采收率的當務之急。此外，隨著CO2減排的研究在世界范圍內的開展,越來越多的工業(yè)廢氣將會被用于提高原油采收率。（4）竄流嚴重在注CO2采油過程中，CO2在油藏中的竄流將嚴重地影響波及效率，導致CO2竄流的主要機理有兩個：一是粘性指進，二是油藏非均質性及竄流通道。我國油藏多數(shù)為陸相沉積，層間非均質性嚴重，此外，在許多油藏（尤其是低滲透油藏）具有較發(fā)育的天然裂縫，連通的天然裂縫構成了注入水和氣的竄流通道。（5）固相沉積CO2對地層中的輕烴具有很強的抽提作用，經CO2多次抽提后，降低了地層油對石蠟的溶解能力和石蠟組分的穩(wěn)定性，導致石蠟析出，另外，CO2的多次抽提，使地層油中低碳數(shù)的石蠟組分逐漸減少，導致地層油析蠟溫度大幅升高，甚至在地層溫度下也能產生石蠟的沉積，對儲層造成傷害。（6）混相帶不穩(wěn)定在非均質孔隙介質中，受到非均質性及各力（粘性力、重力等）的綜合影響，CO2氣體達不到與原油的充分多級接觸，難以形成穩(wěn)定的混相帶。CO2混相驅機理及影響因素2.1CO2的基本性質在標準條件下，也即在0.1MPa壓力、273.2K（絕對溫度）下二氧化碳是氣體狀態(tài)，氣態(tài)二氧化碳密度D=0.08~0.1千克/立方米，氣態(tài)二氧化碳粘度為0.02~0.08毫帕秒，液態(tài)二氧化碳密度D=0.5~0.9千克/立方米，液態(tài)二氧化碳粘度為0.05~0.1毫帕秒，但在高壓低溫條件下液態(tài)與氣態(tài)二氧化碳的密度相近，為0.6~0.8噸/立方米。壓力、溫度對二氧化碳的相態(tài)有明顯的控制作用。當溫度超過臨界溫度時，壓力對二氧化碳相態(tài)幾乎不起作用，即在任何壓力下二氧化碳都呈現(xiàn)氣體狀態(tài)，因此在地層溫度較高的油層中應用二氧化碳驅油，二氧化碳通常是氣體狀態(tài)而與注入壓力和地層壓力無關。二氧化碳在水中溶解性質要比氣體烴類好得多，地層條件下在水中溶解度為30~60立方米/立方米，而質量比濃度可以達到3~5%，其水中溶解度受壓力、溫度、地層水礦化度的影響，二氧化碳在水中溶解度隨壓力增加而增加，隨溫度增加而降低，隨地層水礦化度增加而降低。二氧化碳溶于水中形成“碳化水”，結果使水的粘度有所增加。二氧化碳在地層中存在，可是泥巖的膨脹減弱。二氧化碳在油中溶解度遠高于在水中的溶解度，大約是水中溶解度的4~10倍，當二氧化碳水溶液與原油接觸時，由于其與油、水溶解度的差異，二氧化碳能夠從水中轉移到油中，在轉移過程中水中二氧化碳與油相界面張力很低，驅替過程很類似于混相驅。水中的二氧化碳可以破碎和沖刷、清洗掉巖石表面油膜，從而保持水膜的連續(xù)性，造成很低界面張力，讓油滴在孔隙通道中自由運移，使油的相對滲透率增加。當壓力超過“完全混相壓力”時，不論油中有多少二氧化碳，油與二氧化碳都將形成單相混合物，即達到無限溶混狀態(tài)。低粘度原有混相壓力低，重質高粘度原油混相壓力高。二氧化碳與原油混相壓力還與原油飽和壓力有關。此外，地層溫度也影響混相壓力。2.2驅替機理2.2.1CO2驅機理CO2的主要優(yōu)點是易于達到超臨界狀態(tài)。CO2在溫度高于臨界溫度31.26℃和壓力高于臨界壓力7.2MPa狀態(tài)下，處于超臨界狀態(tài)時，其性質會發(fā)生變化，其密度近于液體，粘度近于氣體，擴散系數(shù)為液體的100倍，因而具有較大的溶解能力。原油溶有CO2時，其性質會發(fā)生變化,甚至油藏性質也會得到改善,圖2-1原油粘度降低與二氧化碳飽和壓力的關系（50℃μo--原油粘度;μm—溶有二氧化碳的原油粘度（1）降低油水界面張力，減少驅替阻力殘余油飽和度隨油水界面張力的降低而減小。CO2極易溶解于原油,其在油中溶解度比在水中的溶解度大3～9倍。在驅油過程中,大量的CO2與輕烴混合,可大幅度的降低油水界面張力,減少殘余油飽和度,從而提高原油采收率。同時抽提或汽化原油中的烴類組分，使氣驅替前緣不斷富化，界面張力不斷降低，在一定的壓力條件下可達到混相，也可提高采收率。（2）降低原油粘度CO2與原油有很好的互溶性，當CO2溶解于原油時，原油粘度顯著下降。下降幅度取決于壓力、溫度和非碳酸原油的粘度大小，一般說來，原油初始粘度越高，降低后的粘度差越大，粘度降低后原油流動能力增大幅度也越高，所以CO2驅對中質和重質油的降粘作用更為明顯。在原油飽和CO2以后，如再進一步增加壓力，由于壓縮作用，原油粘度將會增加。（3）膨脹作用賓夕法尼亞州Bradford油田以及加拿大Manorville油田室內實驗結果表明,在一定壓力條件下將CO2注入原油,可使原油體積膨脹28%～50%。注入CO2后原油的體積增加，其結果不僅增加了原油的內動能，而且大大減少了原油流動過程中毛管阻力和流動阻力，從而提高了原油的流動能力。驅油過程中，在膨脹機理發(fā)揮主要作用的條件下，注CO2對輕質油采收率的提高將高于重質油。這種膨脹作用之所以重要，有兩個原因：其一，水驅后留在油層中的殘余油與膨脹系數(shù)成反比，即膨脹越大，油層中殘余油量就越少。其二，溶脹的油滴將水擠出孔隙空間，使水濕系統(tǒng)形成一種排水而不是吸水過程。圖2-2原油的膨脹系數(shù)與二氧化碳物質的量分數(shù)關系圖2-2為原油的膨脹系數(shù)與二氧化碳物質的量分數(shù)關系。從圖2-2可以看到，原油中二氧化碳物質的量分數(shù)越高，原油的密度越高，相對分子質量越小，原油的膨脹系數(shù)越大。(4)溶解氣驅作用因注入的CO2在原油中的溶解，形成CO2溶解氣，在井下隨溫度的升高，部分CO2游離汽化，以壓能的形式儲存部分能量。當油井開井生產，油層壓力降低時，大量的CO2則從原油中游離、膨脹而脫出，從而將原油驅入井筒，起到溶解氣驅的作用，另外，一些CO2驅替原油后，占據(jù)了一定的孔隙空間，成為束縛氣，也可使原油增產，并且由于氣體具有較高的運移速度，還可將將油層堵塞物返吐出來。(5)改善流度比因大量注入的CO2在原油和水中的溶解，地層水碳酸化，使原油流度增加，而水的流度降低，從而使原油和水的流度趨于接近，使水的驅油能力提高，同時也進一步擴大了水驅的波及面積，大大提高了掃油效率。(6)酸化解堵由化學反應式可知，溶解了二氧化碳的水溶液略顯酸性。在二氧化碳驅替、吞吐注入及浸泡過程中，溶解了二氧化碳的地層水可與地層基質相互反應。在頁巖中，由于地層水pH值降低，可以抑制儲層的粘土膨脹，因此二氧化碳水對粘土有穩(wěn)定作用。在碳酸巖和砂巖中，二氧化碳水與儲層礦物發(fā)生反應，部分溶解油層中的碳酸鹽，生成易溶于水的碳酸氫鹽，從而提高了儲層的滲透性。由于注入二氧化碳氣體的酸化作用導致油層的滲透性提高，在一定壓差下，一部分游離氣對油層的堵塞物具有較強的沖刷作用，可有效地疏通因二次污染造成的地層堵塞。(7)萃取和汽化原油中的輕質烴CO2吞吐浸泡期間,CO2能夠萃取和汽化原油中的輕質組分,形成CO2富氣相,從而減小注入氣與原油之間的界面張力,減小原油的流動阻力,使油更易于流動,提高波及效率。特別是部分經膨脹仍然未能脫離地層水束縛的殘余油，與二氧化碳氣相發(fā)生相間傳質，束縛油的輕質成分與二氧化碳氣體形成二氧化碳—富氣相，在二氧化碳吞吐過程中產出，增加單井產量。(8)混相效應CO2與原油混相后，不僅能萃取和汽化原油中輕質烴，而且還能形成CO2和輕質烴混合的油帶。油帶移動是最有效的驅油過程，可使采收率達到90％以上。(9)分子擴散作用非混相CO2驅油機理主要建立在CO2溶于油引起油特性改變的基礎上。為了最大限度地降低油的粘度和增加油的體積，以便獲得最佳驅油效率，必須在油藏溫度和壓力條件下，要有足夠的時間使CO2，飽和原油。但是地層基巖是復雜的，注入的CO2也很難與油藏中原油完全混合好。多數(shù)情況下，CO2是通過分子的緩慢擴散作用溶于原油的。分子擴散過程是很慢的。特別是當水將油相與CO2氣相隔開時，水相阻礙了CO2分子向油相中的擴散，并且完全抑制了輕質烴從油相釋放到CO2相中。2.2.2CO2混相驅機理注入的流體與油藏原油在油層中反復接觸，發(fā)生分子擴散作用，組分傳質，最終消除多相狀態(tài)，達到混相，這就是所謂的多級接觸混相（動態(tài)混相）。這種接觸混相的過程，會產生一個相過渡帶，位于驅替前緣，在這個過渡帶中，流體的組成由油藏原油的原始組成過渡為注入的流體的組成。向前接觸和向后接觸是多級接觸混相中常用的兩個概念。向前接觸混相過程是指注入氣不斷與新鮮的地層油接觸，將油相所含的中間烴蒸發(fā)到氣相中去，最終實現(xiàn)混相的過程。向后接觸過程是指地層油不斷接觸新鮮的注入氣，不斷凝析注入氣中所含的中間烴，最終達到多次接觸混相的一種混相形式。這兩種驅替過程是同時但在地層中不同地點發(fā)生。向前接觸發(fā)生在前緣，而向后接觸發(fā)生在后緣。混相驅油是在地層高溫條件下，原油中輕質烴類分子被CO2析取到氣相中，形成富含烴類的氣相和溶解CO2的液相(原油)兩種狀態(tài)。其驅油機理主要包括以下三個方面：當壓力足夠高時，CO2析取原油中輕質組分后，原油溶解瀝青、石蠟的能力下降，重質成分從原油中析出，原油黏度大幅度下降，提高了油的流動能力達到混相驅油的目的。在適合的儲層壓力、溫度及原油組分等條件下，臨界CO2與原油混合，形成一種簡單的流體相同。(2)CO2在地層油中具有較高的溶解能力，從而有助于地層油膨脹，充分發(fā)揮地層油的彈性膨脹能，推動流體流人井底。(3)油氣相互作用的結果可以使原油表面張力減小。圖1反映了幾種油一氣系統(tǒng)界面張力與壓力的關系，它表明了溶解氣種類對油氣體系界面張力的影響。隨著壓力的增加，原油一空氣系統(tǒng)的表面張力減小不大，這是由于氮氣(空氣的主要成分)在油中的溶解度極低，因此，系統(tǒng)的表面張力隨壓力變化緩慢。對于原油一CO2系統(tǒng)，由于CO2的飽和蒸汽壓很小，在原油中的溶解度大于甲烷在原油中的溶解度，因此原油一CO2系統(tǒng)的界面張力隨著壓力增加而快速下降。對于原油一天然氣系統(tǒng)而言，天然氣中甲烷以及少量的乙烷、丙烷、丁烷等使得天然氣在油中的溶解度要遠大于氮氣的溶解度，故界面張力隨壓力增加而急劇降低。圖2-3典型油-氣系統(tǒng)界面張力（①原油與空氣；②原油與天然氣；③原油與CO2）2.3CO2混相驅作用方式2.3.1一次接觸混相一次接觸混相是指混相溶劑(CO2)直接與油藏中的原油在一定的壓力和溫度下相混合，并且混合后的混合物始終保持單相。其它灼洛劑并不直接與地層油混合，但在適當?shù)膲毫腿軇┙M分條件下，這種溶劑可以實現(xiàn)動混相，這種動混相是在原地靠溶劑與地層油反復接觸而產生的質量遷移來實現(xiàn)的。Lw．霍姆等人利用細長管驅替試驗表明了在溫度為57．22℃，壓力為17．5MPa的條件下，二氧化碳與實驗油完全混相。在這種條件下，沒有發(fā)生碳氫化合物萃取，此時所構成的混相帶只是地層油和CO2的混合物。混相帶中的液態(tài)碳氫化合物的成分與非混相帶中油的成分相同。此外，實驗也表明，CO2與地層油混相后的混相帶的區(qū)域要比與地面油混相后的混相帶小得多，這種現(xiàn)象可以解釋為，在地層油中溶有一定量的天然氣，這些氣體直接影響著CO22.3.2多次接觸混相CO2驅油最重要的特性之一，是可以從地層油中萃取或者汽化碳氫化合物。CO2在低溫條件下為液態(tài)，高于臨界溫度時為氣態(tài)。D.E門澤等人II的研究工作表明，在溫度為57，22℃和壓力為14.0MPa的條件下，CO2可以汽化或萃取一種相對密度為0.8498原油的50％。L.W霍姆等人的實驗表明，當溫度一定時，壓力達到某一值以后，CO2萃取原油才能發(fā)生。該混相過程可以被解釋為：當CO2注入時，輕質組分的C2~C4首先被汽化，擴大了平衡氣體。隨著注入CO2量的增加，萃取碳氫化合物組分也增多。這就形成了一個把CO2與地層油分開的混相帶，這種多次接觸混相帶的大小是與驅動壓力有關的。在低壓條件下，這種混相帶較大。換句話說，在較高的壓力下，混相帶的碳氫化合物濃度較大，并且在驅替結束以后留在巖心中的殘余油飽和度較小。這充分說明，混相壓力適當?shù)奶岣?，可以得到令人滿意的采收率。2.3.3輕質油加CO2混相驅CO2和輕質碳氫化合物在相當?shù)偷膲毫蜏囟认拢强梢酝耆煜嗟?，但與重質碳氫化合物要達到完全混相則需要很大的壓力，這一結論已得到了人們的承認。利用CO2前面的低相對分子質量的或者高相對分子質量的碳氫化合物在一定的條件下與地層油混相，形成一個段塞，這種段塞也早已被人們所公認。庫曼等人對輕質油加CO2混相驅較詳細地進行了室內實驗。實驗使用了四種不同比例的混合物，分別為l5:85，25:75，50:50和75:25。實驗之前，用一種粘度為8.9mPa·S，相對密度為0.8423的地層油飽和試樣，然后用水驅替。當試樣中原油飽和度為45％時，注入輕質油加CO2的混合物?；旌衔锏淖⑷肓繛?.3倍孔隙體積，注入速度1.52～2.13m/d，實驗過程中壓力保持在14.0MPa以上，溫度為37.8攝氏度，注入0.3倍孔隙體積段塞后，以1.22m/d的速度注水來驅動段塞。不同混合比例的實驗結果表明，輕質油加CO2比例為752.4CO2混相驅影響因素為了明確CO2混相驅油的產能影響因素，可以應用油藏數(shù)值模擬方法，考察不同動靜態(tài)因素對油井產能的影響，進而確定其敏感因素。經過研究發(fā)現(xiàn)，影響CO2混相驅效果的主要因素有下面這些：（1）滲透率其他條件一定，保持注采壓力不變，隨著滲透率的增大，注氣速度明顯增大，生產井和注氣井的工作時間縮短，驅油效果變好。（2）縱、橫向滲透率比值隨著縱、橫向滲透率比值的增大，CO2的驅油效率減小，主要是由于浮力的作用加劇，使得層間矛盾更加突出。（3）地層沉積韻律正韻律模型CO2的驅油效率大于逆韻律模型，原因在于逆韻律模型上部滲透率大，下部滲透率小，使注CO2氣體驅油時，沿著油層上部驅油，下部的波及效率和驅油面積遠遠小于上部，層間矛盾更加突出，油藏的采收率低。（4）平面非均質性隨著儲集層平面非均質性的增強，CO2的驅油效率有所下降，因為非均質性越強，指進現(xiàn)象越嚴重，氣體突破時間越短。（5）粘度比油氣的粘度比越小，油藏的CO2的驅油效率越高。由于油氣粘度比越小，CO2氣體的波及面積越大；而油的粘度越小，輕烴含量越多，CO2氣體更容易跟油發(fā)生萃取作用，降低油的粘度，改善驅油效果。在非均質地層中，氣體粘度小，油氣流動能力相差較大，氣驅過程中往往會發(fā)生嚴重的指進，導致氣體在生產井過早突破，降低波及面積，使采收率大大減小。（6）密度差異由于油氣在儲集層中存在密度差異，會引起氣體超覆原油而產生流動，特別是對于逆韻律地層，使注入的CO2更容易沿著地層上部高滲透帶驅進，氣體突破時間短，波及體積系數(shù)大大減小。（7）擴散、彌散作用分子擴散作用、對流彌散作用使CO2向周圍遷移，有助于延遲CO2的突破時間，增大波及面積，提高驅油效率。分子擴散作用和對流彌散作用對注CO2驅油有重要影響，尤其對裂縫型油氣藏意義更大。（8）橫、縱向擴散比在地層中，橫、縱向擴散系數(shù)不同也會對注CO2采油產生影響，隨著擴散比的增大，相鄰兩層之間的混相帶濃度分布更均勻。在注入速度恒定的條件下，橫、縱向擴散系數(shù)比越大，CO2驅油效果越好。（9）注氣方式采用水氣交替注入開發(fā)的方式，由于水在前面的驅替作用，不僅可以達到增加波及面積的目的，同時也降低氣相的滲透率,從而降低了氣相的流度，減緩氣竄的發(fā)生，使CO2的驅油效率和儲存系數(shù)都有提高。2.5CO2混相驅注入方式在實際應用中，CO2驅替的注入方式主要有以下幾種，其各有不同的適用條件：（1）CO2段塞注水方式二氧化碳段塞注水方式是以段塞形式將二氧化碳注入儲層，然后用水頂替段塞驅油，其作用方式與溶劑段塞驅油相似，但是更加復雜化，其特點為：①復雜的邊界條件，由于二氧化碳既溶于油又溶于水，因而存在兩個混相帶；②水驅改善了重烴開采和氣體突破問題；③良好的經濟指標。（2）高壓注CO2氣體驅油與高壓注烴類氣體過程相似。首先限制油井采油量甚至關井，向地層中注入大量CO2氣體，使地層壓力上升，達到或者超過混相壓力，與原油充分混相，在保持CO2注入量（定壓）條件下開井采油。這是典型的混相驅油方式，可以同時采出輕質烴與重質烴。（3）連續(xù)向地層注CO2氣體通常在低壓“枯竭”油田（平均地層壓力約為1MPa）使用，向已枯竭地層中直接注入CO2驅油，由于用量大，通常采用CO2采出分離回注的循環(huán)注氣方式。其特點為：①CO2消耗量大，一般為地層孔隙體積的幾倍。②CO2提取原油中輕質烴，采出的CO2與輕質烴氣體混合物必須在地面分離，經濟效益和工藝實際都不利。③不適用于壓力過低油田，因為這類油田一方面需要大量CO2，注入CO2與采出烴比值高達100立方米/立方米；另一方面，過低壓力值CO2與原油混相困難，造成只有少量輕質烴采出，大量重質烴留在地下。（4）注“碳化水”驅油將溶有的二氧化碳的水由注入井注入儲層中驅油，與常規(guī)注水過程相似，但由于水中溶有二氧化碳，有以下優(yōu)點：①可以改善流度比；②可以提高洗油效率；③存在吸附現(xiàn)象。CO2單井吞吐與蒸汽吞吐工藝有些相似，在生產井中注入一定量CO2氣體后，關井使原油與CO2有充分時間溶混，然后開井采油。實踐證明，二氧化碳吞吐工藝是一種單井提高稠油采收率的有效方法。二氧化碳吞吐的增產機理主要有原油體積膨脹、降低原油黏度、汽化和萃取原油輕質組分、酸化解堵作用和溶解氣驅作用。（6）水、CO2交替注入將二氧化碳和水以較小的段賽尺寸（一般小于5%HCPV）交替注入到油層中驅油。雖然注入的水可能造成水屏蔽和二氧化碳繞流原油，且存在潛力的重力分層作用，同時還可能造成注入能力下降等缺點。但由于改善了二氧化碳的流度，提高了二氧化碳的體積波及系數(shù)和利用率，因此，交替注入方式是經濟有效的提高采收率的工藝方法。CO2混相驅數(shù)學模型數(shù)值模擬的基礎是數(shù)學模型，目前用于CO2驅的數(shù)學模型主要有組分模型、擬四組分模型、改進的黑油模型和傳輸-擴散模型。但上述模型均有一定的使用條件和局限性，這些模型都未考慮流體的非達西滲流特性，不能適用于各類CO2驅替方式，更適合一般常規(guī)滲透率油氣藏。3.1組分模型組分模型最為復雜，它利用多組分混合物來描述油、氣、水三相，并寫出每一組分的守恒方程，用狀態(tài)方程并通過閃蒸計算每一網塊中共存相的平衡組成。通用多相流數(shù)學模型：設油氣水三相，共N種化學組分，并以Cio，Cig，Ciw分別表示油、氣、水三相中i組分的摩爾含量。油藏模擬通用模型：（3-1）式中，是可用某種方式取得的已知量。而是帶求的未知量。記(3-2)則：(3-3)(3-4)整理通用模型得：(3-5)約束條件：(3-7)考慮到大量二氧化碳溶解于水中而被損耗，所以應考慮二氧化碳在水中的溶解度。設第Nc個烴組分為二氧化碳，用分別表示二氧化碳在油氣水三相中的摩爾分數(shù)，得到二氧化碳守恒方程是：(3-8)水組分方程：(3-9)i組分方程：(3-10)輔助方程：(3-11)關于二氧化碳溶解度Rsb的關系式：(3-12)其中都是與溫度T有關的常數(shù)，C是鹽度。組分方程的優(yōu)點：該模型能夠較好的模擬組分機理，如汽化，凝析，原油膨脹等重要作用，同時，能夠考慮相態(tài)、多次接觸混相過程等對原油采收率的影響。缺點：雖然組分模型準確的描述二氧化碳驅，但是也存在某些局限性。例如，沒有考慮二氧化碳驅油是個非常復雜的過程，對于二氧化碳抽提原油中的輕質組分問題，沒有考慮完善，同時，由于二氧化碳與原油的混相，混相區(qū)的流體密度、粘度等參數(shù)沒有明確地修正。由于二氧化碳-原油體系的復雜性，閃蒸計算可能會有一定問題，并且要精確計算相特性可能需要大量組分，大大增加了計算工作量，此外，組分模擬器不能考慮粘性指進。3.2擬四組分模型由于黑油模型的穩(wěn)定性好，而組分模型可模擬混相驅.1999年張烈輝在三相黑油模型的基礎上，研究了模擬混相驅動態(tài)的擬四組分模型。其中假定溶劑溶于水而不溶于油中，油、氣、水及溶劑的質量守恒方程表示如下：油相(3-13)水相(3-14)氣相(3-15)溶劑守恒方程(3-16)3.3改進的黑油模型改進的黑油模型主要建立在Koval、Todd和Longstaff等人的研究成果基礎上，該模型只需要寫出油、水、溶解氣和溶劑的守恒方程，假設流動為層流，恒溫，液體為非揮發(fā)性，油不溶于水，相間存在熱力平衡，并且無固體析出。守恒方程：令下標o，w，s和g分別代表油，水，溶解氣和二氧化碳，那么每個組分的守恒方程可寫為：油相：(3-17)水相：(3-18)溶解氣：(3-19)溶劑：(3-20)式中Bp——p相的地層體積系數(shù)，油藏m3/標準m3；Qp——油井產量或注入量；Sp——p相飽和度；——相勢，；d——油藏深度。改進的黑油模型并不致力于詳細的流動結構，而是用混合參數(shù)近似處理粘度關系，能夠模擬各種指進現(xiàn)象，以及指進對面積驅掃效率起控制作用的首次接觸混相驅過程，其優(yōu)點表現(xiàn)在，模型較為簡單，計算量小，穩(wěn)定性好，能夠較好的吻合實際的混相驅過程，但只能近似的模擬二氧化碳驅，不能充分體現(xiàn)出傳輸-擴散的機理和過程，精度較差，對混合參數(shù)需要作適當評估是模型的一個缺點。3.4傳輸-擴散模型3.4.1傳質擴散滲流時的連續(xù)性方程yxz設單元體地層六面體中，M質點擴散物質的組分質量速度為yxzx方向速度為：y方向速度為：z方向速度為：。圖3-1：單元體示意圖時間內流過x方向左端面的質量流量：（3-21）流過x方向右端面的質量流量：（3-22）在x方向流入流出的質量差：同理可求出在y，z方向流入流出的質量差，所以六面體內流入流出的質量差為：（3-23）由于六面體內擴散物質的質量變化，在t時刻內質量濃度為c，到時刻濃度為，在時間內濃度變化為：。因此，六面體孔隙體積內由于擴散引起的質量變化為：。由質量平衡得到：（3-24）令則有：(j=1,2,3,…)（3-25）若考慮液體流動，上式可以改寫為：（j=1,2,3）（3-26）若考慮真實速度，且不考慮巖石的壓縮性：（j=1,2,3）（4-27）3.4.2一維傳質擴散滲流方程（3-28）將代入上式：（3-29）式中c—擴散劑的濃度；v—液流真實速度；左邊項：擴散劑在某一點上的濃度增長速度；右邊項：第一項：由于擴散作用引起的某一點處濃度的增長速度；第二項：由于液流攜帶引起的濃度增長速度。不考慮擴散的話，即=0，可以得到式（3-30）：（3-30）上式為一維波動微分方程，它的等濃度點的運動軌跡為：所以無擴散時，等濃度各點的運動速度和液體平均真實速度完全一致。3.5考慮擴散的CO2驅多相多組分分區(qū)滲流模型在低滲透油藏注氣開發(fā)的過程中，注入井近井地帶到遠井地帶，由于地層壓力由高到低衰減，導致氣驅方式也相應的由混相驅向非混相驅轉變。故在注氣開發(fā)過程中存在混相驅區(qū)域和非混相驅區(qū)域；同時在注氣的過程中，注入氣與地層流體之間存在分子間的擴散作用。因此，推導并建立考慮擴散的混相驅與非混相驅多相多組分的分區(qū)滲流數(shù)學模型。3.5.1傳統(tǒng)注CO2滲流數(shù)學模型模型的基本假設條件：（1）油藏流體為油、氣、水三相。（2）油藏內流體滲流規(guī)律符合Darcy定律。（3）油藏流體共分為Nc個組分，其中i=1時為CO2組分，i=2、3…Nc為烴組分。（4）不考慮重力作用的影響。（5）整個滲流過程是等溫過程。（6）地層油和注入氣是初次接觸混相。查閱相關文獻可以得到傳統(tǒng)油、氣、水三相多組分滲流數(shù)學模型。ni,o、ni,g、ni,w分別表示油、氣、水三相i組分的摩爾分數(shù)。CO2組分(i=1)的滲流連續(xù)性方程(3-31)i組分(i≠1)的滲流連續(xù)性方程(3-32)方程（3-31）比方程（3-32）多了與兩項，是因為在注CO2時，考慮了CO2氣體在水中的溶解作用。根據(jù)Darcy定律，不考慮重力作用的影響。記，l=o,g,w，則可以得到傳統(tǒng)的注CO2三相多組分滲流數(shù)學模型。因此，CO2組分(i=1)的滲流連續(xù)性方程也可表示為(3-33)i組分(i≠1)的滲流連續(xù)性方程可表示為(3-34)水組分的滲流連續(xù)性方程可表示為(3-35)3.5.2考慮擴散的注CO2滲流數(shù)學模型在注CO2開采原油的過程中，當注入井井底壓力高于最小混相壓力時，注入氣與原油體系達到混相，流體的滲流阻力降到最低，大幅度地提高了原油采收率。但