二氧化碳驅(qū)油分層注入技術研究

張曉靜

(大慶油田有限責任公司 采油工程研究院，黑龍江 大慶 163453)

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二氧化碳驅(qū)油分層注入技術研究

張曉靜

(大慶油田有限責任公司 采油工程研究院，黑龍江 大慶 163453)

二氧化碳對于低滲透油藏具有良好的驅(qū)替特性，在油田二次開發(fā)中被廣泛應用。但是，籠統(tǒng)注入的二氧化碳會沿滲透率高的方向突進，造成氣竄，導致油層無法有效動用。如果采用分層注入的方法，目前缺少二氧化碳注入所需的氣嘴，無法建立起有效的節(jié)流壓差，不能實現(xiàn)分層注氣。針對上述問題，研究了二氧化碳驅(qū)分層注入技術，研制了一種適用于二氧化碳的大節(jié)流壓差多級串聯(lián)氣嘴。室內(nèi)試驗及現(xiàn)場應用29口井表明：采用多級串聯(lián)內(nèi)孔偏心氣嘴可實現(xiàn)流量7 m3/d時，節(jié)流壓差1 MPa以上，二氧化碳分注工藝成功率高達86.2%。此研究結果為二氧化碳驅(qū)分注工藝的現(xiàn)場推廣提供了技術保障。

氣驅(qū)；分層注氣；氣嘴；節(jié)流壓差

二氧化碳驅(qū)油(二氧化碳-EOR)技術最早起源于20世紀50年代，與傳統(tǒng)的注水開發(fā)技術相比，這種技術具有很多優(yōu)勢[1]。進入油層的二氧化碳可以通過溶解、酸化、膨脹、萃取等方式[2]，大幅度提高原油的采收率。大慶油田作為一個非均質(zhì)多油層的砂巖油田，常采用多井網(wǎng)分層系開采的方式進行開發(fā)[3]，若籠統(tǒng)注氣開采，層間矛盾突出，注入的二氧化碳會沿高滲透層快速突進，造成氣竄。陳祖華[4]等提出的細分層系、高部位注氣、水氣交替注入等方法可以解決這一問題。為此，進行二氧化碳驅(qū)分層注入技術研究，設計一種適用于分層注入二氧化碳的氣嘴結構。

1 CO2分層注入工藝管柱

1.1 管柱組成

分層注入工藝管柱主要由鎳磷鍍油管、自帶液壓坐封系統(tǒng)可鉆式封隔器、反循環(huán)閥、配注器、單向閥組成，如圖1所示。

圖1 單管分注工藝管柱示意

1.2 工藝原理

注入工藝管柱采用單管1次下入2級自帶液壓坐封系統(tǒng)Y443型封隔器，1趟管柱完成2級封隔器坐封，注入層接配注器，配注器內(nèi)投入不同類型的氣嘴，通過氣嘴實現(xiàn)分層注入，采用鋼絲投撈實現(xiàn)分層調(diào)配及分層測試，采用鎳磷鍍防腐油管、防腐封隔器，定期注入防腐液保護管柱及套管，采用單向閥控制注入液體反吐，采用反循環(huán)閥實現(xiàn)不放噴作業(yè)。為防止注入的二氧化碳遇水腐蝕套管內(nèi)壁，投注前用氮氣舉凈井筒內(nèi)液體。

2 二氧化碳氣嘴的設計與仿真

2.1 CO2氣嘴的結構及工作原理

由于二氧化碳氣體的黏度小，如果沿用水驅(qū)水嘴的結構進行二氧化碳分注，則節(jié)流壓差建立困難。為此，采用多級氣嘴串聯(lián)結構進行節(jié)流壓差控制，通過多次縮徑過程讓二氧化碳產(chǎn)生能量損失，從而降低單層二氧化碳注入壓力，最終實現(xiàn)配注量調(diào)節(jié)的目的。目前，單級氣嘴有內(nèi)孔未偏心氣嘴和內(nèi)孔偏心氣嘴2種形式，其結構如圖2所示。

a 內(nèi)孔未偏心單級氣嘴結構

b 內(nèi)孔偏心單級氣嘴結構

2.2 FLUENT軟件中的二氧化碳模擬

為了分析不同類型氣嘴對于節(jié)流壓差影響，利用FLUENT軟件和室內(nèi)試驗對進入不同類型氣嘴結構二氧化碳形成的節(jié)流壓差進行對比研究。

2.2.1 氣嘴模型建立

首先通過建模軟件Gambit對不同類型氣嘴內(nèi)的流動通道進行物理模型的建立，并進行了網(wǎng)格劃分，如圖3所示。單級氣嘴結構尺寸為：內(nèi)孔直徑為2 mm，外孔直徑為6 mm，在網(wǎng)格劃分方面采用六面體單元。

圖3 多級串聯(lián)內(nèi)徑偏心氣嘴結構的物理模型

之后，在FLUENT軟件中對二氧化碳氣體進行物理參數(shù)設置。二氧化碳的密度和黏度是隨流場壓力和溫度的變化而變化。由于氣嘴的長度很小，可以近似認為氣體的溫度基本沒有發(fā)生變化。另外，二氧化碳的黏度對壓差的影響很小，所以近似認為其黏度在流場內(nèi)為定值。因此，只有二氧化碳的密度隨著壓力的變化而變化。密度與壓力的關系在理論上可以通過理想氣體狀態(tài)方程進行推導，但是理想氣體狀態(tài)方程具有一定的局限性，沒有一種真實氣體能在寬的范圍內(nèi)服從該方程，一般來說，氣體分子越復雜，相同密度下，真實壓力值與利用理想氣體狀態(tài)方程推導的氣體壓力值偏差也越大。在高壓下，因為計算壓力值誤差大，不能使用理想氣體狀態(tài)方程，必須使用真實氣體狀態(tài)方程。通過研究表明，Pen-Robinson方程(簡稱P-R方程)在計算二氧化碳密度與壓力關系時，較為適合工程應用。

P-R方程表達式為：

(1)

其中，

α(T)=α(Tc)α(Tr,ω)

k′=0.374 64+1.542 26ω+0.269 92ω2

式中：p為流體壓力，kPa；R為氣體常數(shù)，R=8.314 kJ/(kmol·K)；T為絕對溫度，K；V為氣體摩爾體積，L/mol；b為P-R方程的狀態(tài)參數(shù)；α為溫度函數(shù)；Tc為臨界溫度；pc為臨界壓力，kPa；Tr為對比溫度，K；ω為偏心因子；k′為偏心因子函數(shù)。

當氣體為二氧化碳時，偏心因子ω=0.225，臨界壓力pc=7.377 MPa，臨界溫度Tc=304.13 K，T=313 K，P-R方程為：

(2)

二氧化碳密度為

(3)

式中：ρ為密度，kg/m3；M為摩爾質(zhì)量，g/mol。

由式(2)～(3)就可得到密度與壓力關系式

(4)

為了更加符合工程實際，通過FLUENT軟件自帶程序接口，輸入二氧化碳關于密度和壓力函數(shù)，即式(4)，在進出口流動參數(shù)設置時，流體介質(zhì)為40 ℃、20MPa下的二氧化碳，進口流量為7m3/d，出口為自由流動狀態(tài)。

2.2.2 數(shù)值模擬結果

圖4為計算得到的二氧化碳壓力分布。圖中左側為進口，右側為出口。從圖4中可以看出，隨著二氧化碳通過氣嘴級數(shù)的增加，壓力逐漸降低，起到了節(jié)流作用。

圖4 二氧化碳在多級氣嘴內(nèi)壓力分布

表1和表2是流量7m3/d時，不同級數(shù)、不同內(nèi)孔直徑的噴嘴模擬得到的節(jié)流壓差統(tǒng)計數(shù)據(jù)。從表1～2可以看出，隨著內(nèi)孔的縮小、級數(shù)的增多，節(jié)流壓差逐漸增大。在相同直徑的內(nèi)孔、氣嘴級數(shù)情況下，內(nèi)孔偏心也可進一步增大節(jié)流壓差，原因是由于內(nèi)孔偏心增加了氣體通過氣嘴的路程，從而會造成能量損失增加。另外，氣體在偏心氣嘴流動時，由于偏心的影響，造成氣體速度方向連續(xù)不斷的變化，從而進一步增加了氣體在氣嘴內(nèi)的沿程能量損失，兩者結合，造成節(jié)流壓差提升幅度大。

表1 內(nèi)孔未偏心情況下不同氣嘴級數(shù)試驗的節(jié)流壓差

表2 內(nèi)孔偏心情況下不同氣嘴級數(shù)試驗的節(jié)流壓差

3 室內(nèi)試驗

為了驗證數(shù)值模擬計算結果的正確性，利用室內(nèi)試驗測定二氧化碳在串聯(lián)氣嘴的壓力損失，試驗流程如圖5。

3.1 試驗條件

試驗介質(zhì)為二氧化碳。溫度40 ℃，壓力20MPa，流量7m3/d。

3.2 試驗步驟

1) 在儲液罐中配制二氧化碳，壓力20MPa、溫度40 ℃。

2) 將試驗用的氣嘴裝入試驗核中。

圖5 氣嘴節(jié)流壓差試驗裝置流程

3) 連接好管線。啟動柱塞泵，調(diào)整到適當流量范圍，記錄流量在7m3/d條件下的節(jié)流壓差。

4) 停止柱塞泵，拆下連接管線，即完成一次試驗過程。

5) 重復上述步驟，進行不同結構氣嘴的室內(nèi)試驗。

氣嘴規(guī)格分別為：

1) 內(nèi)孔直徑1.5mm、內(nèi)孔中心未偏心、氣嘴級數(shù)2、3、4、5。

2) 內(nèi)孔直徑2.5mm、內(nèi)孔中心偏心、氣嘴級數(shù)2、3、4、5。

從表3中可以看出，串聯(lián)氣嘴結構在室內(nèi)試驗條件下能夠產(chǎn)生節(jié)流壓差與數(shù)值模擬得到結果平均誤差為5.38%，最大誤差為9.89%，滿足工程需要，說明數(shù)值模擬結果的正確性。因此，在現(xiàn)場需要不同節(jié)流壓差時可根據(jù)數(shù)值模擬提供的結果進行氣嘴更換選擇。另外，氣嘴過流面積越大則工具現(xiàn)場應用堵塞可能性越小。通過對比表1和表2，在相同氣嘴級數(shù)情況下，要得到相近節(jié)流壓差情況下，內(nèi)孔偏心串聯(lián)氣嘴內(nèi)徑尺寸要大于未偏心情況，例如：氣嘴級數(shù)為2，需要節(jié)流壓差0.2MPa，內(nèi)孔未偏心需要內(nèi)徑直徑為2.0mm，而內(nèi)孔偏心則內(nèi)徑直徑選擇為2.5mm，緩解了氣嘴堵塞。在現(xiàn)場應用時應采用內(nèi)徑偏心的不同級數(shù)串聯(lián)氣嘴。

表3 室內(nèi)試驗與數(shù)值模擬得到的氣嘴節(jié)流壓差

4 現(xiàn)場應用

目前，二氧化碳分注技術在大慶油田共現(xiàn)場應用29口井，工藝成功率86.2%，投撈氣嘴負荷與水驅(qū)水嘴投撈復合相當，其中某油田101區(qū)塊96-碳斜10井籠統(tǒng)注入時，測試結果顯示YI6層不吸氣，F(xiàn)Ⅲ13層吸入量25.6m3/d，氣竄嚴重。為此，對該井下入二氧化碳分注管柱，分層后，F(xiàn)Ⅲ13層配注器內(nèi)投入氣嘴級數(shù)為2級、內(nèi)孔直徑為1.5mm的內(nèi)孔偏心氣嘴。投入后進行流量測試，測試解釋結果顯示在正常注入壓力下，總注入量為23.4m3/d，YI6層注入量由0m3/d提高到11.22m3/d(如表4)，F(xiàn)Ⅲ13層與YI6層的吸氣比例分別是52.03%、47.97%，注入量滿足配注需求。

表4 樹96-碳斜10分層注氣數(shù)據(jù)

4 結論

1) 利用P-R方程建立了二氧化碳密度與壓力關系式，并通過FLUENT軟件，可準確計算出二氧化碳在不同結構氣嘴內(nèi)的節(jié)流壓差。

2) 采用內(nèi)孔偏心結構氣嘴較未偏心結構氣嘴可提高節(jié)流壓差，若在相同節(jié)流壓差情況下，內(nèi)孔偏心結構氣嘴內(nèi)徑尺寸較未偏心結構氣嘴大，可緩解氣嘴堵塞。

3) 下步將對不同內(nèi)徑偏心程度對于節(jié)流壓差影響程度進行數(shù)模分析，在保證節(jié)流壓差情況下，進一步提高氣嘴的橫截面積，減少現(xiàn)場工具堵塞的可能性，并進一步擴大二氧化碳分層注入工藝現(xiàn)場應用規(guī)模，驗證工藝現(xiàn)場適用性。

[1] 羅二輝，胡永樂，李寶柱，等.中國油氣田注CO2提高采收率實踐[J].特種油氣藏，2013(2)：33-42.

[2] 劉忠運，李莉娜.CO2驅(qū)油機理及應用現(xiàn)狀[J].節(jié)能與環(huán)保，2009，18(6)：36-38.

[3] 周望，李志，謝朝陽.大慶油田分層開采技術的發(fā)展與應用[J].鉆采工藝，1998，01(2)：78-82.

[4] 陳祖華，湯勇，王海妹，等.CO2驅(qū)開發(fā)后期防氣竄綜合治理方法研究[J].巖性油氣藏，2014，10(8)：26-33.

[5] 曾亞勤，郭方元，巨亞鋒.CFD技術在防堵塞系列配水嘴設計中的應用[J].石油礦場機械，2011，40(12)：76-80.

Research on CO2Layered Injection Technology

ZHANG Xiaojing

(ProductionEngineering&ResearchInstitute，DaqingOilfieldCompanyLimited，Daqing163453，China)

CO2for low permeability reservoir with good displacement characteristics is widely used in the secondary development of the oil field，but the general injection of CO2will be along the direction of high permeability onrush，resulting in gas channeling and the reservoir cannot be effectively utilized.If using the method of separating injection，becauseofthelackofCO2injection required gas nozzle，it is unable to establish effective throttle pressure，failed to achieve separating gas injection.In view of the above questions，research on the development of the CO2separating injection technology，developed a festive flow differential pressure multistage gas nozzle，the laboratory experiments and the field application of 29 injection wells results show that：in the flow 7 m3/d，the throttle pressure can be reached above 1 MPa by multi-stage eccentric diameter gas mouth，success rate of field application of CO2layered injection technology was 86.2% .The results of this study provide technical support for the field promotion of CO2flooding technology.

gas drive；separate layer gas injection；gas nozzle；throttle pressure

2016-05-26

張曉靜(1983-)，女，黑龍江大慶人，工程師，2007年畢業(yè)于東北石油大學石油工程專業(yè)，主要從事二氧化碳分層開采工藝方面研究，E-mail：zhangxiaojing@petrochina.com.cn。

1001-3482(2016)11-0073-05

TE934.407

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.11.017