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二氧化碳驅油原理 - 下載本文

第一章 二氧化碳驅油機理

第一節 驅油機理

CO2是一種在油和水中溶解度都很高的氣體,當它大量溶解于原油中時,可以是原油體積

膨脹,粘度下降,還可降低油水間的界面張力;CO2溶于水後形成的探索還可以起到酸化作用。它不受井深、溫度、壓力、地層水礦化度等條件的影響,由于以上各種作用和廣泛的使用條件,注CO2提高采收率的應用十分廣泛。

人們通過大量的室內和現場試驗,都證明了CO2是一種有效的驅油劑,並相繼提出了許多注入方案。包括:連續注CO2氣體;注碳酸水法;注CO2氣體或液體段塞後緊接著注水;注CO2氣體或液體段塞後交替注水和CO2氣體(WAG法);同時注CO2氣體和水。 連續注入CO2驅替油層時,由于不利的流度比及密度差,宏觀波及系數很低,CO2用量比較大,實施起來不夠經濟,用廉價的頂替液驅動CO2段塞在經濟上更有吸引力。用碳酸水驅油實質是利用注入的水和CO2溶液與地層油接觸後,從其中擴散出來的CO2來驅油,但此擴散過程較慢,與注入純CO2段塞相比達到的采收率比較低。注CO2段塞的工藝包括;注CO2段塞後注水、注段塞後交替注水和注CO2氣體,前一種方法是水驅動CO2段塞驅掃描整個油層,尾隨的水不混相地驅替CO2,在油層中留下一個殘余的CO2飽和度,後一種方法,其目的在于降低CO2的流度,提高油層的波及系數。提出的另外一種工藝是通過雙注水系統同時注水和CO2(見下圖),但是這種工藝的施工和完井的成本高,經濟風險更大。沃納(Warner1977)和費耶爾斯(Fayers)等人在模擬研究中證明,WAG注入法要比連續或單段塞注入法優越。沃納的研究結果還表明,連續注入CO2可采出潛在剩余油量的20%;注入CO2段塞可采出25%;而WAG法可采出注水後地下原油的38%;同時注入氣與水可采出47%的原油,但此法仍存在著嚴重的操作問題。由此看來,WAG法仍然是最經濟可行的CO2驅工藝,但它不適合于低滲透砂岩,因爲在這種砂岩中,由于水的流度很低,變換注入方式可能造成注入速度嚴重降低。

不管CO2是以何種方式注入油層,CO2之所以能有效地從多孔介質中驅油,主要是由于以下各因素作用的結果:

(1)使原油膨脹; (2)降低原油粘度; (3)改變原油密度;

(4)對岩石起酸化作用;

(5)可以將原油中的輕質餾分汽化和提取; (6)壓力下降造成溶解氣驅; (7)降低界面張力;

至于哪個因素起主要作用,取決于油層溫度、壓力和原油組分,對于某個具體的CO2驅項目來說,其主要驅替特效性應處于圖1-2中所示的五個區域中的一個:

區1:低壓環境; 區2:中壓、高溫環境; 區3:中壓、低溫環境; 區4:高壓環境;

區5:高壓、低溫(液體)環境。

當CO2處于-56.6 OC,0.422MPa時,固體、液體和氣體同時存在,即三相點。當二氧化碳處于31C,7.39MPa時,氣體、液體同時存在,即臨界點。當溫度高于31C時,壓力增大,二氧化碳也只能是氣態,見圖1.3

因爲二氧化碳的分子不具有水分子的固有極性,所以在較高的油藏溫度和壓力下,它不是以低粘度的液體溶于油中,就是以高密度的氣體溶于油中;並且隨著壓力升高,其溶解度也相應增大,見圖1.4。

原油中溶有注入的二氧化碳時,原油性質會發生變化,甚至油藏性質也會得到改善,這就是二氧化碳提高原油采收率的關鍵。下面詳細分析二氧化碳驅油提高采收率的機理。

1.降低原油粘度

二氧化碳溶于原油後,降低了原油粘度,原油粘度越高,粘度降低程度越大,見表。 40C時,二氧化碳溶于瀝青可大大降低瀝青的粘度。溫度較高時(120C以上),因二氧化碳溶解度降低,降粘作用反而變差;在同一溫度條件下,壓力升高時,二氧化碳溶解度升高,降粘作用隨之提高。但是,壓力過高,若壓力超過飽和壓力時,粘度反而上升。

原油粘度降低時,原油流動能力增加,從而提高原油産量

2.改善原油與水的流度比

大量的二氧化碳溶于原油和水,將使原油和水碳酸化。原油碳酸化後,其粘度隨之降低,大慶勘探開發研究院在45C和12.7MPa的條件下進行了有關試驗,試驗表明,二氧化碳在油田注入水中的溶解度爲5%(質量),而在大慶油田原油中的溶解度爲15%(質量);由于大量二氧化碳溶于原油中,使原油粘度由9.8mPa·s降到2.9mPa·s,使原油體積增加了17.2%,同時也增加了原油的流度。水碳酸化後,水的粘度也要增加,據前蘇聯有關文獻報道,二氧

化碳溶于水中,可使水的粘度提高20%以上,見圖,同時也降低了水的流度。因爲碳酸化以後,油和水的流度趨向靠近,所以改善了油與水流度比,擴大了波及體積。

3.使原油體積膨脹

二氧化碳大量溶于原油中,可使原油體積膨脹,原油體積膨脹大小,不但決定于原油分子量的大小,而取決于二氧化碳的溶解量。二氧化碳溶于原油,使原油體積膨脹,也增加了液體內的動能,從而提高了驅油效率。

大慶勘探開發研究院用薩爾圖油田南4-丁2-346井原油進行了試驗。目的是爲了了解二氧化碳溶于原油後,油相的體積與原始油樣的體積比與壓力的關系。

試驗條件爲:取樣深度800m,原油飽和壓力6.7MPa,密度0.798g/cm3,粘度8.8mPa·s,二氧化碳純度96.86%,試驗溫度48C,測試壓力7.00~28.12MPa。試驗結果如圖

圖表明,二氧化碳溶于原油後,油體積先是隨著壓力的升高而增大,這是因爲二氧化碳溶于原油中,溶解度隨著壓力上升而增大,致使原油體積膨脹率也逐漸增大。圖中兩條曲線分別表示原油樣體積與二氧化碳體積比1:1.7和1:1.6的情況。當壓力上升到10.55MPa時,油相體積分別達到最大值。此後,油相體積隨壓力升高而減小。這就是所謂二氧化碳萃取和汽化原油中輕質烴組分的過程。這也就是下面我們要介紹的二氧化碳混相驅油的重要機理。

4.使原油中輕烴萃取和汽化

當壓力超過一定值時,二氧化碳混合物能使原油中不同組分的輕質烴萃取和汽化。S·B·Mikael和F·S·Palmer對路易斯安娜州采用二氧化碳混相驅的SU油藏64號井的産出油進行了分析,認爲二氧化碳混合物對該油藏原油輕質烴其實存在萃取和汽化作用,見圖。該井注二氧化碳(CO284%,甲烷11%,丁烷5%)之前,原油相對密度爲0.8398;1982年注入CO2混合物後,初期産出油平均相對密度逐漸上升,從0.7587增加到0.8815;這說明原油中輕質烴首先萃取和汽化,以後較重質烴也被汽化産出,最後達到穩定。但是,注入CO2混合物後,産出油的最大相對密度是0.8251;1984産出油的相對密度爲0.8251;1985年以後産出油相對密度基本穩定在0.8155。也低于原始原油的相對密度0.8398。這充分證明注入CO2混合物確實存在原油中輕質烴萃取和汽化現象。萃取和汽化現象是CO2混相驅油的重要機理。

在該試驗中,當壓力超過10.3MPa時,CO2才使原油中輕質烴萃取和汽化;當壓力超過7.85MPa時,采收率就相當高,可以高達90%。

5.混相效應

混相的最小壓力稱爲最小混相壓力(MMP)。最小混相壓力取決于CO2的純度、原油組分和油藏溫度。最小混相壓力隋朝油藏溫度的增加而提高;最小很想壓力隨著原油中C5以上組分分子量的增加而提高;最小混相壓力受CO2純度(雜質)的影響,如果雜質的臨界溫度低于CO2的臨街溫度,最小混相壓力減小,反之,如果雜質的臨界溫度高于CO2的臨界溫度,最小混相眼裏增大。

CO2與原油混相後,不僅能萃取和汽化原油中輕質烴,而且還能形成CO2和輕質烴混合的油帶(oil banking)。油帶移動是最有效的驅油過程,它可以使采收率達到90%以上。

6.分子擴散作用

非混相CO2驅油機理主要建立在CO2溶于油引起油特性改變的基礎上。爲了最大限度地降低油的粘度和增加油的體積,以便獲得最佳驅油效率,必須在油藏溫度和壓力條件下,

要有足夠的時間使CO2飽和原油。但是,地層基岩是複雜的,注入的CO2也很難與油藏中原油完全混合好。多數情況下,CO2是通過分子的緩慢擴散作用溶于原油的。分子擴散過程是很慢的。特別是當水相將油相與CO2氣相隔開時,水相阻礙了CO2分子向油相中的擴散,並且完全抑制了輕質烴從油相釋放到CO2相中。

在三次采油中,通過CO2驅動水驅替後的殘余油的機理至今還沒有完全掌握。如果是因 爲油碰撞的結果,則油水彎月面的變化,引起毛細管力平衡的破壞,相的重新排列可能導致油的流動。如果水相被完全驅替,油和CO2直接接觸,將使原油降粘和膨脹,增加了原油的內能,也可導致采收率提高。不論是哪種作用,都必須有足夠的時間使CO2分子充分地擴散到油中。

在高溫和高壓條件下,在現場測定CO2擴散系數是非常困難的,通常用下面的經驗公式進行計算。

CO2在油中的擴散系數

Ds0=1.41×10-10μ

式中

-0.49

0

Ds·o——CO2在油中的擴散系數,m2/s; μ0——油的粘度,mPa·s。

CO2在水中的擴展系數:

Ds?w?5.72?10-12式中

T??

Ds·w——CO2在水中的擴散系數,m2/s; T——溫度,K;

μw——水的粘度,mPa·s。

如果CO2通過水堵段的擴散距離是X,通過水堵段擴散所需的時間是t,可用下式表示它們之間的關系。

t =X2/Ds·w

也可以用實驗室岩心驅擴散時間,計算現場CO2擴散時間。

tp ?te ?(式中

Xp2) Xetp——現場CO2擴散時間; te——試驗擴散時間;

Xp——現場擴散距離; Xe——試驗擴散距離。

7.降低界面張力

試驗證明:殘余油飽和度隨著油水界面張力減小而降低;多數油藏的油水界面張力爲10~20mN/m,想使殘余油飽和度趨向于零,必須使油水界面張力降低到0.001mN/m或者更低。界面張力降到0.04mN/m一下,采收率便會更明顯地提高。CO2驅油的主要作用是使原油中輕質烴萃取和汽化,大量的烴與CO2混合,大大降低了油水界面張力,也大大降低了殘余油的飽和度,從而提高了原油采收率,見圖。

從圖中可以看出,隨著見面張力的降低,采收率逐漸提高。

8.溶解氣驅作用

大量的CO2溶于原油中,具有溶解氣驅作用。降壓采油機理與溶解氣驅相似,隨著壓力下降CO2從液體中溢出,液體內産生氣體驅動力,提高了驅油效果。另外,一些CO2驅替原油後,占據了一定的空隙空間,成爲束縛氣,也可使原油增産。

9.提高滲透率

碳酸化的原油和水,不僅改善了原油和水的流度比,而且還有利于抑制粘土膨脹。CO2

溶于水後顯弱酸性,能與油藏的碳酸鹽反應,使注入井周圍的滲透率提高。可見碳酸鹽岩油藏更有利于CO2驅油。

第二節 驅油機理的綜合利用

CO2是一種多用途的注入氣體,它的有利特性不僅僅是由于其混相的能力,而且還具有

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