N2對非純CO2驅(qū)油效果的影響

殷丹丹 ，趙東鋒

（1.中國石油大學(xué)（北京）提高采收率研究院，北京 102249；2.中國石油大學(xué)（北京）石油工程教育部重點實驗室，北京 102249）

0 引言

CO2驅(qū)是一種非常有前景的提高原油采收率的方法［1-5］，且可緩解溫室效應(yīng)［6-8］。然而，天然 CO2氣源中含有CH4，H2S及N2等，其他CO2氣源也含一些雜質(zhì)氣體。例如，油田產(chǎn)出氣中包含烴類、H2S及NH3；火力發(fā)電廠產(chǎn)生的廢氣中，除了CO2，還包含硫化物、氮化物、O2等。不同的雜質(zhì)氣體隨CO2一起注入時對最小混相壓力（MMP）和驅(qū)油效率影響效果不同。一般來說，N2，O2，CH4氣體的混入會顯著增大 CO2的 MMP，而 H2S，SO2，C2H6或一些中間烴類會降低 CO2的 MMP［9-13］。

N2是驅(qū)油用CO2中常見的一種雜質(zhì)氣體，關(guān)于含有N2的CO2混合氣體的研究多集中在相態(tài)研究以及MMP計算上。前人建立了非純CO2的MMP計算模型，但關(guān)于混有N2的非純CO2氣體對提高原油采收率的影響研究較少［14-15］。為了減少純CO2的用量，降低提純氣體的費用，很有必要研究非純CO2中雜質(zhì)氣體對驅(qū)油效果的影響。筆者通過室內(nèi)實驗，研究了含N2非純CO2對MMP以及驅(qū)油效率的影響，為設(shè)計經(jīng)濟可行的產(chǎn)出氣回注的CO2驅(qū)方案提供參考。

1 MMP測定及驅(qū)油效率實驗

1.1 MMP測定實驗

獲取MMP的方法主要有計算法和實驗法。計算法比較省時。實驗法包括細管實驗和升泡儀法，升泡儀法比細管實驗快且節(jié)省流體，但細管實驗是目前公認的確定MMP最準確的方法。

采用延長油田的原油和巖心，通過細管實驗法來測定含不同摩爾分數(shù)（分別為 0，5%，10%，15%）N2的CO2混合氣的MMP，并研究其對MMP的影響。

1.1.1 實驗條件

1）實驗溫度為油藏溫度57℃，飽和壓力為7.45 MPa，實驗回壓大于7.45 MPa，以防原油脫氣。

3）實驗用油為配制的地層油。在實驗室條件下，用RuskaPVT-3000儀按照地下高壓取樣所得到的樣品成分配制脫氣油和油井伴生氣。

1.1.2 實驗過程

1）每次實驗前，細管都要用5.0 PV的甲苯和5.0 PV的丙酮清洗，用N2吹干，在100℃下，放置至少12h。

2）注入2.0 PV的原油，回壓調(diào)節(jié)器用來調(diào)節(jié)合適的壓力，體系達到平衡后，用排量泵以0.2 mL/min的速度將氣體注入細管中與原油接觸并驅(qū)替原油。

3）時刻監(jiān)測注入端和產(chǎn)出端的壓力。產(chǎn)出物在大氣壓下，通過循環(huán)水冷凝器進行氣液分離。分離器帶有量筒，可計量產(chǎn)出油的體積流量，氣體氣量計可計量產(chǎn)出氣的體積。

4）每注入0.1 PV計量1次，并記錄實驗數(shù)據(jù)，直到注入1.2 PV。

在校企合作的背景下，教師的角色發(fā)生了重大的轉(zhuǎn)變，那么對于職業(yè)體育課程而言，就必須在組織形式和教學(xué)方式上進行相應(yīng)的調(diào)整和創(chuàng)新。尤其是充分尊重學(xué)生，體現(xiàn)學(xué)生的職業(yè)特征，因材施教，展開教學(xué)，最為重要的就是有意識地依據(jù)專業(yè)、工種特點設(shè)置問題情節(jié)，啟發(fā)、引到學(xué)生積極思考問題、解決問題，達到體力與智力有機結(jié)合。

5）進行5種壓力下不同組成氣體和原油的驅(qū)替實驗。

1.2 巖心驅(qū)替實驗

1.2.1 實驗材料和條件

為了更加接近地層實際情況，在細管實驗的基礎(chǔ)上，進行巖心注氣實驗。CO2-原油體系的混相過程為多次接觸混相，因此必須采用長巖心進行驅(qū)替實驗。在油藏條件下，對不同組成的氣體進行驅(qū)替實驗研究。實驗中使用的巖心是由5根短巖心串聯(lián)而成，巖樣總長度為33.21 cm，實驗巖心的基本參數(shù)如表1所示。長巖心物理模擬流程如圖1所示。

表1 巖心基本參數(shù)

圖1 長巖心物理模擬流程

除了CO2中N2的摩爾分數(shù)不同，所有巖心驅(qū)替實驗的其他條件保持不變。每個實驗都嚴格按照相同的步驟并且保證重復(fù)性好。57℃下，混相驅(qū)的驅(qū)替壓力通過回壓調(diào)節(jié)器設(shè)置為20.0 MPa，非混相驅(qū)的驅(qū)替壓力為8.4 MPa。

地層水用33.33%的CaCl2和66.67%的NaCl配制而成，用來進行飽和注入。地層水的礦化度為94 547.2 mg/L，注入水的礦化度為1 600.0 mg/L。

1.2.2 巖心驅(qū)替實驗步驟

1）巖心放入夾持器中，加2.0 MPa的環(huán)壓，抽真空4 h并飽和地層水，測量孔隙體積和孔隙度，用不同的速度驅(qū)替并測量水測滲透率。

2）將配制的地層原油飽和至不出水為止，計算原始含油飽和度和束縛水飽和度。巖心在恒溫箱中老化10 h使?jié)櫇裥赃_到平衡。

3）巖心驅(qū)替前，用回壓調(diào)節(jié)器將壓力分別設(shè)置在高于純CO2的MMP的20%和純CO2的MMP的50%，即設(shè)置壓力分別為20.0 MPa和8.4 MPa，用配制的注入水以0.1 mL/min的速度注入巖心，水驅(qū)后相同注入速度下進行CO2驅(qū)，直至不出油。

每個巖心驅(qū)替實驗中，讀取入口和出口處的壓力，計算出壓差，根據(jù)泵的讀數(shù)計算出注入量，產(chǎn)出物通過三相冷凝分離器，分別計量產(chǎn)出油、水和氣的體積。

2 實驗結(jié)果及討論

2.1 細管實驗

繪制4種含不同摩爾分數(shù)N2雜質(zhì)的氣體在注入1.2 PV時，隨驅(qū)替壓力變化的采收率曲線（見圖2）。

圖2 氣體在不同注入壓力下的采收率

從圖2可見，驅(qū)油效率隨壓力變化的曲線存在拐點，說明在該拐點處對應(yīng)的壓力下驅(qū)油機理發(fā)生了改變，拐點對應(yīng)壓力即為MMP。驅(qū)替壓力達到MMP前，原油的采收率隨注入壓力呈線性增長，說明隨著壓力的增大，氣體在原油中的溶解度增大，降低原油黏度的程度增大；壓力增大到一定程度后，氣體在原油中的溶解已經(jīng)達到飽和，即使繼續(xù)增大壓力，采收率增長也很小，因此，將拐點視為氣體驅(qū)替原油的MMP。根據(jù)以上原則，4種氣體與原油的MMP分別為A，B，C，D點對應(yīng)的壓力，對應(yīng)的數(shù)值如表2所示。

表2 含不同摩爾分數(shù)N2的混合氣體的MMP

CO2與原油的MMP受油藏巖性影響不大，但受CO2的純度、原油的特點和油藏溫度影響很大；對于給定的油藏，原油組成和性質(zhì)以及油藏溫度一定，MMP只和注入CO2的純度有關(guān)。從表2可以看出含不同摩爾分數(shù)N2的CO2氣體的MMP變化。當采用純的CO2實驗時，在油藏溫度57℃下，油樣的MMP為16.7 MPa；當 CO2中 N2的摩爾分數(shù)為 5%時，MMP提高了29.34%；當N2的摩爾分數(shù)增加到10%時，MMP提高了64.07%；當N2的摩爾分數(shù)增加到15%時，MMP提高了97.01%：這表明，N2的混入會顯著地提高CO2驅(qū)的MMP，不利于氣體與原油混相。

2.2 不同組成氣體的驅(qū)油實驗

當實驗壓力大于MMP時為混相驅(qū)，低于MMP時為非混相驅(qū)。本文研究了混相和非混相2種狀態(tài)：一種采用大于純CO2的MMP 20%的壓力進行混相實驗；另一種是采用純CO2的MMP的50%壓力進行非混相實驗。實驗結(jié)束后，將注入孔隙體積倍數(shù)、采出程度的值計算出來，結(jié)果見圖3。

圖3 不同注入氣的采出程度隨注入孔隙體積的變化

圖3a為實驗壓力20.0 MPa時注入孔隙體積倍數(shù)與采收率的關(guān)系曲線。由圖3a可以看出：純CO2的MMP為16.7 MPa，在該壓力下CO2達到了混相；采用含摩爾分數(shù)為5%N2的CO2混合氣驅(qū)時，MMP為21.6 MPa，高于實驗壓力，故巖心內(nèi)驅(qū)替是近混相驅(qū)；采用含摩爾分數(shù)10%N2的CO2混合氣驅(qū)時，MMP為27.4 MPa，為近混相驅(qū)；采用含摩爾分數(shù)15%N2的CO2混合氣驅(qū)時，MMP為32.9 MPa，遠高于實驗壓力，為非混相驅(qū)。因此，采用含不同摩爾分數(shù)N2的氣體巖心驅(qū)替實驗，混相狀態(tài)也不同，總體來看，混相驅(qū)的采收率要好于近混相和非混相驅(qū)。

圖3b為實驗壓力8.4 MPa時注入孔隙體積倍數(shù)與采收率的關(guān)系曲線。該組實驗也得出了N2摩爾分數(shù)越大，氣驅(qū)采收率越低的結(jié)論；但不同的是，非混相驅(qū)過程中，N2摩爾分數(shù)對采收率的影響程度小于混相驅(qū)。這是由于非混相條件下，氣體中的CO2未在原油中溶解充分，N2基本不溶解，因此，N2摩爾分數(shù)對采收率的影響較小。

圖3表明，含不同摩爾分數(shù)N2的CO2混合氣體混相和非混相驅(qū)都可進一步提高原油采收率。在混相驅(qū)替過程中，CO2驅(qū)的采收率快速增加，最終采收率提高值超過10.00%；非混相CO2驅(qū)與混相驅(qū)相比采收率增加的比較緩慢，采收率最終提高值在3.00%～6.00%。

圖3同時表明，無論是混相驅(qū)還是非混相驅(qū)，4種混合氣體的采收率曲線有著相同的趨勢，但最終采收率有一定的差距，純CO2驅(qū)較高，混有不同摩爾分數(shù)N2的CO2混合氣較低?；煜酄顟B(tài)下，純CO2驅(qū)提高采收率20.04%，而含摩爾分數(shù)5%和10%N2的CO2驅(qū)，在該壓力下提高采收率值分別為15.93%和12.32%，少量N2的混入就能明顯降低CO2驅(qū)的采收率，這主要是由于氮氣與原油的混溶能力差，不利于原油的膨脹和降黏，因此，N2摩爾分數(shù)越大，對氣驅(qū)越不利，選擇CO2驅(qū)的氣體時應(yīng)盡量提高CO2的純度。

圖4為含不同摩爾分數(shù)N2的CO2混合氣體在混相和非混相驅(qū)氣驅(qū)階段巖心出口端氣體突破時注入PV數(shù)。圖4表明：對于混相驅(qū)，氣體突破時，注入孔隙體積倍數(shù)較高，說明氣驅(qū)有著比較平緩的驅(qū)替前緣，即較小指進和重力分異影響，因此，混相驅(qū)時氣體在巖心中停留的時間比非混相驅(qū)長；無論混相驅(qū)還是非混相驅(qū)，當CO2中不含N2時，氣體突破較晚，N2的存在會使CO2氣體較早突破，導(dǎo)致提高采收率值較低。

圖4 含不同N2的CO2混合氣突破時注入孔隙體積倍數(shù)

3 結(jié)論

1）N2的混入會顯著增大CO2驅(qū)的MMP，不利于原油和CO2的混相。純CO2的MMP為16.7 MPa；當CO2中含摩爾分數(shù)5%的N2時，MMP增大了 29.34%，達21.6MPa；含摩爾分數(shù)10%的N2時，MMP增大了64.07%，達27.4 MPa。

2）不同壓力下的巖心驅(qū)替實驗表明：無論是混相或非混相條件下，CO2驅(qū)均可在水驅(qū)后進一步有效提高原油采收率；在混相和非混相實驗中，當注入壓力相同時，純CO2的驅(qū)油效率最高，隨著CO2氣體中的N2摩爾分數(shù)增大，CO2驅(qū)的效果顯著下降，并且N2摩爾分數(shù)越高，混合氣體突破越早。若CO2含有不利于與原油混相的雜質(zhì)氣體，為減小其對驅(qū)油效果的影響，可在注入氣中摻入一定量的易于與原油混相的氣體。

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