气体在原油中扩散系数影响因素研究进展*

王志兴，侯吉瑞，李 妍，李 卉，朱贵良

（1.中国石油大学（北京）提高采收率研究院，北京102249；2.中国石油三次采油重点实验室低渗油田提高采收率应用基础理论研究室，北京102249；3.石油工程教育部重点实验室，北京102249；4.中石化石油勘探开发研究院，北京100083）

0 前言

注入气的扩散系数是研究注气提高采收率机理的重要参数之一。高温高压的油藏条件下注入气与原油接触，受浓度差、色散力、毛管力等作用，气体分子扩散到地层原油中。扩散系数决定了注入气在地层流体中溶解量的高低以及溶解后引起原油性质的变化程度，进而决定了原油体积膨胀和黏度变化规律、饱和压力改变等［1-2］。在注入气进入原油的扩散过程中，气体（如CO2、C3H8）对原油轻质组分（或中间组分）的抽提作用也同时发生，进而引起油气界面张力降低［3-4］，甚至达到混相［5-7］，最终实现采收率大幅增加。

近年来，随注气提高采收率技术在缝洞型油藏、致密油等非常规油气藏的应用［8-13］，需进一步分析非常规油气藏复杂地层条件下的扩散系数，以辅助研究相关类型油藏注气提高采收率机理。当前对气体扩散系数的认识是建立在常规砂岩油藏或浅层稠油油藏基础之上，大部分的研究主要集中在实验测量方法的对比，对扩散系数的影响因素只是初步探究，对气-油相互作用的机理认识不够充分。同时，现阶段对气体-原油扩散系数的研究主要集中在测量方式的优化和计算方法的改进［14-15］，但优化了的气体扩散系数测定方法及计算方式应用范围限制较多，对扩散系数影响因素的总结认识有待进一步深入。因此，本文调研了近期关于注入气体在原油扩散系数的研究，初步总结了影响扩散系数的相关因素，简单分析了对应因素的影响机理，为以后非常规油气中的注气提高采收率机理研究提供一定参考。

1 气体类型对扩散系数的影响

根据开发目的，注入气类型多样，非烃类气体主要以氮气［16-18］、二氧化碳为主，或者是采出气［19］、甲烷、丙烷和丁烷等烃类气体。注入气体介质的类型决定了对应的气体溶解进入原油容易程度。气体的扩散系数越高，注入气更易进入原油，进而改善原油物性特征明显，增加原油流动性，与原油达到混相；气体扩散系数越低，注入气进入原油相对困难，地层保压能力相对较好，较低密度的自由气形成的气顶聚集在油层上部以重力分异作用将原油驱至井底［20］。因此，气体扩散系数是分析不同注入气提高采收率机理的重要参数，也是后续注气开发方式及参数优化的重要指导参数。

Hill 与 Lacey［19］首次将扩散系数用于指导现场注气，为研究采出气回注对油藏能量的补充能力，测量了气体在原油中的扩散系数。他们认为相同条件下丙烷在原油中的溶解速率高于甲烷，且在低压条件就有较高溶解度，更适合油藏回注提高原油流动性，主要原因是丙烷的扩散系数高于甲烷。可以看出，扩散系数的研究对现场注气开发有一定的指导作用。

针对不同注气体在原油中扩散系数的研究，众多研究者采用不同测量方法且进行了初步的对比。Simant 等［21］对比了不同温度下二氧化碳、甲烷、乙烷和氮气等气体在Athabasca沥青质中的扩散系数（图1），相同条件下乙烷的扩散系数最高，二氧化碳次之，氮气最低，且均在相同数量级。Zhang等［22］采用压力衰竭法（Pressure Decay）测量注入气在稠油中的扩散系数，该方法提高了注入气在原油中扩散的压力条件。在5 Pa·s、21℃、3.5 MPa 的条件下，甲烷在稠油中的扩散系数（8.6×10-9m²/s）高于二氧化碳（4.8×10-9m²/s），但相同条件下二氧化碳在稠油中的溶解量高于甲烷。郭平等［23］通过定容扩散方法及相关模型测量了氮气、甲烷和二氧化碳在实际地层原油中的扩散系数，发现二氧化碳-原油系统中，气相、液相中每一组分的扩散系数均高于氮气-原油系统和甲烷-原油体系中对应组分的扩散系数。Yang与Gu［24］采用动态垂悬滴体积分析法（Dynamic Pendant Volume Analysis，DPDVA）研究了二氧化碳、甲烷、乙烷和丙烷在稠油的扩散系数（表1）。二氧化碳在稠油中的扩散系数高于烃类气体，但原油膨胀后，乙烷的扩散系数迅速增加，为4种气体最高。Nguyen 和 Farouq Ali［25］研究了氮气对二氧化碳-Aberfeldy 原油扩散系数的影响，发现氮气的存在降低了二氧化碳在原油中的扩散系数，最终降低二氧化碳在原油中的溶解度，从而导致注气过程中更容易发生气窜。

图1 不同气体在Athabasca沥青质中的扩散系数［21］

表1 不同气体介质在稠油中的扩散系数［24］

从不同注入气在原油中的扩散系数可以看出，氮气在原油中的扩散系数较低，而二氧化碳则接近甚至高于其他烃类气体的扩散系数，是理想的提高采收率注入介质。针对不同注入气在原油中扩散系数差异的机理解释，一些学者也进行了相关研究。Lara等［26］认为，不同气体在原油界面上的分子排列不同，造成了扩散行为的差异。二氧化碳与甲烷在原油界面上不存在原油分子的优先定位，而N2在原油界面上的原油方向秩序参数随溶解气量增加而逐渐降低。Tharanivasan 等［27］认为，烃类气体与原油接触立刻溶解，在原油界面立刻达到饱和，界面阻力较小，而二氧化碳和氮气等非烃类气体在与原油接触时，界面并未达到饱和，界面阻力较大，不易扩散。Sohaib［28］通过分子动力学模拟方法对比注入气在原油中界面特征的结果表明，与原油之间的低界面张力和在油相中的高扩散性是二氧化碳区别于其他用于提高采收率注入流体独有的特征。

对比不同注入气在原油中的扩散系数可以看出，由于测量条件的不一致，导致不同气体在原油中的扩散系数规律性认识并不统一。结合不同注入气在原油中扩散系数机理研究的文献调研结果，注入气在原油中的扩散系数偏差主要体现在注入气与原油的界面特征差异上。因此，原油界面上不同注入气的扩散特征描述，是研究不同注入扩散行为特征的主要切入点。

2 原油物性对扩散系数的影响

原油组分不同，主要体现在密度、黏度等宏观物性上的差异。高温高压油藏条件下，注入气通过扩散作用溶入原油中，引起原油体积膨胀（密度降低）、黏度降低（流动性增强）等，促进油滴剥离岩石表面，进而流入井底。然而对于不同性质的原油，注气提高采收率的机理各异。研究原油物性对注入气在原油中扩散作用的影响，不仅有助于深入理解注入气与原油的混相难易程度，而且便于掌握由气体扩散溶解引起的原油物性变化规律，进而指导现场注气类型选择、注气开发方式选取和注气参数的优化等。

对于原油物性对扩散系数的研究，研究人员借助理论和实验测量得到了一些初步认识。（1）理论分析方面。现有的扩散系数理论计算多基于Stokes-Einstein 方程［29］（式（1）），仅考虑了单一稀释溶质扩散主要特征的简单模型。通过该方程，可计算无限稀释相互扩散系数D12。

其中，kB—Boltzmann 常数；T—温度，nSE—Stokes-Einstein 数；η—溶质黏度；a—溶质的水动力学半径。在Stokes-Einstein 基础上，Wilke 等［30］提出了一些改进，即

式中，表示在非常低的浓度下，溶质A在溶剂B中的扩散系数，cm2/s；MB—溶剂B的分子量，g/mol；T—绝对温度，K；μB—溶剂B的黏度，mPa·s；VA—正常沸点下溶质A 的摩尔体积，cm3·g/mol；φ—溶剂B 的缔合因子，无量纲，对于非缔合溶剂φ=1.0。该式计算结果的平均误差约为10%。Moore 和 Wellek［31］、Loakimidis［32］等认为，二元烷烃体系无限稀释液相分子扩散系数与溶剂黏度存在一定的关系（式（3）），即体系分子间无强相互作用力时，当同一种溶质溶解于不同溶剂中时，扩散系数随着溶剂黏度的增加而减小；当不同的溶质溶解于同一种溶剂时，扩散系数随着溶质分子直径和溶质摩尔体积的增大而减小。

式中，D—扩散系数，cm2/s；γ0、β0分别为扩散流体的特征参数；μ—流体的黏度，mPa·s。

（2）实验测量方面。现有的实验测量方法以菲克定律为基础，建立相应的数学模型，最终求解得到对应的扩散系数。其中压力衰竭法最为常用，计算方式如下。

式中，H为液面高度，m；a1，a2，k1，k2，c为压力与时间拟合的双对数衰竭曲线参数。Guo 等［33］测量了甲烷、氮气和二氧化碳在不同PVT筒位置原油的扩散系数。三种气体在上层轻质组分中的扩散系数均高于在下层重质组分的扩散系数。叶安平等［34］对比了二氧化碳在凝析油与重质油中的扩散系数，也得到了类似的结论，二氧化碳在凝析油中的扩散系数（10-12m²/s 数量级）比在重质油（10-13m²/s）中高一个数量级。同样，敖文君［35］发现二氧化碳在原油中的平均扩散系数与原油黏度呈指数相关，当原油黏度从 2.21 mPa·s 增至 29.1 mPa·s 时，CO2在原油中的平均扩散系数由3.92×10-7m²/s 降至3.39×10-8m²/s，扩散系数受原油黏度的影响明显。肖爱国［36］采用压力衰竭法［22］研究了二氧化碳在同一种原油石沸点蒸馏出的拟组分中的扩散系数（表2）。结果表明，拟组分沸点越高，压力衰竭的对数回归参数降低，平衡压力升高，最终计算得到的扩散系数降低。高沸点原油拟组分的分子量越大，含有的芳香烃类等组分和不规则碳链越多，二氧化碳在对应馏分的平均扩散系数降低。重质组分增加，芳香烃等对扩散的影响较为明显。

原油物性对气体在其中的平均扩散系数影响明显。主要原因在于：烷烃分子与注入气的相互作用能随链长的增加而减少，即较短的烷烃分子与注入气相互作用较强，有利于克服烷烃分子间的作用力，达到相互分散的目的；而长链烷烃分子间内部相互作用力较强，不易与注入气相互分散。同时，长碳链组分含量越高，分子链越长，分子链弯曲幅度大，原油黏度越高，分子间纠缠程度高，位阻效应降低了与气体的接触面积，降低了气体溶解度［37］。除此之外，注入气对原油的萃取作用，增加了原油中的重质组分含量，注入气更不易进入较低分子间隙的重质组分中，扩散系数降低，最终导致注气效果变差［38］。

表2 不同原油馏分CO2扩散系数统计（25℃，1.8 MPa）［36］*

由原油类型对注入气扩散系数的影响机理分析可见，长链烷烃烃类对注入气扩散系数的影响规律及机理解释较为完善，而针对环烷烃、芳香烃、胶质沥青质对注入气扩散系数的影响机理分析较少，因此需要进一步分析原油组分中分子结构对注入气扩散系数的影响效果及机理。

3 温度对扩散系数的影响

注气或生产过程中，地层内部及井筒的温度并非恒定，温度的变化会影响气体溶解扩散行为。Jamialahmadi等［39］利用有限不稳定气液边界的PVT室模拟油藏条件，研究了高温高压条件下甲烷分别在十二烷和原油中的扩散系数。研究表明，温度升高会使原油黏度降低，进而促进扩散，甲烷的扩散系数随温度升高而增加。根据实验数据拟合了不同温度下甲烷在这两种烃类的扩散系数与液相黏度的关系式（式（4），表3）。郭彪［40］、李东东等［41］、胡雪［42］通过压力衰竭法（Pressure Decay）研究了二氧化碳-原油体系的扩散系数，实验结果均表明扩散系数随温度增加而升高。Unatrakarn等［43］利用PVT室和填砂多孔介质模型在不同温度（30数55℃）下分别测试了二氧化碳-重质油、甲烷-重质油的扩散系数，也得到了相同的规律。

表3 式（4）中的参数在不同温度下的取值

从现有温度对注入气扩散系数的研究结果可以看出，注入气在原油中的扩散系数随着温度的升高而升高。主要原因在于：温度升高，原油黏度降低，分子运动加剧，原油分子间距增加，直径较小的分子更易进入原油分子中；油藏温度一般高于二氧化碳、丙烷等气体的临界温度时，气体分子的运动加剧，动能增加，有利于加速扩散过程的进行［44］。

4 压力对扩散系数的影响

实际油藏压力不仅决定了地层油对注入气的饱和程度，同时也决定了注入气体对原油物性的改变程度，这些都是通过注入气向原油中的扩散作用引起的。同时，不同压力扩散系数的高低也反应出地层原油与注入气混相的难易程度，从而影响原油在地层中的流动形态，最终影响提高采收率的程度。

目前有关压力对扩散系数影响的研究主要以实验测量为主，得到的数据较少。敖文君［34］分析非超临界状态二氧化碳在原油的扩散特征时发现，初始压力越高，溶解初期曲线的斜率越大且平衡压力衰竭的程度越低，随压力升高，扩散系数增加。张彪［45］、Li等［46］将压力范围扩大至超临界状态（图2），发现在相同温度条件下改变压力，二氧化碳的状态随之发生变化，超临界状态下二氧化碳的扩散能力高于气相和液相状态下的扩散能力。但二氧化碳的有效扩散系数随压力增加而增大，并且增幅逐渐降低。

图2 不同压力条件下CO2在原油中的扩散系数

压力增加会促进气体在原油中的扩散。原因在于：压力升高，气体分子密度增加，分子间碰撞几率变大，从而使得分子热运动加剧，有利于扩散的进行；另一方面，压力升高也会使液相的黏度增加，从而使二氧化碳向其中扩散的困难程度増加。正是这两方面的影响使二氧化碳的有效扩散随着压力的升高而缓慢增加，并且增幅越来越低。

5 结论与建议

由于得到扩散系数方法的不统一，导致现有注入气体介质扩散系数影响因素不明确。针对注入气体的介质，应着重研究不同气体在原油界面上的扩散特征，而对于原油性质对扩散系数的影响机理方面，则需在直链烷烃的基础上进行环烷烃、芳香烃和胶质沥青质扩散系数的研究。

现有测量气体扩散系数的条件中，温度多集中在20数60℃、压力在1数30 MPa，测量的温度和压力条件仅适用于我国少数油藏条件，对于油藏条件温度高于60℃且地层压力高于30 MPa的气体扩散系数数据较少。现有的高温高压气体扩散系数数据有限，得到的规律性认识普遍适用性不足，无法充分支持注入气提高采收率机理研究，因此其影响因素及作用机理仍需进一步深化研究，以加强分子扩散作用对真实油藏条件下注气提高采收率机理的认识。

目前，混合注入气-原油体系的扩散系数数据较少，同时，对注入气在油水混合物中的扩散系数影响因素的认识十分有限，还未涉及原油混相或超过混相压力条件下的气体介质扩散系数规律的研究。除此之外，随着非常规油气资源的大规模开发，注入气在致密油藏、缝洞型碳酸盐岩油藏等复杂油藏条件下的扩散系数数据有待完善，机理分析有待进一步提高。因此，随着石油行业的发展，对注入气与地层流体相互作用的扩散行为研究需进一步深入。