高壓懸滴法測定CO2-原油最小混相壓力

黃春霞，湯瑞佳，余華貴，江紹靜

高壓懸滴法測定CO2-原油最小混相壓力

黃春霞，湯瑞佳，余華貴，江紹靜

（陜西延長石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司研究院，西安710075）

CO2-原油體系的最小混相壓力是CO2驅(qū)油技術(shù)研究中的一個(gè)重要參數(shù)。采用高壓懸滴法測定了延長油田特低滲油藏原油在44℃油藏溫度下CO2-原油體系界面張力隨壓力的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：CO2-原油兩相間的界面張力隨體系壓力的升高而呈近線性下降趨勢。根據(jù)外推法得出兩相體系界面張力為0時(shí)的最小混相壓力為23.56 MPa。利用該方法既可以較精確地得到CO2-原油體系最小混相壓力數(shù)據(jù)，又可以直接地觀察到CO2-原油混相互溶時(shí)的狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)操作時(shí)間較短，且簡單易行，對同類實(shí)驗(yàn)的測定方法具有一定的參考價(jià)值。

界面張力；最小混相壓力；二氧化碳；懸滴法

0　引言

油田開發(fā)中利用CO2驅(qū)技術(shù)提高石油采收率已得到國內(nèi)外專家的普遍認(rèn)可［1-2］。該項(xiàng)技術(shù)在提高原油產(chǎn)量的同時(shí)，又能實(shí)現(xiàn)CO2溫室氣體的地質(zhì)封存，被認(rèn)為是一項(xiàng)具有經(jīng)濟(jì)和社會效益的雙贏工程［3-4］。針對（特）低滲透油藏開展CO2驅(qū)技術(shù)研究，對此類油藏的穩(wěn)產(chǎn)和增產(chǎn)都具有重大意義［5-8］。能否實(shí)現(xiàn)混相驅(qū)被認(rèn)為是影響CO2驅(qū)油效果的關(guān)鍵因素之一。當(dāng)驅(qū)替壓力高于最小混相壓力（MMP）時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)混相驅(qū)。CO2-原油體系最小混相壓力被認(rèn)為是CO2驅(qū)油中的一個(gè)重要參數(shù)，其確定方法包括理論計(jì)算法和實(shí)驗(yàn)測定法［9-10］。通常，理論計(jì)算法所需要的原油組分等參數(shù)較多，局限性較大，且精確度偏低［11］。目前，實(shí)驗(yàn)測定方法主要包括升泡儀法［12］、細(xì)管實(shí)驗(yàn)法［13-14］以及界面張力法［15］等，其中細(xì)管實(shí)驗(yàn)法具有實(shí)驗(yàn)耗時(shí)長、操作復(fù)雜等特點(diǎn)。筆者根據(jù)界面張力消失原理，采用高壓懸滴法測定了一系列不同壓力條件下CO2-原油兩相的界面張力，直到兩相間界面張力接近于0，此時(shí)的體系壓力即為最小混相壓力。該測定方法具有準(zhǔn)確度相對較高、耗時(shí)少、可視化和可操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

1　實(shí)驗(yàn)原理和方法

在油田開發(fā)中，混相驅(qū)技術(shù)被認(rèn)為是一種具有很好開發(fā)效果的提高采收率技術(shù)［1，2，16］。所謂混相，是指2個(gè)或多個(gè)單相流體在某一條件下以一定比例混合成單相，即兩相或多相的相界面消失，此時(shí)的界面張力為0［17-19］。通過模擬油藏條件（溫度和壓力），采用高壓懸滴法直接測定CO2和地層原油間的界面張力來確定CO2和原油的最小混相壓力。

本實(shí)驗(yàn)采用JEFFRI高壓界面張力測定裝置，該儀器的工作壓力為0.1～34.5 MPa，溫度為20～200℃，界面張力測量精度為±0.01 mN/m，可用于高溫高壓下兩相的界面張力測定。為提高實(shí)驗(yàn)精度，壓力表采用Heisen 0.1級表，溫度顯示采用數(shù)字溫度計(jì)，測量精度為±0.5℃。整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置主要由懸滴室、樣品瓶、手搖正位移泵和成像系統(tǒng)構(gòu)成。圖像信號由攝像鏡頭采集后傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上進(jìn)行記錄和處理。懸滴室、樣品瓶以及它們之間的管線都有加熱及保溫設(shè)施以保持恒溫。實(shí)驗(yàn)測定時(shí)用手搖泵將流體A壓入處于懸滴室中的流體B中以形成懸滴，并利用成像系統(tǒng)對懸滴所呈圖像進(jìn)行處理。通過測量與懸滴有關(guān)的形狀參數(shù)來確定體系的界面張力，儀器總測定誤差約為0.76%。

懸滴法測定界面張力的原理［20］可以簡單表述為

式中：γ為兩相的界面張力，N/m；De為液滴最寬處的直徑，m；g為重力加速度，m/s2；Δρ為相接觸的2種流體的密度差，kg/m3；H是修正后的形狀因子，與形狀因子S有關(guān)。

研究人員總結(jié)了適用于液體的S和H的關(guān)系，并建立了S與H對應(yīng)關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)值［21-22］。形狀因子S被定義為：S=Ds/De，其中，Ds為距液滴底部De處平面上的液滴直徑（圖1）。實(shí)驗(yàn)中通過計(jì)算機(jī)采集圖像后，只需測量出液滴的De和Ds就可以計(jì)算出界面張力。

圖1　懸滴法測定界面張力原理Fig.1　The principle for determination of interfacial tension by pendant drop method

實(shí)驗(yàn)過程：①將樣釜A用石油醚洗3次，抽真空，樣釜B用石油醚洗3次并用脫氣油將釜充滿，懸滴室用苯洗3次，抽真空；②采用排脫氣油轉(zhuǎn)樣，將油藏流體在單相條件下轉(zhuǎn)入樣釜B中，使用增壓機(jī)將CO2壓入樣釜A和懸滴室中；③將系統(tǒng)升溫至所需溫度（油藏溫度44℃），恒溫12 h，將樣釜B中的油藏流體壓入懸滴室至所需壓力；④壓一滴油藏流體于懸滴室探針處，保持油滴在最大狀態(tài)，值得注意的是油滴大小與界面張力無關(guān)，但大液滴可減小數(shù)據(jù)處理的相對誤差；⑤攝相記錄圖像，并記錄當(dāng)時(shí)準(zhǔn)確壓力讀數(shù)；⑥調(diào)整實(shí)驗(yàn)壓力，重復(fù)上述操作步驟，測得一系列不同壓力條件下的CO2-原油體系的界面張力。根據(jù)混相的定義，當(dāng)注入氣與地層原油間的界面張力減小到0時(shí)，可認(rèn)為達(dá)到一次接觸混相。對該系列界面張力數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合處理，采用外推法就可以計(jì)算出界面張力為0時(shí)的最小混相壓力。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本實(shí)驗(yàn)用油為延長油田特低滲油藏長6油層組原油，取樣井段1 368～1 373 m，油層溫度43.75℃，油層壓力8.22 MPa，氣油比67.2 m3/t。實(shí)驗(yàn)用CO2純度為99.95%。

在44℃油藏溫度條件下，采用高壓懸滴法測定了不同壓力條件下CO2-原油體系的界面張力。圖2為CO2-原油體系的界面張力隨體系壓力的變化曲線圖。從圖2可以看出，CO2-原油體系的界面張力隨體系壓力的升高幾乎呈線性關(guān)系下降，隨著系統(tǒng)壓力的升高，界面張力不斷減??；當(dāng)體系壓力升高到一定值時(shí)，界面張力接近于0，氣液之間趨于混相狀態(tài)。

圖2　不同壓力條件下的界面張力（44℃）Fig.2　Interfacial tensions under different pressures

對該系列界面張力數(shù)據(jù)進(jìn)行了線性回歸擬合，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.99，說明通過實(shí)驗(yàn)所測界面張力隨體系壓力的變化關(guān)系與線性關(guān)系較為符合。據(jù)此，采用外推法計(jì)算出了當(dāng)界面張力為0時(shí)的CO2-原油間的最小混相壓力。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可以確定出一次接觸混相壓力約為23.56 MPa。

通過該實(shí)驗(yàn)裝置的成像設(shè)備可以觀察到界面張力為0時(shí)的CO2-原油體系的混相狀態(tài)。圖3為不同壓力條件下原油滴入CO2介質(zhì)中的油滴形狀。從圖3可以看出，當(dāng)壓力達(dá)到24 MPa時(shí)，由于兩相已接近混相，油滴難以保持原來的狀態(tài)，此時(shí)相界面逐漸消失。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用高壓懸滴法測定CO2-原油體系的界面張力，既可較精確地估算出在油藏條件下CO2-原油體系的最小混相壓力，也能清楚地觀察到CO2-原油體系在達(dá)到混相壓力時(shí)的互溶狀態(tài)。

圖3　不同壓力條件下的原油液滴形狀（44℃）Fig.3　Oil drop shapes under different pressures

3　結(jié)論

（1）采用高壓懸滴法測得了延長油田特低滲油藏長6油層組原油在44℃油藏溫度、不同壓力條件下的CO2-原油體系的界面張力。隨著體系壓力的升高，CO2-原油體系的界面張力基本呈線性下降趨勢。

（2）采用外推法得出界面張力為0時(shí)的一次接觸混相壓力為23.56 MPa，實(shí)驗(yàn)中直接觀測的到達(dá)混相狀態(tài)時(shí)的壓力為24.00 MPa，兩者的相對誤差為1.8%。

（3）與其他測定方法相比，高壓懸滴法測定CO2-原油體系最小混相壓力的實(shí)驗(yàn)過程實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄與處理，測定結(jié)果準(zhǔn)確度相對較高，實(shí)驗(yàn)操作時(shí)間短，且簡單易行，對同類實(shí)驗(yàn)具有一定的借鑒意義。

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（本文編輯：王會玲）

Determination of the minimum miscibility pressure of CO2and crude oil system by hanging drop method

HUANG Chunxia，TANG Ruijia，YU Huagui，JIANG Shaojing
（Research Institute of Shaanxi Yanchang Petroleum（Group）Co.Ltd.，Xi’an 710075，China）

The minimum miscibility pressure of CO2and crude oil system is an important parameter for the research of CO2flooding technology.The interfacial tension data of CO2and crude oil system were measured by pendant drop method under the conditions of reservoir temperature of 44℃and different pressure.The oil samples are produced in low permeability reservoir of Yanchang Oilfield.The experiment results show that the interfacial tension of CO2and crude oil decreased almost linearly as increasing pressure.According to the extrapolated method，the minimum miscibility pressure is 23.56 MPa when the interfacial tension of CO2and crude oil is zero.This method can be used to not only obtain the minimum miscibility pressure of CO2and crude oil system，but also directly observe the miscible phase picture of CO2and crude oil.The experiment is easier in operation and needs less time than the others，so it has a certain reference value on the measurement for similar experiments.

interfacial tension；minimummiscibilitypressure；carbon dioxide；pendant drop method

TE311

A

1673-8926（2015）01-0127-04

2014-07-28；

2014-09-11

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“陜北煤化工CO2捕集、埋存與提高采收率技術(shù)示范”（編號：2012BAC26B00）資助

黃春霞（1964-），女，碩士，高級工程師，主要從事提高原油采收率技術(shù)研究方面的工作。地址：（710075）陜西省西安市高新區(qū)科技二路75號。電話：（029）88899614。E-mail：hchx-1@126.com。