二氧化碳含量對天然氣性質影響的實驗研究

王錦昌，杜建芬，曾 錚，郭 平，袁立鶴

（1.中國石化華北分公司工程技術研究院；2.西南石油大學“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室；3.中國石油玉門油田分公司生產科）

二氧化碳含量對天然氣性質影響的實驗研究

王錦昌1，杜建芬2，曾 錚3，郭 平2，袁立鶴1

（1.中國石化華北分公司工程技術研究院；2.西南石油大學“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室；3.中國石油玉門油田分公司生產科）

采用室內研究的方法，對CO2含量分別為10%，30%，50%，70%，90%，100%的天然氣樣品做了 3個不同溫度（20℃，30℃，40℃）下的恒組成膨脹實驗測試研究。結果表明：隨CO2含量由10%增大到100%，天然氣樣品的臨界溫度由-69.86℃增高到31.4℃，臨界壓力由4.85 MPa增高到7.38 MPa；溫度不變，壓力一定時，隨著天然氣中CO2含量的增高，天然氣樣品的相對體積呈增大的趨勢，不同CO2含量的天然氣樣品隨壓力降低其體積膨脹規律表現出了類似CO2超臨界狀態的特征。以上認識對CO2和天然氣混合氣體驅油施工及今后更進一步的研究具有一定的借鑒意義。

CO2；膨脹實驗；相對體積；超臨界；黏度

0 引言

CO2在油田驅替中的應用越來越普遍，在全國多個油田都已進行過現場試驗[1-3］。CO2的主要優點是易于達到超臨界狀態。CO2在溫度略高于臨界溫度（31.4℃）和壓力略高于臨界壓力（7.38 MPa）時，處于超臨界狀態，其性質會發生明顯變化，即密度近于液體密度，黏度卻近于氣體黏度，擴散系數則為液體擴散系數的10到100倍，因而具有較大的溶解能力。在超臨界狀態時溶質溶解度增加，有利于提高總的傳質速率，且油層的結構有利于增加內擴散與外擴散，從而使CO2與原油增加接觸機會而易于混相[4］。

目前，國內外對于CO2與天然氣混合氣體驅油的研究較少，各大油田對CO2和天然氣混合驅油的試驗報道也較少。而要采取CO2和天然氣混合模式驅油提高采收率，對CO2和天然氣混合氣體的性質（包括相對體積、黏度、偏差系數、體積系數、壓縮系數及密度等物性參數）進行研究就顯得至關重要。

1 實驗方法

1.1 實驗設備準備

實驗主要在高溫高壓PVT相態儀中進行。該相態儀的工作壓力為0～70 MPa，工作溫度為0～200℃，筒體有效體積為135 mL。整套流程的實驗設備由注入泵系統、PVT筒、閃蒸分離器、密度儀、溫控系統、氣相色譜儀、電子天平和氣體增壓泵組成。

用無鉛汽油或石油醚對PVT儀的注入泵、管線、PVT筒、分離器瓶、密度儀等進行清洗，之后用高壓氮氣吹干待用。按國家技術監督局計量認證的技術規范要求，對所用設備進行試溫試壓，試溫試壓的最大溫度和壓力為實驗所需最大溫度和壓力的120%[5］。用標準密度油對密度儀進行校正，按操作規程[5］對泵、壓力表、PVT筒體積、溫度計進行校正。

1.2 實驗樣品配制

實驗采用X油田M-1井取得的天然氣，該天然氣為甲烷含量95.42%的干氣，其中N2含量為2.10%，C2—C6+總計僅為2.47%。該天然氣與純度為99.99%的CO2復配樣品，分別配得CO2摩爾含量為10%，30%，50%，70%，90%，100% 的樣品。 通過精密氣相色譜儀對配制的樣品進行色譜分析[5］，再經計算，得到樣品的詳細摩爾含量（表1）。

1.3 實驗步驟

恒組成膨脹實驗原理是指恒量氣體樣品密閉在PVT容器中，從設定壓力開始，保持溫度不變，通過增大PVT容器體積逐級降低氣體樣品的壓力，從而測試出氣體樣品在某一溫度下不同壓力所對應的氣體體積。筆者對不同CO2含量的天然氣樣品分別進行了3個不同溫度（20℃，30℃，40℃）的恒組成膨脹實驗。實驗步驟如下（以溫度40℃的實驗為例）：①將定量天然氣樣品轉入高溫高壓PVT相態儀中，保持溫度40℃、壓力15 MPa，穩定30 min后記錄下樣品的初始體積V1；②保持溫度40℃不變，降低壓力到14 MPa，穩定30 min后記錄下體積V2；③如同步驟②中所述，逐級降壓可以分別得到不同壓力 P3，P4，…，Pi所對應的體積 V3，V4，…，Vi。 如果以溫度40℃、壓力15 MPa時的體積為基準體積，則某一壓力Pi下的相對體積即為Vi/V1。由于不同CO2含量的氣體樣品在膨脹至4 MPa時膨脹規律就已基本一致，本文恒組成膨脹的最低壓力Pi選取3 MPa為終止實驗壓力。

表1 不同CO2含量的天然氣摩爾含量詳表Table 1 Mole percentage of natural gas with different CO2content

2 實驗結果與分析

2.1 CO2含量對臨界溫度及臨界壓力的影響

圖1 CO2含量與天然氣臨界溫度和臨界壓力的關系Fig.1 Relations of CO2content with critical temperature and critical pressure of natural gas

圖1為CO2含量對天然氣臨界溫度、臨界壓力影響的關系曲線。從圖中可以看出，隨著CO2含量由10%增大到100%，天然氣樣品的臨界溫度、臨界壓力均呈近似正比例函數增大，其中臨界溫度由-69.86℃增大到31.4℃，臨界壓力由4.85 MPa增大到7.38 MPa。

2.2 40℃時CO2含量對天然氣相對體積的影響

圖2為溫度40℃時不同CO2含量的天然氣樣品相對體積隨壓力變化的曲線。此處相對體積是指以壓力15 MPa、溫度40℃時的體積為單位體積，隨壓力降低，體積膨脹大小以單位體積的倍數計量。從圖2中可以看出，CO2含量為100%的天然氣樣品（純CO2）的相對體積變化曲線，在壓力為7.38 MPa處有一個明顯的拐點。分析后認為，溫度40℃大于CO2的臨界溫度，當壓力由15 MPa逐漸降低到7.38 MPa時，CO2處于超臨界狀態，其密度近于液體密度，體積變化不大；在壓力由7.38 MPa逐漸降低到3 MPa的過程中，CO2處于非超臨界狀態，其密度近于氣體密度，體積膨脹較為明顯。在壓力由15 MPa逐漸降低到 3 MPa的過程中，CO2含量為90%的天然氣樣品，其相對體積變化曲線在壓力為7.14 MPa處有較為明顯的拐點，CO2含量分別為70%，50%，30%，10%的天然氣樣品，其相對體積變化曲線分別在壓力為 6.56 MPa，6.01 MPa，5.39 MPa，4.85 MPa處有較為明顯的拐點。分析上述現象認為，CO2含量不同，導致天然氣的臨界條件發生改變，從而引起天然氣樣品的體積膨脹規律出現了差異。總體上看，CO2含量越高的天然氣，在壓力降低到3 MPa時其體積膨脹比例越大。

圖2 40℃時不同CO2含量的天然氣相對體積隨壓力變化的曲線Fig.2 The curves of relative volume of natural gas with different CO2content at 40℃changing with pressure

2.3 30℃，20℃時CO2含量對天然氣相對體積的影響

圖3、圖4分別為溫度為30℃和20℃時，不同CO2含量的天然氣樣品相對體積隨壓力變化的曲線。此處相對體積是指以壓力15 MPa、溫度分別為30℃和20℃時的體積為單位體積，隨壓力降低，體積膨脹大小以單位體積的倍數計量。從圖3、圖4中可以明顯看出，壓力從15 MPa降低到3 MPa的過程中，CO2含量為100%的天然氣（純CO2）相對體積變化曲線幾乎接近于一條直線。因為溫度30℃，20℃均低于CO2的臨界溫度31.4℃，純凈CO2密度性質近于液體，無論壓力如何變化其體積變化都很小。

圖3 30℃時不同CO2含量的天然氣相對體積隨壓力變化的曲線Fig.3 The curves of relative volume of natural gas with different CO2content at 30℃changing with pressure

圖4 20℃時不同CO2含量的天然氣相對體積隨壓力變化的曲線Fig.4 The curves of relative volume of natural gas with different CO2content at 20℃changing with pressure

從圖3的曲線變化可以看出，CO2含量分別為 90%，70%，50%，30%，10% 的天然氣樣品，其相對體積變化曲線分別在壓力為7.14 MPa，6.56 MPa，6.01MPa，5.39 MPa，4.85 MPa處有較為明顯的拐點。分析認為，CO2含量分別為 90%，70%，50%，30%，10%的天然氣樣品的臨界溫度均低于實驗溫度30℃，不同CO2含量的天然氣樣品隨壓力降低其體積膨脹表現出了類似CO2超臨界狀態的特征。

從圖4的曲線變化可以看出，CO2含量為90%的天然氣樣品，膨脹曲線較為平滑，沒有明顯的拐點。主要是因為實驗溫度20℃低于CO2含量為90%的天然氣樣品的臨界溫度21.56℃，該樣品在壓力降低、體積膨脹過程中不受10%含量的CO2超臨界現象的影響。而CO2含量分別為70%，50%，30%，10%的天然氣樣品，其相對體積變化曲線分別在壓力為 6.56 MPa，6.01 MPa，5.39 MPa，4.85 MPa 處有較為明顯的拐點。主要是因為CO2含量分別為70%，50%，30%，10%的天然氣樣品的臨界溫度均低于實驗溫度20℃，隨壓力降低其體積膨脹同樣表現出了類似CO2超臨界狀態的特征。

2.4 實驗效果分析

采用天然氣直接驅油，特別是采用類似本文提到的X油田M-1井甲烷含量很高的天然氣直接驅油時，由于天然氣在原油中的溶解能力有限，在天然氣驅油的接觸面上很容易錐進突破，因此難以達到較高的驅油效率[6-8］。而純凈的CO2易于達到超臨界狀態，處于液態時易于溶解于原油而混相，所以在CO2驅油過程中，能在接觸面迅速形成混相帶而阻止氣體的錐進突破，從而形成段塞驅油模式，使驅油效率大大提高。但是由于CO2資源稀缺，油田提高采收率很難采用CO2直接驅油模式。通過本文實驗研究表明，天然氣中混有一定量的CO2后，天然氣的臨界壓力、臨界溫度都發生了改變。在不同的溫度下，隨著壓力的變化，天然氣樣品的體積變化都表現出了類似CO2超臨界狀態的變化特征。這一實驗現象表明，如果采用CO2與天然氣的混合氣體驅油，混合氣體與原油之間的界面張力較純凈天然氣與原油之間的界面張力要低，混合氣體在原油中的擴散能力更強，即混合氣體更易于在原油中溶解，更容易與原油增加接觸混相機會而混相，混相后氣體與原油之間將不再有界面或表面張力[9-10］。混相帶一旦形成，可有效阻止驅油過程中的氣體錐進突破，從而達到提高驅油效率的目的。

3 結論與建議

（1）天然氣中混合一定量的CO2后，天然氣的臨界壓力和臨界溫度都發生了改變，隨著CO2含量的增高，天然氣的臨界壓力和臨界溫度均呈增大的趨勢。

（2）伴隨著壓力的變化，天然氣與CO2的混合氣體體積變化表現出了類似純凈CO2超臨界狀態的特征。

（3）目前對于天然氣與CO2的混合氣體性質的研究較少，對天然氣與CO2混合驅油的機理尚有待進一步開展理論研究和現場試驗。

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Experimental study on influence of carbon dioxide content on natural gas properties

WANG Jin-chang1， DU Jian-fen2， ZENG Zheng3， GUO Ping2， YUAN Li-he1
（1.Research Institute of Engineering Technology，Huabei Branch，Sinopec，Zhengzhou 450006，China；2.State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation， Southwest Petroleum University，Chengdu 610500， China；3.Department of Production，Yumen Oilfield Company， PetroChina， Yumen 735200， China）

The constant composition expansion experiments on natural gas with CO2content of 10%,30%,50%,70%,90%,100%under three different temperatures（20℃,30℃,40℃）are conducted respectively.The results showthat with theCO2contentincreasingfrom10%to100%,the critical temperature ofnatural gas samples increases from-69.86℃to 31.4℃,and the critical pressure increases from 4.85 MPa to 7.38 MPa.When the temperature and pressure is constant,with the increasingofCO2content in natural gas,the relative volume of natural gas samples shows an increase,and with the decreasingofpressure,the volume expansion lawof natural gas samples with different CO2content shows a similar phenomenon in the supercritical CO2characteristics.This cognition is significant for the further study on oil displacement bymixture ofCO2and natural gas.

CO2； expansion test； relative volume； supercritical state； viscosity

TE357.45

A

1673-8926（2011）03-0115-04

2010-12-21；

2011-03-05

王錦昌，1984年生，男，碩士，目前主要從事鉆井工程設計、研究及油氣田開發類相關工作。地址：（450006）河南省鄭州市隴海西路199號中國石化華北分公司工程技術研究院719室。E-mail：13733197729@qq.com

于惠宇）