某油田CO2驅(qū)伴生氣雜質(zhì)對(duì)回注條件的影響

孫 曉，張春威，胡耀強(qiáng)，鮑 文，王 濤，李 鶴，李 杰，王偵倪

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

CO2驅(qū)是一種可以有效提高油藏采收率的增產(chǎn)措施[1]，該技術(shù)不僅能夠明顯提高低滲、特低滲油藏的采收率，還可以封存CO2，保護(hù)大氣環(huán)境[2]。 某油田已先后建成10個(gè)試驗(yàn)井組的CO2驅(qū)油先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)，并計(jì)劃新建超過1.0 × 105t/a的CO2注入示范工程。隨著注入量的逐漸增加，CO2將不可避免地隨伴生氣采出地面，且采出量呈逐年上漲趨勢(shì)[3]。 例如勝利油田高89區(qū)塊CO2先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)投產(chǎn)幾年來， 氣竄情況越來越顯著，CO2含量已達(dá)80%[4]。 另外，中原油田通過現(xiàn)場(chǎng)跟蹤檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)注入氣中的CO2的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)越高，其對(duì)應(yīng)的驅(qū)油效率越高[5]。 對(duì)伴生氣進(jìn)行回注既可以滿足CO2連續(xù)注入的需要， 同時(shí)可以降低運(yùn)輸成本[6]。

伴生氣主要來源于地層氣和注入氣，其雜質(zhì)主要有N2、H2S和輕烴組分。 伴生氣的物性參數(shù)越精準(zhǔn)，則工藝計(jì)算結(jié)果越可靠[7]。 雜質(zhì)對(duì)CO2的臨界溫度、 臨界壓力以及相包絡(luò)線等參數(shù)有一定的影響，產(chǎn)生兩相區(qū)， 并決定致密相區(qū)域和超臨界區(qū)域，這些區(qū)域又決定著管道的作業(yè)區(qū)域，尤其在回注增壓過程中，需要通過準(zhǔn)確的相圖來有效控制相態(tài)[8]。 只有偏離這些兩相區(qū)域才能避免管道和設(shè)備存在的潛在危害[9]。 國(guó)內(nèi)針對(duì)各種雜質(zhì)對(duì)CO2相平衡的影響開展了相關(guān)研究，大多數(shù)研究氣源來自于電廠排放的捕集氣， 其組分的種類和含量與CO2驅(qū)油井采出氣有所差異。 目前國(guó)內(nèi)針對(duì)油井采出氣的物性研究較少，對(duì)采出氣內(nèi)各組分含量對(duì)于物性影響的研究也鮮有報(bào)道。

為此， 本文基于某油田CO2驅(qū)先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)見氣井氣質(zhì)組分，通過模擬計(jì)算，分析氮?dú)?、硫化氫和輕烴三種雜質(zhì)在見氣組分含量范圍內(nèi)對(duì)物性參數(shù)的影響規(guī)律，為伴生氣的回注工藝提供依據(jù)。

1 模型的建立

1.1 伴生氣組分的確定

CO2驅(qū)油井伴生氣的特點(diǎn)主要有：（1）采出壓力較低，一般在0.2～0.8 MPa之間[10]；（2）主要組分為CO2，其含量大于30%；（3）雜質(zhì)主要有輕烴（甲烷、乙烷、丙烷，以下簡(jiǎn)稱“C1～C3”）、氮?dú)?、硫化氫等；?）流量變化大，氣源分散；（5）腐蝕性強(qiáng)[11]。通過分析先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)見氣井氣質(zhì)組分含量，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)見氣井中輕烴和CO2的含量大于30%。本文將多個(gè)見氣井的氣質(zhì)組分按比例進(jìn)行了離散處理獲得初始數(shù)據(jù)，據(jù)此建立物性仿真模型。

1.2 狀態(tài)方程的選擇

對(duì)不同的物質(zhì)而言，不同狀態(tài)方程的適用性有所不同，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致結(jié)果差異較大[12]。在建立模型的過程中，選用合適的狀態(tài)方程尤為重要[13]。 趙青等[14]通過使用SRK、PR、PRSV和BWRS四種方程分別計(jì)算純CO2的臨界點(diǎn)值后發(fā)現(xiàn)，這些方程在計(jì)算CO2相平衡時(shí)均無較大偏差，將不同壓力下密度的計(jì)算值與張志剛[15]提供的實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行分析對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，使用SRK和PRSV方程的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值偏差較大，BWRS方程適用于計(jì)算的壓力范圍較小， 且不推薦用于多組分氣體中CO2特性的研究， 故本模型采用PR方程[16]。 Peng等[16]在RK方程的基礎(chǔ)上，提高了計(jì)算臨界壓縮因子和飽和液相密度的精度，并常應(yīng)用于工程相平衡計(jì)算中。 公式如下[9]：

式 中，p為 氣 體 壓 力，Pa；R為 氣 體 常 數(shù)， 取 值 為8.3143 J/(mol·K)；T為氣體溫度，K；V為氣體摩爾體積，10-3m3/mol；Tc為臨界溫度，K；pc為臨界壓力，Pa；Tr為對(duì)比溫度，Tr=T/Tc；w為偏心因子。

2 伴生氣中各雜質(zhì)對(duì)CO2相平衡特性的影響

雜質(zhì)對(duì)CO2相平衡特性的影響主要有兩方面：（1）引起臨界溫度和臨界壓力的變化，使得兩相點(diǎn)發(fā)生偏移；（2）產(chǎn)生兩相區(qū)域，該區(qū)域的大小都會(huì)進(jìn)一步影響回注邊界條件。

2.1 氮?dú)獾挠绊?/h3>

通過建立以上模型，根據(jù)先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)見氣井組的氣質(zhì)組分中氮?dú)夂糠秶?即5%～20%（體積分?jǐn)?shù)，下同），通過對(duì)N2各含量進(jìn)行模擬計(jì)算，得出N2含量對(duì)CO2相平衡和臨界壓力、 臨界溫度的影響結(jié)果見圖1和圖2。

圖1 N2含量對(duì)CO2相平衡的影響Fig. 1 Influence of N2 content on CO2 phase balance

由圖1可知，氮?dú)夂吭礁?，伴生氣兩相點(diǎn)的臨界溫度越低，臨界壓力越高，氮?dú)夂?%～20%時(shí)，臨界溫度為28.85～17.93°C，臨界壓力為9.33～12.56 MPa，兩相點(diǎn)向左上方偏移；各含量組分的露點(diǎn)線基本重合，泡點(diǎn)線向左上方偏移；泡點(diǎn)線和露點(diǎn)線之間的區(qū)域擴(kuò)大。

圖2 N2含量對(duì)臨界壓力和臨界溫度的影響Fig. 2 Influence of N2 content on critical pressure and critical temperature

由圖2可知， 臨界溫度和氮?dú)夂砍示€性負(fù)相關(guān)，臨界壓力和氮?dú)夂砍示€性正相關(guān)，這主要是因?yàn)榛旌衔锱R界性質(zhì)的改變與單一組分的臨界性質(zhì)有關(guān)[17]，混合物的臨界溫度是其組成和單一組分臨界溫度的線性函數(shù)[18]。

2.2 硫化氫的影響

先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)見氣井組的氣質(zhì)組分中H2S含量為0～20%（體積分?jǐn)?shù)，下同），基于以上建立的模型對(duì)H2S各含量進(jìn)行模擬計(jì)算， 得出H2S含量對(duì)CO2相平衡和臨界壓力、臨界溫度的影響結(jié)果見圖3和圖4。

由圖3可知，H2S含量越高， 兩相點(diǎn)的臨界溫度和臨界壓力均越高，H2S含量在0～20%時(shí)， 臨界溫度為30.18～42.98 °C，臨界壓力為8.96～9.29 MPa；兩相點(diǎn)向右上方偏移，幅度較??；泡點(diǎn)線和露點(diǎn)線之間的區(qū)域基本不變。 圖4顯示，臨界溫度和臨界壓力均與H2S含量呈線性正相關(guān)， 其中臨界溫度比臨界壓力斜率大。

圖3 H2S含量對(duì)CO2相平衡的影響Fig. 3 Influence of H2S content on CO2 phase equilibrium

圖4 H2S含量對(duì)臨界壓力和臨界溫度的影響Fig. 4 Influence of H2S content on critical pressure and critical temperature

2.3 輕烴含量的影響

先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)見氣井組的氣質(zhì)組分中C1～C3含量在0～100%（體積分?jǐn)?shù)，下同），基于以上建立的模型對(duì)各含量下的C1～C3進(jìn)行模擬計(jì)算， 得出C1～C3含量對(duì)CO2相平衡和臨界壓力、臨界溫度的影響結(jié)果見圖5和圖6。

圖5 C1～C3含量對(duì)CO2相平衡的影響Fig. 5 Influence of C1～C3 content on CO2 phase balance

圖6 C1～C3含量對(duì)臨界壓力和臨界溫度的影響Fig. 6 Influence of C1～C3 content on critical pressure and critical temperature

由圖5可知，C1～C3含量在0～100%時(shí)，兩相點(diǎn)的臨界溫度為26.44～36.55 °C， 臨界壓力為8.19～10.21 MPa，兩相點(diǎn)整體向右上方偏移；泡點(diǎn)線和露點(diǎn)線之間的區(qū)域逐漸擴(kuò)大。 從兩相點(diǎn)的臨界壓力和臨界溫度偏移曲線（圖6）看出，臨界溫度呈先下降后上升再下降的趨勢(shì)，C1～C3含量為30%時(shí)，達(dá)谷值26.8 °C，C1～C3含量為80%時(shí)，臨界溫度達(dá)峰值36.5 °C；臨界壓力呈先上升后下降的單峰狀，在C1～C3含量為80%時(shí)達(dá)峰值10.31 MPa。

為了更準(zhǔn)確地分析C1～C3含量對(duì)CO2相平衡的影響規(guī)律，分別對(duì)實(shí)際工況下伴生氣中甲烷、乙烷和丙烷的含量范圍按比例做離散處理形成初始數(shù)據(jù)，再分別進(jìn)行模擬仿真，計(jì)算結(jié)果見圖7、圖8和圖9。

圖7 甲烷(C1)含量對(duì)CO2相平衡的影響Fig. 7 Influence of methane (C1) content on critical pressureand critical temperature

圖8 乙烷(C2)含量對(duì)CO2相平衡的影響Fig. 8 Influence of ethane (C2) content on critical pressure and critical temperature

由圖7可知，甲烷含量越高，伴生氣的泡點(diǎn)線明顯向壓力高的方向偏移，露點(diǎn)線幾乎無變化；臨界壓力升高，兩相點(diǎn)向著壓力升高的方向偏移。 由圖8可知，乙烷對(duì)伴生氣的相包絡(luò)線影響較小，兩相點(diǎn)向著壓力降低的方向移動(dòng)，臨界壓力變化和臨界溫度變化幅度較小。

圖9 丙烷(C3)含量對(duì)CO2相平衡的影響Fig. 9 Effect of propane(C3)content on critical pressure and critical temperature

由圖9可知，丙烷含量越高，伴生氣的露點(diǎn)線明顯向溫度升高的方向偏移， 臨界溫度明顯升高，兩相點(diǎn)向著壓力升高的方向移動(dòng)。

綜上所述，當(dāng)伴生氣中含有甲烷、乙烷和丙烷雜質(zhì)時(shí)，甲烷和丙烷含量的增大使得泡點(diǎn)線和露點(diǎn)線同時(shí)發(fā)生偏移，兩相區(qū)域擴(kuò)大，而兩相點(diǎn)的溫度和壓力變化不規(guī)律是由于乙烷的影響所致。

3 伴生氣中雜質(zhì)對(duì)回注條件的影響

當(dāng)伴生氣中CO2含量較高或采出氣量較小時(shí)，可以考慮直接回注， 或者將采出氣與高純度的CO2摻和以提高CO2含量再進(jìn)行回注[19]?；刈⑦^程中需要增壓，而壓力的變化對(duì)于采出氣的物性參數(shù)影響較大，其中CO2的物性參數(shù)對(duì)壓力的變化尤其敏感；同時(shí)，采出氣中的雜質(zhì)對(duì)其物性參數(shù)也會(huì)有不同程度的影響，會(huì)改變物性突變的位置[20]。采出氣的物性參數(shù)中， 密度是CO2管道輸送中進(jìn)行水力和熱力計(jì)算的重要參數(shù)。 因此，針對(duì)以上氣體雜質(zhì)，通過模擬計(jì)算得到不同雜質(zhì)含量下伴生氣密度的變化曲線，結(jié)果見圖10。

由圖10可知，隨著壓力逐漸升高，伴生氣分子的間距逐漸減小，密度逐漸增加，當(dāng)壓力逐漸上升至臨界壓力前密度發(fā)生明顯突變；同種雜質(zhì)不同含量下的密度突變幅度不同，當(dāng)伴生氣中C1～C3和氮?dú)獾暮吭礁撸?在壓力上升過程中密度突變現(xiàn)象滯后，突變幅度降低，曲線趨于平滑；不同雜質(zhì)的密度突變幅度不同，相比之下，雜質(zhì)中輕烴含量對(duì)密度的突變幅度影響最大，而硫化氫含量的變化對(duì)密度突變幅度幾乎無影響， 這與上一節(jié)的研究結(jié)果一致。 在實(shí)際操作中，為了減少伴生氣在回注過程中的密度波動(dòng)，壓力應(yīng)高于采出氣的臨界壓力。

圖10 各雜質(zhì)不同含量下采出氣的密度變化曲線Fig. 10 Density curve of produced gas with different content of each impurity

綜合以上各雜質(zhì)含量下的相平衡曲線，確定臨界壓力和臨界溫度的極值點(diǎn)，其兩相點(diǎn)的范圍分布見圖11。 純CO2的泡點(diǎn)線和露點(diǎn)線重合，無氣液兩相區(qū)，圖11結(jié)果顯示，其臨界溫度為31.10 °C，臨界壓力為7.38 MPa。

圖11 各雜質(zhì)對(duì)兩相點(diǎn)的影響Fig. 11 Influence of impurities on the two-phase point

而伴生氣中除CO2外還含有大量雜質(zhì)， 根據(jù)上述模擬計(jì)算結(jié)果可知， 雜質(zhì)會(huì)使得CO2的臨界點(diǎn)發(fā)生不同程度的偏移， 對(duì)回注條件的確定產(chǎn)生影響。由圖11可知， 含雜質(zhì)的伴生氣的臨界壓力最大為12.56 MPa，最小為8.18 MPa，臨界溫度范圍在20～45°C之間， 含雜質(zhì)的伴生氣的臨界壓力均高于純CO2的臨界壓力，但是臨界溫度的升高或降低取決于雜質(zhì)的種類；當(dāng)伴生氣中氮?dú)夂枯^高（20%以內(nèi)）時(shí)，回注壓力需要高于12.56 MPa；當(dāng)伴生氣中輕烴含量較高（80%以內(nèi)）時(shí)，回注壓力需達(dá)到10.31 MPa以上。

4 結(jié)論

通過將某油田CO2驅(qū)先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)多個(gè)見氣井的氣質(zhì)組分按比例進(jìn)行離散處理， 結(jié)合模擬計(jì)算手段，分析了伴生氣中氮?dú)狻⒘蚧瘹浜洼p烴（甲烷、乙烷和丙烷）各雜質(zhì)含量對(duì)回注條件的影響，得出以下結(jié)論：

（1）氮?dú)夂图淄榈暮吭礁?，則臨界壓力越高、臨界溫度越低；硫化氫和丙烷的含量越高，則臨界壓力越高、臨界溫度越高；乙烷的含量越高，則臨界壓力越低、臨界溫度變化幅度較小。 其中，氮?dú)夂土蚧瘹涞暮颗c臨界壓力和臨界溫度呈線性規(guī)律；當(dāng)輕烴含量為80%時(shí)， 臨界溫度和臨界壓力均達(dá)到最大值，分別為36.5 °C和10.31 MPa。

（2）氮?dú)夂洼p烴含量越高，兩相區(qū)范圍越大，其中氮?dú)夂图淄槭沟门蔹c(diǎn)線向左上方偏移，丙烷使得露點(diǎn)線向右上方偏移，而硫化氫含量對(duì)兩相區(qū)的影響較小， 兩相區(qū)范圍基本不變； 當(dāng)輕烴含量為80%時(shí)，兩相區(qū)范圍最大。

（3）當(dāng)壓力逐漸上升至臨界壓力前密度發(fā)生明顯突變，當(dāng)伴生氣中輕烴和氮?dú)獾暮吭礁撸趬毫ι仙倪^程中，密度突變現(xiàn)象滯后，突變幅度降低； 雜質(zhì)中輕烴含量對(duì)密度的突變幅度影響最大，而硫化氫含量的變化對(duì)密度突變幅度幾乎無影響。在實(shí)際工程中，為了減少伴生氣在回注過程中的密度波動(dòng)，壓力應(yīng)高于伴生氣的臨界壓力。

（4）含雜質(zhì)伴生氣的臨界壓力均高于純CO2的臨界壓力，但是臨界溫度的升高或降低取決于雜質(zhì)的種類；當(dāng)伴生氣中氮?dú)夂枯^高（20%以內(nèi)）時(shí)，回注壓力需高于12.56 MPa；當(dāng)伴生氣中輕烴含量較高（80%以內(nèi)）時(shí)，回注壓力需達(dá)到10.31 MPa以上。