趙 躍 軍， 宋 考 平， 范 廣 娟

( 1.東北石油大學(xué) 石油工程學(xué)院， 黑龍江 大慶 163318；2.東北石油大學(xué) 提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實驗室， 黑龍江 大慶 163318；3.東北石油大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院， 黑龍江 大慶 163318 )

儲層條件下超臨界二氧化碳與原油體系最小混相壓力研究

趙 躍 軍*1,2， 宋 考 平1,2， 范 廣 娟3

( 1.東北石油大學(xué) 石油工程學(xué)院， 黑龍江 大慶 163318；2.東北石油大學(xué) 提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實驗室， 黑龍江 大慶 163318；3.東北石油大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院， 黑龍江 大慶 163318 )

注二氧化碳開采原油已經(jīng)成為目前世界范圍內(nèi)特低或超低滲透油田重點(diǎn)采用的提高原油采收率技術(shù)，驅(qū)油過程中較為理想的驅(qū)替形態(tài)就是能夠形成二氧化碳混相驅(qū)，而最小混相壓力是形成混相驅(qū)關(guān)鍵因素之一，因此快速準(zhǔn)確預(yù)測最小混相壓力是實現(xiàn)混相驅(qū)的重要環(huán)節(jié)．通過長細(xì)管驅(qū)替實驗法和多種經(jīng)驗公式法對儲層條件下超臨界二氧化碳與試驗區(qū)原油體系最小混相壓力的預(yù)測進(jìn)行了研究，并用長細(xì)管驅(qū)替實驗法對各經(jīng)驗公式法測定的結(jié)果進(jìn)行了誤差分析．研究結(jié)果表明：長細(xì)管驅(qū)替實驗法預(yù)測的最小混相壓力為29.15 MPa；各經(jīng)驗公式法計算得到的最小混相壓力相差較大，預(yù)測最大值為42.60 MPa，最小值為10.34 MPa，平均值為26.83 MPa；對比長細(xì)管驅(qū)替實驗法測得的結(jié)果，各經(jīng)驗公式法預(yù)測的最小混相壓力平均值的相對誤差為7.96%，其中相對誤差最小的是石油采收率研究所提出的PRIⅠ方法，相對誤差為1.26%．

最小混相壓力；超臨界二氧化碳；混相驅(qū)；長細(xì)管驅(qū)替實驗法；經(jīng)驗公式法

0 引 言

最大幅度提高原油采收率(EOR)是國內(nèi)外所有油田及石油工作者和研究人員追求的目標(biāo)．雖然水驅(qū)采油技術(shù)在國內(nèi)已經(jīng)形成了一套很成熟的體系，然而對于特低滲透和超(致密)低滲透油田來說，注水開發(fā)技術(shù)是不適合的．多數(shù)油田需要采用注氣開發(fā)，而在氣源的選擇中二氧化碳由于自身的優(yōu)勢成為了很多油田應(yīng)用的對象[1-7]．經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，在二氧化碳驅(qū)油過程中會出現(xiàn)混相驅(qū)或者非混相驅(qū)的驅(qū)替形態(tài)，實際數(shù)據(jù)表明存在混相驅(qū)區(qū)塊的采收率要高于非混相驅(qū)區(qū)塊較多，然而能否形成混相驅(qū)的關(guān)鍵性因素之一就是原油與二氧化碳體系的最小混相壓力，并且最小混相壓力主要受儲層與原油性質(zhì)、注入氣體成分組成、地層溫度和地層壓力等因素的影響[8-16]．所以整個區(qū)塊能否盡早全面實現(xiàn)混相驅(qū)與能否快速準(zhǔn)確地預(yù)測最小混相壓力有著非常重要的關(guān)系．本文針對超臨界二氧化碳與該試驗區(qū)原油體系最小混相壓力首次采用長細(xì)管驅(qū)替實驗法進(jìn)行預(yù)測和確定，并對各經(jīng)驗公式法預(yù)測的結(jié)果進(jìn)行誤差分析，最終優(yōu)選出適合預(yù)測相似區(qū)塊最小混相壓力的方法．長細(xì)管驅(qū)替實驗法是被廣泛應(yīng)用且普遍認(rèn)可的實驗方法，該方法的預(yù)測結(jié)果對于經(jīng)驗公式法的優(yōu)選具有重要作用，尤其對于該試驗區(qū)能夠盡快全面實現(xiàn)二氧化碳混相驅(qū)和進(jìn)一步提高原油采收率具有重要研究價值．

油田試驗區(qū)北部油藏埋藏較淺，油層頂面深度1 400～1 900 m，南部埋藏較深，油層頂面深度2 100 m左右．試驗區(qū)周圍斷裂比較發(fā)育，均為正斷層，走向以近于南北向為主，斷層延伸長度一般為2.5 km，斷距一般為35～50 m，傾角為25°～45°，天然裂縫不發(fā)育，儲層平均孔隙度為0.102，平均滲透率為1.2×10-3μm2，飽和壓力為7.76 MPa，氣油比為40.3 m3/m3，原油密度為0.853 6 g/cm3，體積系數(shù)為1.148 0，黏度為1.88 mPa·s，單脫死油相對分子質(zhì)量為264.1，井流物組分摩爾分?jǐn)?shù)：甲烷8.27%、C2～C1026.12%、C11+43.04%、CO2與N2和22.57%，地層溫度為111.5 ℃，地層壓力為31.2 MPa．

1 經(jīng)驗公式法預(yù)測最小混相壓力

作者在調(diào)研一些關(guān)于經(jīng)驗公式法的文獻(xiàn)時，發(fā)現(xiàn)部分文獻(xiàn)中經(jīng)驗公式的單位或相關(guān)參數(shù)不是統(tǒng)一的，這樣會導(dǎo)致同一個經(jīng)驗公式在不同文獻(xiàn)中的表達(dá)式都是不同的，不方便進(jìn)一步應(yīng)用和研究．因此在查閱了相關(guān)的中文文獻(xiàn)和外文原始文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，統(tǒng)一了各經(jīng)驗公式中各個變量的單位和相關(guān)參數(shù)．

針對超臨界二氧化碳與原油體系最小混相壓力的預(yù)測，國內(nèi)外的研究人員和學(xué)者提出過許多種經(jīng)驗公式．但有些方法只能預(yù)測二氧化碳純度的影響或者應(yīng)用條件與本試驗區(qū)塊實際情況不符，本文對此類方法不作討論，如：Sebastian經(jīng)驗公式方法、Dunyushkin-Namiot方法和Kovarik方法等．

(1)National Petroleum Council(NPC)方法

National Petroleum Council(NPC)給出了以原油密度作為主要指標(biāo)、地層溫度作為輔助指標(biāo)的確定最小混相壓力的方法[17-19](見表1)．

表1 NPC方法

(2)Glaso經(jīng)驗公式

Glaso在Benham和Alson等對最小混相壓力預(yù)測研究的基礎(chǔ)上，給出了中等組分含量在18%以上和以下的兩種關(guān)系式[20-25]．

(1)

式中：pmm為最小混相壓力，MPa；Mr,C7+為脫氣油中C7+的相對分子質(zhì)量；t為油藏溫度，℃．

②中等組分含量小于18%時的經(jīng)驗公式

(2)

式中：xRF為油藏流體中C2～C6的摩爾分?jǐn)?shù)．

(3)Johnson-Pollin(J-P)經(jīng)驗公式[26]

pmm=pci+0.006 897α(t-tci)+ 0.006 897I(βMr-Mr,in)2

(3)

式中：pci為i組分的臨界壓力，MPa；tci為i組分的臨界溫度，℃；Mr,in為注入氣體的相對分子質(zhì)量；Mr為原油的平均相對分子質(zhì)量．

對于純二氧化碳：I=1.276 2，α=18.9，β=0.285．于是式(3)轉(zhuǎn)換為

pmm=7.528+0.130 4×(t-31.04)+ 0.008 8×(0.285Mr-44.01)2

(4)

(4)石油采收率研究所經(jīng)驗公式

石油采收率研究所根據(jù)與最小混相壓力相關(guān)的不同指標(biāo)參數(shù)給出了兩個經(jīng)驗公式[20]，第一個是與二氧化碳蒸氣壓曲線相關(guān)的經(jīng)驗公式PRIⅠ：

pmm=0.051×102.772-1 579/Rt

(5)

其中R=1.8t+492．

第二個是與油藏溫度相關(guān)的經(jīng)驗公式PRIⅡ：

pmm=-4.891 3+0.415t-0.001 597 4t2

(6)

需要注意的是：若最小混相壓力小于飽和壓力，則令最小混相壓力等于飽和壓力．

(5)Cronquist經(jīng)驗公式

Cronquist提出了與原有的甲烷摩爾分?jǐn)?shù)、C5+餾分的相對分子質(zhì)量和溫度等原油特性參數(shù)相關(guān)的兩種形式的經(jīng)驗公式[21]，這些參數(shù)對最小混相壓力的影響較大．

第一種形式：

pmm=15.988×(1.8t+32)K

(7)

其中

K=0.744 206+0.001 103 8MC5++ 0.001 527 9xPCI

式中：MC5+為戊烷以上餾分的摩爾質(zhì)量，g/mol；xPCI為甲烷和氮?dú)獾哪柗謹(jǐn)?shù)，%．

第二種形式：

pmm=60.532 9-0.073 612 5t- 0.049 292 4MC5++7.429 65×10-4a+ 2.102×10-4b-5.124×10-4c- 13.469 1logt-0.248 029 logxC1

(8)

其中

a=MC5+×xC1；b=MC5+×t；c=t×xC1

式中：xC1為甲烷的摩爾分?jǐn)?shù)．

(6)Alston經(jīng)驗公式

Alston給出了與二氧化碳?xì)怏w純度相關(guān)的最小混相壓力預(yù)測的經(jīng)驗公式[22]．由于該試驗區(qū)的注入氣體為純二氧化碳，對于不純注入氣體的經(jīng)驗公式這里沒有列出．

對于純二氧化碳的經(jīng)驗公式：

(9)

式中：nvol、nmint分別為原油中揮發(fā)成分(如N2和C1)物質(zhì)的量和中間烴(C2-4、CO2和H2S)組分物質(zhì)的量．

需要注意的是：如果最小混相壓力小于飽和壓力，則令最小混相壓力等于飽和壓力．

(7)Silva經(jīng)驗公式

Silva等[27-28]根據(jù)原油中各分子大小的分布對最小混相壓力的影響建立了原油相對分子質(zhì)量分布與最小混相壓力之間的函數(shù)關(guān)系式．式(10)給出了C2～C31各餾分烴的歸一化質(zhì)量分?jǐn)?shù)公式．

(10)

式中：wi為i組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，當(dāng)i=31時，其數(shù)值表示為C31以上所有組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和．

體系達(dá)到相平衡時，i組分的分配系數(shù)Ki為

logKi=-0.041 75Ci+0.761 1

(11)

其中，Ci為i組分的碳原子數(shù)，C31用平均碳數(shù)C33代替．如果組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是分段給出的，則對應(yīng)的Ki可以按照組分的平均碳數(shù)計算．

質(zhì)量組成參數(shù)F的計算公式如下：

二氧化碳密度在系統(tǒng)壓力達(dá)到最小混相壓力時的表達(dá)式為

(12)

(13)

a、b為特性參數(shù)，其計算公式如下：

其中：psy為體系壓力，MPa；Tsy為體系溫度，K；Msy為體系平均摩爾質(zhì)量，g/mol；ρsy為體系密度，g/m3；R為理想氣體常數(shù)，取值0.008 314 4 kJ/(mol·K)．

或者根據(jù)二氧化碳?xì)怏w達(dá)到上述密度和儲層溫度條件下對應(yīng)的壓力來計算并查表得到其最小混相壓力值．

需要注意的是：如果泡點(diǎn)壓力高于最小混相壓力，則最小混相壓力等于泡點(diǎn)壓力．

2 長細(xì)管驅(qū)替實驗法測定最小混相壓力

2.1 實驗原理及裝置

本研究所用的長細(xì)管驅(qū)替實驗裝置是自行組建的(見圖1和表2)，裝置主要為分別裝有試驗區(qū)油田原油、二氧化碳和蒸餾水的活塞容器、填砂細(xì)管、回壓閥、氣體流量計、液體流量計、ISCO全自動泵等．

圖1 長細(xì)管驅(qū)替實驗裝置示意圖

表2 長細(xì)管驅(qū)替實驗?zāi)Ｐ突緟?shù)

2.2 實驗流程

(1)實驗準(zhǔn)備：打開恒溫箱并加熱，當(dāng)溫度接近儲層實際溫度后通過調(diào)節(jié)恒溫控制器使恒溫箱內(nèi)溫度保持在預(yù)定值上；用甲苯和石油醚溶劑進(jìn)行細(xì)管模型的清洗，接著用高壓空氣將殘留的溶劑吹干；開泵后推活塞至容器頂部，將容器內(nèi)的氣體排出．接著向活塞容器中注入二氧化碳后將閥門關(guān)閉；填砂細(xì)管加飽和蒸餾水，計算該細(xì)管孔隙度；用甲苯清洗填砂細(xì)管中的蒸餾水，放在恒溫箱中烘干，將細(xì)管中的甲苯蒸發(fā)掉；用ISCO恒壓恒速泵向細(xì)管模型中壓入配制好的模擬油，當(dāng)模擬油注入量達(dá)到1.5倍孔隙體積時停止，根據(jù)其注入量和出液量的體積差就能夠計算并確定出細(xì)管模型中的飽和油量，至此實驗準(zhǔn)備工作完畢．

(2)壓力調(diào)整：開啟ISCO恒壓恒速泵，使活塞容器中氣體的壓力提高至低于驅(qū)替實驗壓力的1～3 MPa停止加壓；通過調(diào)節(jié)手動泵使回壓提高到預(yù)定的實驗驅(qū)替壓力；在恒壓下開泵注入二氧化碳?xì)怏w進(jìn)行實驗驅(qū)替，此時打開細(xì)管模型的出口閥門并調(diào)整活塞容器中的氣體壓力，該壓力要等于或略高于實驗驅(qū)替壓力．

(3)計量并計算：在實驗驅(qū)替過程中，對產(chǎn)油量、產(chǎn)氣量和泵讀數(shù)等數(shù)據(jù)根據(jù)實驗情況定時進(jìn)行測定并檢查油樣飽和情況；當(dāng)累計注氣體積大于1.2倍孔隙體積時停止注入并計算該次驅(qū)替實驗的采收率．注意事項：當(dāng)一次實驗結(jié)束后，要重新進(jìn)行細(xì)管模型的清洗，以免影響下一次的實驗結(jié)果．

(4)實驗方案的制訂：按照上述的實驗流程進(jìn)行下一個壓力點(diǎn)下的驅(qū)替實驗．通常情況下，通過該實驗方法要分析出某種氣體的最小混相壓力，至少需要測出5個以上壓力點(diǎn)的采收率．本實驗設(shè)定的6個實驗回壓分別為24、26、28、30、32和34 MPa．

2.3 實驗結(jié)果

目前，多數(shù)研究者認(rèn)同的判定細(xì)管實驗為混相驅(qū)替的準(zhǔn)則為：注入1.2倍孔隙體積二氧化碳?xì)怏w時的原油采出程度大于90%，而且隨著驅(qū)替壓力的升高，驅(qū)油效率沒有明顯的增加；在觀察窗中可以觀察到混相流體，即在二氧化碳和其之前的油墻間不存在明顯的界面．

確定最小混相壓力(MMP)的方法是在保證長細(xì)管驅(qū)替實驗非混相驅(qū)替和實現(xiàn)混相驅(qū)替各有3次的情況下，繪制各次長細(xì)管實驗注入氣體量為1.2倍孔隙體積時對應(yīng)的原油采出程度與驅(qū)替壓力的關(guān)系曲線圖，非混相驅(qū)替段擬合回歸的直線與混相驅(qū)替段擬合回歸的直線的交點(diǎn)所對應(yīng)的壓力值即為最小混相壓力值．

根據(jù)實驗結(jié)果(表3)繪制注入1.2倍孔隙體積二氧化碳?xì)怏w時的原油采出程度與實驗驅(qū)替壓力之間的關(guān)系曲線(圖2)，確定該試驗區(qū)儲層原油與超臨界二氧化碳體系的最小混相壓力為29.15 MPa．

表3 試驗區(qū)原油注CO2長細(xì)管驅(qū)替實驗結(jié)果

Tab.3 The long slim tube displacement experiment results of crude oil with injecting CO2in the test area

實驗溫度/℃實驗壓力/MPa注入CO2氣體為1.2倍孔隙體積時采出程度/%評價111.52468.84非混相111.52677.80非混相111.52886.11非混相111.53091.35混相111.53292.86混相111.53493.97混相

圖2 試驗區(qū)原油注CO2長細(xì)管驅(qū)替實驗采出程度與驅(qū)替壓力關(guān)系曲線

Fig.2 The relation curve between the recovery and the displace pressure of the long slim tube displacement experiment of crude oil with injecting CO2in the test area

3 最小混相壓力預(yù)測結(jié)果對比

將應(yīng)用廣泛并被普遍認(rèn)可的長細(xì)管驅(qū)替實驗法與各經(jīng)驗公式法預(yù)測的最小混相壓力進(jìn)行對比(表4)，可以看出：長細(xì)管驅(qū)替實驗法得到的最小混相壓力為29.15MPa；經(jīng)驗公式法中預(yù)測的最小混相壓力最大值為42.60MPa，最小值為10.34MPa，平均值為26.83MPa；所有經(jīng)驗公式預(yù)測的最小混相壓力平均值的相對誤差為7.96%，其中相對誤差最小的是PRIⅠ方法，相對誤差為1.26%，其次是J-P經(jīng)驗公式法，相對誤差為8.82%；其他各經(jīng)驗公式方法的預(yù)測結(jié)果相對誤差較大．

表4 最小混相壓力預(yù)測結(jié)果對比

4 結(jié) 論

(1)試驗區(qū)原油儲層條件下應(yīng)用長細(xì)管驅(qū)替實驗法預(yù)測的最小混相壓力為29.15 MPa；各經(jīng)驗公式法預(yù)測得到的最小混相壓力相差較大，壓力預(yù)測的平均值為26.83 MPa，平均值的相對誤差為7.96%，其中相對誤差最小的是石油采收率研究所提出的PRIⅠ方法，壓力預(yù)測值為28.78 MPa，相對誤差為1.26%．

(2)在實驗設(shè)備和時間等條件允許的情況下，長細(xì)管驅(qū)替實驗法仍然是試驗區(qū)油田儲層條件下最小混相壓力預(yù)測較為可靠的方法．而在進(jìn)行預(yù)篩選或可行性研究時也可以應(yīng)用石油采收率研究所提出的PRIⅠ方法快速預(yù)測試驗區(qū)油田及其他相似區(qū)塊的原油與超臨界二氧化碳體系最小混相壓力．

(3)各經(jīng)驗公式法是在各自特定的油藏環(huán)境、儲層和流體性質(zhì)等條件下通過大量的統(tǒng)計回歸分析得到的，具有較強(qiáng)的局限性．因此用經(jīng)驗公式法預(yù)測最小混相壓力時，一定要結(jié)合試驗區(qū)塊的實際情況通過長細(xì)管驅(qū)替實驗法或者其他方法進(jìn)行誤差分析和適應(yīng)性分析之后才可應(yīng)用．

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Research on minimum miscible pressure of supercritical carbon dioxide and crude oil system under reservoir condition

ZHAO Yuejun*1,2, SONG Kaoping1,2, FAN Guangjuan3

( 1.College of Petroleum Engineering, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China；2.The Key Laboratory of Enhanced Oil and Gas Recovery of Education Ministry, Northeast Petroleum University,Daqing 163318, China；3.College of Geosciences, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China )

Developing oil by injecting carbon dioxide has become the important enhanced oil recovery technology for the ultra-low permeability oil field and extra-low permeability oil field in the current world. The ideal displacement is to form carbon dioxide miscible flooding in the process of oil displacement. The minimum miscible pressure is one of the key factors to form miscible flooding. So it is an important part of the realization of miscible flooding to predict the minimum miscible pressure quickly and accurately. The minimum miscible pressure prediction of the supercritical carbon dioxide and crude oil system under reservoir condition of the test area is studied through the long slim tube displacement experiment method and a variety of empirical formula methods. The minimum miscible pressure predicted by the long slim tube displacement experiment method is applied to analyze the relative error of the result of the empirical formula methods. The research results show that the minimum miscible pressure predicted by the long slim tube displacement experiment method is 29.15 MPa; the minimum miscible pressure values calculated by the various empirical formula methods are quite different: the maximum is 42.60 MPa, the minimum is 10.34 MPa, and the average value is 26.83 MPa; the average relative error to the long slim tube displacement experiment method is 7.96%. The relative error of PRIⅠmethod proposed by Petroleum Recovery Institute is 1.26%, which is the smallest relative error among all of the empirical formula methods.

minimum miscible pressure; supercritical carbon dioxide; miscible flooding; long slim tube displacement experiment method; empirical formula method

2016-07-18；

2017-01-13．

國家重大科技專項(2011ZX05009)；國家自然科學(xué)基金資助項目(51404070).

趙躍軍*(1980-)，男，博士，副教授，E-mail:fancyzyj@163.com.

1000-8608(2017)02-0119-07

TE348

A

10.7511/dllgxb201702002