综述：二氧化碳增强型石油采收与储藏技术在油藏中的应用：从中国获得的经验教训

《Fuel》：CO2 enhanced oil recovery and storage in oil reservoirs: lessons learned from China

　　

李勇|高明

中国石油天然气集团有限公司石油勘探开发研究院，北京 100083

摘要

二氧化碳增强采油（CO₂-EOR）是一种有效的提高石油采收率并实现碳储存的技术。本研究对中国大陆代表性沉积盆地（包括吉林、大庆、长庆和新疆油田）的CO₂-EOR和碳储存性能进行了系统的比较分析。这些储层的渗透率低至极低，具有很强的非均质性，给流体流动和储存安全带来了显著挑战。通过评估水驱比例和注采响应等现场数据，本研究提出了一套包含19种操作方法的“调整工具包”——如分层注入和化学辅助流动性控制——以减少气体窜流并扩大扫油体积。此外，研究结果表明，优化注水-注气（WAG）和循环注气等注入策略也能提高CO₂的储存效果。研究进一步强调了需要对CO₂-EOR和地质储存进行全生命周期管理，涵盖注入、迁移、生产、回收和长期储存等方面。特别需要注意压力控制、相行为、流动性管理和储存安全，这些因素对于提高CO₂利用效率以及在中国及其他地区的油田中大规模应用CO₂-EOR和储存至关重要。

引言

碳捕获、利用和储存（CCUS）被视为在全球气候缓解目标下减少化石能源和难以减排工业系统二氧化碳排放的关键技术[1]、[2]、[3]、[4]。在CCUS体系中，二氧化碳增强采油（CO₂-EOR）提供了一种将增量石油生产与注入二氧化碳的地质储存相结合的实际途径[5]。其有效性不仅取决于二氧化碳本身的性质（如高扩散性、低粘度和强的溶解及提取能力），还受到储层压力、原油组成、孔隙结构、非均质性以及注采控制的影响。

二氧化碳增强采油（CO₂-EOR）已商业化应用了几十年，尤其是在北美地区，那里相对成熟的二氧化碳供应系统、管道基础设施、储层筛选方法和监测实践支持了大规模的现场应用。这些项目为储层选择、混溶性控制、流动性管理和长期储存提供了重要参考[6]、[7]、[8]。然而，这些经验并不能直接应用于所有地质条件。许多成熟的CO₂-EOR项目是在连续性更好、基础设施更完善且操作系统相对成熟的储层中开发的，而这些经验在强非均质性的大陆储层中的适用性仍然有限。

在中国，CCUS-EOR受到了越来越多的战略关注，并已在吉林、大庆、长庆和新疆等代表性油田逐步进行测试[9]、[10]、[11]。中国的油田主要分布在大陆沉积盆地中，这些盆地常见的特征是多层砂体、强烈的横向和纵向非均质性、低至极低的渗透率以及复杂的注采响应[12]。这些地质和工程条件显著影响了二氧化碳的迁移、混溶性发展、气体突破、扫油效率和储存安全。在中国代表性油田进行的现场试验涵盖了不同的储层类型和操作模式，包括混溶驱替、非混溶驱替、注水-注气、循环注气和重力稳定注气[9]、[10]、[11]、[12]、[13]。这些试验的现场结果表明，中国CO₂-EOR的效果受到储层结构、压力维持、相行为、流动性比和井型设计的共同影响[12]、[13]。

尽管之前的研究和报告总结了CO₂-EOR和CCUS的应用进展，但大多数研究集中在一般技术发展、政策层面讨论或个别油田案例上[5]、[9]、[10]、[11]。然而，针对多个中国大陆储层的基于现场的综合性分析仍然不足，尤其是在将储层特性、动态生产响应、注入策略和储存影响联系起来方面。这样的分析对于识别在中国特定储层条件下提高采收率、提高二氧化碳利用效率、减少气体窜流和保障储存安全的关键控制因素是必要的[12]、[13]。

本综述旨在支持在中国大陆储层中大规模应用CCUS-EOR，这些储层通常具有强烈的非均质性、多层叠加和低至极低的渗透率。与主要关注全球CCUS进展、政策发展或个别项目总结的现有综述不同，本研究专门考察了代表性油田，并比较了不同储层类型、开发阶段和注入模式下的二氧化碳驱替性能和储存行为[13]。本综述的主要贡献有三方面：它系统地比较了不同区块、储层类型和开发方案；它将储层特征、动态响应和工程调整措施联系起来，以确定控制采收率和储存性能的关键因素；并且它进一步开发了一套结构化的调整工具包以及一个综合的“四全”管理框架，以支持在中国大规模应用二氧化碳增强采油和地质储存。

章节摘录

二氧化碳的热物理性质

二氧化碳具有与其传统驱替介质（如水或氮气）根本不同的热物理特性。由于其临界温度（31.4°C）和临界压力（7.38 MPa）相对较低，大多数油田的条件都超过了这些值，使得注入的二氧化碳主要以超临界状态存在[14]、[15]。在这种状态下，二氧化碳兼具类似气体的粘度和扩散性和类似液体的密度，从而实现了高效的孔隙尺度渗透

二氧化碳注入模式

二氧化碳驱替的效果受到注入模式和流动性控制策略的显著影响。由于二氧化碳相对于原油具有低粘度和高流动性，不利的流动性比和早期气体突破是常见的操作挑战，尤其是在非均质储层中[16]、[17]。现场应用主要包括连续二氧化碳注入、注水-注气、循环二氧化碳注入和重力稳定注气。

现场特征和操作方案

过去几十年里，中国已在吉林油田、大庆油田、长庆油田和新疆油田等主要油田逐步实施了一系列二氧化碳驱替试验项目。如表1所示，这些试验涵盖了多种储层类型和开发条件，测试的地层包括低渗透率和超低渗透率的多层砂岩、裂缝储层、砾岩和埋藏丘结构。

性能提升的总体框架

根据我们的研究，提高二氧化碳驱替效果的技术途径可以系统地分为三个方面：提高EOR效率、扩大利用的储层体积以及提高二氧化碳利用效率（图4）。这些方面构成了一个综合优化框架，将微观驱替机制与宏观扫油控制和现场规模开发策略联系起来。我们学到的关键经验包括：

1)

扩大扫油体积是

对油田中二氧化碳储存的影响

本研究调查的中国大陆储层——包括吉林和大庆的低渗透率砂岩以及新疆复杂的砾岩地层——显示出显著的地质潜力，能够实现安全、长期的二氧化碳封存。这些地层的非均质性程度高，基质性质致密，虽然给流体流动带来了挑战，但提供了强大的毛细作用和地层捕获机制，这对于

主要发现

1. 二氧化碳增强采油（CO₂-EOR）是提高中国低渗透率储层开发效率的重要途径

低渗透率储层是中国能源结构的基石，占全国石油资源和储量的很大比例。尽管储量丰富，但由于固有的低采收率和缓慢的生产速度，目前的开发受到限制。全球的现场实践已经证明二氧化碳驱替是一种非常有效的增强采油方法

CRediT作者贡献声明

李勇：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、概念构思。高明：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、项目管理、调查、数据分析、概念构思。

利益冲突声明

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。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划“大型油气储层二氧化碳储存关键技术标准的研究与应用”（2023YFF0614100）和中国石油专项科学技术项目“重大EOR试验的关键技术和方案优化研究”（2023YQX10401）的资助