系线法研究CO2驱最小混相压力影响因素

2019-07-06杨光宇汤勇李兆国张永强余光明

油气藏评价与开发 2019年3期

杨光宇，汤勇，李兆国，张永强，余光明

（1.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川成都61050；2.中国石油长庆油田分公司勘探开发研究院，陕西西安710018）

由于碳排放问题日益严峻，并且EOR 也开始蓬勃发展，注CO2提高原油采收率（CO2-EOR）技术受到了越来越多的关注。该技术在采出更多原油的同时，将大量CO2埋存于地下，减少了温室气体排放[1-7]。CO2混相驱所需要的最小混相压力（Minimum Miscibility Pressure）受油藏自身性质的影响很大，决定了油藏能否实行混相驱。研究原油组分和油藏温度对CO2驱最小混相压力的影响对于注气提高采收率油藏筛选具有指导意义。

在确定最小混相压力的方法中，细管实验法是公认最精确的，但是耗时长、费用高；升泡仪实验和界面张力实验不能反映混相过程中相间的相互作用，只能反映蒸发气驱作用；随后发展起来的数值模拟方法中，混合格子法（Mixing-Cell Method，又叫多级接触法）只能单方面反映“凝析”或“蒸发”的机制；细管组分模型（Slim-Tube Composition Simulation）准确度则受数值差分精度的影响[8-10]；经验公式法使用限制大，普适性差。系线法（Tie-Line Analysis）是一种新的MMP 计算方法，杨学锋[11-12]以数值模拟法为基准，对比了经验公式法、多级接触法、状态方程法、系线法的精度，指出系线分析法精度最高，且计算速度较快，不受数值法误差的影响，普适性好，不需要做任何假设。在对比验证系线法与细管数值模拟法的准确度基础上，采用系线法计算不同原油组分和温度下CO2驱的最小混相压力，分析评价二者对其影响程度。

1 系线法计算最小混相压力模型

系线为表征系统中气相和液相各组分的组成连线[8]，单一注入气体系系线具有如下特征[11-15]：

1）原油组成称初始系线，注入气组成称注入系线，二者之间的系线统称为交叉系线，它们两两相交。

2）若系统组分数为nc个，则系线有nc-1 条：初始系线、注入系线、nc-3 条交叉线。特殊情况下：三组分系统只有初始系线和注入系线；组分数大于3时，注入系线与初始系线间通过交叉系线相连。

3）系线每个交点上，按照K值从大到小的顺序，有且仅有1 个组分消失消失。但是，每条系线都必须包含注入气的组分，以及原油中最重组分的气液相组成，但该组分的总组成可以为0。

据以上特征，在确定的温度压力下，已知原油和注入气组成使用负闪蒸确定出初始系线和注入系线。又因系线交点处总有组分消失，余下组分在两条系线交点处必然物质平衡，可建立代数关系式，通过已知组成的系线解出下一条与它相交系线的组成，闪蒸计算出该系线的气液相组成。根据每条系线的气液相组成计算出系线长度，当系线长度为0，认为该温度压力下达到多次接触混相，系线长度L定义如下：

其中，i表示系线，i=o，1，2，…，nc-3，g，o和g分别表示初始系线和注入系线。j表示组分，j=1，2，…，nc。第j个组分的全局摩尔分数为，气液相摩尔分数分别为和。计算流程如图1所示。

图1 系线法计算最小混相压力流程Fig.1 Flow chart of MMP calculated by tie-line method

以某烃类混合物为实例说明系线法的使用方法，并且研究温度和烃类组分对最小混相压力的影响。该烃类混合物组分为CH4，CO2，C4，C10，C14，C20，组成如表1所示。体系有六种组分，可得五条系线，根据系线理论，各条系线含组分如表2所示。

表1 烃类混合物组成Table 1 Hydrocarbon mixtures composition

表2 系线包含的组分Table 2 Components in tie-line

用i表示系线，i=o，1，2，3，g，用j表示组分，按照K值由大到小排序所有组分，j=CH4，CO2，C4，C10，C14，C20。则第j个组分的全局摩尔分数为，气液相摩尔分数分别为和，平衡常数为。

初始系线和注入系线的全局摩尔分数已知，负闪蒸计算出气液相摩尔分数，得到对应系线长度。在系线相交处根据物质平衡关系有：

初始系线与第1条交叉系线相交处CH4消失：

其中，j=CH4，则：

Vi为系线上的气相摩尔分数，将式（4）带入式（2），得到其他组分在第1条交叉系线上的全局摩尔分数：

其中，k=CH4，CO2，C4，C10，C14，C20，j= CH4。由式（5）可得第1 条交叉系线上所有组分摩尔分数，通过负闪蒸计算第1条系线上的组分气液摩尔分数，进而由式（1）得到系线长度。同理可以得到其他系线的长度，检验当前压力下是否达到混相，选择输出压力为最小混相压力或者调整压力重新计算。

2 方法检验及实例计算

2.1 方法验证

为验证系线法的准确性，建立细管模型计算该烃类混合物注CO2的最小混相压力[16]。模型温度为71.1 ℃，I方向50 个网格，总长12.5 m，J方向网格宽0.47 cm，K方向网格宽0.47 cm，平均孔隙度为0.35，渗透率为50×10-3μm2。模型两端分别设置一口采油井、一口注气井。可得该烃类混合物与CO2的最小混相压力大致为13.18 MPa。使用系线法计算得到相同温度下混相压力为13.77 MPa，误差为4.48 %，说明系线法计算最小混相压力精度符合要求（图2）。

2.2 实例计算

以表1中烃类混合物为例，设定不同的温度和单组分含量，使用系线法计算CO2注入其中的最小混相压力，研究这些因素对最小混相压力的影响。单组分别选择C4、C10、C14、C20组分，改变其含量时保持其他组分含量不变。计算温度设定为60 ℃、80 ℃、100 ℃、120 ℃。

图2 原油采收率与CO2驱替压力关系曲线Fig.2 Relation between oil recovery factor and displacement pressure of CO2 flooding

3 结果与讨论

将模拟结果用如图3—图6的“最小混相压力—X组分摩尔组成”关系图表示，对模拟结果进行讨论。

3.1 组分的影响

C4组分摩尔含量变化范围为5 %～34.48 %，相同温度下最小混相压力随C4组分摩尔含量的增加而下降（图3）。60 ℃、80 ℃、100 ℃、120 ℃时，最小混相压力与C4组分的摩尔分数呈近似线性关系。组分C10摩尔含量在7.69 %～45.45 %内变化，相同温度下，CO2与烃类混合物最小混相压力随C10组分的增加而减小，呈近似线性关系（图4）。C14摩尔含量组分变化范围为5.26%～35.71%，CO2与烃类混合物的最小混相压力随C14组分增加而减小（图5）。C20摩尔含量组分变化范围为5.26%～33.33%，恒定温度下CO2与烃类混合物最小混相压力随C20组分的增加而增加，最小混相压力大小与C20组分含量呈近似线性关系（图6）。

C14组分至C20组分间存在对最小混相压力影响的临界转换点，使得组分含量增加对最小混相压力的减小作用变为增大。

图3 C4摩尔组成与CO2驱最小混相压力关系曲线Fig.3 Relation between molar composition of C4 and minimum miscible pressure of CO2 flooding

图4 C10摩尔组成与CO2驱最小混相压力关系曲线Fig.4 Relation between molar composition of C10 and minimum miscible pressure of CO2 flooding

图5 C14摩尔组成与CO2驱最小混相压力关系曲线Fig.5 Relation between molar composition of C14 and minimum miscible pressure of CO2 flooding

图6 C20摩尔组成与CO2驱最小混相压力关系曲线Fig.6 Relation between molar composition of C20 and minimum miscible pressure of CO2 flooding

3.2 温度的影响

图3—图6中，相同摩尔含量下，温度越高，最小混相压力越大。并且，温度越高，最小混相压力对组分含量变化越敏感。在研究C4组分的实例中（图3），60 ℃时压力随C4组分的增加降低了14.38%，而120 ℃时为18.29%；C10组分的实例中（图4），60 ℃时压力随C10组分增加下降了3.05%，120 ℃时为7.05%；C14组分的实例中（图5），60 ℃时压力随C14组分增加下降3.17%，120 ℃时为7.43%；而C4组分的实例中（图6），60 ℃时随C20组分增加压力上升17.8%，120 ℃时则上升了22.3%。