低渗透油藏CO2混相驱油机制及影响因素

苏玉亮，吴晓东，侯艳红，侯照锋

（1.中国石油大学石油工程学院，北京 102249;2.中国石油长庆油田超低渗透油藏研究中心，陕西西安 710018）

低渗透油藏CO2混相驱油机制及影响因素

苏玉亮1，吴晓东1，侯艳红2，侯照锋2

（1.中国石油大学石油工程学院，北京 102249;2.中国石油长庆油田超低渗透油藏研究中心，陕西西安 710018）

依据CO2降低原油黏度以及CO2在原油中的传质扩散混相机制，建立考虑吸附现象的低渗透油藏CO2混相驱油数学模型，模拟CO2混相驱油过程。采用Barakat-Clark有限差分格式对模型进行数值求解，分析Peclet数、注入压力、孔隙度、原油黏度等因素对CO2在流出端的浓度分布以及降黏效果的影响。结果表明:Peclet数越小、注入压力和孔隙度越大，CO2突破流出端的时间越早，同时改变油藏原油黏度的时间越早;初始原油黏度越大，CO2降低原油黏度的效果越明显。

低渗透油藏;CO2;混相驱;传质扩散;吸附

目前国内广泛把CO2作为一种驱替溶剂对油田进行混相驱采油［1-6］，但混相驱采油时会出现传质扩散现象［7-9］。另外，低渗透油藏的孔隙度小，孔喉复杂，岩石的比面积特别大，驱油时CO2常常会被吸附到岩石表面。因此，伴随吸附现象的混相驱替过程的驱替机制包括传质扩散和吸附。笔者选用低渗透油藏的孔隙度为0.01～0.15［10］，采用带有吸附现象的传质扩散模型［11-13］来模拟混相驱替过程中CO2流体的流动并分析Peclet数、注入压力、孔隙度、原油黏度等因素对CO2流出端浓度分布以及CO2降低原油黏度效果的影响。

1 数学方程的建立

1.1 吸附公式的引入

扩散剂在岩石颗粒表面的吸附过程不是瞬间完成的［14］。岩石表面含有的初始吸附剂量越小，吸附速度就越快。当其表面吸附的量达到某一浓度值q时，吸附现象变弱;当其浓度达到某一临界值q*时，吸附达到动态平衡状态，吸附与脱附的速度相等。总的吸附过程实际上是单纯的吸附过程与脱附过程的叠加，表达式为

1.2 假设条件

①孔隙介质均质且定横截面积;②忽略岩石和流体的压缩性;③流体在恒温条件下以恒定速度流动;④只考虑沿纵向的扩散现象;⑤忽略摩尔扩散现象并且扩散系数不依赖注入流体的浓度;⑥不考虑注入流体与油藏原油和岩石的化学反应;⑦考虑注入流体在岩石和多孔介质表面的吸附作用。

假设条件下一维传质扩散方程的一般形式为

式中，Q为注入速度，cm3/h;φ为孔隙度;ρr为岩石密度，g/cm3;A为模型的横截面积，cm2;D为扩散系数，代表着扩散速度;λ为弥散参数;v为注入流体的真实速度。λ和v越大，D越大，扩散速度越大。

混合物黏度公式为

式中，μmix、μo、μg分别为混合物、原油、CO2的黏度，mPa·s。

式中，t1为驱替流体CO2的注入时间，s;C0为初始CO2浓度，g/cm3;L为模型长度，m;Ci为初始时刻各点的CO2浓度，g/cm3。

1.3 数值求解

选取一块长为8.55 cm、横截面积为38.84 cm2的岩心来模拟低渗透油藏条件下CO2混相驱油机制以及相关因素对CO2浓度分布的影响。CO2的初始注入浓度C0与注入压力p0有关，C0越大，p0越大（图1）。在所选择的模型长度一定的情况下，当λ增大时，Peclet数减小，导致扩散速度增大;当λ减小时，Peclet数增大，导致扩散速度减小。因此在其他条件不变的情况下，Peclet数代表了扩散速度值。

试验模型的初始条件:

计算参数:流量Q为5 cm3/h，Δx为0.05，ΔtD为0.002，孔隙度φ为0.08，颗粒密度ρr为1.22 g/ cm3，初始注入浓度C0为0.18 g/cm3，初始注入压力p0为10 MPa，参数a为1.616 mL/g、b为28.316 mL/g，原油黏度为10 mPa·s，CO2的初始黏度为0.02 mPa·s，油藏温度为310 K。

图1 注入压力与CO2初始浓度的关系Fig.1 Relation for injection pressure and CO 2 initial concentration

2 计算结果分析

2.1 孔隙度对CO2流出端浓度剖面的影响

当混相驱模型考虑吸附作用时，不同孔隙度下的CO2流出端浓度剖面的形状不同。在其他条件不变的情况下，孔隙度越大，吸附比面越小，因此相应的CO2吸附量越少;孔隙度越大，油藏的渗透率越大，流体在渗流过程中遇到的阻力越小，因此驱替流体突破的时间就越早。孔隙度越小，岩石的比面积越大，相应的吸附量越多，同时小的孔隙度使得油藏的渗透率较低，流体在孔隙介质中流动时遇到的阻力越大，因此驱替流体突破的时间越晚（图2）。

图2 孔隙度对CO2流出端浓度剖面的影响Fig.2 Effect of porosity on CO2 effluent concentration profile

由图2可以看出，当油藏的孔隙度为0.01、tD= 8时，即使注入压力取20 MPa，Pe取2.85，注入速度为5 cm3/h，CO2也几乎不会在流出端流出。因此，在最大注入无因次时间为8时，CO2不会突破流出端，原油的性质也不会发生改变。

2.2 Peclet数对CO2流出端浓度分布的影响

不同的Peclet数产生的CO2流出端浓度剖面不同（图3）。Peclet数越小，即扩散系数越大时，CO2扩散到原油中的速度越快，突破的时间越早;反之突破时间越晚。

不同Peclet数下的CO2流出端浓度剖面都成“S”形，只是这3个图形的弯曲度不同。Peclet数越小，其形状变化越平缓。这是因为小的Peclet数导致大的CO2扩散速度，与大的Peclet数相比，在相同时间里CO2扩散到原油中的量较多，渗流过程中的CO2流体比较少，因此CO2完全突破流出端所需的时间会比较长。

图3 Peclet数对CO 2流出端浓度分布的影响Fig.3 E ffect of d ispersion on CO 2 effluent concentration profile

2.3 注入压力对CO2流出端浓度分布的影响

注入压力越大，CO2的初始浓度越大，CO2突破流出端的时间越早;注入压力越小，CO2的初始浓度越小，CO2突破流出端的时间越晚（图4）。注入压力越大、CO2的浓度越小时，CO2在孔隙介质表面的吸附量越少，流动的CO2越多，同时注入压力越大，驱替的动力也越大，因此CO2突破流出端的时间也越早;反之，突破时间越晚。

2.4 初始原油黏度对CO2流出端浓度分布的影响

在其他条件不变的情况下，油藏的初始原油黏度越大，混合物的黏度变化幅度越大，CO2的降黏效果越明显（图5）。

3 结论

（1）孔隙度、注入压力的增大，加速了CO2的对流传质过程，CO2降低原油黏度的时间变短。

（2）油藏的初始原油黏度越大，CO2降低原油黏度的效果越明显。

（3）Peclet数的增大导致CO2突破流出端的时间变长，但同时使得流出端的CO2浓度剖面变得更平稳。

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M echanism of CO2m iscible disp lacement in low permeability reservoir and influencing factor

SU Yu-liang1，WU Xiao-dong1，HOU Yan-hong2，HOU Zhao-feng2

（1.College of Petroleum Engineering in China University of Petroleum，Beijing 102249，China; 2.Extra-low Permeability Oil Reservoir Research Institute of Changqing Oilfield Company，PetroChina，Xi'an 710018，China）

low permeability reservoir;CO2;miscible displacement;mass transfer and diffusion;adsorption

TE 357.42

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2011.03.020

According to themisciblemechanisms including CO2reducing crude oil viscosity and mass transfer and diffusion of CO2in crude oil，amathematical model for CO2miscible displacement with adsorption in low permeability reservoir was built.The process of CO2miscible displacement was modeled.This model was solved numerically by Barakat-Clark finite difference scheme.The effects of Peclet number，injection gas pressure，porosity，crude oil viscosity on CO2effluent concentration profile and viscosity break effectwere analyzed.The results show that the decrease of Peclet number and the increase of injection gas pressure and porosity speed up CO2breakthrough and the change of crude oil viscosity.In addition，the increase of crude oil viscositymakes the effect of CO2reducing crude oil viscosity more obvious.

1673-5005（2011）03-0099-04

2011－01－05

国家“973”重点基础研究发展规划项目（2006CB705804）;泰山学者建设工程专项项目（TS20070704）

苏玉亮（1970－），男（汉族），山东广饶人，教授，博士，博士生导师，主要从事低渗油藏驱替机制及开采、注气提高采收率、深水油气田开发研究。

（编辑 李志芬）