王高峰，廖廣志，李宏斌，胡志明,，魏 寧，叢連鑄

（1.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京100083；2.中國(guó)石油勘探與生產(chǎn)分公司，北京100007；3.中國(guó)石油大慶油田開(kāi)發(fā)事業(yè)部，黑龍江大慶163002；4.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所，湖北武漢430071）

截至2020年底，中國(guó)累計(jì)探明天然氣地質(zhì)儲(chǔ)量約為17×1012m3，年產(chǎn)氣量為1 866×108m3[1]。作為天然氣消費(fèi)大國(guó)，對(duì)外依存度高達(dá)43 %，供需矛盾突出。中國(guó)天然氣藏采收率偏低，以中國(guó)石油為例，致密砂巖氣藏標(biāo)定采收率低于50%，頁(yè)巖氣藏采收率不到30 %。如果能將天然氣采收率提高10 個(gè)百分點(diǎn)以上，將增加可采儲(chǔ)量近2×1012m3，故采用進(jìn)攻性技術(shù)大幅度提高氣藏采收率意義重大。孫龍德院士指出，實(shí)現(xiàn)天然氣規(guī)?；袭a(chǎn)并長(zhǎng)期穩(wěn)產(chǎn)，仍面臨復(fù)雜氣藏提高采收率等系列挑戰(zhàn)；未來(lái)十到十五年，已開(kāi)發(fā)主力氣田將全面進(jìn)入穩(wěn)產(chǎn)或遞減期，要保持穩(wěn)產(chǎn)必須依靠采收率的提高；中國(guó)已開(kāi)發(fā)氣田74%為復(fù)雜氣藏，提高采收率難度很大。常規(guī)的排水采氣技術(shù)提高采收率通常為1～3 個(gè)百分點(diǎn)[2]，“以氣驅(qū)氣”有望大幅度提高采收率。頁(yè)巖氣儲(chǔ)層極為致密，孔喉半徑多介于2～30 nm[3-9]；塔里木庫(kù)車凹陷深層致密砂巖氣藏以及蘇里格致密砂巖氣田儲(chǔ)層巖石孔隙喉半徑均以亞微米—納米為主[10]，開(kāi)采難度也很大。在致密的非常規(guī)儲(chǔ)層中，天然氣賦存方式以吸附態(tài)和游離態(tài)為主，而吸附態(tài)天然氣儲(chǔ)量可占比40 %以上。近年來(lái)，在攻關(guān)研究致密氣、頁(yè)巖氣、煤層氣的開(kāi)采技術(shù)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)CO2具有很強(qiáng)的甲烷解吸附能力[11-16]，實(shí)驗(yàn)顯示CO2可置換出約30%的吸附態(tài)甲烷[14,17]，這啟示了利用CO2置換納米孔喉天然氣的可能性。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)開(kāi)展了若干十至千噸級(jí)的CO2驅(qū)氣試驗(yàn)，如中聯(lián)煤層氣公司在沁水盆地開(kāi)展的CO2驅(qū)采煤層氣小型試驗(yàn)[15]，潞安煤礦CO2強(qiáng)化開(kāi)采煤層氣微型試驗(yàn)，以及延長(zhǎng)石油致密氣的CO2壓裂等試驗(yàn)，通過(guò)這些試驗(yàn)進(jìn)一步深化了關(guān)于CO2驅(qū)氣過(guò)程的認(rèn)識(shí)。

中國(guó)以CO2驅(qū)為代表的注氣提高石油采收率技術(shù)已經(jīng)取得了長(zhǎng)足進(jìn)展[18-28]，凝析氣藏循環(huán)注氣保壓開(kāi)采在塔里木油田也有規(guī)模應(yīng)用[24-26]，然而，向干氣藏注氣強(qiáng)化開(kāi)采技術(shù)在國(guó)內(nèi)尚處于小試階段。干氣藏注氣進(jìn)展緩慢主要有如下幾個(gè)原因：一是中國(guó)天然氣藏開(kāi)發(fā)整體處于快速上產(chǎn)階段，提高采收率技術(shù)需求還不如原油那么迫切；二是有關(guān)天然氣驅(qū)替開(kāi)發(fā)的研究還不充分，驅(qū)氣介質(zhì)的廉價(jià)規(guī)模供給也是個(gè)問(wèn)題；三是引入外部氣體會(huì)改變氣藏產(chǎn)出氣組成，將會(huì)增加采氣綜合成本。但國(guó)家碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)提出后，減碳?jí)毫υ龃?，利用CCUS 技術(shù)實(shí)現(xiàn)油氣田企業(yè)規(guī)模減排顯得愈發(fā)現(xiàn)實(shí)。此外，處于開(kāi)發(fā)中后期的老氣田產(chǎn)量與效益較低，從打造碳產(chǎn)業(yè)角度制定符合實(shí)際的規(guī)劃，比如為地方準(zhǔn)備注入能力，對(duì)盤活老氣田地面系統(tǒng)有廣闊前景[28-29]。當(dāng)前，立足開(kāi)展先導(dǎo)試驗(yàn)以突破CCUS-EGR（驅(qū)氣類碳捕集、利用與封存）技術(shù)[28]，將試驗(yàn)控制在一定規(guī)模并不明顯增加某個(gè)大氣區(qū)內(nèi)天然氣的綜合開(kāi)發(fā)成本。在總結(jié)CO2驅(qū)提高氣藏采收率機(jī)理的基礎(chǔ)上，建立了CO2驅(qū)提高氣藏采收率計(jì)算方法，并提出了設(shè)置CO2驅(qū)提高氣藏采收率重大開(kāi)發(fā)試驗(yàn)項(xiàng)目的若干建議。

1 CO2驅(qū)提高氣藏采收率機(jī)理

1.1 優(yōu)勢(shì)吸附置換作用

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，CO2分子與巖石之間親和力比CH4大，將優(yōu)先占據(jù)巖石表面上原本由吸附態(tài)CH4占據(jù)的空間，使CH4解吸附轉(zhuǎn)化為游離態(tài)。特別是當(dāng)CO2為超臨界狀態(tài)時(shí)，分子活性高，更易進(jìn)入微納米孔隙。采用高壓等溫吸附儀測(cè)定發(fā)現(xiàn)[16]：高煤階煤巖對(duì)CO2和CH4的吸附量之比約2∶1，對(duì)于低煤階煤，該比例往往大于5（圖1）；富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖對(duì)CO2的吸附能力大約是甲烷的5～10 倍（圖2）。CO2的這種優(yōu)勢(shì)吸附能力可將吸附態(tài)甲烷從巖石基質(zhì)或頁(yè)巖母質(zhì)上有效地解吸附置換并占據(jù)其位，從而將吸附態(tài)甲烷轉(zhuǎn)化為便于流動(dòng)的游離態(tài)。由圖1 和圖2 可知，氣體吸附量隨孔隙壓力升高而增加，即氣藏埋深越大，單位質(zhì)量巖石吸附量也越大，吸附埋存CO2的能力越大。

圖1 煤巖對(duì)CO2和CH4的吸附對(duì)比Fig.1 Comparison of adsorption of CO2 and CH4 by coal rock

圖2 頁(yè)巖對(duì)CO2和CH4的吸附對(duì)比Fig.2 Comparison of adsorption of CO2 and CH4 by shale rock

基于核磁共振技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)吸附與提高采收率實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，從微觀上明確了CO2與CH4競(jìng)爭(zhēng)吸附與提高采收率機(jī)理：頁(yè)巖吸附飽和CH4后注入CO2，吸附態(tài)CH4逐步被CO2置換，轉(zhuǎn)化為游離態(tài)進(jìn)入大孔隙和微裂縫，吸附態(tài)CH4被解吸附置換的比例可高達(dá)29 %（圖3）。從分子動(dòng)力學(xué)角度可對(duì)CO2與CH4競(jìng)爭(zhēng)吸附現(xiàn)象給出理論解釋：CO2優(yōu)勢(shì)占據(jù)行為從微觀上屬于非連續(xù)性的分子碰撞，氣體在巖石上的吸附過(guò)程存在放熱反應(yīng)，吸附放熱量可用于衡量巖石對(duì)氣體的吸附能力。單位物質(zhì)的量CO2吸附放熱量為32.7 kJ/mol，大于CH4的24.3 kJ/mol，故CO2吸附更為穩(wěn)定[16]。中聯(lián)煤層氣公司在沁水盆地南部開(kāi)展了CO2強(qiáng)化開(kāi)采煤層氣小型試驗(yàn)，起到了明顯增產(chǎn)效果。CO2注入量為193 t，累積采出量60 t，大部分滯留于煤層，驗(yàn)證煤巖對(duì)CO2具有吸附與封存能力[16]。

圖3 CO2與頁(yè)巖CH4競(jìng)爭(zhēng)吸附核磁共振T2譜Fig.3 Nuclear magnetic resonance T2 spectrum competition adsorption between shale CH4 and CO2

1.2 連續(xù)對(duì)流排驅(qū)作用

不論哪種類型的氣藏，其中儲(chǔ)存的甲烷都可以分為吸附態(tài)、游離態(tài)和溶解態(tài)這3 種類型（對(duì)于凝析氣，每一組分亦可類似劃分），區(qū)別在于3種賦存狀態(tài)天然氣在地質(zhì)儲(chǔ)量中的占比不同。

在CO2驅(qū)氣過(guò)程中，游離態(tài)甲烷包括孔隙中原本就遠(yuǎn)離巖石或富有機(jī)質(zhì)壁面的游離態(tài)CH4，以及被CO2解吸附后轉(zhuǎn)化為游離態(tài)的CH4。在驅(qū)替壓力梯度下，上述兩部分游離態(tài)CH4被CO2驅(qū)趕向采氣井，將此機(jī)理概括為連續(xù)對(duì)流排驅(qū)。如果說(shuō)優(yōu)勢(shì)吸附置換機(jī)理是“打臺(tái)球”式的離散分子碰撞行為，連續(xù)對(duì)流排驅(qū)就屬于宏觀流動(dòng)；根據(jù)流動(dòng)空間及類型，連續(xù)對(duì)流排驅(qū)可以進(jìn)一步細(xì)分為孔隙盲端中的類渦狀排驅(qū)[30]、連通迂曲孔道中的滲流迂滲排驅(qū)（圖4），以及寬裂縫中的管流排驅(qū)等類型；因此，連續(xù)對(duì)流排驅(qū)亦可稱為多重對(duì)流排驅(qū)。潞安煤礦CO2強(qiáng)化開(kāi)采煤層氣試驗(yàn)停注CO2期間產(chǎn)出氣中的瓦斯體積分?jǐn)?shù)顯著下降，是對(duì)流排驅(qū)機(jī)理的驗(yàn)證[16]。

圖4 連通孔道中CO2對(duì)流排驅(qū)CH4示意圖Fig.4 Schematic diagram of CH4 convective displaced by CO2 in connected channels

由于驅(qū)替介質(zhì)CO2與被驅(qū)替的CH4黏度接近且無(wú)界面張力，連續(xù)對(duì)流排驅(qū)的效率通常較高，可達(dá)75%～90%[14,31]，達(dá)不到100%的原因是受優(yōu)勢(shì)流動(dòng)孔隙路徑和盲端的影響；對(duì)于有水氣藏，驅(qū)氣效率影響因素比較復(fù)雜，連續(xù)對(duì)流排驅(qū)的效率會(huì)有所降低。

1.3 補(bǔ)充氣藏能量作用

天然氣藏開(kāi)發(fā)通常采取衰竭開(kāi)采方式，地層能量持續(xù)下降直至氣藏廢棄。注入CO2等氣體介質(zhì)可彌補(bǔ)氣藏虧空，補(bǔ)充地層能量，提高氣藏地層壓力，甚至可使剩余天然氣恢復(fù)到原始?jí)毫Ξa(chǎn)狀，從而提高采氣速度，延長(zhǎng)氣藏開(kāi)采壽命，具有進(jìn)一步提高天然氣采收率的效果。

對(duì)于給定氣藏，地層壓力越高，儲(chǔ)層吸附CO2的能力也越強(qiáng)。補(bǔ)充氣藏能量作用將會(huì)強(qiáng)化優(yōu)勢(shì)吸附置換機(jī)理，同時(shí)能夠埋存更多的CO2。

對(duì)于有水氣藏，通過(guò)注氣補(bǔ)充地層能量，還能夠起到逼退或抑制邊水入侵和底水錐進(jìn)，延長(zhǎng)氣藏的無(wú)水或低含水開(kāi)采年限，或是降低氣藏產(chǎn)水量，不僅有益于天然氣最終采收率的提高，還能降低排水采氣的作業(yè)量和成本。

2 CO2驅(qū)提高氣藏采收率計(jì)算模型

向天然氣藏注CO2的作用最終體現(xiàn)在對(duì)波及系數(shù)和驅(qū)氣效率的改變上。CO2驅(qū)對(duì)吸附、游離和溶解3 種賦存狀態(tài)甲烷的驅(qū)替效率明顯不同，但3 種賦存狀態(tài)的甲烷被CO2波及的體積系數(shù)可近似認(rèn)為相同，據(jù)此可建立CO2驅(qū)提高氣藏采收率預(yù)測(cè)公式。

在3 種機(jī)理作用下，CO2驅(qū)能夠起到提高采收率的效果，并且提高采收率的幅度主要取決于優(yōu)勢(shì)吸附置換和對(duì)流排驅(qū)采出的天然氣量。吸附態(tài)甲烷在氣藏儲(chǔ)量中所占比例可以表示為：

式中：xads為吸附態(tài)甲烷在氣藏儲(chǔ)量中的占比；xfree為游離態(tài)甲烷在氣藏儲(chǔ)量中的占比；xdisv為溶解態(tài)甲烷在氣藏儲(chǔ)量中的占比。

將吸附態(tài)甲烷被CO2置換的比例記為EDads，游離態(tài)甲烷被CO2排驅(qū)出來(lái)的比例為EDfree，溶解態(tài)甲烷因CO2溶解于水而被替換出的比例為EDdisv。比照驅(qū)油效率，可得到CO2驅(qū)氣效率如下：

式中：EDg為CO2驅(qū)氣效率，%；EDads為吸附態(tài)甲烷被CO2置換的比例，%；EDfree為游離態(tài)甲烷被CO2排驅(qū)出來(lái)的比例，%；EDdisv為溶解態(tài)甲烷因CO2溶解于水而被替換出的比例，%。

在CO2驅(qū)階段，基于原始地質(zhì)儲(chǔ)量的天然氣藏采出程度可寫作：

顯然，開(kāi)始CO2驅(qū)前的天然氣采出程度為：

式（3）—式（4）中：Re-inCO2為CO2驅(qū)階段天然氣藏采出程度，%；EVg為注入CO2的波及系數(shù)；Re-preCO2為開(kāi)始CO2驅(qū)時(shí)的天然氣藏采出程度，%；Re0為轉(zhuǎn)CO2驅(qū)時(shí)的天然氣藏采出程度，%。

假設(shè)CO2驅(qū)階段的氣藏壓力接近原始水平，CO2注入結(jié)束后繼續(xù)衰竭開(kāi)采直至廢棄，則CO2驅(qū)后階段的天然氣采出程度可近似寫作：

CO2驅(qū)階段連同衰竭開(kāi)采階段的總采收率為：

CO2驅(qū)提高天然氣采收率幅度為：

式（5）—式（7）中：Re-postCO2為CO2驅(qū)后階段的天然氣采出程度，%；Reu0為天然氣藏衰竭開(kāi)采標(biāo)定采收率，%；ReuCO2為天然氣藏總采收率，%；ΔReuCO2為CO2驅(qū)提高天然氣采收率值，%。

聯(lián)合式（3）—式（7），整理后得到：

式（8）即為CO2驅(qū)提高氣藏采收率計(jì)算模型。實(shí)際中，天然氣在地層水中溶解度很低，溶解態(tài)甲烷的儲(chǔ)量占比常小于3 %，予以忽略不計(jì)，則上式可簡(jiǎn)化為：

利用式（9）計(jì)算CO2驅(qū)提高氣藏采收率值，需要已知若干參數(shù)。其中，需要實(shí)驗(yàn)測(cè)定的包括游離態(tài)甲烷在天然氣儲(chǔ)量的占比（經(jīng)驗(yàn)值大于20%[14,32]）、CO2驅(qū)替吸附態(tài)甲烷的效率（經(jīng)驗(yàn)值介于20%～30%）、CO2驅(qū)替游離態(tài)甲烷的效率（有水氣藏介于40%～60%，弱水侵氣藏高于80 %[32]）。不同類型氣藏CO2的波及系數(shù)需要通過(guò)數(shù)值模擬、物理模擬并結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)確定一個(gè)多影響因素的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，衰竭開(kāi)發(fā)的氣藏采收率可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)標(biāo)定，轉(zhuǎn)驅(qū)時(shí)采出程度據(jù)實(shí)計(jì)算。

現(xiàn)假定某頁(yè)巖氣藏游離態(tài)甲烷在氣藏儲(chǔ)量中占比50 %，頁(yè)巖氣注CO2對(duì)流排驅(qū)游離氣的效率為80%，吸附態(tài)甲烷被CO2置換的比例為25%，頁(yè)巖氣衰竭開(kāi)采標(biāo)定采收率20%，CO2波及系數(shù)在0.2～0.7取值，以頁(yè)巖氣采出程度表示轉(zhuǎn)驅(qū)時(shí)機(jī)[33]。根據(jù)式（9）可以繪制出不同波及系數(shù)和轉(zhuǎn)驅(qū)時(shí)機(jī)下的CO2驅(qū)提高天然氣采收率值的變化情況（圖5）。

圖5 典型頁(yè)巖氣藏CO2驅(qū)提高采收率值圖版Fig.5 EGR value chart of CO2 flooding in typical shale gas reservoir

研究表明，油藏中CO2驅(qū)油的波及系數(shù)一般與水驅(qū)接近，通常高于0.35[23,28]。CO2驅(qū)天然氣的流度比要比CO2驅(qū)油過(guò)程有利得多，CO2驅(qū)天然氣的波及系數(shù)應(yīng)該更高。根據(jù)柯克亞凝析氣藏高壓循環(huán)注氣的模擬研究，干氣驅(qū)替凝析氣的波及系數(shù)在0.65 左右[24-26]。根據(jù)圖5 可知，波及系數(shù)在0.4 以上時(shí)，CO2驅(qū)提高天然氣采收率值可達(dá)15%～35%，這一采收率效果的提高對(duì)頁(yè)巖氣藏來(lái)說(shuō)，相當(dāng)于重新發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新氣藏，意義重大。須指出，可采儲(chǔ)量倍增將使頁(yè)巖氣井網(wǎng)整體效益調(diào)整成為可能。由此，建議針對(duì)中深層頁(yè)巖氣、深層煤層氣、強(qiáng)水驅(qū)氣藏等具有較好碳封存條件的氣藏，進(jìn)行CO2驅(qū)提高天然氣采收率的經(jīng)濟(jì)可行性評(píng)估，優(yōu)選目標(biāo)氣藏開(kāi)展多種類型的重大開(kāi)發(fā)試驗(yàn)，深入檢驗(yàn)CO2驅(qū)提高天然氣采收率效果。

3 CO2驅(qū)提高氣藏采收率試驗(yàn)主攻方向

3.1 試驗(yàn)煙氣組分協(xié)同驅(qū)替效果

油氣田企業(yè)內(nèi)部及周邊往往有豐富的低體積分?jǐn)?shù)煙氣碳源，天然氣凈化廠通常也有中小規(guī)模碳源，均可用作試驗(yàn)碳源。煙氣中CO2含量通常介于10%～40%，其余成分主要是N2。等溫吸附實(shí)驗(yàn)表明，高階煤巖對(duì)CO2、CH4和N2的吸附量之比約4∶2∶1（圖6）；對(duì)于頁(yè)巖基質(zhì)，該比例往往大于10∶2∶1。三者之中，CO2最容易被吸附，N2最不容易吸附。煙氣驅(qū)替過(guò)程中，優(yōu)勢(shì)吸附置換機(jī)理發(fā)展主要靠CO2，對(duì)流排驅(qū)機(jī)理主要靠N2實(shí)現(xiàn)。廉價(jià)煙氣的主要組分協(xié)同驅(qū)替，有望大幅降低CO2利用成本并保障技術(shù)效果。當(dāng)然，若有低成本的中高純度的碳源可供利用則更好。

圖6 高階煤巖對(duì)不同氣體的吸附量Fig.6 Adsorption capacity of high rank coal for different gases

3.2 試驗(yàn)擴(kuò)大CO2驅(qū)波及體積技術(shù)

根據(jù)圖5 可知，CO2的波及系數(shù)為0.4 時(shí)，CO2驅(qū)提高采收率幅度可達(dá)到15%以上（頁(yè)巖氣天然能量開(kāi)發(fā)的標(biāo)定采收率通常在20%左右）。須指出，可采儲(chǔ)量倍增將使頁(yè)巖氣井網(wǎng)整體效益調(diào)整成為可能，結(jié)合井網(wǎng)調(diào)整和注采工作制度優(yōu)化還可以進(jìn)一步提高CO2的波及系數(shù)和采收率。通過(guò)井網(wǎng)井型優(yōu)化和開(kāi)發(fā)層系組合，并加強(qiáng)排采制度研究提高CO2波及系數(shù)，力爭(zhēng)提高氣藏采收率20個(gè)百分點(diǎn)以上。

3.3 開(kāi)展天然氣藏CO2驅(qū)提高采收率與埋存潛力評(píng)價(jià)

在碳達(dá)峰碳中和背景下，開(kāi)展天然氣藏的CCUS/CCS 潛力評(píng)價(jià)，對(duì)于明確中國(guó)尤其是石油行業(yè)的碳中和實(shí)現(xiàn)路徑、CCUS 試驗(yàn)與推廣應(yīng)用項(xiàng)目部署，以及碳產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。潛力評(píng)價(jià)主要包括建立CO2驅(qū)提高天然氣藏采收率與埋存潛力技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)方法、研究CO2驅(qū)氣波及系數(shù)與驅(qū)氣效率變化規(guī)律及主控因素、建設(shè)天然氣藏基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫(kù)、潛力評(píng)價(jià)方法的應(yīng)用與結(jié)果分析等工作。

4 結(jié)論與建議

1）優(yōu)勢(shì)吸附置換、連續(xù)對(duì)流排驅(qū)、補(bǔ)充氣藏能量為CO2驅(qū)提高氣藏采收率的3種主要機(jī)理。

2）建立了CO2驅(qū)提高氣藏采收率的計(jì)算方法，CO2驅(qū)有望提高頁(yè)巖氣采收率20 個(gè)百分點(diǎn)以上，為有效調(diào)整頁(yè)巖氣開(kāi)采井網(wǎng)提供了可能。

3）建議開(kāi)展CO2驅(qū)提高氣藏采收率重大礦場(chǎng)試驗(yàn)，以突破大幅度提高天然氣采收率技術(shù)。重點(diǎn)試驗(yàn)檢驗(yàn)煙氣組分協(xié)同驅(qū)替效果、試驗(yàn)擴(kuò)大CO2驅(qū)波及體積技術(shù)，以及開(kāi)展天然氣藏CO2驅(qū)提高采收率與埋存潛力評(píng)價(jià)。