气体混相驱.ppt

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1、第二章 气体混相驱,主要内容：,第1节 概述,第3节 CO2驱,第4节 烃类气体驱,第5节 氮气驱,第2节 基本理论,第1节 概 述,在提高采收率的方法中，气体混相驱具有非常大的吸引力。因为注入气体与原油达到混相后，界面张力趋于零。驱油效率趋于100%。如果这种技术与提高波及系数的技术结合起来时，实际油层的采收率可达95%以上。本章讨论的是以气体为注入剂的混相驱油。 一、用于混相驱油的气体 a、烃类气体：干气（以甲烷为主） 液化石油气（LPG）,由乙烷-丁烷组成 富气：以乙烷-己烷为主，含乙烷-己烷 3050%,b、非烃类气体：CO2 烟道气（存在大量CO2 ） N2 二、一次接触混相驱和多级

2、接触混相驱 气体混相驱油按其混相机理可以分为一次接触混相驱和多级接触混相驱。 一次接触混相驱：是指排驱气体与地层原油以任何比例混合时，一经接触便可立刻达到完全互溶混相的排驱过程。例如：LPG。,多级接触混相驱：是指排驱气体在地层中推进时，多次（级）与地层中的原油接触后才能达到混相的排驱过程，它可以进一步分为凝析气驱（如富气驱）和蒸发气驱（如二氧化碳驱、干气驱、氮气驱、烟道气驱等）。气体混相驱分类框图如下：,气体混相驱,一次接触混相驱,多次接触混相驱,LPG段塞驱,丙烷段塞驱,二氧化碳驱,富气驱,干气驱,氮气（烟道气）驱,在气体多次接触混相驱的应用中，富气驱和二氧化碳驱所需的混相压力较低，对原油

3、组成的要求也低；而干气、氮气和烟道气所需的混相压力高，对原油的要求也高。因此，对于一定的油藏，富气和二氧化碳驱能够获得较高的采收率。鉴于注气的成本和最终采收率，二氧化碳是气体混相驱中最有吸引力的提高采收率方法。,第2节 基本理论,一、基本概念 （1）相：具有均一性质（密度、粘度等内在性质）的单组分或多组分体系的混合物。如油水体系有两个相，油相和水相。 （2）泡点压力：液相存在的最小压力，是无限少的气相与液相达到共存的压力。 （3）露点压力：气体存在的最大压力，是无限少的液相与气相达到共存的压力。 （4）临界点：具有相同物理性质的气相与液相共存的极限条件（压力、温度及组成），它是泡点线与露点线的

4、交点。 （5）临界凝析压力：流体处于单相的最低压力点，也是相包络线上最大压力点。,（6）临界凝析温度：流体处于单相的最低温度点，也是相包络线上最大温度点。 （7）组分：具有物理和化学性质完全相同的均一体系。如液化石油气有乙烷、丙烷、丁烷等组分。 （8）拟组分：具有性质相近的不同烃类组分的混合物，如C2C6为一个拟组分。 （9）组成：某一物质的组分及各组分的含量。有体积、质量、摩尔等组成表示法。 （10）压力温度(pT)相图：体系的相态特征与温度、压力的关系图。用于确定油藏类型。 （11）压力组成(pX)相图：体系的相态特征与压力、相数或组成的关系图。,（12）三元相图：在一定的温度和压力下，表

5、示三个纯组分或三个拟组分的相态特征图。用于测定不同体系组分的相态特征。 （13）相包络线：体系中存在的单相和两相的分隔线，它是由泡点线和露点线在临界点连接而成。 （14）系线：两相区内两个平衡共存相的连线。其两端的坐标位置分别代表体系的两个平衡相的组成。 （15）极限系线：三元相图中过临界点的切线。用于判断达到混相的气、油组成条件。 二、三元相图 三元相图是描述一定温度和压力下三组分或多组分体系相态特征的等边三角形。如果组分数目超过三个，三元相图就称,拟三元相图。如C1，C2-6,C7+三个拟组分组成体系的相态特征可用拟三元相图描述。三元相图是一个等边三角形，具有三个顶点和三条边，如图2-1所

6、示。,图2-1 任意比例下均能混相的三组分三元相图,一个体系含有三个组分A、B、C，该体系始终落在等边三角形之内。体系中各组成可用质量分数、摩尔分数或体积分数表示。图中，P点代表着一个三组分体系。三元相图的三个顶点各代表一个单组分，即A、B、C三个顶点分别代表含有100%的A，100%的B和100%的C的纯组分；A、B、C三个顶点的对边分别代表着A、B、C组分的含量为零，即三元相图三条边代表着除其对应顶点组分之外的其他两个组分的混合物。,例如，a，b和c点分别表示不含A，B，C的两组分体系，即a为B（60%）+C（40%），b为A（60%）+C（40%），c为B（50%）+A（50%）的两组分

7、体系。如果一个体系含有A，B，C三种组分，（如右图P体系含有A（40%），B（40%）和C（20%），这个体系的点一定位于三元相图中。,图2-2 任意比例下均能混相的三组分三元相图,a,b,C,三元相图的主要优点就是易于表示混合物中不同组分的含量。例如，组分B与M混合后，形成一个新体系P，P点一定落在 连线上，即系线规则（两个体系的混合物的组成点位置一定处于两个体系组成的连线上）。P点的位置由杠杆规则确定，即：,或,（2-1）,（2-2）,图2-3 任意比例下均能混相的三组分三元相图,因此，采用系线规则和杠杆规则可以确定任何两个体系混合的组成。,图2-4 部分互溶的三组分三元相图,三元相图用于

8、表示三组分体系的相态关系，右图中A、B、C为三个拟组分，组成用摩尔分数表示。在一定温度、压力下，三组分达到汽液平衡。相图中有两个区，一个是两相区，另一个是单相区，二者被相包络线分隔。相包络线是由露点线和泡点线在临界点相连而组成的。如果两相区内有一点P，它可以分成平衡气相Y和平衡液相X，根据杠杆规则及PX和PY的距离比值，可以计算出气相和液相的相对含量。,两相区内连接平衡气相和平衡液相的直线称为系线（如XY），临界点表示的是平衡气相与平衡液相组成完全相同的组成点，即两相界面张力为零。因此，临界点是气、液两相相态特征完全相同点，即两相共处的极限点，与临界点相切的直线为极限系线。,图2-5 拟三元相

9、图,原油是一个非常复杂的碳氢化合物的混合体系，即使是采用最先进的分析手段，目前也无法全面地进行原油的化学组成、组分分析，因此人们认为，原油是由无数个组分组成的。要表示原油的相态特征，就需要拟三元相图，如右图所示。在拟三元相图中，把性质相近的各组分视为一个组分（拟组分）。,一般，将原油中易挥发的组分视为第一个拟组分，如C1，N2，CO2；把中等挥发性组分C2C6（中间组分）视为第二个拟组分；把不易挥发的组分（如C7+）最为第三个拟组分。每一个拟组分只能表示出平均相对分子质量和密度。,三、最小混相压力 最小混相压力（Minimum Miscible Pressure，简称MMP）是指在油层温度下，

10、注入气体与原油达到混相所需的最低压力。最小混相压力是注气提高采收率方法筛选的一个重要参数。如果采用注气提高采收率，那么油藏平均地层压力必须高于注入气与地层原油的最小混相压力，才能获得较高的采收率。 最小混相压力的确定方法主,要是细管实验法。细管实验装置如右图所示，主要由填砂盘管、高压正向驱替泵、毛管玻璃观察窗、回压调节器、湿式气体流量计、液体计量器装置和恒温空气浴等组成。,图2-6 细管实验装置,上图实验装置从毛管玻璃观察窗来观察、判断注入气体与原油在试验中的混相特征。但是，从毛管玻璃观察窗中，不能判断最低混相条件。如果注入气体与原油未达到混相，注入气体突破后，从观察窗中可看出界面清晰的两相流

11、。如果注入气体与原油达到混相，观察到的是浅色的液体，而不是原油的颜色。如果混相过程中有沥青沉淀，那么，混相后液体的颜色要比原油的颜色浅得多，而且有暗黑色的段塞通过观察窗。 细管实验的方法和步骤： （1）抽空细管，完全饱和溶剂，测定填砂细管孔隙度； （2）利用溶剂做驱替介质，测定细管的渗透率； （3）用原油饱和细管； （4）将注入气体充入气缸，加压到一定的注入压力； （5）用增压驱替泵将气体注入到细管中；,（6）记录注入气体量与细管中原油采收率的关系数据。 （7）如果采收率小于95%，改变注入压力，重复上述步骤（4）（6），直到原油采收率高于95%； （8）绘制注入压力与注入1.2孔隙体积的气体

12、时的采收率关系曲线（如图2-7），确定注入气体在油藏温度下的最低混相压力。,图2-7 采收率与注入压力的关系 （温度和原油组成恒定）,一般，最低混相压力的确定是根据注入1.2孔隙体积气体时采收率达到95%以上，而且随着注入压力升高，采收率不再增加，基本上维持在95%的水平，如图中水平段所示。,细管实验所测得的采收率并不能代表油藏的混相驱采收率，但是获得的最小混相压力数值可以代表油藏的注入气体与原油之间的混相压力。因为油气混相的动态平衡过程与岩石性质无关。在细管实验中要尽可能排除不利的流度比、粘性指进、重力分离、岩性的非均质性等因素对最低混相压力测定结果的影响。 在细管实验中应考虑以下因素： （

13、1）细管长度。对细管长度的要求：保证油气系统在驱替距离（细管长度）上，能够形成动态混相；保证注入1.2倍孔隙体积的气体后，油气体系达到完全混相。 （2）注入气的流速。保证注入气的粘性指进和重力分异效应不影响混相过程。 （3）细管和沙粒的直径。保证注入气通过横向分散作用抑制粘性指进。,一、 CO2-原油的性质 1、CO2在原油中的溶解性 CO2在原油中具有很好的溶解性。与在水中一样，CO2在原油中的溶解度随压力的上升而上升；随温度的升高和原油分子量的增加而下降。相同条件下，CO2在原油中的溶解度比在水中的溶解度高39倍，因而即使在低压下CO2也是一种很好的非混相驱注入剂。而在高压下，CO2则是一

14、种很好的混相驱注入剂。由于CO2在油中的溶解度远大于在水中的溶解度，因此它可以从水溶液中转溶入原油中。在转变过程中，油水界面张力会逐渐降低，驱替方式也逐渐接近或达到混相驱。,第3节 CO2驱,随着饱合压力，原油粘度，这是气体分子进入烃类分子中间后，降低了烃类分子的内摩擦力之故。随压力，原油密度，因为在高压下CO2不仅溶于油中，同时（又将）有较轻的烃类分子进入气相，故原油密度增加。,2、CO2对原油密度、粘度的影响 CO2比原油的密度、粘度都低得多。因此，不利流度比和重力分离必然是排驱中遇到的主要问题，特别是在水平地层中。一般，将CO2用于背斜地层或倾斜地层中。,CO2溶解在原油中，使得原油的粘

15、度显著下降，这是CO2驱的一个机理，溶解了CO2的原油粘度下降程度取决于压力、温度和原油本身粘度的大小，图2-9中，o指原始原油粘度，m指溶有CO2的原油粘度。随着饱和压力的增加，溶解了CO2的原油粘度急剧下降；在相同饱和压力下，中质和重质原油的粘度降低幅度比轻质原油的降低幅度大。由于CO2能大大降低重质原油的粘度，所以CO2主要应用于重质原油降粘开采。,图2-9 与饱和压力的关系,3、CO2-原油的又一重要性质是原油的膨胀系数。 膨胀系数定义为饱和压力下溶解了CO2的原油体积除以标准状态下的原油体积。膨胀系数越大时，依靠原油体积膨胀的驱油效率就越大。一定体积的CO2溶解于原油，可使原油体积,

16、膨胀，其增长幅度取决于压力、温度和原油组分，原油体积可增加10%100%。 如左图所示，膨胀系数随溶解的CO2摩尔浓度增加和原油的平均相对分子质量减少而增加；在一定CO2浓度下，轻质原油的膨胀系数大。,指原油的平均分子量,图2-10 原油膨胀系数与CO2在原油中的摩尔浓度的关系曲线。,4、CO2抽提原油的特征 在一定温度和压力下，CO2不仅能溶解于原油中，而且可置换出原油中某些轻质或中间组分的烃类物质，这种置换作用称为CO2对原油的抽提。这是CO2多级接触混相驱的最基本条件。CO2与原油接触时，萃取原油中的轻质组分而使CO2加富；加富的CO2再与原油接触进一步抽提原油，再接触，再抽提，不断地使

17、CO2被加富，当CO2抽提到足够的烷烃时，含油富气的CO2相能与原油混溶。 压力、温度对抽提有影响，原始气油体积比（即CO2体积/原油体积）对抽提也有影响，如下图2-11所示。,该图是某原油在不同气油比以及四种压力下进行的相平衡试验。在一定压力下，凝析油量随气油比增加而增加，且存在一最佳气油比，在该比值下抽提效率最高。也可以看出，对于一定的CO2-原油体积系数，CO2对原油的抽提效率随压力的增加而增加，且存在一个发生抽提的最低压力，当压力低,图2-11 CO2体积/原油体积与凝析油关系,于此值时，无论气油比多大都不发生,抽提。 随着原油中轻烃和中间烃组分含量增加，原始气油比上升，CO2抽提原油

18、中轻烃组分量增多。,二、 CO2混相驱油机理 在CO2驱中，CO2的溶解气驱作用、混相驱替、膨胀原油作用、降低原油粘度、碳酸水提高岩石渗透率等作用都会有助于提高原油采收率。 1、溶解气驱 由于CO2在原油中的溶解度较大，是在水中的39倍，在注入过程中，一部分CO2溶于原油，随着注入压力上升，溶解的CO2量越来越多，当油藏停止注入CO2时，随着生产的进行，油藏压力降低，油藏原油中的CO2就会从原油中分离出来，为溶解气驱提供能量，形成类似于天然类型的溶解气驱。即使停注，油藏中的CO2气体仍然可以驱替油藏中的原油，而且，一部分CO2像残余气一样圈闭在油藏中，进一步增加采出油量。,2、原油的膨胀 CO

19、2溶解于原油后，与油藏原始状态的原油相比，其体积系数大大增加，溶解了CO2的原油体积可以增加10%100%，原油体积膨胀倍数取决于压力、温度及原油的组分。溶有CO2的原油膨胀系数随着原油平均分子量的减小（轻质组分增多）而增加，随着CO2在原油中的摩尔分数增加而增大（如图2-10）。此外，温度和压力也影响膨胀系数，高压下溶有CO2的原油膨胀系数较大。 3、粘度减小 CO2可使原油粘度显著降低，CO2溶于原油后，可使原油粘度下降到原粘度的1/101/100。一般来说，原油粘度越高，CO2可使原油粘度下降的幅度越大（如图2-9），即CO2溶解在重质原油中引起的粘度下降幅度比CO2溶解在轻,质原油中引

20、起的粘度下降幅度大得多。因此，认为CO2可以用来开采重质原油。由于溶解CO2原油粘度下降，流度比得到改善。油相渗透率也会有相应的提高。 4、岩石渗透率增加 CO2在水中存在一定的溶解度，尤其是在高温高压下，CO2在水中的溶解度可达5%。油藏水中溶有CO2，水的粘度、密度、体积系数等参数变化不大，但溶有CO2的水形成碳酸水后具有酸性，可以溶解油藏中的钙质胶结物或白云岩，提高岩石渗透率。现场应用经验表明，注CO2后注入井附近的渗透率可大幅度提高，注入量增加，注入压力下降。碳酸水效应对于注水是有利的，尤其是低渗透油藏。,5、CO2混相效应 CO2多级接触混相驱是指CO2通过油层时，与孔隙中的原油依次

21、接触，而每次接触都使气相的组成发生改变，最终达到临界点组成而混相驱油。因CO2在原油中的溶解和抽提烃类物质的能力强于其它气体溶剂，故CO2是发展多级接触混相驱的良好气体。 CO2与原油的混相取决于原油的组成、油藏压力和温度。在油藏压力中等以上和油藏温度较高的油藏，注入的CO2与原油通过多次接触，不断抽提原油中的中间组分C2C6，加富注入气，从而达到动态混相，即蒸发气驱混相。而在高压低温油藏，CO2冷凝为富含CO2的液相，与原油一次接触就能达到混相。但是，在绝大多数油藏条件下，CO2与原油的混相过程为蒸发气驱混相。,1.体系A与体系C是完全混相的，称A混相排驱C； 2.体系P与体系E以任何比例混

22、合，新生成的体系必然落在PE上，也是两相平衡共存体系，存在界面和界面张力，称P和E两体系是非混相的； 3.体系A和体系E混合，新生成的体系可能呈单相，也可能呈两相，称A和E两体系部分混相。,图2-12 上图为型相图，A、C在单相区，P、E在两相驱；,CO2多级接触混相驱机理,图2-13 CO2多级混相驱机理,L1富含烃类的液相；L2富含CO2的液相 不考虑原油体积膨胀；用一系列压力缸代表排 驱道路上的孔隙,当第一批注入气体B在第一个压力缸内与原油A接触时为第一级接触，混合后生成的新体系组成为M1。设M1存在两相，其平衡气液相的组分分别为G1与L1，G1含有C2-6，但却比注入气B少了一些CO2

23、,这些CO2溶入了原油A，它使原油的组成变为L1。L1含的C2-6较原油A少，是因部分C2-6已抽提进入气相G1中。气液相组成的变化正是CO2在原油中溶解和抽提烃类组分的结果。由图看出,在一定的油藏压力和温度条件下，注入CO2与原油的多次接触混相（蒸发气驱混相）基本原理如图2-13所示。,G1L1两平衡相的组成较B与A两组成更接近。在孔隙介质中，气相G1因其粘度低，受第二批注入气B的排驱，G1超越L1进入第二孔隙。G1与第二个孔隙中的原油A接触，是为第二级接触（气相已由注入气B变为G1），设G1与A的混合物为M2。假设M2仍存在气液两相，其气相组成为G2，液相组成为L2。经过二级抽提，G2比G

24、1含有更多的C26，同时，G2比G1的CO2浓度低，是二级接触后CO2再次溶解于原油之结果，原油A也变为L2。G2L2两组成更驱接近。同样，G2受到排驱进入第三孔隙，是为第三级接触。如是发展下去，沿流动方向孔隙中的体系组成将依次发生变化。其气相组成沿露点线向临界点趋近，液相组成沿泡点线向临界点趋近。最终，在某油层位置上气相与液相组成完全相同，达到临界点组成k。临界点流体被其后面的气体排驱，与前方原油接触，新体系落在kA线上， kA线完全处于临界点切线混相区一侧，故k混相排驱A。注气过程在一段时间内是连续,进行的，当第一个孔隙中生成气相G1与液相L1时，同时注入气体B进入第一孔隙，B与G1接触，

25、是气体组成落在BG1线上，最终将第一孔隙内的气体组成变为B，同样，第二、第三孔隙内的气相组成依次逐渐变为B。沿排驱道路上，形成一气相组成由B至k的过渡带。同时，具有临界点组成的区域也随排驱进行在扩大，最终形成一组成为k的混相区，称之为混相带。混相带混相排驱与它接触的油，油在前进中也混相排驱与它接触的油，使含油饱和度增加形成一油带。油带中油相饱和度和分流率的大小，取决于油水流度比和混相带流体与水的界面张力。,若原油组成不在临界点切线混相区一侧，而是在另一侧，那么，总有一条系线的延长线通过原油的组成点，这时，气相与原油之间不可能继续发生溶解和抽提，也即，平衡相组成不再发生变化。这种排驱未达完全混相

26、，称为部分混相驱。由此得出，原油组成落在临界点切线上或混相区一侧，是CO2实现混相驱的必要而充分的条件。,压力和原油组成对混相驱的影响 CO2-烃类物质的拟三元相图密切地依赖于压力和温度，在石油开采过程中，对于一个具体的油层，温度基本上认为是一定的，而压力却有比较大的变化，因此，研究压力对混相驱油的影响是有实际意义的。当对油田进行CO2混相驱油的筛选时，原油组成是关键参数因为它决定着混相驱的可能性。 对于一定的CO2-烃类体系，在一定温度时，拟三元相图的两相区随压力的增加而缩小，对于一定组成的原油来说，小的相包络线更有利于形成混相驱。如图2-14所示。,图2-14中两条相包络线分别代表压力为p

27、1和p2时的情况，且p1 p2。若原油组成为B，当油层压力为p1时，可实现混相驱，而当油层压力p2时，不能实现混相驱。但是，若原油组成为A，油层压力为p2时，也能实现混相驱。这是原油A较原油B含有更多的C2-6组成之故。由此得出，含较多轻质和中间组分的原油有可能在较低的地层压力下实现混相驱。,图2-14 压力和原油组成对混相性的影响,对于一个实际的油藏，其原油组成和地层温度是一定的，可以通过PVT试验，绘出该原油与CO2的拟三元相图，使在某压力下相包络线的临界点切线恰好通过原油的组成点。于是CO2在该压力下与原油多级接触后，最终可以达到临界点组成，形成混相驱。将此压力定义为该原油的最低混相压力

28、，用MMP（Minimum Miscible Pressure）表示。 MMP 是油田进行CO2混相驱最重要的筛选参数，当油田确定注CO2混相驱时，最重要的是确定MMP 。若MMP是油层条件、井下和地面设备条件能满足的压力时，CO2混相驱在技术上是能实现的。 MMP：是指在油层温度下，CO2与原油能达到多级接触混相的最低限度压力。,混相带 混相带是指体系组成为临界点附近的油层区域。（图图2-15所示）。,CO2,混相带在以下情况可能退化： （1）从注入井到生产井，油层压力逐渐下降，当压力低于MMP时。 （2）混相带从注入井到生产井推进时，通过断面扩大，混相带变薄。 （3）混相带被CO2或过渡带

29、的组分稀释（CO2或过渡带的气体从高渗夹层或旁通孔道穿入混相带时出现这种情况。） （4）当有不渗透的透镜体存在时，混相带绕流而变薄以致消失。,图2-15 油层中的各带,为了保证油层实现混相驱就必须保持混相带的稳定，这要求：（1）油层平均压力大于MMP，可保持在一定的排驱路径上是混相驱；（2）混相带应具有一定体积，防止混相带变薄消失或退化。因此，必需注入足够量的CO2。只要CO2存在且油层压力大于MMP，消失了的混相带或退化了的混相带都可以重建。 三、最小混相压力的影响因素 影响最小混相压力的因素主要有：原油的组成和性质、温度及注入气体的组成。 1、原油的组成和性质 1）原油的API重度,API

30、重度是衡量原油中轻质烃类数量和相对密度的一个重要参数，API重度与相对密度成反比。API重度越大，说明原油中轻烃含量越高，相对密度越小，随着原油的API重度的增加，原油中可挥发的轻烃含量增加。CO2对原油的抽提能力增强，混相能力增加，最低混相压力减少。 2）C5C30的含量 CO2与原油的混相是由于CO2能抽提地层原油中的烷烃。原油中可抽提的烷烃（ C5C30 ）浓度越大，其最小混相压力越低。原油轻烃（C5C30）中，低碳烃含量越高，则最小混相压力减小，高碳烃中的芳香烃有助于降低最小混相压力。C1组分的含量不仅要影响最小混相压力，而且如果大量的甲烷存在，易于产生粘性指进。,3）相对分子质量 原

31、油中C5+组分的相对分子质量的大小是影响最小混相压力的一个重要因素，如图2-16所示，在一定温度下，随着C5+相对分子质量的增加，达到混相所需要的最小混相压力增加。,图2-16 CO2混相压力与原油相对分子质量的关系,4）重质组分性质 原油中重质组分的性质显著地影响CO2原油体系的最小混相压力。原油中的沥青质含量越高，最小混相压力越大。相同含量下，高沸点的沥青质比低沸点的沥青质的混相压力高。,2、温度 温度对最小混相压力具有较大的影响，随着温度的升高，最小混相压力升高（如图2-16所示）。由于在温度升高（压力不变）时，CO2密度下降，引起CO2的萃取能力（轻烃萃取量）降低，因而要达到混相所需的

32、压力增加。如图2-16所示，不管原油中C5+的相对分子质量是多少，只要温度增加，CO2原油的混相压力就上升。例如温度从140上升到240 ，混相压力就会从2000psia增加到3200psia，因此高温油藏对CO2混相驱是不利的。 3、注入气体组成 随着CO2气体中CH4、N2含量的增加，最小混相压力增加。如果CO2气体中含有C2C6烃类，其与原油的混相能力增强，最小混相压力降低。,CO2 驱油筛选标准如表2-1所示：,注：腐蚀问题：2CO2+H2O+FeFe(HCO3)2+2H; 3% 的碳酸水对钢铁的腐蚀速度比普通水大15倍； CO2中有可能混进水或H2S等气体。,四、CO2驱的筛选标准,

33、五、CO2驱工艺技术 CO2驱的过程示意图如图2-17。先注入一个相当纯的CO2,段塞与原油接触，通过油气多次接触，原油中的中间组分进入CO2中，当CO2所含中间组分足够多的时候，CO2就与原油达到混相，形成一个混相带，这样油气界面张力为零。 通常一个纯CO2段塞的尺寸为21%孔隙体积。,图2-17 二氧化碳混相驱示意图,由于CO2与原油的密度和粘度差异较大，粘性指进和重力分离效应会使CO2在生产井过早突破，降低了混相程度及CO2的波及效率。因此，在注入CO2段塞后，一般采用注入一个段塞的水，如上图2-17所示。这种方法称为水气交替注入技术（WaterAlternatingGas），该方法改善

34、了CO2驱的波及效率。此外，还可以采用CO2泡沫等方法改善CO2的流度控制能力。CO2驱生产井的响应是存在一个明显的富集油带，这是CO2原油混相驱效果的一个显著标志。当CO2突破后，地面分离器和净化器是产出的CO2可以重新利用，注入地层。 1、二氧化碳来源 CO2一般可以从以下几个途径中得到：,（1）天然的二氧化碳矿藏； （2）天然气处理厂； （3）氨厂； （4）电厂烟道气； （5）其它气源，如混相驱过程中产出的CO2可以回注，炼油厂的制氢厂副产品、酸气分离厂、水泥厂和石灰厂的烟道气等都能提供浓度较低的CO2。 2、二氧化碳注入工艺技术 CO2驱的注入工艺技术流程包括二氧化碳源、二氧化碳凝缩装

35、置、输送装置、储藏系统、变压注入装置、二氧化碳分配站、注入井、分离装置等系统。流程图如下图2-18所示。,加 压 装 置,CO2分配站,分离提纯装置,高压注入装置,凝 缩 装 置,输 送 装 置,生 产 井,注 入 井,CO2分配站,二氧化碳气源,二氧化碳分离、提纯、压缩或冷凝,储藏系统：设备检修、WAG(水气交替注入)使用,补充二氧化碳输送过程中消耗的能量,提高压力，使二氧化碳在油藏达到混相,实施二氧化碳的配注,气体的分离、提纯,根据各个井段所需实施二氧化碳的配注,图2-18 二氧化碳注入流程图,3 、CO2注入方式,不同油层注入CO2方式不同，不同注入方式提高采收率的效果也不同。 （1）连

36、续注CO2气体（对倾角小的的砂岩地层不经济；可用水或N2顶替。据美国报导，采1m3油需1000m3CO2。） （2）注碳酸水（CO2缓慢扩散，前沿有水汇集带，与原油的作用变差，其采收率比注CO2段塞低2535%。） （3）水驱CO2段塞（水与CO2不混相。） （4）交替注CO2和水：WAG法（Water Alternating With Gas)(对倾角小的灰岩地层，交替注入小体积（5%PV或更低）的CO2和水，WAG法是最经济可行的CO2驱工艺，不适合低渗砂层。),（5）同时注CO2气体和水（油层上部注水，下部注CO2气体，需双注系统，存在严重的操作问题。） （6）CO2重力稳定驱（对倾角大

37、的油层，可降低CO2在倾斜油层中的重力超覆现象，提高CO2波及系数。） 4、二氧化碳吞吐 CO2单井吞吐是一种十分有效的增产措施，尤其是重质油藏和低渗透油藏。CO2单井吞吐机理是通过CO2的溶解特性，降低原油粘度，膨胀原油体积以及碳酸水溶解钙质而获得增产的。该方法具有投资少、见效快，增产单位体积原油所用CO2量少等特点，适合于CO2气源不丰富的井场，水驱效果差的低渗透油藏，同时它也是一种稠油冷采的工艺技术。 CO2单井吞吐方法与蒸汽吞吐相似。用卡车（恒温罐）将CO2拉至井场，用泵将液态的CO2挤入油井附近地层，并关井,一段时间（几周）后，使CO2充分地渗入地层并溶解于原油，开井生产后可获得较高

38、的采油量。如果油井生产量降到原来水平，即可进行下一轮吞吐。CO2单井吞吐的周期也与蒸汽吞吐相似，一般吞吐次数可达56次，随着吞吐次数增加，每个周期增产油量下降。 CO2吞吐的用气量一般为每英尺油层（0.10.4）106ft3（ft3立方英尺），如果用增油量来表示，增产1bbl原油需注入（13） 106ft3CO2。 影响CO2吞吐效果的因素有： （1）周期次数：CO2的有效性随着周期吞吐次数的增加而降低。 （2）生产期间的回压：在生产期间，回压越高，CO2吞吐的效果越好。这是由于髙回压下原油中的CO2的溶解度较高，存在较高的原油潜在产量。,（3）注入压力：高的注入压力迫使更多的CO2进入地层中

39、，原油粘度降低的幅度会增大。因而，处理压力越高，CO2吞吐的效果越好。 （4）原油的粘度：CO2吞吐提高原油产量主要是降低原油的粘度，高粘原油的吞吐效果越好。但过高的原油粘度的CO2吞吐的效果较差。因此，大规模的应用通常要求原油的粘度低于2000mPa.s。 （5）含油饱和度：含油饱和度的高低直接关系着任何提高采收率方法的采收率和经济效益。含油饱和度越高的油层，CO2吞吐的技术效果和经济效益肯定越好。 （6）渗透率：对于粘度较高的原油，高的渗透率起到增强CO2吞吐增产的作用。而对于低粘度原油，其意义不大明显。,5、二氧化碳驱流度控制技术 尽管二氧化碳驱具有混相压力低、驱替效率高的优点，但它的一

40、个严重缺点是与原油相比，粘度和密度太小。二氧化碳原油之间密度、粘度差以及油藏的非均质性，导致二氧化碳驱过程中的粘性指进现象和超覆现象，使得二氧化碳在生产井提前突破（气窜），降低二氧化碳的波及系数。因此，如何控制二氧化碳驱的流度是二氧化碳驱提高原油采收率的关键问题。 目前，提高二氧化碳波及效率的方法有：水气交替注入法（WAG）、二氧化碳泡沫法以及弱凝胶处理等方法。 1）水气交替注入法 水气交替注入技术是利用注入的水段塞作为“堵塞剂”，阻碍二氧化碳在多孔介质中的流动，达到控制流度的目的。在实,际应用中，通常将二氧化碳和水分成若干个小段塞，交替注入到油层。这样不仅可以改善平面波及效率，如图2-19所

41、示。而且有助于控制二氧化碳的超覆现象，提高垂向波及效率。,（a）低流度比下混相段塞的分布,（b）高流度比下混相段塞的分布,图2-19 不同流度比下混相段塞的分布,水气交替注入法的不足：注入大量的水会使油藏原油不易和二氧化碳接触而达到混相，二氧化碳在水中的溶解量会增加二氧化碳的消耗量，减小二氧化碳驱在经济上的吸引力，降低低渗透率油藏的注入能力。 2）二氧化碳泡沫法 改善二氧化碳驱流度比最为直接的方法是增加驱替相本身的粘度。室内和矿场实验结果表明，二氧化碳泡沫可以明显改善注入井的吸气剖面，与水气交替注入联合使用时，可使二氧化碳的流度降低5%以上。二氧化碳泡沫可抑制二氧化碳驱前缘的不稳定性，缓解粘性

42、指进和重力超覆。 形成二氧化碳泡沫要求：表面活性剂在油藏温度下必须稳定，不能产生降解；该表面活性剂在地层中的吸附损失量要小；考虑该表面活性剂与地层水中二价离子的配伍,性；最为重要的是必须保证表面活性剂在油藏孔隙介质的流动过程中，能使泡沫液膜稳定，否则不能达到流度控制的目的。 现场注入的方式有两种，一是同时注入二氧化碳和表面活性剂，即将表面活性剂溶液和二氧化碳通过双油管管柱注入，双油管必须下到油层深部并进行防腐处理。表面活性剂溶液与二氧化碳在井底混合形成二氧化碳泡沫。另一种方法是将二氧化碳和表面活性剂溶液交替注入。在这种方式下要防止井底出现二氧化碳、水溶液的重力分离现象，使油层底部形成高含水的泡

43、沫。 二氧化碳泡沫法既具有二氧化碳驱的高驱油效率，又具有高波及效率的双重优点。这种流度控制技术可以明显限制二氧化碳粘性指进和过早突破。,3）聚合物弱凝胶方法 弱凝胶的可流动特性使二氧化碳驱流度控制或流动转向变为可能。Hild等人利用弱凝胶技术，改善了注气井的吸气剖面，提高了纵向和平面波及效率。 弱凝胶技术是新近发展起来的一项变革性的提高波及效率的技术。弱凝胶是一种由低浓度聚合物（1001200mg/L）和交联剂（20100mg/L）形成的以分子内交联为主，以分子间交联为辅的弱凝胶体系。弱凝胶技术可以大幅度地降低化学剂用量。由于弱凝胶体系成胶时间长和成胶强度小，可以进入油藏深部，因此，弱凝胶可以

44、用于油藏的深度调剖。 弱凝胶体系的特点是：聚合物用量小；具有凝胶属性，有很好的耐温性和抗二价离子能力；成胶时间长，流动性好，可长时间保持流动和注入能力。,第4节 烃类气体驱,一、烃类气体性质 1、组成 烃类气体是指在常温常压下为气态的碳氢化合物，包括C1C4（甲烷丁烷）。烃类气体的组成表示法有三种：摩尔组成，体积组成和质量组成。 （1）摩尔组成：它是指烃类气体中某一组分（i）占总体积的摩尔分数，即:,(2-3),式中 Xi组分的摩尔数； 烃类气体的总摩尔数。,（2）体积组成：它是指烃类气体中某一组分的体积占总体积的分数，即：,（2-4）,式中 Vi烃类气体组分的体积； 烃类气体的总体积。,（3

45、）质量组成：它是指烃类气体中某一组分的质量占总质量的分数，即：,（2-5）,式中 Wi烃类气体组分的质量； 烃类气体的总质量。,2、相对分子质量 烃类是由多组分组成的混合物，因此，烃类的相对分子质量是一个“平均”概念。烃类气体相对分子质量定义为760mmHg和0条件下，体积为22.4L烃类气体所具有的质量。它在数值上等于标准状况下，1摩尔烃类体积的质量。烃类气体相对分子质量表示为：,（2-6）,式中 M烃类气体相对分子质量； Yi烃类气体各组分的摩尔组成； Mi烃类气体各组分的相对分子质量。,3、拟临界参数 烃类气体的拟临界参数有拟临界温度和拟临界压力，它们的定义为：,（2-8）,（2-7）,

46、式中 ppc，Tpc分别为烃类气体的拟临界压力和拟临界温度； pci，Tci分别为烃类气体中i组分的拟临界压力和拟临界温度； Yi烃类气体中i组分的摩尔分数。 4、烃类气体在原油中的溶解性 烃类气体在原油中的溶解性取决于原油的组成、烃类气体,的组成、压力和温度等参数。根据相似相溶原理，烃类气体与原油的组成越接近，其在原油中的溶解性越好。轻质原油（富含中间组分C2C6的原油）中溶解的烃类气体多于重质原油；富气（中间组分C2C6 含量较高）在原油中的溶解度高于干气（中间组分C2C6含量很少）。压力越高，烃类气体在原油中的溶解度越大，当压力达到原油饱和压力时，烃类气体在原油中的溶解度达到极限。如果进

47、一步增加烃类气体，原油中气体达到完全饱和，不能再进一步地溶解烃类气体。随温度的升高，烃类气体溶解性稍有降低。高压时，这种降低幅度更大。这是因为温度的增加，使烃类气体的饱和蒸汽压亦随之增加。 5、烃类气体的粘度 烃类气体的粘度取决于气体的组成、相对分子质量、温度和压力等参数。烃类气体中甲烷含量越高，烃类气体相对,分子质量越小，粘度越小；压力越低，粘度越大。高压和低压下，温度对烃类气体粘度的影响规律不同。图2-20为烃类气体的粘度与相对分子质量比值同对比温度的关系。,图中，Xi为i组分的摩尔分数；Mwi为i组分的相对分子质量；Tr为拟对比温度，Tr=T/Tpc；pr为拟对比压力，pr=p/Tpc；

48、为重均相对分子质量，= ；为烃类气体粘度，10-3mPa.s。 在一定油藏压力和温度下，已知烃类气体组成，就可通过图2-20查出烃类气体的粘度值。,图2-20 烃类气体粘度计算图版,二、一次接触混相驱 1、一次接触混相驱机理 注入的驱替剂与原油一经接触就立即混相，称为一次接触混相（First Contact Miscible，简称FCM）。最常用的一次接触混相驱的混相剂一般是中等分子量的烷烃（C2C6），如丙烷、丁烷或液化石油气。 右图2-21是一次接触混相图。图中，,图2-21 溶剂段塞一次接触混相图,原油的组成点位于O点，注入的溶剂为C2C6，组成位于中间组分的顶点。从图中可以看出，注入的

49、溶剂和原油一次接触后的组成点位于单相区，即达到混相。任意比例的一次接触混相剂和油的混合物都位于单相区。如果注入气体中中间组分含量较少，组成点位于A点上方，不可能达到一次接触混相。,2、一次接触混相的注入方法 尽管注入中等相对分子质量的烷烃（C2C6）能很好地与原油混相，但是连续注入的费用太高，不经济。因此，一次接触混相驱替过程一般都包括两个段塞：先注入富含中等分子量的烷烃的小段混相段塞（溶剂段塞）与原油混相，再注入廉价的大段驱替段塞（一般为甲烷）。理想的一次接触混相驱替应该是驱替段塞混相驱替溶剂段塞，溶剂段塞混相驱替原油。因此，FCM过程中，要考虑的相态包括溶剂段塞与原油之间以及驱替段塞与溶剂段塞之间（即溶剂段塞的前面和尾部）的相态。溶剂段塞与驱替段塞之间的混相通常决定着初级接