超臨界二氧化碳嘴流特性試驗研究

摘 要 為保障油田井下精細分層注CO2驅(qū)油的注入效果，對研發(fā)的分層注入工作筒氣嘴進行超臨界CO2井下嘴流特性試驗?zāi)M。搭建超臨界CO2氣嘴評價試驗裝置，通過試驗驗證嘴徑、溫度、嘴后壓力和不同含水率對氣嘴節(jié)流特性的影響。分析結(jié)果可為優(yōu)化井下氣嘴結(jié)構(gòu)提供理論指導(dǎo)，對不同嘴徑下的計算模型進行修正，得到不同直徑下的嘴流壓損修正模型，并對大直徑氣嘴的嘴流特性進行預(yù)測，可為5 000 Nm3/d大流量精細控制提供精確的理論參考。

關(guān)鍵詞 超臨界二氧化碳 分層注氣 氣嘴 節(jié)流壓差

中圖分類號 TE357" "文獻標志碼 A" "文章編號 1000-3932（2024）06-1085-06

超臨界CO■具有改變原油界面張力、提高混相效果的作用，在低滲油藏開發(fā)中，注CO■驅(qū)油已成為油田提高采收率的關(guān)鍵技術(shù)之一，2020年全球提高油田采收率項目中，氣驅(qū)占項目總數(shù)的64%（其中熱采35%，CO■49%，烴類+氮氣15%，化學(xué)驅(qū)1%），氣驅(qū)已成為主要的提高采收率技術(shù)［1～3］，預(yù)計未來氣驅(qū)項目數(shù)量和產(chǎn)量都將快速提升。超臨界CO■除具有常規(guī)氣驅(qū)的特點外還極易溶于原油和水，能萃取原油中的輕質(zhì)組分，實現(xiàn)混相驅(qū)作用。實踐表明，與水驅(qū)相比，利用CO■驅(qū)油可平均提高采收率16.38%，該技術(shù)已經(jīng)在阿曼的Safah油田、挪威的Ruth油田等應(yīng)用，國內(nèi)已在江蘇、中原、大慶、勝利等油田開始現(xiàn)場試驗［4～6］。2007年，勝利油田開展CO■驅(qū)先導(dǎo)試驗，試驗結(jié)果表明，采用純CO■氣體連續(xù)穩(wěn)定注入方式進行開發(fā)，采收率預(yù)計可由8.9%提高26.1%［7］。海上油田以渤海油田為例，低滲油氣儲量豐富，低滲油藏的原油三級儲量合計7.88億噸，天然氣三級儲量合計9 720億立方米，原油探明儲量5.41億噸，天然氣探明儲量5 435億立方米［8，9］。渤海已動用低滲地質(zhì)儲量1 980萬立方米，未動用儲量9 900萬立方米，未動用程度74%，存在較大的難采儲量有效動用問題［10～12］，采用低滲透油氣藏CO■驅(qū)可大幅提高采收率。初步評估海上低滲儲量7.88億噸，CO■驅(qū)能夠增加可采儲量1.5億噸，潛力巨大［13，14］。CO■驅(qū)基于水驅(qū)可提高采收率21.4%。

在CO■分層注入時，低黏性的CO■流體經(jīng)過注氣工作筒氣嘴時前、后壓差過小，難以調(diào)節(jié)匹配小的層間壓差，無法對分層注入量進行精確控制。為保障井下精細分層注入效果，筆者根據(jù)實際需要建立超臨界CO■氣嘴節(jié)流試驗裝置，對海上油田分層注氣用井下氣嘴特性及CO■多相流瞬態(tài)模擬進行試驗評價，研究超臨界CO■在經(jīng)過氣嘴時前后壓力與流量、開度、溫度等的關(guān)系，以期為注氣工作筒氣嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐。

1 分層注氣工作筒氣嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計

為實現(xiàn)海上油田井下分層注氣，研發(fā)了海上油田分層注氣工作筒，通過盤式氣密封結(jié)構(gòu)氣嘴設(shè)計實現(xiàn)了注氣量的調(diào)節(jié)。注氣工作筒的氣嘴結(jié)構(gòu)如圖1、2所示。

注氣工作筒通過活動氣嘴和固定氣嘴孔隙進行節(jié)流和注氣量的精確調(diào)整。工作時，旋轉(zhuǎn)活動氣嘴，其金屬面將固定氣嘴的氣孔完全封閉，實現(xiàn)注入通道的完全關(guān)閉。旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)活動氣嘴，固定氣嘴的注氣通道會打開，實現(xiàn)注氣量的調(diào)節(jié)。固定氣嘴和活動氣嘴通過金屬面接觸實現(xiàn)密封。氣嘴選用硬質(zhì)合金（70～80HRC），耐磨性能好、強度高、抗沖蝕性能優(yōu)。

為保障井下超臨界CO■的精細調(diào)節(jié)，需對固定氣嘴的注氣通道尺寸進行優(yōu)化設(shè)計，滿足井下注入需求。因此，開發(fā)了一套超臨界CO■氣嘴評價試驗裝置，根據(jù)試驗結(jié)果，可對注氣通道尺寸進行優(yōu)化。

2 超臨界CO■氣嘴評價試驗裝置

2.1 試驗裝置原理

超臨界CO■氣嘴評價試驗裝置是研究嘴流特性，實現(xiàn)不同狀態(tài)超臨界流體通過氣嘴前后壓差測量的首要條件。為解決超臨界態(tài)CO■計量難題，設(shè)計中將CO■在低溫下增壓為液態(tài)，并通過流量計實現(xiàn)液態(tài)CO■的計量。計量完成后，將高壓液體加溫至超臨界溫度以上，轉(zhuǎn)化成超臨界態(tài)CO■，超臨界態(tài)CO■經(jīng)嘴流試驗裝置實現(xiàn)超臨界CO■氣嘴評價試驗的目的。

2.2 裝置搭建流程及構(gòu)成

氣嘴特性試驗裝置流程如圖3所示，試驗介質(zhì)為CO■。鋼瓶A中的氣態(tài)CO■經(jīng)制冷系統(tǒng)B冷卻為液態(tài)后儲存于儲罐C中；液態(tài)CO■經(jīng)過流量計I和變頻高壓泵D泵送至超臨界CO■形成釜E1中，然后經(jīng)由目標氣嘴F進入緩沖釜E2，嘴前、嘴后間設(shè)置壓力表P4和壓差表P5記錄節(jié)流壓差，緩沖釜中的CO■經(jīng)過背壓閥8回流到制冷系統(tǒng)進行液化，從而實現(xiàn)循環(huán)回收。其中，形成釜、氣嘴裝置、緩沖釜都沉浸在水浴中以實現(xiàn)快速達到穩(wěn)定目標溫度的作用，通過背壓閥8和針閥4來調(diào)節(jié)嘴后壓力，通過變頻高壓泵的頻率控制來實現(xiàn)不同流量的CO■流體流動。噴嘴前還配有注水旁路，注水旁路由水罐、流量計J和注水泵K組成，可實現(xiàn)CO■流體不同含水量的試驗研究，管路中對多處溫度和壓力進行實時監(jiān)控。整個裝置中，設(shè)置3處安全閥、2處電接點壓力表、8處放空閥，以保證試驗過程的安全。

2.3 超臨界CO■氣嘴評價試驗裝置關(guān)鍵構(gòu)成

CO■制冷增壓系統(tǒng)。氣態(tài)CO■鋼瓶4 MPa氣體，經(jīng)制冷系統(tǒng)冷卻后進入儲罐，狀態(tài)為液態(tài)CO■，經(jīng)變頻增壓泵增壓（8～35 MPa），同時與嘴后背壓閥配合調(diào)節(jié)到試驗所需壓力，通過增壓泵變頻器調(diào)節(jié)流體流量（0～100 L/h）。

便捷升降水浴控溫系統(tǒng)。為了達到良好的恒溫效果，設(shè)計一種便捷升降水浴系統(tǒng)，方便更換噴嘴，形成釜、緩沖釜和氣嘴完全浸入水浴，同時形成釜前端增加盤管可以起到預(yù)加熱作用。水浴控溫較穩(wěn)定（室溫至80 ℃），傳熱充分。

氣嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計。為驗證不同氣嘴直徑的過流特性，需對不同孔徑的氣嘴進行試驗。氣嘴設(shè)計考慮了試驗的一致性和氣嘴強度，選取孔長5 mm，考慮耐沖擊性，氣嘴材質(zhì)為不銹鋼，氣嘴前后管道孔徑均為6 mm，氣嘴孔徑為0.5、0.6、0.8、1.0、1.2、1.5、2.0 mm，以實現(xiàn)不同氣嘴直徑的嘴流試驗。

2.4 超臨界CO■氣嘴評價試驗裝置參數(shù)

完成超臨界CO■氣嘴評價試驗裝置搭建后，整體參數(shù)如下：

測試壓力 8～35 MPa

設(shè)計壓力 40 MPa

測試溫度 室溫至80 ℃

加熱方式 水浴

測試介質(zhì) CO■（循環(huán)使用）

測試噴嘴 ？準0.5、0.6、0.8、1.0、1.2、1.5、2.0" mm

壓差 使用壓力傳感器進行差減

CO■高壓泵 壓力40 MPa，流量100 L/h

注水高壓泵 壓力40 MPa，流量4 L/h

電源 380 V（AC），10 kW

3 氣嘴特性試驗

3.1 不同嘴徑對節(jié)流壓差的影響

為研究不同嘴徑對節(jié)流壓差的影響，分別對0.5、0.6、0.8、1.0、1.2、1.5、2.0 mm共7種不同尺寸的氣嘴，分別在8、10、12、15、20、25 MPa共6種不同嘴后壓力下進行試驗，以15 MPa背壓環(huán)境、70 ℃條件下氣嘴試驗為例，節(jié)流壓差變化曲線如圖4所示，可以看出，節(jié)流壓差與流量近似成二次函數(shù)關(guān)系。不同氣嘴直徑對節(jié)流壓差影響較大，嘴徑越小壓差隨流量的變化越明顯，特別是嘴徑小于0.6 mm時，壓差迅速增加；當嘴徑大于1.2 mm時，節(jié)流壓差變化趨緩。

3.2 不同溫度對節(jié)流壓差的影響

溫度變化會導(dǎo)致超臨界CO■體積、密度等發(fā)生變化。為研究溫度變化對節(jié)流壓差的影響，以0.5 mm氣嘴為研究對象，在8、10、12、15、20、25 MPa共6種不同嘴后壓力下，分別進行50、60、70、80 ℃4種注入溫度下的壓損試驗。以25 MPa背壓環(huán)境下氣嘴試驗數(shù)據(jù)為例，節(jié)流壓差變化曲線如圖5所示，可以看出，隨著溫度升高，壓差稍微增加，但變化量較小。對于超臨界CO■流體，在高溫時，黏度變化隨溫度變化很小，溫度的影響遠不如嘴徑影響大。

3.3 嘴后壓力對節(jié)流壓差的影響

嘴后壓力變化會相應(yīng)降低嘴前的注入壓力，導(dǎo)致CO■體積發(fā)生變化。70 ℃時，對0.5、0.6、0.8、1.0、1.2、1.5、2.0 mm的氣嘴，分別在8、10、12、15、20、25 MPa不同嘴后壓力下進行試驗，其中，0.8 mm噴嘴數(shù)據(jù)如圖6所示，可以看出，隨著嘴后壓力降低，節(jié)流壓差曲線逐漸上移。在小嘴徑下，流量越高，上移越明顯，斜率越大。在較低流量時，隨著嘴后壓力的抬升和降低，嘴前壓力同步抬升和降低，壓差變化并不明顯，曲線幾乎重合；而在大流量下，當嘴后壓力降低到一定值時，嘴前壓力并不隨嘴后壓力變動，因此節(jié)流壓差異常變大。

3.4 不同含水率超臨界CO■嘴流特性試驗

為驗證不同含水率對嘴損的影響，現(xiàn)進行含水率-超臨界CO■嘴流特性試驗。采用不同氣嘴直徑0.6、0.8、1.0 mm，固定溫度50 ℃，分別注入120 mL（2%）、240 mL（4%），調(diào)節(jié)嘴后壓力8、10、12、15、20、25 MPa，采集流量10、30、50、70、90 L/h下的節(jié)流壓差。以1.0 mm水嘴、25 MPa為例，節(jié)流壓差數(shù)據(jù)試驗結(jié)果如圖7所示，可以看出，不同含水率下，壓差圖版幾乎重合，說明少量水的加入對流體性質(zhì)并無太大改變。水在超臨界CO■中溶解度較差，當含水率繼續(xù)增加時（6%），管路凍堵，此時壓力20 MPa，溫度從50 ℃降至6 ℃，可能是該條件下易形成水合物所致。

3.5 壓差圖版模型公式

超臨界CO■是一種高密度氣體，密度遠高于氣體，接近液體，黏度與氣體相似，遠小于液體?；诔R界具有類似液體性質(zhì)，考慮建立類似于水嘴嘴損公式的流量與壓差的關(guān)系。同時考慮壓縮性，通過油嘴的體積流量Qsc是關(guān)于油嘴嘴徑、上游溫度、上游壓力和壓差的多參數(shù)函數(shù)，得到擬合公式為：

Q■=AdBp■■ΔpD（T■-273.15）E" " "（1）

式中 A、B、C、D、E——擬合系數(shù)，無因次；

" "d——油嘴直徑，mm；

" " p■——油嘴入口端面上的壓力，

MPa；

" " T■——上游溫度，K；

" " " Δp——上游壓力與下游壓力的

壓差，MPa。

在不同試驗參數(shù)下通過油嘴的實測體積流量，采用軟件對公式進行多參數(shù)線性回歸，得到的超臨界通過油嘴的體積流量的多參數(shù)擬合公式為：

Q■=841.86d2.94p■0.82Δp0.81（T■-273.15）-0.77

針對試驗溫度T為70 ℃，嘴后壓力p為20 MPa，不同注入量、不同氣嘴大小條件下的試驗數(shù)據(jù)進行擬合，得到超臨界通過油嘴的體積流量Q的多參數(shù)擬合公式并進行修正，列于表1。

通過試驗得到0.5～2.0 mm小嘴徑節(jié)流壓差擬合公式，為指導(dǎo)現(xiàn)場應(yīng)用，利用修正后的公式對3～6 mm嘴徑下大流量壓差值進行修正計算，在70 ℃、20 MPa（最高限壓40 MPa）下，得出不同嘴徑不同流量下的壓差值，見表2，有效地指導(dǎo)了現(xiàn)場配注。

4 結(jié)束語

利用設(shè)計改造后的超臨界CO■裝置對氣嘴嘴流特性進行了研究，采集不同條件下的嘴前嘴后壓力，線性度較好。不同氣嘴直徑對節(jié)流壓差影響較大，嘴徑越小，壓差隨流量的變化越明顯，線性擬合的斜率越大，嘴徑低于0.6 mm時壓差迅速增加，當嘴徑大于1.2 mm時節(jié)流壓差變化趨緩。根據(jù)模型公式對不同嘴徑下節(jié)流壓差數(shù)據(jù)進行多參數(shù)擬合，并對公式進行修正，利用修正后的公式進行外推，得到大流量（大于5 000 Nm3/d）下的參考數(shù)據(jù)。溫度（50～80 ℃）對節(jié)流壓差的影響較小，隨著溫度升高壓差稍有增加，可能由溫度升高流體阻力稍有增大造成的。嘴后壓力變化時，嘴前壓力也隨之相應(yīng)變化，節(jié)流壓差基本保持穩(wěn)定；但小嘴徑（小于0.6 mm）、大流量條件下（大于70 L/h），嘴后壓力不再影響嘴前壓力，嘴前壓力受限于氣嘴本身。上述結(jié)論對現(xiàn)場具有指導(dǎo)意義。

參 考 文 獻

［1］ 秦積舜，韓海水，劉曉蕾.美國CO2驅(qū)油技術(shù)應(yīng)用及啟示［J］.石油勘探與開發(fā)，2015，42（2）：209-216.

［2］ 高慧梅，何應(yīng)付，周錫生.注二氧化碳提高原油采收率技術(shù)研究進展［J］.特種油氣藏，2009，16（1）：6-12；106.

［3］ 鄒劍，劉長龍，鄭靈蕓，等.井下永置式測調(diào)技術(shù)流量計研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向［J］.化工自動化及儀表，2023，50（6）：729-735.

［4］ 楊勝來，李新民，郎兆新，等.稠油注CO2的方式及其驅(qū)油效果的室內(nèi)試驗［J］.石油大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2001（2）：62-65.

［5］ 羅二輝，胡永樂，李保柱，等.中國油氣田注CO2提高采收率實踐［J］.特種油氣藏，2013，20（2）：1-7；42.

［6］ HEIDARYAN E，HATAMI T，RAHIMI M，et al.Viscosity of pure carbon dioxide at supercritical region：Measurement and correlation approach［J］.Journal of Supercritical Fluids，2011，56：144-151.

［7］ OMANA R，HOUSSIERE C，BROWN K E，et al.Multiphase Flow Through Chokes［J］.SPE2682，1969.

［8］ 談士海，張文正.非混相CO2驅(qū)油在油田增產(chǎn)中的應(yīng)用［J］.石油鉆探技術(shù)，2001（2）：58-60.

［9］ 徐銳，沈瑞，周體堯，等.致密油藏大量注入CO2驅(qū)油機理研究［J］.天然氣與石油，2023，41（4）：55-66.

［10］ 鄭文寬，張世明，李宗陽，等.CO2驅(qū)不同注采模式提高采收率試驗研究［J］.油氣地質(zhì)與采收率，2023，30（2）：86-93.

［11］ 李孟濤，單文文，劉先貴，等.超臨界二氧化碳混相驅(qū)油機理試驗研究［J］.石油學(xué)報，2006（3）：80-83.

［12］ 尚慶華，王玉霞，黃春霞，等.致密砂巖油藏超臨界與非超臨界CO2驅(qū)油特征［J］.巖性油氣藏，2018，30（3）：153-158.

［13］ 桂雍，梁志遠，郭亭山，等.超臨界二氧化碳環(huán)境中耐熱材料的腐蝕行為研究［J］.動力工程學(xué)報，2021，41（7）：602-608；616.

［14］ 羅程程.超臨界CO2嘴流特性試驗及分層注氣井模擬［D］.成都：西南石油大學(xué)，2014.

（收稿日期：2024-01-31，修回日期：2024-04-07）

Experimental Study on the Flow Characteristics of Supercritical Carbon Dioxide Nozzles

YU Ji-fei1，2 ， CHEN Huan1，2 ， XING Xue-song1，2，" ZOU Ming-hua1，2， KOU Lei3

（1. State Key Laboratory of Offshore Oil and Gas Exploitation； 2. CNOOC Research Institute Co.， Ltd.； 3. CNOOC EnerTech-Drilling amp; Production Co.）

Abstract" "For purpose of ensuring the injection effect of fine layered CO■ flooding underground， the gas nozzle structure of the layered injection cylinder developed was tested and simulated for the nozzle flow characteristics of supercritical CO■ air nozzle there， including establishing a supercritical CO■ nozzle evaluation device to verify the effects of nozzle’s diameter， temperature， pressure behind the nozzle and various moisture content on the nozzle’s throttling characteristics. The analysis results provide theoretical guidance for optimizing the gas nozzle structure， modifying the calculation model under different nozzle diameters and obtaining the correction model for nozzle’s pressure loss under different diameters， as well as predicting the nozzle flow characteristics of the gas nozzle with large diameter. It can provide accurate theoretical reference for the fine control of the large flow rate of 5 000 Nm3/d.

Key words" "supercritical CO■， layered injection， air nozzle， throttling pressure difference