近臨界揮發(fā)油藏CO2-近臨界揮發(fā)油-地層水三相相態(tài)實驗

韓 鑫 侯大力，2 趙 銳，3 黃思婧 余洋陽 強賢宇

（1.成都理工大學能源學院，四川 成都 610059；2.成都理工大學油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室，四川 成都 610059；3.中國石化勝利油田分公司海洋采油廠，山東 東營 257000）

0 引 言

近年來，隨著鉆采技術的不斷進步，在中國海南、新疆等地陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了大型近臨界揮發(fā)油藏。前人［1-5］研究發(fā)現(xiàn)，近臨界揮發(fā)油藏在衰竭開采中后期存在大量氣體脫出、地層能量不足的問題，并且近臨界揮發(fā)油藏地層流體的中間烴組分較多。根據(jù)物理化學的相似相容原理，采用注CO2提高采收率將會取得較好的效果。近臨界揮發(fā)油藏地層溫度壓力接近于臨界點，流體組成和熱動力學性質介于普通黑油油藏和凝析氣之間，溶解氣油比高，體積系數(shù)大，收縮性強。

目前，近臨界區(qū)流體相態(tài)特征研究備受國內(nèi)外關注，是目前流體相態(tài)特征研究的熱點以及難點［6-14］。經(jīng)過國內(nèi)外調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外研究大多停留在凝析氣-水兩相和凝析氣-CO2-水三相的凝析氣相平衡相態(tài)研究，對于CO2-近臨界揮發(fā)油-地層水三相相平衡研究較少。常規(guī)凝析氣藏相態(tài)研究通常忽略凝析水的影響。梁利俠等［15］論述了平衡共存水條件下目前和原始富含氣態(tài)凝析水的地層凝析氣流體PVT 相態(tài)特征。潘毅等［16］開展了凝析氣藏油氣水三相PVT 相態(tài)特征，并分析了氣態(tài)水組分對凝析油氣體系相態(tài)的影響。沈平平等［17］通過測試3 個富凝析氣藏，得出了當流體溫度高于臨界溫度，將出現(xiàn)2 次露點，當流體溫度低于臨界溫度，將出現(xiàn)露泡點的轉化的結論。

近臨界揮發(fā)油藏和近臨界凝析氣藏流體相態(tài)特征有一定的關聯(lián)。C.A.C.Parral 等［18］發(fā)現(xiàn)：隨著注入N2比例的增加，近臨界揮發(fā)油流體的飽和壓力增加，氣油比增加，原油的密度下降；當注入N2的摩爾分數(shù)達到40%時，該近臨界揮發(fā)油流體轉變?yōu)榻R界凝析氣流體。張利明等［19］分析凝析氣藏循環(huán)注氣開發(fā)中后期重力分異特征認為，在飽和壓力附近，近臨界揮發(fā)油藏和近臨界凝析氣藏有相似性，而在低于飽和壓力后有明顯的差別。

本文以真實的近臨界揮發(fā)油藏地層流體為實驗對象，本著由簡單到復雜的研究思路，首先從單相近臨界揮發(fā)油流體的相態(tài)特征實驗入手，其次開展CO2-近臨界揮發(fā)油兩相相平衡規(guī)律實驗研究，最后開展CO2-近臨界揮發(fā)油-地層水三相相平衡規(guī)律實驗研究。以期揭示CO2在近臨界揮發(fā)油藏中驅替機理及溶解規(guī)律。同時，可為近臨界揮發(fā)油藏中CO2驅提高原油采收率提供地下相態(tài)特征理論資料，推進溫室氣體CO2在近臨界揮發(fā)油藏中高效驅替提高原油采收率的發(fā)展。

1 近臨界揮發(fā)油PVT實驗

1.1 實驗儀器

利用西南石油大學油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室的高溫高壓可視化無汞儀（PVT（壓力-體積-溫度）儀），開展了近臨界揮發(fā)油藏地層流體PVT 相態(tài)實驗。該實驗儀器完全滿足實驗所需的溫度壓力條件。儀器的溫度精度為±0.1 ℃、體積精度為±0.001 mL。核心部件PVT 測試單元由鎳鉻合金不銹鋼腔體及其包裹著1 個藍寶石玻璃筒組成。實驗所產(chǎn)生的相態(tài)變化可以由高清攝像頭電腦采集以及PVT 室的觀測窗得到。

1.2 實驗流體

研究區(qū)塊地層流體為近臨界揮發(fā)油藏流體，油藏壓力為40.6 MPa，油藏溫度為157.5 ℃，流體樣品采用地面分離器（HP-6890）氣和分離器（Agilent-7890A）油復配而成。

根據(jù)油田現(xiàn)場提供的生產(chǎn)資料，在實驗室復配地層流體，復配后的地層流體氣油比為711.50 m3/m3，飽和壓力為35.7 MPa。根據(jù)實驗室復配流體樣品的氣油比，計算出井流物組成（表1）。

表1 X區(qū)塊井流物組成Table 1 Compositions of well fluid in Block X

1.3 實驗步驟

單相近臨界揮發(fā)油地層流體和CO2-近臨界揮發(fā)油的兩相相平衡實驗詳細步驟參見國家標準GB/T 26981—2020 《油氣藏流體物性分析方法》［20］。

這里重點介紹CO2-近臨界揮發(fā)油-地層水的三相態(tài)的相平衡實驗流程（圖1）。

圖1 CO2-原油-地層水三相態(tài)相互溶解度實驗測試流程示意Fig.1 Experiment diagram of experiment workflow of CO2-crude oil-formation water mutual solubility

單相近臨界揮發(fā)油地層流體相態(tài)實驗步驟：

（1）將實驗溫度升到地層溫度，對地層流體加壓至高于飽和壓力，使其變?yōu)閱蜗啵瑢蜗嗔黧w樣品放至PVT 分析儀中；

（2）壓力穩(wěn)定后，記錄壓力和地層流體體積；

（3）選擇10 個溫度點，完成恒質膨脹實驗，連續(xù)降低體系壓力，測定在不同溫度下，恒定組分的流體體積與壓力的關系。

兩相近臨界揮發(fā)油地層流體實驗步驟：

還有一例，2018年7月20日，安徽省紀委監(jiān)委網(wǎng)站發(fā)布消息，安徽省地質礦產(chǎn)勘查局黨委書記、局長李從文涉嫌嚴重違紀違法，正在接受監(jiān)察調(diào)查。巧合的是，在李從文之前擔任安徽省地質礦產(chǎn)勘查局黨委書記、局長的李學文已于2014年7月因涉嫌嚴重違紀違法被調(diào)查。有媒體稱，李學文和李從文不僅名字相似，還在同一個位置上先后任職并先后落馬，稱得上是“前腐后繼”的典型代表。

（1）將實驗溫度升到地層溫度，把CO2氣體注入到地層流體，繼續(xù)對流體施壓，使注入的CO2完全溶解于地層流體中，變?yōu)閱蜗啵?/p>

（2）壓力穩(wěn)定后，記錄壓力和地層流體體積；

（3）選擇10 個溫度點，完成恒質膨脹實驗，研究注入的CO2對地層流體性質的影響。

三相近臨界揮發(fā)油地層流體實驗步驟：

（1）將實驗溫度升到地層溫度，先向近臨界揮發(fā)油飽和地層水，然后向飽和了地層水的近臨界揮發(fā)油中注入CO2，對流體進行施壓，使注入的CO2完全溶解于地層流體中，變?yōu)橛退畠上啵?/p>

（2）壓力穩(wěn)定后，記錄壓力和地層流體體積；

（3）選擇10 個溫度點，完成恒質膨脹實驗，連續(xù)降低體系壓力，測定在不同溫度下，恒定組分的流體體積與壓力的關系。

2 實驗結果

2.1 近臨界揮發(fā)油藏地層流體PVT相態(tài)實驗

對地層流體進行恒質膨脹實驗，認為原始地層流體是近臨界揮發(fā)油。選取35.0～197.5 ℃的10 個溫度點，壓力為10～40 MPa。實驗測試的p-V關系、液相體積分數(shù)如圖2、圖3所示。

圖2 不同溫度下恒質膨脹實驗過程中壓力與相對體積關系Fig.2 Relations between pressure and relative volume during constant-mass expansion experiment at different temperatures

圖3 不同溫度下恒質膨脹實驗過程中壓力與液相體積分數(shù)關系Fig.3 Relations between pressure and liquid phase volume fractions in constant-mass expansion experiment at different temperatures

圖4 地層流體p-T相圖Fig.4 p-T phase diagram of formation fluid

在地層溫度下作恒質膨脹臨界乳光可視化觀測實驗，定性地分析樣品油在近臨界區(qū)的奇異乳光現(xiàn)象。圖5為近臨界揮發(fā)油降壓過程中的臨界乳光現(xiàn)象，實驗觀測結果表明，樣品油在近臨界溫度點附近時，隨著壓力的下降，地層流體依次出現(xiàn)了左端的橙紅色-中間的黑褐色-右端的上部橙黃色、下部橙紅色的臨界乳光現(xiàn)象。證明臨界揮發(fā)油藏地層原始流體在臨界區(qū)是一種高密度、液滴高度分散且沒有界面張力的流體。

圖5 臨界點附近（溫度157.5 ℃）實驗觀測飽和壓力過程中的奇異乳光現(xiàn)象Fig.5 Strange opalescence phenomenon in experiment observed process of saturation pressure near critical point(Temperature:157.5 ℃)

2.2 CO2-近臨界揮發(fā)油兩相相平衡實驗

經(jīng)過衰竭開采一段時間后，研究區(qū)儲層中依舊存在大量的剩余揮發(fā)油未被開采。通過現(xiàn)場測量的目前地層條件，發(fā)現(xiàn)目前地層溫度為157.5 ℃，目前地層壓力為24 MPa，在目前地層條件下，利用高溫高壓可視化無汞PVT 儀測定揮發(fā)油體系的壓力與體積變化情況。

由圖6可知，當壓力不斷增加時，目前地層條件下，近臨界揮發(fā)油體系的相對體積逐漸減小，當壓力較高時，近臨界揮發(fā)油體系的相對體積變化受CO2注入含量的影響較小，當壓力較低時，近臨界揮發(fā)油體系的相對體積受CO2注入含量的影響較大，相對體積隨著體系中CO2含量的增加而增大。壓力相同時，體系中CO2含量越高，近臨界揮發(fā)油體系相對體積相差越大。當壓力趨近于40 MPa 時，體系的相對體積逐漸趨向于1，表明在高壓條件下，更多的CO2溶解于近臨界揮發(fā)油體系中形成單相，最終CO2將完全溶解在近臨界揮發(fā)油體系中變成單相。

圖6 近臨界揮發(fā)油體系不同CO2注入含量下的相對體積與壓力關系Fig.6 Relations between relative volume and pressure for different injected CO2 contents in near critical volatile oil system

目前地層流體體系注入不同含量的CO2后，壓力-溫度兩相包絡線的對比見圖7。由圖7可知，隨著CO2的注入含量逐漸增加，體系的飽和壓力逐漸上升、臨界溫度逐漸降低、臨界壓力逐漸上升、臨界點朝左上方偏移、壓力-溫度相圖向左偏移，從而體系逐漸向輕質揮發(fā)油轉化。當注入CO2摩爾分數(shù)為60%時，目前地層條件下，地層流體體系未發(fā)生相態(tài)轉換，只是變?yōu)榱烁鼮檩p質的揮發(fā)油。

圖7 不同CO2注入含量下目前地層流體體系壓力與溫度關系Fig.7 Relations between pressure and temperature of current formation fluid system for different injected CO2contents

2.3 CO2-近臨界揮發(fā)油-地層水三相相平衡實驗

在原始地層條件下（157.5 ℃，40.6 MPa）進行CO2-近臨界揮發(fā)油-地層水三相相平衡規(guī)律實驗研究。

實驗測試了CO2-近臨界揮發(fā)油-地層水三相體系中不同相態(tài)相互作用下溶解過程中的飽和壓力。氣油比的變化情況，實驗結果如圖8、圖9所示。

圖8 不同含水飽和度下飽和壓力與CO2注入含量的關系Fig.8 Relations between saturation pressure and injected CO2 content for different water saturations

圖9 不同含水飽和度下氣油比與CO2注入含量關系Fig.9 Relations between gas-oil ratio and injected CO2 content for different water saturations

（1）隨著CO2注入含量的增加，三相體系的飽和壓力不斷增加。但受地層水飽和度的影響，三相體系的飽和壓力高于兩相體系的飽和壓力，且含水飽和度越大，體系飽和壓力越低。這說明當存在地層水時，注入的CO2將會有一部分溶于地層水中，導致了CO2在原油中的溶解量變小，從而導致三相體系的飽和壓力降低。

（2）隨著CO2的注入含量的增加，三相體系中原油的溶解氣油比不斷增加；隨含水飽和度的增加，體系中原油溶解氣油比不斷降低。說明由于CO2在水中溶解含量的增加，原油中溶解的CO2量降低，致使原油飽和壓力降低。

同時，開展了CO2-近臨界揮發(fā)油-地層水三相態(tài)降壓過程的相態(tài)變化規(guī)律及臨界乳光觀測實驗，結果如圖10 所示。實驗結果表明，三相態(tài)降壓過程中不像單相態(tài)近臨界揮發(fā)油降壓過程中一樣出現(xiàn)臨界乳光現(xiàn)象，近臨界揮發(fā)油沒有臨界乳光現(xiàn)象。在壓力高于單相近臨界揮發(fā)油泡點壓力的時候出現(xiàn)了氣泡，水中的氣體快速釋放，在圖10 中顯示出玻璃筒的透光性急劇變差小從而造成圖片變成黑色，呈霧狀相態(tài)，最終氣體再次從油當中分離出來。

圖10 CO2-近臨界揮發(fā)油-水降壓過程相態(tài)變化規(guī)律及臨界乳光現(xiàn)象Fig.10 Phase change law and critical opalescence phenomenon during CO2-near critical volatile oil-water pressure drop process

3 結 論

（1）通過近臨界揮發(fā)油藏地層流體PVT 相態(tài)實驗研究，測定地層流體為近臨界揮發(fā)油。溫度為177.5～187.5 ℃時，體系發(fā)生相態(tài)反轉。出現(xiàn)奇異乳光現(xiàn)象，表明該地層流體在臨界區(qū)附近是一種高密度且沒有界面張力的流體。

（2）CO2-近臨界揮發(fā)油兩相相平衡實驗結果表明，隨著CO2注入含量增加，體系飽和壓力逐漸增加，并且壓力越高，體系的相對體積受CO2的注入含量影響越小。注入摩爾分數(shù)為60%的CO2后也未發(fā)生相態(tài)反轉，說明CO2可以很好地抽提流體中的中間烴組分和重質烴組分。

（3）CO2-近臨界揮發(fā)油-地層水三相相平衡實驗表明，三相體系中存在地層水時，注入的CO2部分會溶于地層水中，導致三相體系的飽和壓力降低，并且隨著含水飽和度的增加，三相體系的飽和壓力下降，原油溶解CO2含量減少，最終會使得體系中原油溶解氣油比不斷降低。