CO2驅氣溶性降混劑提高采收率機理實驗

孫大龍，張廣東，彭 旭，敬 豪，呂 華，任超峰，王 寧

(1.西南石油大學，四川 成都 610500；2.四川省科源工程技術測試中心，四川 成都 610091；3.中國石油長慶油田分公司，陜西 靖邊 718500；4.中國石油長慶油田分公司，陜西 西安 710000)

0 引 言

中國低滲透石油資源分布較廣，在近幾年探明石油儲量中，低滲透石油資源所占比例達到70%以上[1-2]。低滲透油藏通常具有低孔低滲、滲流能力差、產能低等特點，采用常規(guī)注水開發(fā)，存在注入困難，波及范圍較小，采收率較低等問題[3]。為達到油藏持續(xù)高效開發(fā)，油田多采用CO2混相驅油技術，可提高低滲透油藏采收率15%～25%[4-5]。中國先后在大慶、吉林、遼河、江蘇等油田進行了CO2混相驅油，均取得了一定的效果[6]，但多數(shù)油藏CO2混相壓力較高，無法達到混相，導致低滲透率油藏的驅油效果受到嚴重影響[7-9]。目前，添加混相調節(jié)劑已成為降低CO2與原油混相壓力的主要技術手段，但針對低滲透油藏降低CO2驅混相壓力溶劑的研究集中體現(xiàn)在油溶性降混劑的研制、室內評價、驅油機理及礦場實踐應用方面，氣溶性降混劑的研究鮮有報道[10-23]。因此，利用已在礦場實踐中應用的氣溶性降混劑JS，提出了一種氣溶性降混劑的降混機理實驗評價方法，研究了該氣溶性降混劑對原油組分、黏度、相態(tài)特征以及油氣界面張力的影響，確定了氣溶性降混劑降低混相壓力的機理。此外，分析了氣溶性降混劑與CO2混合注入、段塞注入2種注入方式提高采收率的驅油機理，以期為氣溶性降混劑在礦場上的應用提供理論指導。

1 實驗準備

實驗用降混劑為氣溶性降混劑JS；實驗用油為X區(qū)塊地層原油，25 ℃下原油密度為0.880 1 g/cm3，60 ℃下原油黏度為122.0 mPa·s；實驗用氣為純度99%的CO2。

實驗儀器包括Agilent 7890A氣相色譜儀、高溫高壓Hakeem流變儀、高溫高壓界面張力儀(限壓40 MPa，限溫200 ℃)、法國ST公司高壓PVT儀、高溫高壓配樣器、恒壓泵(限壓69 MPa)、攝像系統(tǒng)、高溫高壓中間容器(限壓69 MPa)、壓力表(限壓60 MPa)、真空泵、微量泵以及氣體增壓泵(限壓150 MPa)等。

2 實驗與結果

2.1 對原油組分的影響

在室溫室壓下，配制氣溶性降混劑體積分數(shù)分別為3%、20%的混合原油樣品，充分攪拌搖勻后，靜置1 h。取上層部分原油進行組分測試，對比原始油樣組分，分析不同比例氣溶性降混劑對原油組分的影響(表1)。由表1可知：氣溶性降混劑可顯著降低原油重質組分比例，中間烴組分比例呈不同程度增加，且摩爾分數(shù)越高，原油的重質組分和中間烴組分改變程度越大。含3%氣溶性降混劑的原油重質組分(C11—C35)摩爾分數(shù)減少25.07%，中間烴組分(C5—C7)摩爾分數(shù)增加1.10倍，主要增加產物為C6，增加了2.25倍；含20%氣溶性降混劑的原油重質組分摩爾分數(shù)減少54.83%，中間烴組分含量增加4.82倍，其中C6和C7的摩爾分數(shù)分別增加10.85、2.22倍。此外，含3%氣溶性降混劑的原油裂解組分主要為C11+，而含20%氣溶性降混劑的原油裂解組分主要為C8+，裂解組分范圍隨氣溶性降混劑含量增加而增大。這是由于氣溶性降混劑具有裂解原油重質組分的作用，氣溶性降混劑與原油發(fā)生反應，破壞了原油的高碳鏈結構，原油中的重質組分被分解，生成低碳數(shù)的中間烴，原油組分向低碳數(shù)方向移動。隨著氣溶性降混劑含量增加，原油裂解作用越強，裂解原油組分的范圍越廣。

表1 不同體積分數(shù)氣溶性降混劑對原油組分影響

實驗過程中發(fā)現(xiàn)，向原油中注入不同體積分數(shù)的氣溶性降混劑后，出現(xiàn)了分層現(xiàn)象，且氣溶性降混劑體積分數(shù)越大，分層現(xiàn)象越明顯，可見氣溶性降混劑在原油中溶解性有限。結合原油組分變化可知，少量的氣溶性降混劑即可使原油組分向低碳數(shù)方向移動，不會在地層過度消耗，可與地層中更遠處的原油發(fā)生反應，提高作用范圍。

2.2 對原油黏度的影響

利用高溫高壓Hakeem流變儀，測定含不同體積分數(shù)氣溶性降混劑的混合原油樣品黏度隨溫度的變化，研究氣溶性降混劑對原油黏度的影響(圖1)。由圖1可知：初始溫度60 ℃下，原始油樣的黏度為122.0 mPa·s，含3%和20%氣溶性降混劑的原油黏度分別為60.3 mPa·s和2.6 mPa·s，分別降低了50.57%和97.87%。隨著溫度升高，不同原油的黏度出現(xiàn)不同程度下降。分析認為：氣溶性降混劑破壞了原油的內部結構，裂解了原油中高碳鏈結構，使原油黏度大幅度降低，增加了原油的流動性。原油中氣溶性降混劑含量越高，裂解原油高碳鏈結構作用越強，降低原油黏度效果越明顯。

圖1 不同原油黏溫曲線

2.3 對油氣界面張力和混相壓力的影響

為研究氣溶性降混劑對原油與CO2之間界面張力和最小混相壓力的影響，利用高溫高壓配樣器，將含不同體積分數(shù)氣溶性降混劑的混合原油和伴生氣，在101 ℃、29.0 MPa條件下進行地層原油復配。采用懸滴法測定復配原油與CO2在不同壓力下的界面張力，并將界面張力為0的壓力點確定為CO2與原油的最小混相壓力。

實驗步驟為：①連接實驗設備，清洗干凈儀器后試溫試壓，利用高溫氣體吹掃系統(tǒng)，抽真空；②加熱高溫高壓反應釜、原油和CO2氣體至設定溫度(101 ℃)，將熱CO2氣體引入高溫高壓反應釜后，加壓至最低實驗壓力(16.7 MPa)；③原油緩慢注入高溫高壓反應釜，在探針處形成小油滴，保持該狀態(tài)至達到平衡時拍下油滴圖片，利用軟件計算出界面張力；④調整實驗壓力至原油和CO2達到混相時結束實驗，結果見圖2。由圖2可知：氣溶性降混劑體積分數(shù)相同情況下，隨著壓力的增加，原油與CO2之間的界面張力逐漸減小，界面張力與壓力呈線性關系；相同壓力下，含不同體積分數(shù)氣溶性降混劑的混合原油的油氣界面張力均小于原始油樣，且隨著氣溶性降混劑含量增加，油氣界面張力降低的幅度越大，油氣界面張力越低，計算得到的最小混相壓力越小(表2)，降低幅度與氣溶性降混劑的濃度呈現(xiàn)正相關。由于氣溶性降混劑改變了原油的組分，使得原油組分向低碳數(shù)方向移動，原油與CO2可以在較低壓力下達到相近性質，界面張力降低甚至消失，最終實現(xiàn)油氣混相。相比油溶性降混劑，氣溶性降混劑更容易注入地層，在地層中的波及范圍更廣，消耗量更少，對于降低混相壓力，提高原油采收率，具有極其重要作用。

圖2 含不同體積分數(shù)降混劑的混合原油油氣界面張力隨壓力變化

表2 含不同體積分數(shù)降混劑的原油-CO2混相壓力

2.4 對原油相態(tài)特征的影響

為研究氣溶性降混劑對原油相態(tài)的影響，利用Eclipse軟件繪制含不同體積分數(shù)氣溶性降混劑的原油相圖(圖3)。由圖3可知：氣溶性降混劑可明顯改變原油的相態(tài)特征。隨著氣溶性降混劑體積分數(shù)的增加，原油相平衡曲線整體向左下方平移。泡點線和露點線均發(fā)生改變，原油相平衡曲線包絡范圍減小，氣液兩相共存區(qū)間變小，臨界點由重組分向輕組分轉移。氣溶性降混劑可降低原油在地層溫度下的飽和壓力。含3%和20%的氣溶性降混劑可將原油的飽和壓力由16.58 MPa分別降至15.55 MPa和13.95 MPa，這是由于氣溶性降混劑改變了原油的組分和黏度等物性，導致相態(tài)特征發(fā)生變化。由此可知，氣溶性降混劑可降低原油的飽和壓力，延長原油脫氣的時間，增大輕質組分比例，改善注氣效果，可在較低壓力下達到油氣混相，提高驅油效率。

圖3 含不同體積分數(shù)氣溶性降混劑的混合原油溫壓相圖

2.5 氣溶性降混劑的降低混相壓力機理

由前文可知，氣溶性降混劑具有裂解原油重質組分、降低原油黏度、降低原油飽和壓力、降低原油與CO2之間的界面張力等作用。為明確氣溶性降混劑降低混相壓力的主要機理，對比氣溶性降混劑對原油相關物性的影響程度(表3)。由表3可知：氣溶性降混劑對原油組分、黏度和界面張力的影響均遠大于對原油臨界點和飽和壓力的影響，說明氣溶性降混劑裂解原油重質組分、降低原油黏度和降低原油與CO2的界面張力作用在降低混相壓力過程中占據主導。原油黏度和界面張力降低是油氣混相壓力降低的主要因素，而原油重質組分含量的變化則是油氣混相壓力降低的根本原因。因此，氣溶性降混劑降低混相壓力的主要機理為裂解原油的重質組分、降低原油黏度和降低油氣界面張力。

表3 含不同體積分數(shù)氣溶性降混劑的混合原油物性變化程度

3 不同注入方式下氣溶性降混劑提高采收率機理

現(xiàn)場生產中，多采用降混劑與CO2段塞注入和降混劑與CO2混合注入2種注入方式降低CO2驅混相壓力，通常存在注入困難、地層波及范圍較低等問題。氣溶性降混劑可以較好地解決該問題，但目前對氣溶性降混劑的研究剛剛起步，其提高CO2驅采收率的機理尚不明確。因此，結合文獻調研[15-25]，剖析了氣溶性降混劑與CO2混合注入和段塞注入方式條件下的提高采收率機理，為氣溶性降混劑礦場實施及驅油機理研究提供依據。

3.1 氣溶性降混劑與CO2混注

該方式為在地面將氣溶性降混劑與CO2充分混合后注入地層進行驅油，在地層中會先后形成CO2+地層原油的混合帶、CO2區(qū)、CO2+氣溶性降混劑+地層原油的混相帶、氣溶性降混劑+地層原油的混合帶、CO2+氣溶性降混劑+地層原油的混相帶(圖4)。

(1) 氣溶性降混劑與CO2混注驅油過程中，注入的氣溶性降混劑和CO2混合物在地層中一起擴散。由于CO2氣體分子擴散速度較快，氣溶性降混劑擴散速度相對較慢，會在驅替區(qū)域的最前端形成CO2+地層原油的混合帶，改變部分地層原油的性質。殘余的CO2和氣溶性降混劑逐漸形成CO2區(qū)和CO2+地層原油+氣溶性降混劑的混相帶。

(2) 由于氣溶性降混劑和CO2的擴散速度的差異，后期CO2與氣溶性降混劑分離，在CO2+地層原油+氣溶性降混劑的混相帶后端形成氣溶性降混劑+地層原油的混合帶。在該混合帶中，越靠近混合帶前端，氣溶性降混劑所占的比例越低，裂解原油重質組分、降低原油黏度、降低原油與CO2的界面張力的程度有限；越靠近混合帶后端，氣溶性降混劑所占比例越大，裂解原油重質組分、降低原油黏度、降低原油與CO2界面張力的程度越大。

(3) 隨著后續(xù)CO2不斷注入，CO2與氣溶性降混劑和地層原油的混合帶接觸，由于氣溶性降混劑已改變該混合帶原油的性質，CO2可在較低的壓力下與地層原油達到混相，形成CO2+氣溶性降混劑+地層原油的混相帶，降低CO2驅替原油過程中的混相壓力。隨著驅替過程的繼續(xù)進行，混相帶和混合帶繼續(xù)向前推進，不斷接觸新的地層原油并發(fā)生作用，實現(xiàn)逐步混相，提高驅油效率。

圖4 氣溶性降混劑與CO2混合注入驅油機理示意圖

3.2 氣溶性降混劑與CO2段塞注入驅油方式

氣溶性降混劑與CO2段塞注入的驅油方式驅油過程較為復雜，形成的滲流區(qū)域相對較多(圖5)。隨著驅替過程的進行，氣溶性降混劑與CO2在地層中逐漸擴散，最終形成3個CO2+氣溶性降混劑+地層原油的混相帶，2個氣溶性降混劑+地層原油的混合帶,1個氣溶性降混劑+CO2的混相帶，1個CO2+地層原油的混合帶，1個CO2區(qū)。

圖5 氣溶性降混劑與CO2段塞注入驅油機理示意圖

第1階段注入氣溶性降混劑段塞后，氣溶性降混劑段塞在地層中擴散，形成氣溶性降混劑和地層原油的混合帶，改變原油的黏度、組分、油氣界面張力等性質，越靠近混合帶前端，氣溶性降混劑濃度越低。此階段注入的氣溶性降混劑段塞濃度通常較高，在地層原油中的溶解度有限，未溶解的氣溶性降混劑在地層中繼續(xù)以穩(wěn)定的段塞形式存在。

第2階段注入CO2段塞。注入初期，由于CO2擴散時間較短，未突破第1階段氣溶性降混劑和地層原油形成的混合帶，CO2擴散至穩(wěn)定氣溶性降混劑段塞處，首先形成含氣溶性降混劑的CO2混合氣體。隨著驅替過程進行，混合氣體逐漸擴散至第1階段氣溶性降混劑和地層原油形成的混合帶處。由于該處原油性質已發(fā)生改變，可在較低壓力下形成CO2+地層原油+氣溶性降混劑的混相帶。隨著驅替繼續(xù)進行，氣溶性降混劑與CO2混合氣體突破第1階段氣溶性降混劑+地層原油形成的混合帶，繼續(xù)向前擴散。突破初期，在氣溶性降混劑+地層原油形成的混合帶前端又開始形成CO2+地層原油+氣溶性降混劑的混相帶；由于氣溶性降混劑和CO2氣體的擴散速度不一及氣溶性降混劑對原油的降混作用，隨著含氣溶性降混劑的CO2混合氣體逐漸向前擴散，最終在最前端又依次形成CO2+地層原油的混合帶、CO2區(qū)、CO2+氣溶性降混劑+地層原油的混相帶、氣溶性降混劑+地層原油的混合帶，從而降低驅替前緣的混相壓力，實現(xiàn)混相驅油，提高驅油效率。

4 結 論

(1) 氣溶性降混劑降混機理實驗表明，氣溶性降混劑可以裂解原油的重質組分、降低原油的黏度、改變原油的相態(tài)特征、降低油氣界面張力，其降混的主要機理為裂解原油重質組分、降低原油黏度和降低油氣界面張力。

(2) 氣溶性降混劑具有明顯的降低原油與CO2的混相壓力的作用。原始原油與CO2的混相壓力為22.05 MPa，加入含3%和20%的氣溶性降混劑后，原油與CO2的混相壓力分別為19.95 MPa和17.14 MPa，混相壓力降低幅度較大，有利于提高地層原油采收率。

(3) 提出了利用氣溶性降混劑與CO2混合注入和段塞注入方式進行驅油提高采收率的驅油機理。氣溶性降混劑與CO2混合注入主要通過不斷建立和推進單個混合帶和混相帶實現(xiàn)混相驅油，而氣溶性降混劑與CO2段塞注入主要通過不斷建立和推進多個混合帶和混相帶實現(xiàn)混相驅油。