蘇玉亮，吳曉東，侯艷紅，侯照鋒

（1.中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院，北京 102249;2.中國石油長慶油田超低滲透油藏研究中心，陜西西安 710018）

低滲透油藏CO2混相驅(qū)油機(jī)制及影響因素

蘇玉亮1，吳曉東1，侯艷紅2，侯照鋒2

（1.中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院，北京 102249;2.中國石油長慶油田超低滲透油藏研究中心，陜西西安 710018）

依據(jù)CO2降低原油黏度以及CO2在原油中的傳質(zhì)擴(kuò)散混相機(jī)制，建立考慮吸附現(xiàn)象的低滲透油藏CO2混相驅(qū)油數(shù)學(xué)模型，模擬CO2混相驅(qū)油過程。采用Barakat-Clark有限差分格式對(duì)模型進(jìn)行數(shù)值求解，分析Peclet數(shù)、注入壓力、孔隙度、原油黏度等因素對(duì)CO2在流出端的濃度分布以及降黏效果的影響。結(jié)果表明:Peclet數(shù)越小、注入壓力和孔隙度越大，CO2突破流出端的時(shí)間越早，同時(shí)改變油藏原油黏度的時(shí)間越早;初始原油黏度越大，CO2降低原油黏度的效果越明顯。

低滲透油藏;CO2;混相驅(qū);傳質(zhì)擴(kuò)散;吸附

目前國內(nèi)廣泛把CO2作為一種驅(qū)替溶劑對(duì)油田進(jìn)行混相驅(qū)采油［1-6］，但混相驅(qū)采油時(shí)會(huì)出現(xiàn)傳質(zhì)擴(kuò)散現(xiàn)象［7-9］。另外，低滲透油藏的孔隙度小，孔喉復(fù)雜，巖石的比面積特別大，驅(qū)油時(shí)CO2常常會(huì)被吸附到巖石表面。因此，伴隨吸附現(xiàn)象的混相驅(qū)替過程的驅(qū)替機(jī)制包括傳質(zhì)擴(kuò)散和吸附。筆者選用低滲透油藏的孔隙度為0.01～0.15［10］，采用帶有吸附現(xiàn)象的傳質(zhì)擴(kuò)散模型［11-13］來模擬混相驅(qū)替過程中CO2流體的流動(dòng)并分析Peclet數(shù)、注入壓力、孔隙度、原油黏度等因素對(duì)CO2流出端濃度分布以及CO2降低原油黏度效果的影響。

1 數(shù)學(xué)方程的建立

1.1 吸附公式的引入

擴(kuò)散劑在巖石顆粒表面的吸附過程不是瞬間完成的［14］。巖石表面含有的初始吸附劑量越小，吸附速度就越快。當(dāng)其表面吸附的量達(dá)到某一濃度值q時(shí)，吸附現(xiàn)象變?nèi)?當(dāng)其濃度達(dá)到某一臨界值q*時(shí)，吸附達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，吸附與脫附的速度相等?？偟奈竭^程實(shí)際上是單純的吸附過程與脫附過程的疊加，表達(dá)式為

1.2 假設(shè)條件

①孔隙介質(zhì)均質(zhì)且定橫截面積;②忽略巖石和流體的壓縮性;③流體在恒溫條件下以恒定速度流動(dòng);④只考慮沿縱向的擴(kuò)散現(xiàn)象;⑤忽略摩爾擴(kuò)散現(xiàn)象并且擴(kuò)散系數(shù)不依賴注入流體的濃度;⑥不考慮注入流體與油藏原油和巖石的化學(xué)反應(yīng);⑦考慮注入流體在巖石和多孔介質(zhì)表面的吸附作用。

假設(shè)條件下一維傳質(zhì)擴(kuò)散方程的一般形式為

式中，Q為注入速度，cm3/h;φ為孔隙度;ρr為巖石密度，g/cm3;A為模型的橫截面積，cm2;D為擴(kuò)散系數(shù)，代表著擴(kuò)散速度;λ為彌散參數(shù);v為注入流體的真實(shí)速度。λ和v越大，D越大，擴(kuò)散速度越大。

混合物黏度公式為

式中，μmix、μo、μg分別為混合物、原油、CO2的黏度，mPa·s。

式中，t1為驅(qū)替流體CO2的注入時(shí)間，s;C0為初始CO2濃度，g/cm3;L為模型長度，m;Ci為初始時(shí)刻各點(diǎn)的CO2濃度，g/cm3。

1.3 數(shù)值求解

選取一塊長為8.55 cm、橫截面積為38.84 cm2的巖心來模擬低滲透油藏條件下CO2混相驅(qū)油機(jī)制以及相關(guān)因素對(duì)CO2濃度分布的影響。CO2的初始注入濃度C0與注入壓力p0有關(guān)，C0越大，p0越大（圖1）。在所選擇的模型長度一定的情況下，當(dāng)λ增大時(shí)，Peclet數(shù)減小，導(dǎo)致擴(kuò)散速度增大;當(dāng)λ減小時(shí)，Peclet數(shù)增大，導(dǎo)致擴(kuò)散速度減小。因此在其他條件不變的情況下，Peclet數(shù)代表了擴(kuò)散速度值。

試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷某跏紬l件:

計(jì)算參數(shù):流量Q為5 cm3/h，Δx為0.05，ΔtD為0.002，孔隙度φ為0.08，顆粒密度ρr為1.22 g/ cm3，初始注入濃度C0為0.18 g/cm3，初始注入壓力p0為10 MPa，參數(shù)a為1.616 mL/g、b為28.316 mL/g，原油黏度為10 mPa·s，CO2的初始黏度為0.02 mPa·s，油藏溫度為310 K。

圖1 注入壓力與CO2初始濃度的關(guān)系Fig.1 Relation for injection pressure and CO 2 initial concentration

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 孔隙度對(duì)CO2流出端濃度剖面的影響

當(dāng)混相驅(qū)模型考慮吸附作用時(shí)，不同孔隙度下的CO2流出端濃度剖面的形狀不同。在其他條件不變的情況下，孔隙度越大，吸附比面越小，因此相應(yīng)的CO2吸附量越少;孔隙度越大，油藏的滲透率越大，流體在滲流過程中遇到的阻力越小，因此驅(qū)替流體突破的時(shí)間就越早?？紫抖仍叫?，巖石的比面積越大，相應(yīng)的吸附量越多，同時(shí)小的孔隙度使得油藏的滲透率較低，流體在孔隙介質(zhì)中流動(dòng)時(shí)遇到的阻力越大，因此驅(qū)替流體突破的時(shí)間越晚（圖2）。

圖2 孔隙度對(duì)CO2流出端濃度剖面的影響Fig.2 Effect of porosity on CO2 effluent concentration profile

由圖2可以看出，當(dāng)油藏的孔隙度為0.01、tD= 8時(shí)，即使注入壓力取20 MPa，Pe取2.85，注入速度為5 cm3/h，CO2也幾乎不會(huì)在流出端流出。因此，在最大注入無因次時(shí)間為8時(shí)，CO2不會(huì)突破流出端，原油的性質(zhì)也不會(huì)發(fā)生改變。

2.2 Peclet數(shù)對(duì)CO2流出端濃度分布的影響

不同的Peclet數(shù)產(chǎn)生的CO2流出端濃度剖面不同（圖3）。Peclet數(shù)越小，即擴(kuò)散系數(shù)越大時(shí)，CO2擴(kuò)散到原油中的速度越快，突破的時(shí)間越早;反之突破時(shí)間越晚。

不同Peclet數(shù)下的CO2流出端濃度剖面都成“S”形，只是這3個(gè)圖形的彎曲度不同。Peclet數(shù)越小，其形狀變化越平緩。這是因?yàn)樾〉腜eclet數(shù)導(dǎo)致大的CO2擴(kuò)散速度，與大的Peclet數(shù)相比，在相同時(shí)間里CO2擴(kuò)散到原油中的量較多，滲流過程中的CO2流體比較少，因此CO2完全突破流出端所需的時(shí)間會(huì)比較長。

圖3 Peclet數(shù)對(duì)CO 2流出端濃度分布的影響Fig.3 E ffect of d ispersion on CO 2 effluent concentration profile

2.3 注入壓力對(duì)CO2流出端濃度分布的影響

注入壓力越大，CO2的初始濃度越大，CO2突破流出端的時(shí)間越早;注入壓力越小，CO2的初始濃度越小，CO2突破流出端的時(shí)間越晚（圖4）。注入壓力越大、CO2的濃度越小時(shí)，CO2在孔隙介質(zhì)表面的吸附量越少，流動(dòng)的CO2越多，同時(shí)注入壓力越大，驅(qū)替的動(dòng)力也越大，因此CO2突破流出端的時(shí)間也越早;反之，突破時(shí)間越晚。

2.4 初始原油黏度對(duì)CO2流出端濃度分布的影響

在其他條件不變的情況下，油藏的初始原油黏度越大，混合物的黏度變化幅度越大，CO2的降黏效果越明顯（圖5）。

3 結(jié)論

（1）孔隙度、注入壓力的增大，加速了CO2的對(duì)流傳質(zhì)過程，CO2降低原油黏度的時(shí)間變短。

（2）油藏的初始原油黏度越大，CO2降低原油黏度的效果越明顯。

（3）Peclet數(shù)的增大導(dǎo)致CO2突破流出端的時(shí)間變長，但同時(shí)使得流出端的CO2濃度剖面變得更平穩(wěn)。

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M echanism of CO2m iscible disp lacement in low permeability reservoir and influencing factor

SU Yu-liang1，WU Xiao-dong1，HOU Yan-hong2，HOU Zhao-feng2

（1.College of Petroleum Engineering in China University of Petroleum，Beijing 102249，China; 2.Extra-low Permeability Oil Reservoir Research Institute of Changqing Oilfield Company，PetroChina，Xi'an 710018，China）

low permeability reservoir;CO2;miscible displacement;mass transfer and diffusion;adsorption

TE 357.42

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2011.03.020

According to themisciblemechanisms including CO2reducing crude oil viscosity and mass transfer and diffusion of CO2in crude oil，amathematical model for CO2miscible displacement with adsorption in low permeability reservoir was built.The process of CO2miscible displacement was modeled.This model was solved numerically by Barakat-Clark finite difference scheme.The effects of Peclet number，injection gas pressure，porosity，crude oil viscosity on CO2effluent concentration profile and viscosity break effectwere analyzed.The results show that the decrease of Peclet number and the increase of injection gas pressure and porosity speed up CO2breakthrough and the change of crude oil viscosity.In addition，the increase of crude oil viscositymakes the effect of CO2reducing crude oil viscosity more obvious.

1673-5005（2011）03-0099-04

2011－01－05

國家“973”重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目（2006CB705804）;泰山學(xué)者建設(shè)工程專項(xiàng)項(xiàng)目（TS20070704）

蘇玉亮（1970－），男（漢族），山東廣饒人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事低滲油藏驅(qū)替機(jī)制及開采、注氣提高采收率、深水油氣田開發(fā)研究。

（編輯 李志芬）