综述：用于提高石油采收率和储存效率的二氧化碳通道控制技术的进展

《Fuel》：Advances of CO2 channeling control technologies for enhanced oil recovery and storage efficiency

　　

何友伟|杨明轩|秦家正|唐勇|邱帅

中国四川省西南石油大学油气水库地质与开发国家重点实验室，610500

摘要

二氧化碳（CO₂） flooding是一种有效的提高石油回收率的方法，它可以导致石油膨胀和粘度降低，从而改善原油的流动性及驱替效率。然而，CO₂与石油之间的显著流动性差异可能导致CO₂的优先迁移（即“指形迁移”）和过早突破。注入的CO₂可能会优先通过导流路径迁移，而不是进入未被扫过的低渗透率油层，这会降低CO₂的扫油效率，限制石油回收率，并削弱CO₂储存的能力和稳定性。本文系统回顾了不同CO₂导流控制技术的机制、性能、水库适用性及现场应用，包括CO₂混溶驱替、水交替气体注入（WAG）、泡沫驱替、CO₂增稠、注入-生产参数优化以及井网调整等，以促进CO₂提高采收率（EOR）和储存。同时讨论了这些技术的局限性和未来研究方向。本文有助于推进CO₂导流控制技术的发展，从而推动CO₂ EOR的大规模现场应用。

引言

气体驱替（例如CO₂ flooding）是油田中广泛使用的提高采收率（EOR）技术。气体分子比水分子小，能够有效地将原油从储层中的微孔中排出[1]。与氮气[2]、碳氢化合物气体[3]和烟气[4]相比，CO₂具有更高的流体流动性，并且与原油的混溶性更强，显著降低了原油粘度，提高了石油回收率。CO₂ flooding还可以在储存CO₂的同时提高石油回收率，有助于减缓全球变暖并实现碳中和[5]、[6]。

然而，在CO₂ flooding过程中，流动性问题（如扫油效率低、重力作用和气体导流）普遍存在（见图1）。CO₂的高流动性和储层的强非均质性导致CO₂优先通过高渗透率路径迁移，从而引发CO₂的指形迁移和过早突破。CO₂的指形迁移可能导致气油比（GOR）迅速增加，扫油效率显著下降[7]，进而降低石油回收率和CO₂的驱替效率[8]。本文分别讨论了不同气体导流控制技术的缓解效果。

因此，气体导流控制和流动性管理对于提高石油回收率至关重要。图2展示了现有气体导流控制技术及其相关的CO₂储存机制。

混溶性可以消除驱替流体与被驱替流体之间的界面，形成类似活塞的驱替前沿，从而减少CO₂的指形迁移[11]。然而，在CO₂混溶驱替过程中，即使在强非均质储层中，CO₂的指形迁移仍可能发生。

水交替气体注入（WAG）通过循环注入不同的流体[12]。在初始的水驱阶段，液相从大孔中排出原油。随后，低粘度的CO₂优先侵入被水绕过的油层，通过降低油相粘度来动员被困的石油，并剥离附着在岩石表面的油膜（见图2d）。注入的水在WAG循环中阻塞潜在的气体导流路径，将气体引导至未被扫过的区域，从而降低气体流动性并提高扫油效率[13]。

凝胶（如聚合物凝胶[14]、预成型颗粒凝胶[15]和CO₂响应性凝胶[16]）在储层内形成三维网络结构，通过高粘弹性和机械强度直接阻塞气体导流路径（见图2a）。随后，驱替流体被重新导向低渗透率油层，提高扫油效率并防止气体导流。

泡沫驱替缓解CO₂导流的主要机制是液体膜保留引起的Jamin效应。泡沫在孔隙中流动时受到毛细压力和界面张力的共同作用，显著增加了气相的流动阻力。泡沫驱替还提高了气相的表观粘度，降低了气体流动性[17]、[18]（见图2b）。然而，稳定性是CO₂泡沫驱替应用中的关键限制因素。可以通过添加聚合物[19]或纳米颗粒[20]来增强泡沫的稳定性，以适应更恶劣的储层条件。

CO₂增稠通过引入聚合物或纳米颗粒直接提高CO₂的粘度，从而降低流动比[21]。增稠剂在CO₂中溶解，形成分子间网络，提高CO₂的粘度，并有助于防止CO₂的指形迁移，实现平衡驱替（见图2c）。

CO₂导流控制方法可以通过结构捕获（见图2Ⅰ）、残余捕获（见图2Ⅱ）、溶解捕获（见图2Ⅲ）和矿物捕获（见图2Ⅳ）等方式，迫使CO₂进入中低渗透率区域，扩大扫油体积并提高CO₂储存效率。这些机制使更多的CO₂能够稳定地储存在深层储层中，从而直接提高CO₂储存的能力和稳定性[22]。因此，这些方法可以降低CO₂泄漏的风险，并提高CO₂储存性能。

章节摘录

水交替气体注入

WAG因其低成本而广泛应用于油田中的气体导流控制，通过交替向储层注入水和CO₂来实现[23]。水段可以调整流动性并从小孔中排出原油，而气体段可以从水驱无法到达的微孔中排出原油。WAG还可以促进CO₂在储层中的溶解和捕获。因此，WAG可以有效延缓CO₂的突破，提高石油回收率和CO₂储存能力。Liu等人[24]发现……

基于凝胶的气体驱替

基于凝胶的气体驱替通过堵塞裂缝或高渗透率通道来提高扫油效率并防止CO₂导流和泄漏。这一过程迫使CO₂转向低渗透率油层，从而增加CO₂的储存空间并提高石油回收率。主要的基于凝胶的CO₂导流控制技术包括聚合物凝胶、预成型颗粒凝胶和CO₂响应性凝胶。

泡沫驱替

泡沫驱替通过两种机制控制CO₂导流。CO₂泡沫可以显著提高驱替相的表观粘度，降低CO₂与原油之间的流动比。此外，CO₂泡沫在多孔介质中通过孔隙时会产生Jamin效应，增加流动阻力并堵塞高渗透率通道，迫使注入的CO₂转向低渗透率油层。泡沫的稳定性受多种因素影响

CO₂增稠

CO₂增稠可以直接提高CO₂的粘度，显著降低气油流动比[21]，从根本上解决由于CO₂粘度低引起的气体导流问题。增稠后的CO₂迁移速度变慢，有利于更多CO₂的溶解和矿化，实现长期稳定的CO₂储存。

各种实验和模拟研究验证了不同气体导流控制方法的性能，但这些方法在真实储层条件下的现场效果受多种复杂因素的影响。这些方法的可行性和经济可行性需要通过现场应用来验证。

CO₂混溶驱替理论上可以完全消除气体导流。然而，在CO₂混溶过程中仍可能发生气体导流

CO₂导流是限制CO₂ EOR性能的关键因素之一，这一问题限制了CO₂ EOR的大规模应用和推广。目前，CO₂导流在现场应用中仍控制不足。不同的CO₂导流控制技术仍需在储层适用性、干预时机以及多种技术之间的协同控制机制方面进行进一步研究。

结论

CO₂导流是限制CO₂ flooding性能和地下CO₂储存效率的关键因素。由于CO₂的粘度低和流动性高，它在非均质储层中容易发生导流，导致扫油体积、石油回收率和CO₂储存能力的降低。本文总结了CO₂混溶驱替、WAG、基于凝胶的气体驱替、泡沫驱替等CO₂导流方法的机制、性能、储层适用性、现场应用及CO₂储存效果

何友伟：撰写——审稿与编辑，概念构思。杨明轩：撰写——初稿，研究。秦家正：监督，数据整理。唐勇：验证，研究。邱帅：可视化。

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。