某油田CO2驱伴生气杂质对回注条件的影响

孙 晓，张春威，胡耀强，鲍 文，王 涛，李 鹤，李 杰，王侦倪

（陕西延长石油（集团）有限责任公司研究院，陕西 西安 710075）

CO2驱是一种可以有效提高油藏采收率的增产措施[1]，该技术不仅能够明显提高低渗、特低渗油藏的采收率，还可以封存CO2，保护大气环境[2]。 某油田已先后建成10个试验井组的CO2驱油先导试验区，并计划新建超过1.0 × 105t/a的CO2注入示范工程。随着注入量的逐渐增加，CO2将不可避免地随伴生气采出地面，且采出量呈逐年上涨趋势[3]。 例如胜利油田高89区块CO2先导试验区投产几年来， 气窜情况越来越显著，CO2含量已达80%[4]。 另外，中原油田通过现场跟踪检测后发现注入气中的CO2的物质的量分数越高，其对应的驱油效率越高[5]。 对伴生气进行回注既可以满足CO2连续注入的需要， 同时可以降低运输成本[6]。

伴生气主要来源于地层气和注入气，其杂质主要有N2、H2S和轻烃组分。 伴生气的物性参数越精准，则工艺计算结果越可靠[7]。 杂质对CO2的临界温度、 临界压力以及相包络线等参数有一定的影响，产生两相区， 并决定致密相区域和超临界区域，这些区域又决定着管道的作业区域，尤其在回注增压过程中，需要通过准确的相图来有效控制相态[8]。 只有偏离这些两相区域才能避免管道和设备存在的潜在危害[9]。 国内针对各种杂质对CO2相平衡的影响开展了相关研究，大多数研究气源来自于电厂排放的捕集气， 其组分的种类和含量与CO2驱油井采出气有所差异。 目前国内针对油井采出气的物性研究较少，对采出气内各组分含量对于物性影响的研究也鲜有报道。

为此， 本文基于某油田CO2驱先导试验区见气井气质组分，通过模拟计算，分析氮气、硫化氢和轻烃三种杂质在见气组分含量范围内对物性参数的影响规律，为伴生气的回注工艺提供依据。

1 模型的建立

1.1 伴生气组分的确定

CO2驱油井伴生气的特点主要有：（1）采出压力较低，一般在0.2～0.8 MPa之间[10]；（2）主要组分为CO2，其含量大于30%；（3）杂质主要有轻烃（甲烷、乙烷、丙烷，以下简称“C1～C3”）、氮气、硫化氢等；（4）流量变化大，气源分散；（5）腐蚀性强[11]。通过分析先导试验区见气井气质组分含量，发现大多数见气井中轻烃和CO2的含量大于30%。本文将多个见气井的气质组分按比例进行了离散处理获得初始数据，据此建立物性仿真模型。

1.2 状态方程的选择

对不同的物质而言，不同状态方程的适用性有所不同，有时会导致结果差异较大[12]。在建立模型的过程中，选用合适的状态方程尤为重要[13]。 赵青等[14]通过使用SRK、PR、PRSV和BWRS四种方程分别计算纯CO2的临界点值后发现，这些方程在计算CO2相平衡时均无较大偏差，将不同压力下密度的计算值与张志刚[15]提供的实验值进行分析对比后发现，使用SRK和PRSV方程的计算结果与试验值偏差较大，BWRS方程适用于计算的压力范围较小， 且不推荐用于多组分气体中CO2特性的研究， 故本模型采用PR方程[16]。 Peng等[16]在RK方程的基础上，提高了计算临界压缩因子和饱和液相密度的精度，并常应用于工程相平衡计算中。 公式如下[9]：

式 中，p为 气 体 压 力，Pa；R为 气 体 常 数， 取 值 为8.3143 J/(mol·K)；T为气体温度，K；V为气体摩尔体积，10-3m3/mol；Tc为临界温度，K；pc为临界压力，Pa；Tr为对比温度，Tr=T/Tc；w为偏心因子。

2 伴生气中各杂质对CO2相平衡特性的影响

杂质对CO2相平衡特性的影响主要有两方面：（1）引起临界温度和临界压力的变化，使得两相点发生偏移；（2）产生两相区域，该区域的大小都会进一步影响回注边界条件。

2.1 氮气的影响

通过建立以上模型，根据先导试验区见气井组的气质组分中氮气含量范围， 即5%～20%（体积分数，下同），通过对N2各含量进行模拟计算，得出N2含量对CO2相平衡和临界压力、 临界温度的影响结果见图1和图2。

图1 N2含量对CO2相平衡的影响Fig. 1 Influence of N2 content on CO2 phase balance

由图1可知，氮气含量越高，伴生气两相点的临界温度越低，临界压力越高，氮气含量5%～20%时，临界温度为28.85～17.93°C，临界压力为9.33～12.56 MPa，两相点向左上方偏移；各含量组分的露点线基本重合，泡点线向左上方偏移；泡点线和露点线之间的区域扩大。

图2 N2含量对临界压力和临界温度的影响Fig. 2 Influence of N2 content on critical pressure and critical temperature

由图2可知， 临界温度和氮气含量呈线性负相关，临界压力和氮气含量呈线性正相关，这主要是因为混合物临界性质的改变与单一组分的临界性质有关[17]，混合物的临界温度是其组成和单一组分临界温度的线性函数[18]。

2.2 硫化氢的影响

先导试验区见气井组的气质组分中H2S含量为0～20%（体积分数，下同），基于以上建立的模型对H2S各含量进行模拟计算， 得出H2S含量对CO2相平衡和临界压力、临界温度的影响结果见图3和图4。

由图3可知，H2S含量越高， 两相点的临界温度和临界压力均越高，H2S含量在0～20%时， 临界温度为30.18～42.98 °C，临界压力为8.96～9.29 MPa；两相点向右上方偏移，幅度较小；泡点线和露点线之间的区域基本不变。 图4显示，临界温度和临界压力均与H2S含量呈线性正相关， 其中临界温度比临界压力斜率大。

图3 H2S含量对CO2相平衡的影响Fig. 3 Influence of H2S content on CO2 phase equilibrium

图4 H2S含量对临界压力和临界温度的影响Fig. 4 Influence of H2S content on critical pressure and critical temperature

2.3 轻烃含量的影响

先导试验区见气井组的气质组分中C1～C3含量在0～100%（体积分数，下同），基于以上建立的模型对各含量下的C1～C3进行模拟计算， 得出C1～C3含量对CO2相平衡和临界压力、临界温度的影响结果见图5和图6。

图5 C1～C3含量对CO2相平衡的影响Fig. 5 Influence of C1～C3 content on CO2 phase balance

图6 C1～C3含量对临界压力和临界温度的影响Fig. 6 Influence of C1～C3 content on critical pressure and critical temperature

由图5可知，C1～C3含量在0～100%时，两相点的临界温度为26.44～36.55 °C， 临界压力为8.19～10.21 MPa，两相点整体向右上方偏移；泡点线和露点线之间的区域逐渐扩大。 从两相点的临界压力和临界温度偏移曲线（图6）看出，临界温度呈先下降后上升再下降的趋势，C1～C3含量为30%时，达谷值26.8 °C，C1～C3含量为80%时，临界温度达峰值36.5 °C；临界压力呈先上升后下降的单峰状，在C1～C3含量为80%时达峰值10.31 MPa。

为了更准确地分析C1～C3含量对CO2相平衡的影响规律，分别对实际工况下伴生气中甲烷、乙烷和丙烷的含量范围按比例做离散处理形成初始数据，再分别进行模拟仿真，计算结果见图7、图8和图9。

图7 甲烷(C1)含量对CO2相平衡的影响Fig. 7 Influence of methane (C1) content on critical pressureand critical temperature

图8 乙烷(C2)含量对CO2相平衡的影响Fig. 8 Influence of ethane (C2) content on critical pressure and critical temperature

由图7可知，甲烷含量越高，伴生气的泡点线明显向压力高的方向偏移，露点线几乎无变化；临界压力升高，两相点向着压力升高的方向偏移。 由图8可知，乙烷对伴生气的相包络线影响较小，两相点向着压力降低的方向移动，临界压力变化和临界温度变化幅度较小。

图9 丙烷(C3)含量对CO2相平衡的影响Fig. 9 Effect of propane(C3)content on critical pressure and critical temperature

由图9可知，丙烷含量越高，伴生气的露点线明显向温度升高的方向偏移， 临界温度明显升高，两相点向着压力升高的方向移动。

综上所述，当伴生气中含有甲烷、乙烷和丙烷杂质时，甲烷和丙烷含量的增大使得泡点线和露点线同时发生偏移，两相区域扩大，而两相点的温度和压力变化不规律是由于乙烷的影响所致。

3 伴生气中杂质对回注条件的影响

当伴生气中CO2含量较高或采出气量较小时，可以考虑直接回注， 或者将采出气与高纯度的CO2掺和以提高CO2含量再进行回注[19]。回注过程中需要增压，而压力的变化对于采出气的物性参数影响较大，其中CO2的物性参数对压力的变化尤其敏感；同时，采出气中的杂质对其物性参数也会有不同程度的影响，会改变物性突变的位置[20]。采出气的物性参数中， 密度是CO2管道输送中进行水力和热力计算的重要参数。 因此，针对以上气体杂质，通过模拟计算得到不同杂质含量下伴生气密度的变化曲线，结果见图10。

由图10可知，随着压力逐渐升高，伴生气分子的间距逐渐减小，密度逐渐增加，当压力逐渐上升至临界压力前密度发生明显突变；同种杂质不同含量下的密度突变幅度不同，当伴生气中C1～C3和氮气的含量越高， 在压力上升过程中密度突变现象滞后，突变幅度降低，曲线趋于平滑；不同杂质的密度突变幅度不同，相比之下，杂质中轻烃含量对密度的突变幅度影响最大，而硫化氢含量的变化对密度突变幅度几乎无影响， 这与上一节的研究结果一致。 在实际操作中，为了减少伴生气在回注过程中的密度波动，压力应高于采出气的临界压力。

图10 各杂质不同含量下采出气的密度变化曲线Fig. 10 Density curve of produced gas with different content of each impurity

综合以上各杂质含量下的相平衡曲线，确定临界压力和临界温度的极值点，其两相点的范围分布见图11。 纯CO2的泡点线和露点线重合，无气液两相区，图11结果显示，其临界温度为31.10 °C，临界压力为7.38 MPa。

图11 各杂质对两相点的影响Fig. 11 Influence of impurities on the two-phase point

而伴生气中除CO2外还含有大量杂质， 根据上述模拟计算结果可知， 杂质会使得CO2的临界点发生不同程度的偏移， 对回注条件的确定产生影响。由图11可知， 含杂质的伴生气的临界压力最大为12.56 MPa，最小为8.18 MPa，临界温度范围在20～45°C之间， 含杂质的伴生气的临界压力均高于纯CO2的临界压力，但是临界温度的升高或降低取决于杂质的种类；当伴生气中氮气含量较高（20%以内）时，回注压力需要高于12.56 MPa；当伴生气中轻烃含量较高（80%以内）时，回注压力需达到10.31 MPa以上。

4 结论

通过将某油田CO2驱先导试验区多个见气井的气质组分按比例进行离散处理， 结合模拟计算手段，分析了伴生气中氮气、硫化氢和轻烃（甲烷、乙烷和丙烷）各杂质含量对回注条件的影响，得出以下结论：

（1）氮气和甲烷的含量越高，则临界压力越高、临界温度越低；硫化氢和丙烷的含量越高，则临界压力越高、临界温度越高；乙烷的含量越高，则临界压力越低、临界温度变化幅度较小。 其中，氮气和硫化氢的含量与临界压力和临界温度呈线性规律；当轻烃含量为80%时， 临界温度和临界压力均达到最大值，分别为36.5 °C和10.31 MPa。

（2）氮气和轻烃含量越高，两相区范围越大，其中氮气和甲烷使得泡点线向左上方偏移，丙烷使得露点线向右上方偏移，而硫化氢含量对两相区的影响较小， 两相区范围基本不变； 当轻烃含量为80%时，两相区范围最大。

（3）当压力逐渐上升至临界压力前密度发生明显突变，当伴生气中轻烃和氮气的含量越高，在压力上升的过程中，密度突变现象滞后，突变幅度降低； 杂质中轻烃含量对密度的突变幅度影响最大，而硫化氢含量的变化对密度突变幅度几乎无影响。在实际工程中，为了减少伴生气在回注过程中的密度波动，压力应高于伴生气的临界压力。

（4）含杂质伴生气的临界压力均高于纯CO2的临界压力，但是临界温度的升高或降低取决于杂质的种类；当伴生气中氮气含量较高（20%以内）时，回注压力需高于12.56 MPa；当伴生气中轻烃含量较高（80%以内）时，回注压力需达到10.31 MPa以上。