高压悬滴法测定CO2-原油最小混相压力

黄春霞，汤瑞佳，余华贵，江绍静

高压悬滴法测定CO2-原油最小混相压力

黄春霞，汤瑞佳，余华贵，江绍静

（陕西延长石油（集团）有限责任公司研究院，西安710075）

CO2-原油体系的最小混相压力是CO2驱油技术研究中的一个重要参数。采用高压悬滴法测定了延长油田特低渗油藏原油在44℃油藏温度下CO2-原油体系界面张力随压力的变化。实验结果表明：CO2-原油两相间的界面张力随体系压力的升高而呈近线性下降趋势。根据外推法得出两相体系界面张力为0时的最小混相压力为23.56 MPa。利用该方法既可以较精确地得到CO2-原油体系最小混相压力数据，又可以直接地观察到CO2-原油混相互溶时的状态。实验操作时间较短，且简单易行，对同类实验的测定方法具有一定的参考价值。

界面张力；最小混相压力；二氧化碳；悬滴法

0　引言

油田开发中利用CO2驱技术提高石油采收率已得到国内外专家的普遍认可［1-2］。该项技术在提高原油产量的同时，又能实现CO2温室气体的地质封存，被认为是一项具有经济和社会效益的双赢工程［3-4］。针对（特）低渗透油藏开展CO2驱技术研究，对此类油藏的稳产和增产都具有重大意义［5-8］。能否实现混相驱被认为是影响CO2驱油效果的关键因素之一。当驱替压力高于最小混相压力（MMP）时，即可实现混相驱。CO2-原油体系最小混相压力被认为是CO2驱油中的一个重要参数，其确定方法包括理论计算法和实验测定法［9-10］。通常，理论计算法所需要的原油组分等参数较多，局限性较大，且精确度偏低［11］。目前，实验测定方法主要包括升泡仪法［12］、细管实验法［13-14］以及界面张力法［15］等，其中细管实验法具有实验耗时长、操作复杂等特点。笔者根据界面张力消失原理，采用高压悬滴法测定了一系列不同压力条件下CO2-原油两相的界面张力，直到两相间界面张力接近于0，此时的体系压力即为最小混相压力。该测定方法具有准确度相对较高、耗时少、可视化和可操作性强等优点。

1　实验原理和方法

在油田开发中，混相驱技术被认为是一种具有很好开发效果的提高采收率技术［1，2，16］。所谓混相，是指2个或多个单相流体在某一条件下以一定比例混合成单相，即两相或多相的相界面消失，此时的界面张力为0［17-19］。通过模拟油藏条件（温度和压力），采用高压悬滴法直接测定CO2和地层原油间的界面张力来确定CO2和原油的最小混相压力。

本实验采用JEFFRI高压界面张力测定装置，该仪器的工作压力为0.1～34.5 MPa，温度为20～200℃，界面张力测量精度为±0.01 mN/m，可用于高温高压下两相的界面张力测定。为提高实验精度，压力表采用Heisen 0.1级表，温度显示采用数字温度计，测量精度为±0.5℃。整个实验装置主要由悬滴室、样品瓶、手摇正位移泵和成像系统构成。图像信号由摄像镜头采集后传输到计算机上进行记录和处理。悬滴室、样品瓶以及它们之间的管线都有加热及保温设施以保持恒温。实验测定时用手摇泵将流体A压入处于悬滴室中的流体B中以形成悬滴，并利用成像系统对悬滴所呈图像进行处理。通过测量与悬滴有关的形状参数来确定体系的界面张力，仪器总测定误差约为0.76%。

悬滴法测定界面张力的原理［20］可以简单表述为

式中：γ为两相的界面张力，N/m；De为液滴最宽处的直径，m；g为重力加速度，m/s2；Δρ为相接触的2种流体的密度差，kg/m3；H是修正后的形状因子，与形状因子S有关。

研究人员总结了适用于液体的S和H的关系，并建立了S与H对应关系的经验值［21-22］。形状因子S被定义为：S=Ds/De，其中，Ds为距液滴底部De处平面上的液滴直径（图1）。实验中通过计算机采集图像后，只需测量出液滴的De和Ds就可以计算出界面张力。

图1　悬滴法测定界面张力原理Fig.1　The principle for determination of interfacial tension by pendant drop method

实验过程：①将样釜A用石油醚洗3次，抽真空，样釜B用石油醚洗3次并用脱气油将釜充满，悬滴室用苯洗3次，抽真空；②采用排脱气油转样，将油藏流体在单相条件下转入样釜B中，使用增压机将CO2压入样釜A和悬滴室中；③将系统升温至所需温度（油藏温度44℃），恒温12 h，将样釜B中的油藏流体压入悬滴室至所需压力；④压一滴油藏流体于悬滴室探针处，保持油滴在最大状态，值得注意的是油滴大小与界面张力无关，但大液滴可减小数据处理的相对误差；⑤摄相记录图像，并记录当时准确压力读数；⑥调整实验压力，重复上述操作步骤，测得一系列不同压力条件下的CO2-原油体系的界面张力。根据混相的定义，当注入气与地层原油间的界面张力减小到0时，可认为达到一次接触混相。对该系列界面张力数据进行数据拟合处理，采用外推法就可以计算出界面张力为0时的最小混相压力。

2　实验结果与分析

本实验用油为延长油田特低渗油藏长6油层组原油，取样井段1 368～1 373 m，油层温度43.75℃，油层压力8.22 MPa，气油比67.2 m3/t。实验用CO2纯度为99.95%。

在44℃油藏温度条件下，采用高压悬滴法测定了不同压力条件下CO2-原油体系的界面张力。图2为CO2-原油体系的界面张力随体系压力的变化曲线图。从图2可以看出，CO2-原油体系的界面张力随体系压力的升高几乎呈线性关系下降，随着系统压力的升高，界面张力不断减小；当体系压力升高到一定值时，界面张力接近于0，气液之间趋于混相状态。

图2　不同压力条件下的界面张力（44℃）Fig.2　Interfacial tensions under different pressures

对该系列界面张力数据进行了线性回归拟合，相关系数达到0.99，说明通过实验所测界面张力随体系压力的变化关系与线性关系较为符合。据此，采用外推法计算出了当界面张力为0时的CO2-原油间的最小混相压力。根据计算结果，可以确定出一次接触混相压力约为23.56 MPa。

通过该实验装置的成像设备可以观察到界面张力为0时的CO2-原油体系的混相状态。图3为不同压力条件下原油滴入CO2介质中的油滴形状。从图3可以看出，当压力达到24 MPa时，由于两相已接近混相，油滴难以保持原来的状态，此时相界面逐渐消失。

实验结果表明，采用高压悬滴法测定CO2-原油体系的界面张力，既可较精确地估算出在油藏条件下CO2-原油体系的最小混相压力，也能清楚地观察到CO2-原油体系在达到混相压力时的互溶状态。

图3　不同压力条件下的原油液滴形状（44℃）Fig.3　Oil drop shapes under different pressures

3　结论

（1）采用高压悬滴法测得了延长油田特低渗油藏长6油层组原油在44℃油藏温度、不同压力条件下的CO2-原油体系的界面张力。随着体系压力的升高，CO2-原油体系的界面张力基本呈线性下降趋势。

（2）采用外推法得出界面张力为0时的一次接触混相压力为23.56 MPa，实验中直接观测的到达混相状态时的压力为24.00 MPa，两者的相对误差为1.8%。

（3）与其他测定方法相比，高压悬滴法测定CO2-原油体系最小混相压力的实验过程实现了计算机实时监控和实验数据自动记录与处理，测定结果准确度相对较高，实验操作时间短，且简单易行，对同类实验具有一定的借鉴意义。

（References）：

［1］江怀友，沈平平，陈立滇，等．北美石油工业二氧化碳提高采收率现状研究［J］．中国能源，2007，29（7）：30-33．

Jiang Huaiyou，Shen Pingping，Chen Lizhen，et al.Research status ofcarbondioxideforEORtooil industry in North America［J］.Energy ofChina，2007，29（7）：30-33.

［2］何艳青，张焕芝．CO2提高石油采收率技术的应用与发展［J］．石油科技论坛，2008，27（3）：24-26．

He Yanqing，Zhang Huanzhi.Application and development of CO2forEORtechnology［J］．Globaloil，2008，27（3）：24-26.

［3］曹学良，郭平，杨学峰，等．低渗透油藏注气提高采收率前景分析［J］．天然气工业，2006，26（3）：100-102．

Cao Xueliang，Guo Ping，Yang Xuefeng，et al.An analysis of prospect of eor by gas injection in low-permeability oil reservoir［J］．Natural GasIndustry，2006，26（3）：100-102.

［4］钱伯章，朱建芳．世界封存CO2驱油的现状与前景［J］．能源环境保护，2008，22（1）：1-3．

Qian Bozhang，Zhu Jianfang.Present situation together with foreground that CO2sequestrate and drive oil in the world［J］．Energy EnvironmentalProtection，2008，22（1）：1-3.

［5］李书恒，赵继勇，崔攀峰，等.超低渗透储层开发技术对策［J］．岩性油气藏，2008，20（3）：128-131. Li Shuheng，Zhao Jiyong，Cui Panfeng，et al.Strategies of development technology for ultra-low permeability reservoir［J］．Lithologic Reservoirs，2008，20（3）：128-131.

［6］夏为卫，王新海，雷娟青.低渗透油藏注二氧化碳气体的井网优选研究［J］．岩性油气藏，2009，21（4）：105-107.

Xia Weiwei，Wang Xinhai，Lei Juanqing.The optimization of well patterns of CO2flooding for low-permeable reservoir［J］.Lithologic Reservoirs，2009，21（4）：105-107.

［7］敖文君，赵仁保，杨晓盈，等.水驱后油藏CO2驱提高采收率评价研究［J］.石油化工应用，2014，33（2）：13-17. Ao Wenjun，Zhao Renbao，Yang Xiaoying，et al.Research and evaluation of CO2injection in water flooding reservoirs［J］.Petrochemical IndustryApplication，2014，33（2）：13-17.

［8］王欢，廖新维，赵晓亮.特低渗透油藏注CO2驱参数优化研究［J］.西南石油大学学报：自然科学版，2014，36（6）：95-104.

Wang Huan，Liao Xinwei，Zhao Xiaoliang.Research on CO2flooding parameters optimization of extra-low permeability reservoirs［J］.Journal of Southwest Petroleum University：Science&Technology Edition，2014，36（6）：95-104.

［9］高振环，刘中春，杜兴家.油田注气开采技术［M］.北京：石油工业出版社，1994：89-125. Gao Zhenhuan，Liu Zhongchun，Du Xingjia.Gas injection technology inoilfield［M］.Beijing：PetroleumIndustryPress，1994：89-125.

［10］叶安平，郭平，王绍平.利用PR状态方程确定CO2驱最小混相压力［J］．岩性油气藏，2012，24（6）：125-128.

Ye Anping，Guo Ping，Wang Shaoping.Determination of minimum miscibility pressure for CO2flooding by using PR equation of state［J］．LithologicReservoirs，2012，24（6）：125-128.

［11］张广东，李祖友，刘建仪，等.注烃混相驱最小混相压力确定方法研究［J］．钻采工艺，2008，31（3）：99-102.

Zhang Guangdong，Li Zuyou，Liu Jianyi，et al.Study on determine methods of minimum miscibility pressure of hydrocarbon injection miscible flooding［J］.Drilling&Production Technology，2008，31（3）：99-102.

［12］Dong M，Huang S，Dyer S B，et al.A comparison of CO2minimum miscibility pressure determinations for Weyburn crude oil［J］．Journal ofPetroleumScienceandEngineering，2001，31（1）：13-22.

［13］Novosad Z，Sibbald L R，Costain T G.Design of miscible solvents for a rich gas drive-comparison of slim tube test s with rising bubble tests［J］．J.Can.Pet.Technol.，1990，29（1）：37-42.

［14］Sibbald L R，Novosad Z，Cost ain T G.Methodology for the specification of solvent blends for miscible enriched-gas drives［R］.SPE 20205，1991.

［15］RaoDN，Lee J I.Determination of gas-oil miscibility conditions by interfacial tension measurements［J］．Journal of Colloid and Interface Science，2003，262（2）：474-482.

［16］李虎，蒲春生，吴飞鹏.基于广义回归神经网络的CO2驱最小混相压力预测［J］．岩性油气藏，2012，24（1）：108-111.

Li Hu，Pu Chunsheng，Wu Feipeng.Prediction of minimum miscibility pressure in CO2flooding based on general regression neural network［J］.LithologicReservoirs，2012，24（1）：108-111.

［17］Zuo Youxiang，Chu Jizheng，Ke Shuilin，et al.A study on the minimum miscibility pressure for miscible flooding systems［J］．Journal of PetroleumScienceandEngineering，1993，8（4）：315-328.

［18］刘炳官，朱平，雍志强，等.江苏油田CO2混相驱现场试验研究［J］．石油学报，2002，23（4）：56-61.

LiuBingguan，ZhuPing，YongZhiqiang，etal.Pilottest on miscible CO2flooding in Jiangsu Oil Field［J］.Acta Petrolei Sinica，2002，23（4）：56-61.

［19］LakeLW.Enhancedoilrecovery［M］.EnglewoodCliffs，NJ：Prentice-Hall，1989：234.

［20］赵海龙，刘大顺，陈效鹏.一种基于数字图像的表面张力测量方法——悬滴法［J］．实验力学，2010，25（1）：100-105.

Zhao Hailong，Liu Dashun，Chen Xiaopeng.Pendant drop method for interfacial tension measurement［J］.Journal of Experimental Mechanics，2010，25（1）：100-105.

［21］Poling B E，Prausnitz J M，O’Connell J P.液物性估算手册［M］.北京：化学工业出版社，2006. Poling B E，Prausnitz J M，O’Connell J P.Estimate physical properties of the gas-liquid Manual［M］.Beijing：Chemical Industry Press，2006.

［20］Juza J.The pendant drop method of surface tension measurement：Equation interpolating the shape factor tables for several selected planes［J］．CzechoslovakJ.Physics，1997，47（3）：351-357.

（本文编辑：王会玲）

Determination of the minimum miscibility pressure of CO2and crude oil system by hanging drop method

HUANG Chunxia，TANG Ruijia，YU Huagui，JIANG Shaojing
（Research Institute of Shaanxi Yanchang Petroleum（Group）Co.Ltd.，Xi’an 710075，China）

The minimum miscibility pressure of CO2and crude oil system is an important parameter for the research of CO2flooding technology.The interfacial tension data of CO2and crude oil system were measured by pendant drop method under the conditions of reservoir temperature of 44℃and different pressure.The oil samples are produced in low permeability reservoir of Yanchang Oilfield.The experiment results show that the interfacial tension of CO2and crude oil decreased almost linearly as increasing pressure.According to the extrapolated method，the minimum miscibility pressure is 23.56 MPa when the interfacial tension of CO2and crude oil is zero.This method can be used to not only obtain the minimum miscibility pressure of CO2and crude oil system，but also directly observe the miscible phase picture of CO2and crude oil.The experiment is easier in operation and needs less time than the others，so it has a certain reference value on the measurement for similar experiments.

interfacial tension；minimummiscibilitypressure；carbon dioxide；pendant drop method

TE311

A

1673-8926（2015）01-0127-04

2014-07-28；

2014-09-11

国家科技支撑计划项目“陕北煤化工CO2捕集、埋存与提高采收率技术示范”（编号：2012BAC26B00）资助

黄春霞（1964-），女，硕士，高级工程师，主要从事提高原油采收率技术研究方面的工作。地址：（710075）陕西省西安市高新区科技二路75号。电话：（029）88899614。E-mail：hchx-1@126.com。