二氧化碳驱地下流体相态特征研究

姜凤光，胡永乐

(1.中石化石油勘探开发研究院，北京 100083;2.中油勘探开发研究院，北京 100083)

引 言

为实现油气增产和CO2减排的双赢效果，将CO2气体注入油藏提高原油采收率已成为CO2资源化利用的重要途径之一[1-3]。CO2驱油过程主要包括混相驱和非混相驱，其中混相驱可以形成稳定的驱油带，微观驱替效率可达90%以上，而非混相驱提高采收率幅度较低。

目前国内注CO2提高采收率开发项目由于矿场试验周期短，对开发机理和气驱油特征规律认识不清，现场应用效果远低于预期试验结果。

因此，利用油藏工程和数值模拟方法，研究不同CO2含量下的P-X相图及相态包络线，分析CO2含量对地下流体相态特征和渗流特征的影响，有利于更好地发挥 CO2驱提高采收率的优势[4-6]。

1 相平衡计算模型

在任一给定的油藏压力p和油藏温度T状态下，体系中气、液物质的量分数满足ng+nl=1。根据流体相平衡热力学原理，建立相平衡计算热力学模型[7-10]:

式中:p为油藏压力，MPa;T为油藏温度，℃;ng、nl为气、液相物质的量分数;i为组分数，i=1，2，…，n;xi为气相中i组分的物质的量;yi为液相中i组分的物质的量;z0i为油气体系原始组成;ki为平衡常数(ki=yi/xi);Fi为气、液相逸度相等平衡条件目标函数;Fn+1为气液相组成归一化平衡条件目标函数(∑(yi-xi)=0)。

2 CO2-原油体系相态特征研究

纯CO2的相态主要受压力、温度的影响[11-13]，随着温度和压力的变化，CO2呈现出气态、液态、固态和超临界态4种状态，CO2的临界温度为31.06℃，临界压力为7.39 MPa。当CO2注入油藏，CO2-原油体系相态除了受温度、压力影响外，还受CO2物质的量分数(用符号C代替)的影响。以普鲁德霍湾MilnePoint油田Kupa储层为算例[14]，该油藏原始地层压力为12.07 MPa，地层温度为30℃，饱和压力为6.18 MPa，原油黏度为3 mPa·s。利用 PVTi流体分析软件包，研究不同CO2物质的量分数下CO2—原油体系流体相图特征，分析CO2物质的量分数对地下流体相态特征的影响(图1)。

图1 CO2—原油体系相态包络图

由图1可知，在原始条件下，地下流体为液相(A区)，位于临界点C0的上方，随着CO2注入量的增多，CO2—原油体系压力—温度相图临界点不断向左移动(由C0到C4)，两相区(B区)不断扩大。同时随着CO2注入量的增多，CO2—原油体系饱和压力不断增加(图2)。表明CO2对地下流体的相态特征有一定的影响，注入量越大，影响越大。

图2 CO2—原油体系饱和压力变化曲线

3 CO2—原油体系渗流特征研究

当温度位于CO2临界温度附近或低于CO2临界温度时，随着压力的变化，CO2—原油体系将出现三相状态。仍以普鲁德霍湾MilnePoint油田Kupa储层为算例[14]，利用相平衡计算模型计算压力—物质的量分数相图，分析CO2含量对地下流体渗流特征的影响(图3)。随着体系中CO2物质的量增加，CO2与原油体系存在一个临界点，在临界点的下方，地下流体随着压力的降低，分离出部分气态CO2，由单一液相L(CO2与原油混相A区)变为气液(富含烃类的液相L1和CO2气相V)两相(B区);在临界点的上方，地下流体随着压力的降低，有一部分液态 CO2转化为气态的 CO2，由液—液(富含烃类的液相L1和CO2液相 L2)两相(C区)变为液—气—液(富含烃类的液相L1、CO2气相V和CO2液相L2)三相(D区)，压力继续降低，再变成气液两相(B区)。注CO2驱油藏开发过程中，一旦出现三相区，将会极大地降低CO2注入能力，影响油田开发效果。因此，注CO2驱油藏开发时，应保持一定的地层压力，生产压差不能过大，尽量避开三相区。

图3 不同CO2含量压力—物质的量分数关系

4 CO2—原油体系流体性质研究

利用PVTi流体分析软件包，研究了CO2含量对CO2—原油体系流体性质的影响[15-19]。

4.1 黏度

随着CO2—原油体系中CO2溶解量的增加，地层原油黏度降低，流度比得到改善。当CO2—原油体系中CO2物质的量分数超过60%，随CO2含量的增加，黏度降低幅度减小(图4)。研究表明，体系中CO2物质的量分数为60%时降黏效果最好，与原始条件下黏度相比，原油黏度降低了48%，说明油藏注CO2开发时存在一个最佳注入量，在该注入量下地层原油降黏效果最好，当CO2注入量超过了所处压力下的溶解气量时，油气会分离成两相，影响降黏效果。因此油藏进行注气开发方案设计时需对CO2注入量进行优化。

图4 CO2-原油体系黏度变化曲线

4.2 原油相对体积

CO2溶解于原油后，与原始状态的原油相比，体积系数增加。CO2—原油体系膨胀系数随着原油平均分子质量减小(轻质组分增多)而增加，随CO2在原油中的物质的量分数增加而增大。当CO2—原油体系中CO2物质的量分数为40%，地层压力为0.5 MPa时，与原始条件相比，原油的相对体积膨胀了近11倍，表明 CO2具有很强的膨胀地层原油、增加可动油的能力，可有效增加地层的弹性能量(图5)。

图5 原油相对体积变化曲线

5 结论

(1)CO2含量对原油相态有一定影响，CO2含量越大，影响越大。随着CO2含量的增加，CO2-原油体系临界点不断向上移动，两相区不断扩大，饱和压力不断增加。

(2)CO2—原油体系存在临界点，在临界点的下方，随着压力的降低，地下流体由单一液相变为气液两相;在临界点的上方，当低于一定温度时，随压力的变化会出现三相区。油藏进行注气开发时，生产压差不能过大，要注意避开三相区，以免影响油田开发效果。

(3)随着CO2溶解量的增加，地层原油黏度降低，流度比得到改善，但是体系中CO2物质的量分数超过60%时，黏度降低幅度减弱。CO2—原油体系膨胀系数随着原油平均分子质量小(轻质组分增多)而增加，随CO2在原油中的物质的量分数增加而增大。

[1]许志刚，陈代钊，曾荣树.CO2的地质埋存与资源化利用进展[J].地球科学进展，2007，22(7):698-705.

[2]任韶然，张莉，张亮.CO2地质埋存:国外示范工程及其对中国的启示[J].中国石油大学:自然科学版，2010，34(1):93-95.

[3]曾荣树，孙枢，陈代钊，等.减少二氧化碳向大气层的排放——二氧化碳地下储存研究[J].中国科学基金，2004，18(4):196-200.

[4]王庆，吴晓东，刘长宇，等.高含CO2原油井筒流动压力和温度分布综合计算[J].石油钻采工艺，2010，32(1):65-69.

[5]吴晓东，王庆，何岩峰.考虑相态变化的注CO2井筒温度压力场耦合计算[J].中国石油大学学报:自然科学版，2009，33(1):73-77.

[6]余华杰，王星，谭先红，等.高含CO2凝析气相态测试及分析[J]，石油钻探技术，2013，41(2):104-108.

[7]DANESH A.油藏流体的PVT与相态[M].沈平平，韩冬，译.北京:石油工业出版社，2000:151-154.

[8]Duraya Al-Anazi B，Pazuki G R，Nikookar M，et al.The prediction of the compressibility factor of sour and natural gas by an artificial neural network system[J].Petroleum Science and Technology，2011，29(4):325-336.

[9]Rushing J A，Newsham K E，Van Fraassen K C，et al.Natural gas Z factors at HP/HT reservoir conditions:comparing laboratory measurements with industry standard correlations for a dry gas[C].SPE114518，2008:356-372.

[10]Heidaryan E，Moghadasi J，Rahimi M.New correlations to predict natural gas viscosity and compressibility factor[J].Journal of Petroleum Science and Engineering，2010，73(1/2):67-72.

[11]韩宏伟，张金功，张建锋，等.济阳拗陷二氧化碳气藏地下相态特征研究[J].西北大学学报，2010，40(3):493-496.

[12]张镜澄.超临界流体萃取[M].北京:化学工业出版社，2001:30-36.

[13]李孟涛，单文文，刘先贵，等.超临界二氧化碳混相驱油机理实验研究[J].石油学报，2006，27(3):80-83.

[14]Baris Guler，Peng Wang，Mojdeh Delshad，et al.Three-and four-pase fow cmpositional smulations of CO2/NGL EOR[J].Journal of Petroleum Science and Engineering，SPE71485，2001:274-280.

[15]吕渐江，唐海，李春芹，等.考虑相态变化的CO2气藏物质平衡方程[J].新疆石油地质，2010，31(6):618-620.

[16]苏崇华.海上低渗透油藏挖潜技术及其应用[J].石油钻采工艺，2007，29(6):73-76.

[17]卞小强，杜志敏.高含CO2天然气相变及其物性参数实验测试[J].新疆石油地质，2013，34(1):63-65.

[18]苏玉亮，吴晓东，侯艳红，等.低渗透油藏CO2混相驱油机制及影响因素[J].中国石油大学:自然科学版，2011，35(3):99-102.

[19]杨胜来，杭达震，孙蓉，等.CO2对原油的抽提及其对原油粘度的影响[J]，中国石油大学学报:自然科学版，2009，33(4):85-88.