CO2驅氣溶性降混劑提高采收率機理實驗

孫大龍，張廣東，彭 旭，敬 豪，呂 華，任超峰，王 寧

(1.西南石油大學，四川 成都 610500；2.四川省科源工程技術測試中心，四川 成都 610091；3.中國石油長慶油田分公司，陜西 靖邊 718500；4.中國石油長慶油田分公司，陜西 西安 710000)

0 引 言

中國低滲透石油資源分布較廣，在近幾年探明石油儲量中，低滲透石油資源所占比例達到70%以上[1-2]。低滲透油藏通常具有低孔低滲、滲流能力差、產能低等特點，采用常規注水開發，存在注入困難，波及范圍較小，采收率較低等問題[3]。為達到油藏持續高效開發，油田多采用CO2混相驅油技術，可提高低滲透油藏采收率15%～25%[4-5]。中國先后在大慶、吉林、遼河、江蘇等油田進行了CO2混相驅油，均取得了一定的效果[6]，但多數油藏CO2混相壓力較高，無法達到混相，導致低滲透率油藏的驅油效果受到嚴重影響[7-9]。目前，添加混相調節劑已成為降低CO2與原油混相壓力的主要技術手段，但針對低滲透油藏降低CO2驅混相壓力溶劑的研究集中體現在油溶性降混劑的研制、室內評價、驅油機理及礦場實踐應用方面，氣溶性降混劑的研究鮮有報道[10-23]。因此，利用已在礦場實踐中應用的氣溶性降混劑JS，提出了一種氣溶性降混劑的降混機理實驗評價方法，研究了該氣溶性降混劑對原油組分、黏度、相態特征以及油氣界面張力的影響，確定了氣溶性降混劑降低混相壓力的機理。此外，分析了氣溶性降混劑與CO2混合注入、段塞注入2種注入方式提高采收率的驅油機理，以期為氣溶性降混劑在礦場上的應用提供理論指導。

1 實驗準備

實驗用降混劑為氣溶性降混劑JS；實驗用油為X區塊地層原油，25 ℃下原油密度為0.880 1 g/cm3，60 ℃下原油黏度為122.0 mPa·s；實驗用氣為純度99%的CO2。

實驗儀器包括Agilent 7890A氣相色譜儀、高溫高壓Hakeem流變儀、高溫高壓界面張力儀(限壓40 MPa，限溫200 ℃)、法國ST公司高壓PVT儀、高溫高壓配樣器、恒壓泵(限壓69 MPa)、攝像系統、高溫高壓中間容器(限壓69 MPa)、壓力表(限壓60 MPa)、真空泵、微量泵以及氣體增壓泵(限壓150 MPa)等。

2 實驗與結果

2.1 對原油組分的影響

在室溫室壓下，配制氣溶性降混劑體積分數分別為3%、20%的混合原油樣品，充分攪拌搖勻后，靜置1 h。取上層部分原油進行組分測試，對比原始油樣組分，分析不同比例氣溶性降混劑對原油組分的影響(表1)。由表1可知：氣溶性降混劑可顯著降低原油重質組分比例，中間烴組分比例呈不同程度增加，且摩爾分數越高，原油的重質組分和中間烴組分改變程度越大。含3%氣溶性降混劑的原油重質組分(C11—C35)摩爾分數減少25.07%，中間烴組分(C5—C7)摩爾分數增加1.10倍，主要增加產物為C6，增加了2.25倍；含20%氣溶性降混劑的原油重質組分摩爾分數減少54.83%，中間烴組分含量增加4.82倍，其中C6和C7的摩爾分數分別增加10.85、2.22倍。此外，含3%氣溶性降混劑的原油裂解組分主要為C11+，而含20%氣溶性降混劑的原油裂解組分主要為C8+，裂解組分范圍隨氣溶性降混劑含量增加而增大。這是由于氣溶性降混劑具有裂解原油重質組分的作用，氣溶性降混劑與原油發生反應，破壞了原油的高碳鏈結構，原油中的重質組分被分解，生成低碳數的中間烴，原油組分向低碳數方向移動。隨著氣溶性降混劑含量增加，原油裂解作用越強，裂解原油組分的范圍越廣。

表1 不同體積分數氣溶性降混劑對原油組分影響

實驗過程中發現，向原油中注入不同體積分數的氣溶性降混劑后，出現了分層現象，且氣溶性降混劑體積分數越大，分層現象越明顯，可見氣溶性降混劑在原油中溶解性有限。結合原油組分變化可知，少量的氣溶性降混劑即可使原油組分向低碳數方向移動，不會在地層過度消耗，可與地層中更遠處的原油發生反應，提高作用范圍。

2.2 對原油黏度的影響

利用高溫高壓Hakeem流變儀，測定含不同體積分數氣溶性降混劑的混合原油樣品黏度隨溫度的變化，研究氣溶性降混劑對原油黏度的影響(圖1)。由圖1可知：初始溫度60 ℃下，原始油樣的黏度為122.0 mPa·s，含3%和20%氣溶性降混劑的原油黏度分別為60.3 mPa·s和2.6 mPa·s，分別降低了50.57%和97.87%。隨著溫度升高，不同原油的黏度出現不同程度下降。分析認為：氣溶性降混劑破壞了原油的內部結構，裂解了原油中高碳鏈結構，使原油黏度大幅度降低，增加了原油的流動性。原油中氣溶性降混劑含量越高，裂解原油高碳鏈結構作用越強，降低原油黏度效果越明顯。

圖1 不同原油黏溫曲線

2.3 對油氣界面張力和混相壓力的影響

為研究氣溶性降混劑對原油與CO2之間界面張力和最小混相壓力的影響，利用高溫高壓配樣器，將含不同體積分數氣溶性降混劑的混合原油和伴生氣，在101 ℃、29.0 MPa條件下進行地層原油復配。采用懸滴法測定復配原油與CO2在不同壓力下的界面張力，并將界面張力為0的壓力點確定為CO2與原油的最小混相壓力。

實驗步驟為：①連接實驗設備，清洗干凈儀器后試溫試壓，利用高溫氣體吹掃系統，抽真空；②加熱高溫高壓反應釜、原油和CO2氣體至設定溫度(101 ℃)，將熱CO2氣體引入高溫高壓反應釜后，加壓至最低實驗壓力(16.7 MPa)；③原油緩慢注入高溫高壓反應釜，在探針處形成小油滴，保持該狀態至達到平衡時拍下油滴圖片，利用軟件計算出界面張力；④調整實驗壓力至原油和CO2達到混相時結束實驗，結果見圖2。由圖2可知：氣溶性降混劑體積分數相同情況下，隨著壓力的增加，原油與CO2之間的界面張力逐漸減小，界面張力與壓力呈線性關系；相同壓力下，含不同體積分數氣溶性降混劑的混合原油的油氣界面張力均小于原始油樣，且隨著氣溶性降混劑含量增加，油氣界面張力降低的幅度越大，油氣界面張力越低，計算得到的最小混相壓力越小(表2)，降低幅度與氣溶性降混劑的濃度呈現正相關。由于氣溶性降混劑改變了原油的組分，使得原油組分向低碳數方向移動，原油與CO2可以在較低壓力下達到相近性質，界面張力降低甚至消失，最終實現油氣混相。相比油溶性降混劑，氣溶性降混劑更容易注入地層，在地層中的波及范圍更廣，消耗量更少，對于降低混相壓力，提高原油采收率，具有極其重要作用。

圖2 含不同體積分數降混劑的混合原油油氣界面張力隨壓力變化

表2 含不同體積分數降混劑的原油-CO2混相壓力

2.4 對原油相態特征的影響

為研究氣溶性降混劑對原油相態的影響，利用Eclipse軟件繪制含不同體積分數氣溶性降混劑的原油相圖(圖3)。由圖3可知：氣溶性降混劑可明顯改變原油的相態特征。隨著氣溶性降混劑體積分數的增加，原油相平衡曲線整體向左下方平移。泡點線和露點線均發生改變，原油相平衡曲線包絡范圍減小，氣液兩相共存區間變小，臨界點由重組分向輕組分轉移。氣溶性降混劑可降低原油在地層溫度下的飽和壓力。含3%和20%的氣溶性降混劑可將原油的飽和壓力由16.58 MPa分別降至15.55 MPa和13.95 MPa，這是由于氣溶性降混劑改變了原油的組分和黏度等物性，導致相態特征發生變化。由此可知，氣溶性降混劑可降低原油的飽和壓力，延長原油脫氣的時間，增大輕質組分比例，改善注氣效果，可在較低壓力下達到油氣混相，提高驅油效率。

圖3 含不同體積分數氣溶性降混劑的混合原油溫壓相圖

2.5 氣溶性降混劑的降低混相壓力機理

由前文可知，氣溶性降混劑具有裂解原油重質組分、降低原油黏度、降低原油飽和壓力、降低原油與CO2之間的界面張力等作用。為明確氣溶性降混劑降低混相壓力的主要機理，對比氣溶性降混劑對原油相關物性的影響程度(表3)。由表3可知：氣溶性降混劑對原油組分、黏度和界面張力的影響均遠大于對原油臨界點和飽和壓力的影響，說明氣溶性降混劑裂解原油重質組分、降低原油黏度和降低原油與CO2的界面張力作用在降低混相壓力過程中占據主導。原油黏度和界面張力降低是油氣混相壓力降低的主要因素，而原油重質組分含量的變化則是油氣混相壓力降低的根本原因。因此，氣溶性降混劑降低混相壓力的主要機理為裂解原油的重質組分、降低原油黏度和降低油氣界面張力。

表3 含不同體積分數氣溶性降混劑的混合原油物性變化程度

3 不同注入方式下氣溶性降混劑提高采收率機理

現場生產中，多采用降混劑與CO2段塞注入和降混劑與CO2混合注入2種注入方式降低CO2驅混相壓力，通常存在注入困難、地層波及范圍較低等問題。氣溶性降混劑可以較好地解決該問題，但目前對氣溶性降混劑的研究剛剛起步，其提高CO2驅采收率的機理尚不明確。因此，結合文獻調研[15-25]，剖析了氣溶性降混劑與CO2混合注入和段塞注入方式條件下的提高采收率機理，為氣溶性降混劑礦場實施及驅油機理研究提供依據。

3.1 氣溶性降混劑與CO2混注

該方式為在地面將氣溶性降混劑與CO2充分混合后注入地層進行驅油，在地層中會先后形成CO2+地層原油的混合帶、CO2區、CO2+氣溶性降混劑+地層原油的混相帶、氣溶性降混劑+地層原油的混合帶、CO2+氣溶性降混劑+地層原油的混相帶(圖4)。

(1) 氣溶性降混劑與CO2混注驅油過程中，注入的氣溶性降混劑和CO2混合物在地層中一起擴散。由于CO2氣體分子擴散速度較快，氣溶性降混劑擴散速度相對較慢，會在驅替區域的最前端形成CO2+地層原油的混合帶，改變部分地層原油的性質。殘余的CO2和氣溶性降混劑逐漸形成CO2區和CO2+地層原油+氣溶性降混劑的混相帶。

(2) 由于氣溶性降混劑和CO2的擴散速度的差異，后期CO2與氣溶性降混劑分離，在CO2+地層原油+氣溶性降混劑的混相帶后端形成氣溶性降混劑+地層原油的混合帶。在該混合帶中，越靠近混合帶前端，氣溶性降混劑所占的比例越低，裂解原油重質組分、降低原油黏度、降低原油與CO2的界面張力的程度有限；越靠近混合帶后端，氣溶性降混劑所占比例越大，裂解原油重質組分、降低原油黏度、降低原油與CO2界面張力的程度越大。

(3) 隨著后續CO2不斷注入，CO2與氣溶性降混劑和地層原油的混合帶接觸，由于氣溶性降混劑已改變該混合帶原油的性質，CO2可在較低的壓力下與地層原油達到混相，形成CO2+氣溶性降混劑+地層原油的混相帶，降低CO2驅替原油過程中的混相壓力。隨著驅替過程的繼續進行，混相帶和混合帶繼續向前推進，不斷接觸新的地層原油并發生作用，實現逐步混相，提高驅油效率。

圖4 氣溶性降混劑與CO2混合注入驅油機理示意圖

3.2 氣溶性降混劑與CO2段塞注入驅油方式

氣溶性降混劑與CO2段塞注入的驅油方式驅油過程較為復雜，形成的滲流區域相對較多(圖5)。隨著驅替過程的進行，氣溶性降混劑與CO2在地層中逐漸擴散，最終形成3個CO2+氣溶性降混劑+地層原油的混相帶，2個氣溶性降混劑+地層原油的混合帶,1個氣溶性降混劑+CO2的混相帶，1個CO2+地層原油的混合帶，1個CO2區。

圖5 氣溶性降混劑與CO2段塞注入驅油機理示意圖

第1階段注入氣溶性降混劑段塞后，氣溶性降混劑段塞在地層中擴散，形成氣溶性降混劑和地層原油的混合帶，改變原油的黏度、組分、油氣界面張力等性質，越靠近混合帶前端，氣溶性降混劑濃度越低。此階段注入的氣溶性降混劑段塞濃度通常較高，在地層原油中的溶解度有限，未溶解的氣溶性降混劑在地層中繼續以穩定的段塞形式存在。

第2階段注入CO2段塞。注入初期，由于CO2擴散時間較短，未突破第1階段氣溶性降混劑和地層原油形成的混合帶，CO2擴散至穩定氣溶性降混劑段塞處，首先形成含氣溶性降混劑的CO2混合氣體。隨著驅替過程進行，混合氣體逐漸擴散至第1階段氣溶性降混劑和地層原油形成的混合帶處。由于該處原油性質已發生改變，可在較低壓力下形成CO2+地層原油+氣溶性降混劑的混相帶。隨著驅替繼續進行，氣溶性降混劑與CO2混合氣體突破第1階段氣溶性降混劑+地層原油形成的混合帶，繼續向前擴散。突破初期，在氣溶性降混劑+地層原油形成的混合帶前端又開始形成CO2+地層原油+氣溶性降混劑的混相帶；由于氣溶性降混劑和CO2氣體的擴散速度不一及氣溶性降混劑對原油的降混作用，隨著含氣溶性降混劑的CO2混合氣體逐漸向前擴散，最終在最前端又依次形成CO2+地層原油的混合帶、CO2區、CO2+氣溶性降混劑+地層原油的混相帶、氣溶性降混劑+地層原油的混合帶，從而降低驅替前緣的混相壓力，實現混相驅油，提高驅油效率。

4 結 論

(1) 氣溶性降混劑降混機理實驗表明，氣溶性降混劑可以裂解原油的重質組分、降低原油的黏度、改變原油的相態特征、降低油氣界面張力，其降混的主要機理為裂解原油重質組分、降低原油黏度和降低油氣界面張力。

(2) 氣溶性降混劑具有明顯的降低原油與CO2的混相壓力的作用。原始原油與CO2的混相壓力為22.05 MPa，加入含3%和20%的氣溶性降混劑后，原油與CO2的混相壓力分別為19.95 MPa和17.14 MPa，混相壓力降低幅度較大，有利于提高地層原油采收率。

(3) 提出了利用氣溶性降混劑與CO2混合注入和段塞注入方式進行驅油提高采收率的驅油機理。氣溶性降混劑與CO2混合注入主要通過不斷建立和推進單個混合帶和混相帶實現混相驅油，而氣溶性降混劑與CO2段塞注入主要通過不斷建立和推進多個混合帶和混相帶實現混相驅油。