CO2-原油混相帶形成機(jī)理與表征方法

陳志豪，郝永卯，季迎春，韋馨林，曾旭智

（1.非常規(guī)油氣開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中國石油大學(xué)（華東），山東青島 266580；2.中國石化勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院，山東東營 257015）

CO2混相驅(qū)提高采收率的效果明顯高于CO2非混相驅(qū)［1-2］。CO2非混相驅(qū)條件下，黏性指進(jìn)和重力超覆使CO2驅(qū)波及系數(shù)較低，同時油氣之間存在界面張力，洗油效率較低。而CO2混相驅(qū)條件下，CO2與原油多次接觸逐步混相，可有效改善黏性指進(jìn)和重力超覆，從而提高波及系數(shù)；CO2與原油界面張力消失，毛管力為0，理論上洗油效率可達(dá)100%。因此，相比于CO2非混相驅(qū)，CO2混相驅(qū)更有利于提高采油率［3-9］。CO2-原油混相帶是表征混相驅(qū)和非混相驅(qū)的重要依據(jù)，但目前研究主要集中在混相過程方面，而對混相帶的研究較少。趙越超等運(yùn)用核磁共振成像技術(shù)研究CO2混相驅(qū)驅(qū)油過程［10］，結(jié)果表明驅(qū)替前緣保持勻速推進(jìn)，有效地抑制指進(jìn)和竄流。章星等通過細(xì)管實(shí)驗(yàn)研究CO2與原油的混相動態(tài)，并量化分析了混相帶的特征［11］。BOOTH等運(yùn)用數(shù)值模擬研究混相驅(qū)驅(qū)油過程中混相帶的變化特征［12］，結(jié)果表明混相帶面積增大并存在黏性指進(jìn)現(xiàn)象。李南等運(yùn)用數(shù)值模擬技術(shù)，將流體黏度和油氣界面張力作為劃分混相帶的指標(biāo)，研究混相驅(qū)驅(qū)油過程中混相帶的波及規(guī)律［13］。為此，筆者在系統(tǒng)研究CO2-原油混相帶形成機(jī)理基礎(chǔ)上［14］，建立混相帶劃分標(biāo)準(zhǔn)和表征方法，以期為CO2混相驅(qū)提供理論指導(dǎo)。

圖1 各實(shí)驗(yàn)參數(shù)擬合結(jié)果Fig.1 Fitting results of each parameter

1 CO2-原油相態(tài)模型

1.1 擬組分劃分

根據(jù)勝利油田G 區(qū)塊原油的組成，并按照性質(zhì)相似相近原則，對原油組分進(jìn)行合并，考慮各組分的相態(tài)、摩爾分?jǐn)?shù)、目標(biāo)區(qū)塊復(fù)配油的黏度等，將原油劃分為CO2，N2+C1，C2-NC4，IC5-C7，C8-C12，C13-C20及C21+共7個擬組分，減少模型運(yùn)算時間。各擬組分摩爾分?jǐn)?shù)分別為0.004 4，0.239 5，0.080 7，0.176 7，0.262 3，0.184 7和0.052 4。

1.2 PVT實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合

利用CMG-Winprop 相態(tài)模擬軟件包對PVT 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合來調(diào)整狀態(tài)方程參數(shù)，建立真實(shí)的流體相態(tài)模型。主要調(diào)整數(shù)據(jù)包括各擬組分的相互作用系數(shù)、偏心因子、黏度系數(shù)等，主要擬合實(shí)驗(yàn)參數(shù)包括相對體積系數(shù)、膨脹系數(shù)、黏度等（圖1）。從圖1中可以看出，各實(shí)驗(yàn)參數(shù)的擬合效果較好，相態(tài)模型可以準(zhǔn)確表征地層流體性質(zhì)。

2 CO2-原油混相帶形成機(jī)理

CO2與原油的混相過程一般為多級接觸混相，且壓力越大，CO2與原油間的汽化-凝析作用強(qiáng)度和速率越大，越易形成混相。從CO2混相驅(qū)驅(qū)油過程中的多級接觸混相示意圖（圖2）中可以看出，當(dāng)CO2注入油藏時，第一次與原油O接觸、混合并經(jīng)閃蒸分離產(chǎn)生平衡氣相Y1和平衡液相X1。由于氣相的流度大于液相的流度，且平衡氣相Y1將向前運(yùn)移與原油接觸，而平衡液相X1與后方的注入氣G相接觸，為了方便表示，將平衡氣相Y1放在平衡液相X1之前，這是油氣第1次接觸結(jié)果。

圖2 CO2混相驅(qū)驅(qū)油過程中多級接觸混相示意Fig.2 Diagram of multiple-contact miscibility during CO2miscible flooding

第2 次接觸包括注入氣G向前運(yùn)移時與平衡液相X1的接觸和平衡氣相Y1向前運(yùn)移時與原油O的接觸。驅(qū)替過程中，注入氣G向前運(yùn)移與平衡液相X1接觸、混合并經(jīng)閃蒸分離產(chǎn)生平衡液相X21和平衡氣相Y21，平衡氣相Y1向前運(yùn)移和原油O接觸、混合并經(jīng)閃蒸分離產(chǎn)生平衡液相X22和平衡氣相Y22，這是第2 次接觸結(jié)果。同理，第N次接觸結(jié)果，將產(chǎn)生一系列平衡氣相YN1，YN2，…，YNN以及平衡液相XN1，XN2，…，XNN。

由圖2 可知，在CO2混相驅(qū)驅(qū)油過程中，沿驅(qū)替方向，一開始油藏中的組成只有注入氣G和原油O，這2 個組成是不連續(xù)的、離散的，經(jīng)過一系列的汽化-凝析作用，逐漸產(chǎn)生一系列連續(xù)分布的平衡氣相YN1，YN2，…，YNN以及平衡液相XN1，XN2，…，XNN，且隨著接觸次數(shù)的增加，氣相組成YNN和液相組成XNN越來越接近，最終達(dá)到一致并實(shí)現(xiàn)混相，形成混相帶。因此，在混相過程中，汽化-凝析作用使油藏中氣相的組成從注入氣G的組成逐漸的、連續(xù)的變化為一系列連續(xù)的組成YN1，YN2，…，YNN，從而實(shí)現(xiàn)注入氣性質(zhì)（黏度、密度等）到混相帶性質(zhì)的平穩(wěn)過渡。

在混相帶形成之前，氣相前緣的組成YNN逐漸靠近臨界點(diǎn)，被富化的程度越來越高，與原油O組成也越來越接近，因此氣相前緣與原油間的汽化-凝析作用在混相帶形成過程中越來越弱。當(dāng)混相帶M形成之后，位于混相帶之后的平衡氣相YNN無法與原油O直接接觸，而是與混相帶M后緣相接觸。混相帶后緣的組成位于氣液相平衡的臨界點(diǎn)，而氣相前緣的組成YNN也非常靠近臨界點(diǎn)，即可認(rèn)為氣相前緣組成與混相帶后緣的組成非常接近，因此在混相帶M形成后，氣相前緣與混相帶后緣間的汽化-凝析作用非常弱。

另一方面，當(dāng)混相帶剛形成時，可認(rèn)為混相帶前緣的組成也位于氣液相平衡的臨界點(diǎn)，混相帶前緣與原油相接觸。由于混相帶前緣的組分含量（CO2和輕質(zhì)組分）和原油組分含量存在差異，混相帶前緣中CO2含量較高，輕質(zhì)組分含量較低，造成混相帶和原油組分濃度和流速分布不均，且混相帶和原油是可以互溶的，從而引起分子擴(kuò)散和機(jī)械彌散帶前緣和原油之間存在水動力彌散現(xiàn)象。與汽化-凝析作用使注入氣組成到臨界點(diǎn)組成連續(xù)變化作用類似，水動力彌散作用的結(jié)果將使混相帶組成與原油的組成連續(xù)的變化。

綜上所述，CO2與原油的混相過程可以分為2個步驟：①混相帶形成之前，CO2前緣不斷向前運(yùn)移，不斷與原油接觸，通過多次的、較強(qiáng)的汽化-凝析作用實(shí)現(xiàn)油氣混相，形成混相帶。在這個過程中汽化-凝析作用使油藏中注入氣組成到臨界點(diǎn)組成連續(xù)變化，汽化-凝析作用逐漸減弱。②混相帶形成之后，由于混相帶前緣與原油組分濃度存在差異，在混相帶前緣將出現(xiàn)水動力彌散現(xiàn)象，最終使得混相帶與原油間的組成連續(xù)變化。

3 混相帶表征方法

3.1 數(shù)值模擬模型的建立

建立二維平面油藏模型，尺寸為200 m×200 m×8 m，對角設(shè)置一注一采井組。油藏頂深為3 000 m，溫度為126 ℃，初始地層壓力為28.9 MPa，孔隙度為10%，滲透率為10 mD，含水飽和度為30%。流體模型采用勝利油田G 區(qū)塊的流體模型，原油組分劃分成7 個擬組分。模擬連續(xù)CO2驅(qū)，注氣井定流量為0.001 PV/d 進(jìn)行注入，采油井定流壓為28.9 MPa 進(jìn)行生產(chǎn)，保證整個油藏區(qū)域內(nèi)壓力高于最小混相壓力。

3.2 混相帶的劃分

一般劃分混相區(qū)域的方法是比較壓力是否大于最小混相壓力，但是在驅(qū)替過程中，由于汽化-凝析作用，使得波及區(qū)內(nèi)的油相組分在不斷變化，因此油氣的最小混相壓力也在不斷變化，因此需要尋找一個更加準(zhǔn)確判定混相帶的方法。擬采用油氣界面張力和油相中CO2含量作為主要指標(biāo)來劃分混相帶。利用油氣界面張力和油相中CO2含量劃分的方法來定義混相帶。

從圖3可知，混相帶后緣位于油氣兩相區(qū)之中，利用油氣界面張力確定其位置，油氣組成越接近，油氣界面張力越低。利用勝利油田G區(qū)塊的流體模型，建立細(xì)管模型，CO2累積注入量為0.4 PV 時，油氣界面張力隨無因次距離（注氣井的距離與井距之比）變化規(guī)律（圖4）。根據(jù)油氣界面張力的變化趨勢，將油氣界面張力等于0.1 dyn/cm 定義為臨界油氣混相界面張力，即油氣界面張力低于0.1 dyn/cm時，可認(rèn)為CO2與原油已達(dá)到混相狀態(tài)。

圖3 CO2混相驅(qū)過程中流體分布示意Fig.3 Diagrammatic sketch of fluid distribution in CO2miscible flooding process

圖4 油氣界面張力隨無因次距離變化規(guī)律Fig.4 Interfacial tension variation with the dimensionless distance

混相帶前緣位于溶有CO2的油相區(qū)中，只存在液相，不存在油氣界面張力，故需其他的指標(biāo)。李南等利用流體黏度確定其位置，即將油相黏度降低一定幅度的位置定義為混相帶前緣［13］，但是壓力的降低也會導(dǎo)致油相黏度降低，因此這種劃分方法并不準(zhǔn)確。油相中CO2含量和油相黏度分布示意如圖5 所示，CO2含量為0.2 時，油相的黏度降幅約為25%，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)此時油相的膨脹系數(shù)約為1.1，可認(rèn)為這已達(dá)到工程上所需的混相效果。因此，將油相中CO2含量等于0.2的位置定義為混相帶前緣。

圖5 油相中CO2含量和油相黏度分布示意Fig.5 Schematic diagram of CO2content in oil phase and oil viscosity distribution

3.3 混相帶的表征方法

基于混相帶的定義，在二維平面油藏模型基礎(chǔ)上，分別說明混相帶前緣和后緣的確定方法，進(jìn)而建立混相帶寬度表征方法。首先利用油氣界面張力分布進(jìn)行線性插值作出油氣界面張力等于0.1 dyn/cm 的等值線（圖6a），即混相帶后緣；然后利用油相中CO2含量分布進(jìn)行線性插值作出油相中CO2含量為0.2 的等值線，即混相帶前緣（圖6b）。將混相帶展開等效為一個矩形，矩形的面積就是混相帶的面積，矩形的長度等于混相帶前緣與原油接觸面的長度，即混相帶前緣形成的包絡(luò)線的長度，將矩形的寬度定義為混相帶的寬度，即混相帶的寬度等于無因次混相帶面積與混相帶前緣包絡(luò)線的長度之比。

圖6 油氣界面張力和油相中CO2含量分布Fig.6 Oil-gas interfacial tension and CO2content distribution in oil phase

從混相帶寬度隨累積注入量的變化（圖7）可以看出，在混相前緣突破之前，隨著累積注入量的增加，混相帶的寬度一直在增大，說明混相帶面積的增大不僅僅是因?yàn)榛煜鄮熬壟c原油接觸面在增大?；煜鄮У膶挾仍龃蟮闹饕蚴怯捎谒畡恿浬⑹够煜鄮熬壍倪\(yùn)移速度大于混相帶后緣的運(yùn)移速度，導(dǎo)致混相帶的寬度在增加。同時可以看出，混相帶寬度的增大趨于平緩，也就是混相帶前緣與后緣之間的運(yùn)移速度越來越接近。分析其原因主要包括：①隨著混相帶寬度的增大，氣相與原油接觸變難，即通過油氣多級接觸、汽化-凝析作用的方式增加混相帶的寬度難度增大。②隨著混相帶寬度的增大，混相帶之間的組分含量變化趨于平緩，即組分的濃度梯度變小，導(dǎo)致水動力彌散作用變?nèi)?，混相帶前緣運(yùn)移速度減慢。在混相帶前緣突破時，混相帶寬度達(dá)到最大，約為模型寬度的15%。在混相帶前緣突破到混相帶后緣突破之間，混相帶寬度迅速下降，之后趨于平穩(wěn)。

圖7 混相帶寬度隨累積注入量變化Fig.7 Curve of miscible zone width with cumulative injection volume

4 結(jié)論

CO2-原油混相帶形成之前，CO2相前緣不斷向前運(yùn)移，通過多次較強(qiáng)的汽化-凝析作用實(shí)現(xiàn)油氣混相，形成混相帶，注入氣組成到氣液平衡臨界點(diǎn)組成連續(xù)變化；CO2-原油混相帶形成之后，混相帶前緣與原油組分濃度存在差異，在混相帶前緣出現(xiàn)水動力彌散現(xiàn)象，結(jié)果使得混相帶與原油間的組成連續(xù)變化。

CO2-原油混相帶的劃分方法是將油氣界面張力等于0.1 dyn/cm 的等值線作為混相帶后緣，將油相中CO2含量為0.2 的等值線作為混相帶前緣。建立了CO2-原油混相帶寬度的表征方法，即混相帶的寬度等于無因次混相帶面積與混相帶前緣包絡(luò)線的長度之比；在混相帶前緣突破之前，混相帶寬度逐漸增大但增速逐漸減慢；在混相帶前緣突破之后到混相帶后緣突破之前，混相帶寬度迅速下降，之后趨于平穩(wěn)。