原油采出液中二氧化碳逸出特性實驗裝置設(shè)計

任玉鴻，戴嘉倍，薛 婷，周雪靜，謝璐瑤

（1. 中國石油大學(xué)（北京），北京 102249； 2. 中國海洋石油總公司湛江分公司，廣東 湛江 524000）

原油采出液中二氧化碳逸出特性實驗裝置設(shè)計

任玉鴻1，戴嘉倍2，薛 婷1，周雪靜1，謝璐瑤1

（1. 中國石油大學(xué)（北京），北京 102249； 2. 中國海洋石油總公司湛江分公司，廣東 湛江 524000）

為了更好地研究原油采出液中二氧化碳的逸出特性，通過設(shè)計的實驗裝置可以測量不同的溫度、壓力條件下二氧化碳的逸出時間以及逸出氣體量，進而得出該條件下二氧化碳的逸出速率，為集輸站外集油系統(tǒng)中混輸管路的壓降、溫降計算以及后續(xù)的集油系統(tǒng)工藝運行參數(shù)優(yōu)選等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對于研究二氧化碳在原油中的理化特性有重大意義，同時也對完善二氧化碳驅(qū)油技術(shù)以提高采收率有很大的幫助。

原油采出液；二氧化碳；逸出速率；實驗裝置

在石油開采過程中，經(jīng)過一次采油后，大約還有70%的原油滯留在地下，普通的采油技術(shù)無法將其采出。這就推動了新的采油技術(shù)的發(fā)展，繼水驅(qū)之后，聚合物驅(qū)、三元復(fù)合驅(qū)和多元泡沫驅(qū)等三次采油技術(shù)相繼發(fā)展起來[1,2]。隨著工業(yè)化進程的快速發(fā)展，由二氧化碳排放引起的溫室效應(yīng)不斷加劇，二氧化碳氣體限排、回收處理成為世界的關(guān)注焦點。從20世紀50年代起，二氧化碳驅(qū)油作為二次采油和三次采油的一種重要手段，已在實驗室和現(xiàn)場進行了一定規(guī)模的研究和應(yīng)用[3]。

二氧化碳驅(qū)油技術(shù)作為一種新興的三次采油技術(shù)，其關(guān)鍵技術(shù)仍屬于世界性難題。目前很多國家都在對其開展研究，并形成了一些技術(shù)標準和規(guī)范?？v觀國內(nèi)外提高原油采收率領(lǐng)域，二氧化碳驅(qū)油技術(shù)已得到了越來越廣泛的應(yīng)用，但同時也存在著不少技術(shù)難點和缺陷。例如，在之前靠注水提高采收率的油田，改注CO2驅(qū)以后，采出流體中含有油、伴生氣（包括烷烴和CO2等）和少量水，這給氣液混輸管道的壓降計算帶來很大的困難。此外，氣液混輸管道的溫降計算和單相氣體或者液體有明顯的不同，氣液混輸管道的溫降計算也相當復(fù)雜。加之每個生產(chǎn)作業(yè)區(qū)的情況各異，還是有相當一部分油田并不適合現(xiàn)行的二氧化碳驅(qū)油技術(shù)[3]。

很多專家認為，較之傳統(tǒng)的注水技術(shù)，二氧化碳驅(qū)油技術(shù)更先進，應(yīng)該要得到良好的推廣。目前此技術(shù)的局限性也表明這項技術(shù)有很大的提升空間，其中很大一部分原因在于人們對二氧化碳這一常見氣體在原油或油氣混相體中所發(fā)揮的理化性質(zhì)的了解還不夠深入。為了更好地研究這些性質(zhì)，以二氧化碳在原油采出液中的逸出特性為出發(fā)點，旨在用實驗或數(shù)值模擬的方法得到二氧化碳逸出特性的相關(guān)數(shù)據(jù)，從而加深對其理化特性的研究。在更深入的了解二氧化碳相關(guān)理化性質(zhì)的基礎(chǔ)上，完善二氧化碳驅(qū)油技術(shù)，使二氧化碳這種普通氣體能更好地為提高采收率服務(wù)。

1 實驗裝置的設(shè)計思想及影響因素

1.1 實驗裝置設(shè)計思想及原理

由于考慮到測定二氧化碳逸出特性實驗主要將用到控制變量的思想，根據(jù)單一變量原則使得溫度，壓力，截面積等始終只有一個量變化，通過測量某一確定條件下二氧化碳的逸出時間以及逸出氣體量，得出相應(yīng)的逸出速率，所以相應(yīng)的實驗裝置的設(shè)計也應(yīng)該要滿足并且方便實驗中對控制變量法的運用。

如圖1所示，通過溫度和壓力控制，使得氣液兩相處于平衡（或飽和）狀態(tài)，再對其進行恒溫減壓（或升溫）使二氧化碳氣體逸出，通過計時裝置測出逸出定量氣體時所需時間，再通過收集裝置收集此氣體，測出其體積，最終得出二氧化碳的逸出速率。

圖1 二氧化碳逸出特性研究路線圖Fig1 The research roadmap about escaping character of carbon dioxide

1.2 影響因素分析

1.2.1 二氧化碳對原油粘度的影響

原油的粘度是原油在流動過程中內(nèi)部摩擦阻力的反映。地層原油的粘度直接影響其在地下孔隙介質(zhì)內(nèi)的滲流及其在管道中流動的能力。了解地層原油的粘度特點，對開發(fā)方案編制、油井產(chǎn)能評價、研究滲流機理以及原油集輸?shù)榷加兄匾F(xiàn)實意義。影響原油粘度的因素很多，原油中溶解氣體的變化是引起其粘度變化的重要因素，對油藏原油注 CO2可以起到減粘效果。通過測量原油及油氣混合液的粘度，對較大氣油比范圍內(nèi)的原油及油氣混合液的粘溫特性進行較系統(tǒng)的研究，為原油在地層、井筒及輸油管道中的流動計算提供科學(xué)依據(jù)[4-6]。

1.2.2 二氧化碳在原油中的溶解度

CO2的驅(qū)油效率在很大程度上取決于 CO2在原油中的溶解及溶解后原油性質(zhì)的變化[7]。地層條件下CO2在原油中的傳質(zhì)直接決定CO2驅(qū)油效果，一般認為，CO2驅(qū)油過程中存在分子擴散和對流擴散兩種傳質(zhì)機理。特別在燜井時間段內(nèi)，分子擴散在傳質(zhì)過程中起主要作用，它控制氣體在原油中溶解的速率。因此，對于CO2驅(qū)油過程，不管現(xiàn)場施工設(shè)計還是油藏模擬，均需得到CO2的注入量和油藏流體達到預(yù)期黏度的時間。長期以來，我國研究人員一般是根據(jù)國外報道的圖版或經(jīng)驗公式來獲取這方面的數(shù)據(jù)。但由國外原油樣品數(shù)據(jù)擬合得到的經(jīng)驗公式能否適用于我國原油，已經(jīng)受到質(zhì)疑。通過實驗，CO2在原油中的溶解度明顯大于在水中的溶解度，采出液中油的含量越高，減壓后逸出的 CO2量越多，液體在氣液分離器中的停留時間應(yīng)該越長；以CO2為主要成分的伴生氣和以甲烷為主要成分的常規(guī)伴生氣相比較，前者在采出液中的溶解度明顯大于后者，所以CO2驅(qū)采出液在氣液分離器中的停留時間應(yīng)比規(guī)范規(guī)定的停留時間適當延長[8-11]。

2 實驗裝置設(shè)計

2.1 實驗裝置介紹

如圖2所示，①為裝發(fā)泡油的壓力容器，能模擬原油采出時的壓力和溫度狀態(tài)；②為恒壓泵，其保證實驗容器內(nèi)壓力恒定；③為清洗液出口；④為實驗主體壓力容器，容器內(nèi)有加熱溫度控制系統(tǒng)能對容器內(nèi)的溫度進行控制，另有一活塞，活塞上部為采出液下部為恒壓泵填充液，活塞的上止點處有兩入口，該容器內(nèi)有攪拌裝置，容器壁有刻度尺用于測量泡沫高度；⑤為清洗液入口；⑥為添加劑入口。另外還有秒表一只。

圖2 二氧化碳逸出特性實驗裝置設(shè)計圖Fig2 The experiment device design about escaping character of carbon dioxide

2.2 工作原理

活塞行至上止點，將容器內(nèi)調(diào)至預(yù)定溫度，打開①號罐上方和④號容器上方左邊的閥門；使活塞下行至容器內(nèi)進入足夠的采出液為止，關(guān)閉上述閥門；打開④號容器上方右邊的閥門放氣，然后關(guān)閉；將恒壓泵的壓力調(diào)到預(yù)定的值；待活塞停止大范圍活動時開始計時，并記錄此時泡沫層的高度，當泡沫完全消去是記錄時間，時間差即為發(fā)泡時間。

2.3 實驗步驟

2.3.1 實驗準備

（1）如圖2所示連接實驗裝置；

（2）打開⑤號閥門，使清洗液從該閥門進入容器，適量清洗液進入容器后打開③號閥門，放出清洗液；

（3）活塞行至上止點，打開①號罐上方和④號容器上方左邊的閥門，使活塞下行至容器內(nèi)進入足夠的采出液為止，關(guān)閉上述閥門。

2.3.2 實驗詳細操作

（1）上述準備階段完成后，對容器的溫度T0、壓力P0、泡沫高度H0進行記錄和預(yù)設(shè)定；

（2）記錄第一個時間節(jié)點，觀察發(fā)泡的過程，待發(fā)泡完全后，記錄第二個時間節(jié)點，計算發(fā)泡時間t0；

（3）打開③號、⑤號閥門，并從⑤號閥門壓入清洗液將發(fā)泡后的原油從③號閥門排出；

（4）改變預(yù)設(shè)溫度T1，保持壓力P0、泡沫高度H0不變；

（5）記錄第一個時間節(jié)點，觀察發(fā)泡的過程，待發(fā)泡完全后，記錄第二個時間節(jié)點，計算發(fā)泡時間t1；

（6）重復(fù)上述步驟（3）、（4）、（5），改變不同的溫度值，得到5組不同溫度下的溢出時間t0～t4；

（7）打開③號、⑤號閥門，并從⑤號閥門壓入清洗液將發(fā)泡后的原油從③號閥門排出；

（8）改變壓力P1，保持溫度T0和泡沫高度H0不變；

（9）記錄第一個時間節(jié)點，觀察發(fā)泡的過程，待發(fā)泡完全后，記錄第二個時間節(jié)點，計算發(fā)泡時間t5；

（10）重復(fù)上述步驟（7）、（8）、（9），改變不同的壓力值，得到4組不同壓力下的溢出時間t5～t8；

（11）打開③號、⑤號閥門，并從⑤號閥門壓入清洗液將發(fā)泡后的原油從③號閥門排出；

（12）保持溫度T0，壓力P0不變，通過改變使用容器的截面積S改變泡沫高度H1；

（13）記錄第一個時間節(jié)點，觀察發(fā)泡的過程，待發(fā)泡完全后，記錄第二個時間節(jié)點，計算發(fā)泡時間t9；

（14）使用3個不同截面積的容器，分別記錄其氣體溢出所用的時間t9、t10、t11；

（15）卸下實驗裝置，整理實驗器材；

（16）數(shù)據(jù)處理，計算各條件下的二氧化碳逸出速率。

2.4 注意事項

（1）實驗過程中必須保證實驗裝置密封良好；

（2）在更換容器的過程中保證①號容器中溶解的二氧化碳量不變。

2.5 實驗結(jié)果分析

（1）由于在其他影響因素不變的情況下，二氧化碳的溶解度隨溫度的上升而下降。隨著溫度的不斷升高，二氧化碳的逸出速率會逐漸增大；

（2）由于在其他影響因素不變的情況下，二氧化碳的溶解度隨著壓力的上升而上升。隨著壓力的不斷增大，二氧化碳的逸出速率會逐漸減??；

（3）容積的泡沫破裂速度與泡沫—氣體接觸面的面積成一定的正相關(guān)關(guān)系。與氣體接觸的接觸面面積越大，二氧化碳的逸出速率越大。

3 結(jié)束語

本實驗裝置的設(shè)計目的是為了更好地研究采出液中二氧化碳的逸出特性。使用本文設(shè)計的實驗裝置，研究二氧化碳逸出特性，對溫度，壓力等因素與二氧化碳逸出速率的關(guān)系進行了定性分析，得出了二氧化碳在采出液中的逸出規(guī)律，更好地了解二氧化碳在原油采出液中所表現(xiàn)的理化性質(zhì)，對完善二氧化碳驅(qū)油技術(shù)的研究也有十分重要的意義。

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Design of the Experiment Device for Studying Escaping Properties of Carbon Dioxide in Crude Oil Extraction Liquid

REN Yu-hong1，DAI Jia-bei2，XUE Ting1，ZHOU Xue-jing1，XIE Lu-yao1
（1. China University of Petroleum, Beijing 102249，China；2. China National Offshore Oil Corporation Zhanjiang Branch, Guangdong Zhanjiang 524000，China）

In order to study escaping properties of carbon dioxide in crude oil extraction liquid, a experiment device was designed to measure the escaping time and volume of carbon dioxide under different conditions of temperature and pressure, and then the escaping rate of carbon dioxide was got, which could provide basic data to calculate pressure drop and temperature drop of collecting system outside the gathering station, and optimize operation parameters of subsequent oil gathering system, had a great significance for the research of the physical and chemical properties of carbon dioxide in crude oil, and also had a great help to improve carbon dioxide driving technology to enhance oil recovery.

Crude oil extraction liquid；Carbon dioxide；Escaping rate；Experimental device

TE 832

A

1671-0460（2015）08-1894-03

國家自然科學(xué)基金項目“成品油管道批次輸送過程中的復(fù)雜傳熱傳質(zhì)機理研究”，項目號：No.51474228。

2015-07-04

任玉鴻（1990-），男，陜西渭南人，碩士，2013年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（北京），研究方向：多相管流與油氣田集輸方向。E-mail：renyuhong1990@163.com。