二氧化碳驅地下流體相態特征研究

姜鳳光，胡永樂

(1.中石化石油勘探開發研究院，北京 100083;2.中油勘探開發研究院，北京 100083)

引 言

為實現油氣增產和CO2減排的雙贏效果，將CO2氣體注入油藏提高原油采收率已成為CO2資源化利用的重要途徑之一[1-3]。CO2驅油過程主要包括混相驅和非混相驅，其中混相驅可以形成穩定的驅油帶，微觀驅替效率可達90%以上，而非混相驅提高采收率幅度較低。

目前國內注CO2提高采收率開發項目由于礦場試驗周期短，對開發機理和氣驅油特征規律認識不清，現場應用效果遠低于預期試驗結果。

因此，利用油藏工程和數值模擬方法，研究不同CO2含量下的P-X相圖及相態包絡線，分析CO2含量對地下流體相態特征和滲流特征的影響，有利于更好地發揮 CO2驅提高采收率的優勢[4-6]。

1 相平衡計算模型

在任一給定的油藏壓力p和油藏溫度T狀態下，體系中氣、液物質的量分數滿足ng+nl=1。根據流體相平衡熱力學原理，建立相平衡計算熱力學模型[7-10]:

式中:p為油藏壓力，MPa;T為油藏溫度，℃;ng、nl為氣、液相物質的量分數;i為組分數，i=1，2，…，n;xi為氣相中i組分的物質的量;yi為液相中i組分的物質的量;z0i為油氣體系原始組成;ki為平衡常數(ki=yi/xi);Fi為氣、液相逸度相等平衡條件目標函數;Fn+1為氣液相組成歸一化平衡條件目標函數(∑(yi-xi)=0)。

2 CO2-原油體系相態特征研究

純CO2的相態主要受壓力、溫度的影響[11-13]，隨著溫度和壓力的變化，CO2呈現出氣態、液態、固態和超臨界態4種狀態，CO2的臨界溫度為31.06℃，臨界壓力為7.39 MPa。當CO2注入油藏，CO2-原油體系相態除了受溫度、壓力影響外，還受CO2物質的量分數(用符號C代替)的影響。以普魯德霍灣MilnePoint油田Kupa儲層為算例[14]，該油藏原始地層壓力為12.07 MPa，地層溫度為30℃，飽和壓力為6.18 MPa，原油黏度為3 mPa·s。利用 PVTi流體分析軟件包，研究不同CO2物質的量分數下CO2—原油體系流體相圖特征，分析CO2物質的量分數對地下流體相態特征的影響(圖1)。

圖1 CO2—原油體系相態包絡圖

由圖1可知，在原始條件下，地下流體為液相(A區)，位于臨界點C0的上方，隨著CO2注入量的增多，CO2—原油體系壓力—溫度相圖臨界點不斷向左移動(由C0到C4)，兩相區(B區)不斷擴大。同時隨著CO2注入量的增多，CO2—原油體系飽和壓力不斷增加(圖2)。表明CO2對地下流體的相態特征有一定的影響，注入量越大，影響越大。

圖2 CO2—原油體系飽和壓力變化曲線

3 CO2—原油體系滲流特征研究

當溫度位于CO2臨界溫度附近或低于CO2臨界溫度時，隨著壓力的變化，CO2—原油體系將出現三相狀態。仍以普魯德霍灣MilnePoint油田Kupa儲層為算例[14]，利用相平衡計算模型計算壓力—物質的量分數相圖，分析CO2含量對地下流體滲流特征的影響(圖3)。隨著體系中CO2物質的量增加，CO2與原油體系存在一個臨界點，在臨界點的下方，地下流體隨著壓力的降低，分離出部分氣態CO2，由單一液相L(CO2與原油混相A區)變為氣液(富含烴類的液相L1和CO2氣相V)兩相(B區);在臨界點的上方，地下流體隨著壓力的降低，有一部分液態 CO2轉化為氣態的 CO2，由液—液(富含烴類的液相L1和CO2液相 L2)兩相(C區)變為液—氣—液(富含烴類的液相L1、CO2氣相V和CO2液相L2)三相(D區)，壓力繼續降低，再變成氣液兩相(B區)。注CO2驅油藏開發過程中，一旦出現三相區，將會極大地降低CO2注入能力，影響油田開發效果。因此，注CO2驅油藏開發時，應保持一定的地層壓力，生產壓差不能過大，盡量避開三相區。

圖3 不同CO2含量壓力—物質的量分數關系

4 CO2—原油體系流體性質研究

利用PVTi流體分析軟件包，研究了CO2含量對CO2—原油體系流體性質的影響[15-19]。

4.1 黏度

隨著CO2—原油體系中CO2溶解量的增加，地層原油黏度降低，流度比得到改善。當CO2—原油體系中CO2物質的量分數超過60%，隨CO2含量的增加，黏度降低幅度減小(圖4)。研究表明，體系中CO2物質的量分數為60%時降黏效果最好，與原始條件下黏度相比，原油黏度降低了48%，說明油藏注CO2開發時存在一個最佳注入量，在該注入量下地層原油降黏效果最好，當CO2注入量超過了所處壓力下的溶解氣量時，油氣會分離成兩相，影響降黏效果。因此油藏進行注氣開發方案設計時需對CO2注入量進行優化。

圖4 CO2-原油體系黏度變化曲線

4.2 原油相對體積

CO2溶解于原油后，與原始狀態的原油相比，體積系數增加。CO2—原油體系膨脹系數隨著原油平均分子質量減小(輕質組分增多)而增加，隨CO2在原油中的物質的量分數增加而增大。當CO2—原油體系中CO2物質的量分數為40%，地層壓力為0.5 MPa時，與原始條件相比，原油的相對體積膨脹了近11倍，表明 CO2具有很強的膨脹地層原油、增加可動油的能力，可有效增加地層的彈性能量(圖5)。

圖5 原油相對體積變化曲線

5 結論

(1)CO2含量對原油相態有一定影響，CO2含量越大，影響越大。隨著CO2含量的增加，CO2-原油體系臨界點不斷向上移動，兩相區不斷擴大，飽和壓力不斷增加。

(2)CO2—原油體系存在臨界點，在臨界點的下方，隨著壓力的降低，地下流體由單一液相變為氣液兩相;在臨界點的上方，當低于一定溫度時，隨壓力的變化會出現三相區。油藏進行注氣開發時，生產壓差不能過大，要注意避開三相區，以免影響油田開發效果。

(3)隨著CO2溶解量的增加，地層原油黏度降低，流度比得到改善，但是體系中CO2物質的量分數超過60%時，黏度降低幅度減弱。CO2—原油體系膨脹系數隨著原油平均分子質量小(輕質組分增多)而增加，隨CO2在原油中的物質的量分數增加而增大。

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