CO2在原油与盐水中的溶解扩散规律研究

2019-11-02敖文君赵仁保郑金定孔丽萍左清泉

复杂油气藏 2019年3期

敖文君，赵仁保，黎慧，郑金定，孔丽萍，左清泉

(1.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津塘沽 300452；2中国石油大学(北京)石油工程学院，北京102249；3.中海石油(中国)有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津塘沽 300452)

研究表明，将CO2作为驱油剂强化采油以及将CO2地质埋存，是最有效且经济的方法[1-3]。CO2地质埋存的主要场所有深部盐水层、煤层以及可采油的储集层等，其中，将CO2注入到深部盐水层埋存是现阶段最具潜力和最有效的埋存方式[4-6]。在注气提高采收率技术中，CO2是一种非常好的驱油剂。现有文献对CO2扩散机理的研究主要通过数值模拟[7]，室内实验相对较少，因此有必要对CO2的溶解扩散机理进行室内定量分析研究。本文运用压力衰竭法深入研究CO2在原油以及盐水层中的溶解扩散机理，同时通过PVT高压物性分析，研究CO2对原油的饱和压力、降黏效果和膨胀能力的影响规律，为现场CO2地质埋存和驱油试验提供理论依据。

1 实验与理论分析方法

1.1 实验方法

用压力衰竭法分析CO2在原油以及盐水层中的溶解扩散规律，即将气体状态方程与菲克定律结合，通过CO2与原油或者盐水接触后压力的降低，间接得到CO2在原油以及盐水层中的溶解扩散规律。压力衰竭法实验装置如图1所示。主要实验设备有：PVT容器、真空泵、高压气瓶、压力传感器、温度传感器，等。CO2对原油膨胀能力、饱和压力以及黏度的影响规律主要通过PVT高压物性测定仪测定，其高压物性测量系统主要由PVT斧、毛细管黏度计、真空泵以及相应的设备软件组成。溶解扩散实验中，最重要的实验数据是溶解扩散过程中的压力变化以及CO2纯度，使用的压力传感器精度为0.01 kPa，CO2气体纯度为99.99。

图1 压力衰竭法实验流程

1.2 理论方法

当CO2与盐水或者原油接触时，CO2通过扩散逐渐溶解于溶液中，溶解过程中，压力、温度以及溶液中CO2浓度的变化，都会对CO2的溶解速率产生重要影响。如果掌握了扩散规律，便可确定CO2吞吐过程中的最佳焖井周期，通过扩散系数得到CO2在原油中的前缘扩散位置，进行长期安全有效的CO2地质埋存。本文对CO2扩散规律的研究主要通过下面的气体状态方程和扩散方程[8]：

(1)

(2)

(3)

其中(1)式中Δnt即为通过气体状态方程计算得到的在时间t时CO2溶解于所接触体系溶液中的摩尔数，公式(3)中ct即为t时刻CO2在所接触体系中的溶解度。式(2)中Dt即通过压力衰竭法得到的CO2在液相扩散过程中的变扩散系数。

2 CO2在盐水层中的溶解特性

CO2在盐水层中的溶解主要通过分子扩散的形式，而分子扩散系数可以表征物质分子扩散的能力大小，它主要受储层压力、温度以及盐水浓度的影响。因此，针对CO2在储层中的溶解特性，利用压力衰竭法与扩散理论方程，分别研究了CO2在不同压力以及不同浓度NaCl溶液中的溶解扩散规律，如图2，3，4，5所示。

图2 CO2在NaCl溶液中的压力衰竭曲线

图3 CO2在NaCl溶液中的扩散系数变化曲线

图2为CO2在0.2 mol/L NaCl溶液和0.4 mol/L NaCl中的压力衰竭曲线对比，从图中可以看出：溶液离子浓度越高，CO2在溶液中的扩散速率越慢，且在相同的初始压力下，扩散达到平衡后，溶液离子浓度越低，平衡压力越小，CO2在溶液中的溶解程度越大。出现这种现象的主要原因是：溶液离子浓度越高，扩散过程中盐析现象越严重，导致CO2的溶解速率越低。图3对比了CO2在不同压力以及不同浓度时，扩散系数随时间的变化。可以看出，扩散的变化与压力衰竭曲线的变化相同，NaCl溶液浓度越高，压力衰竭速率越慢，且最终平衡压力越高。在图3，NaCl溶液浓度越高，则在整个扩散过程中CO2在低浓度NaCl溶液中的扩散系数越大。其原因是：CO2溶于液相后，主要以碳酸根和碳酸氢根离子的形式存在，所以溶液中离子浓度越高，便会抑制CO2的溶解扩散[9-11]，从而导致NaCl溶液浓度越低，CO2扩散系数越大。通过计算，在本文实验条件下，CO2在盐水层中的扩散系数为(4.23～8.20)×10-8。

图4 不同温度下CO2在NaCl溶液中的溶解度

图5 不同压力下CO2在NaCl溶液中的溶解度

图4和图5分别为CO2在不同温度、压力和浓度的NaCl溶液中的溶解度，从图中可以看出，在同一压力和温度下，随着盐水层浓度的增加，CO2溶解度逐渐降低，而当盐水层浓度一定时，CO2在盐水层中的溶解度随压力的增加而增大，随温度的增加而降低。产生这种现象的原因是：当盐水浓度较大时，溶液中离子浓度越高，而CO2气体溶于盐水后，主要以碳酸根离子和碳酸氢根离子的形式存在，导致了CO2溶解度的降低。当温度升高时，离子的盐析现象更大，溶液中离子更活跃，导致CO2溶解度更低[12-14]。

3 CO2在原油中的溶解特性

当CO2与原油相互接触时，原油不仅会对CO2的溶解扩散产生很大的影响，同时，CO2的存在对原油的高压物性、饱和压力、黏度，体积系数等都会产生影响，在CO2驱提高采收率过程中，CO2的扩散规律以及原油物性的变化，都会直接影响最终的驱油效果。

CO2在原油中的溶解扩散规律决定了CO2吞吐过程中最佳的焖井周期以及CO2在原油中的前缘扩散位置，通过压力衰竭实验与扩散理论，分别研究了不同初始压力和原油黏度下CO2的扩散规律，如图6，7，8，9所示。

图6和图7为不同初始压力下，CO2在原油中的平均扩散系数与原油黏度和系统压力的相互关系。从图6可以看出，在同一初始压力下，CO2在原油中的平均扩散系数与原油黏度呈指数的关系，在原油黏度较小的范围内(<30 mPa·s)，黏度的变化对平均扩散系数影响很大，随着原油黏度的增加，CO2在原油中的扩散系数急速下降，黏度从2.21 mPa·s到29.1 mPa·s，CO2在原油中的平均扩散系数下降了大约10倍；而当原油黏度高于30 mPa·s后，CO2在原油中的扩散系数随原油黏度的增加下降缓慢，原油黏度从29.1 mPa·s增加到930.86 mPa·s，CO2在原油中的扩散系数下降了3倍左右。对于这种现象，结合图7也可以看出相似的规律。图7表示压力对扩散系数的影响，在原油黏度较低时，压力对扩散系数的影响较大。例如，原油黏度为2.21 mPa·s时，初始压力从0.8 MPa到4 MPa，CO2在原油中的扩散系数从2.19×10-7m2·s-1到3.92×10-7m2·s-1，而原油黏度达到930.86 mPa·s后，CO2在原油中的扩散系数从1.17×10-8m2·s-1到1.30×10-8m2·s-1。从图6和图7得出的共同规律是，低黏度原油对扩散系数的影响比高黏度原油对扩散系数的影响程度大。其主要原因是当CO2在原油中扩散时，原油黏度越低，系统压力越大，分子运动更剧烈，同时，CO2溶于原油后，在原油中重力作用引起的自然对流对CO2的溶解影响更大[15]。

图6 CO2在原油中的扩散系数与原油黏度的关系

图7 CO2在原油中的扩散系数与压力的关系

图8 同一压力下CO2在不同黏度原油中的压力衰竭现象

图9 同一压力下CO2在不同黏度原油中的扩散系数变化

图8和图9分别为同一压力825kPa下， CO2在不同黏度原油中的压力衰竭现象以及扩散系数的变化。原油黏度越小，压力衰竭速率越快，扩散系数急速上升后又快速下降，同时非平衡扩散时间越短。产生这种现象的主要原因是：在静态条件下，CO2向原油中的溶解扩散主要通过分子扩散进行，原油黏度越低，分子运动越快，CO2在原油中的扩散速率越快，压力衰竭速率也就更快。同时，在CO2与原油相互接触的过程中，除了气相CO2会向原油扩散外，CO2对原油中的轻质组分具有萃取的作用[16-17]，对黏度较低的原油，当CO2萃取了原油中的轻质组分后，使得气相与黏度较低的原油的物理性质更接近，而对于黏度较大的原油，虽然CO2也会萃取原油中的轻质组分，但是原油中的重组分都未萃取出来，导致两者差异大，CO2扩散缓慢。