储层条件下CO2相态与应用研究

孔 艳，曲 斌，刘 玉

(大庆油田有限责任公司 勘探开发研究院，黑龙江 大庆 163712)

0 引言

长期以来CO2气田储量评价方法延用天然气田储量规范进行储量计算，由于CO2物理化学性质与天然气的物理化学性质显著地不同，CO2易被液化，对于液态或气液混存CO2储层，用目前储量计算方法，显然是不合适的。建立一种能够满足不同状态下的CO2气藏储量计算方法，对天然气勘探开发具有重要意义。

1 CO2的物理性质

在标准状态下CO2是无色无臭有酸味的气体，相对密度1.5192，不燃烧，CO2是易被液化的真实气体，随温度压力的变化，物理状态分为气态、液态和固态三种相态，在超高和超低温条件下能成等离子态和超固态(超导态)。CO2的临界温度为31.43℃，临界压力为0.2938MPa，较高的临界温度与较低的临界压力决定CO2很易被液化[1,3]。

2 CO2实验

2.1 实验方法

为了了解不同温度、压力条件下CO2的变化特征，开展了实验研究。CO2气藏一般情况下含有一定量的水，为克服由于水蒸气对计算CO2气体的偏差系数的影响(水分子量18，临界压力21.98MPa，临界温度647.71K)，使实验更接近储层孔隙流体状况，在高温高压容器内加入定量地层水，以减少水蒸气的影响。容器内的最低水量应该是能够充满容器整个空间且压力达到1个大气压的水蒸汽的量，使实验条件最大限度地接近储层环境，容器相当于放大数倍的岩芯一个孔隙。采用该方法，实验结果更能真实地反映储层CO2变化特征。

2.2 实验分析

图1是实验数据绘制的散点图，散点线密度是等同的，密度线梯度随密度增大而变大。密度线在温度大于31℃时呈扇形放射，小于31℃成束状收敛。如图1所示，在31℃～15℃区间内，密度线压力随温度的降低呈抛物线状，说明该区间的相态是气液混存，CO2是处于液化过程，不以液态为主。当小于10℃时，以液相为主，同时，向相邻低密度线方向收缩。

当温度大于31℃(压力大于临界压力)，密度线呈良好的线性关系，即压力是温度和密度函数，P=f(T,ρ)，由图1可以得到：P、T、ρ有很好的线性函数关系。

如图1中所示，当CO2密度达到0.46 g/cm3～0.8 g/cm3时，密度线在31℃附近弯曲方向不同，分界线密度近似为0.46 g/cm3；当密度小于0.46 g/cm3向下弯曲，而且密度越小弯曲曲度越大；同样，当密度大于0.46 g/cm3向上弯曲，并随密度增大弯曲曲度而增大。根据张川如对高密度压缩气体定义[1]， CO2密度在大于0.46g/cm3属于高密度压缩气，密度小于0.46 g/cm3时，为正常气态。同时，实验证实，最低密度的分界点的与理论液态CO2密度最低点是吻合的。

温度大于31℃，密度线的梯度随温度的升高有增有减，密度是影响CO2曲线梯度变化的主要因素，而在这个区间内，温度不影响曲线的梯度变化。

图1 温压条件下CO2实验图 图2 等温Z-P图版

3 CO2应用研究

CO2是天然气的一种，有效地计算CO2储量是石油工作者追求的目标。利用上述实验数据能够绘制CO2偏差系数图及确定储层密度与温度、压力之间的关系，为计算CO2气藏储量提供可靠的方法。

3.1 偏差系数图版制作

偏差系数实质是在相同温度与压力条件下，相同摩尔数的真实气体与理想气体的体积之比，即：

(1)

其中，V为相同温度压力条件下的真实气体体积，mL；V0为相同温度压力条件下的理想气体体积，mL。

也可以直接用真实气体状态方程：PV=ZnRT 计算偏差系数,即:

(2)

Z为偏差系数；P是真实气体的实测压力，MPa；V是真实气体的实测体积，mL；T是真实气体的实测温度，K；n是在定容器里的气体的摩尔数，mol； R是气体常数， mL·MPa/(K·mol)。

通过实验，得到相同温度、压力的偏差系数，并作等温Z-P-T图(见图2)，对于以气相CO2存在储层用该图版能够直接查得Z值，就可以使用规范中规定的储量计算方法进行储量计算。但要是以液态或气液混相存在CO2储层，上述方法就难以计算，下面介绍一种适用于各种相态的储量计算方法。

3.2 等温ρ-P图

上述实验数据，当温度大于31℃，不同密度的温度、压力散点图呈放射状，数据遵循如下方程：

P=a+S·ρ·T

(3)

P为压力，MPa；a为y轴截距；MPa；S为与密度相关的系数；ρ为密度，g/cm3；T为温度，K。

上述方程确定了密度与温度、压力的相关关系，说明储层CO2气体压力是密度与温度的函数，也就是说，CO2气藏储层压力是由CO2密度和温度决定的。求取CO2密度除温度、压力外还要了解更多的参数。解决该问题的最好途径是通过用实测有限个数据建立密度与温度、压力(ρ-T-P)图，即等温ρ-P图(见图3)，利用该图查得密度，就可以进行储量评价。

图3 等温ρ-P图版

3.3 储量计算

目前，CO2储量计算主要采用体积法，这里不再阐述，而主要介绍如何应用CO2气田储层密度计算储量，即密度—质量法。利用等温ρ-P图版计算CO2气藏储量，该方法是以实验为基础，用等温ρ-P图版，根据储层的温度、压力直接确定储层流体密度(ρ)。

设CO2储层的体积为V，有：

V=A·h

(4)

A为含油面积，Km2；h为储层厚度，m。

存储CO2的孔隙体积为：

V孔=A·h·φ(1-Sw)

(5)

ф为地下有效孔隙度，%；Sw为原始含水饱和度，%。

孔隙体积含CO2质量为：

M=A·h·φ(1-Sw)·ρ

(6)

ρ为地层条件下CO2气体密度，g/cm3。

体积CO2内的摩尔数为：

(7)

摩尔体积为22.4L[3]，即22.4×1000mL，在标准状态下，CO2的体积为：

V标=nmol×22.4×1000

(8)

由标准状态到常温常压下体积为：

(9)

V常为常温常压下CO2体积，m3；V标为标准状态CO2体积，m3。

得到密度—质量法的计算公式：

(10)

G为储量，108m3。

利用图3，查得密度值，再根据储层物性分析数据及地质资料，就能够计算储量，该方法适用于不同相态的CO2储量计算。

4 结语

1)当温度大于31℃(压力大于临界压力)，密度线呈良好的线性关系，即压力是温度和密度函数，P=f(T,ρ)且P、T、ρ有很好的线性函数关系。

2)CO2气体在临界温度以下、临界压力以上(P临=0.2938 MPa T=304.43℃)是二相存在，蒸汽压是压力的主要贡献者；CO2气体在临界温度、临界压力以上，CO2以气相存在，分子运动动能是压力的主要贡献者。

3)储层气体CO2的压力是密度与温度的线性函数，直线变化率受密度制约，密度越大变化率越大。

4)建立CO2密度与温度、压力关系图版，并提供了采用该图版的储量计算方法。此方法适用于不同相态CO2的储量计算。

[参考文献]

[1] 张川如.二氧化碳气井测试与评价方法[M].北京:石油出版社,1999.

[2] 刘雨芬, 范尚炯.二氧化碳气藏成藏条件及储量计算方法[J].中国海上油气(地质),1996,10(1):54-63.

[3] 傅献彩.物理化学[M].北京:人民教育出版社,1990.