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溫度壓力對CO2泡沫相態(tài)和性能影響研究

2018-05-30 12:27:56楊昌華
精細石油化工進展 2018年2期
關(guān)鍵詞:相態(tài)氣態(tài)半衰期

楊昌華

1.西安石油大學石油工程學院,2.西部低滲-特低滲油藏開發(fā)與治理教育部工程研究中心:西安 710065

CO2驅(qū)由于一方面驅(qū)油效率高,另一方面還起到碳減排和埋存目地,越來越受到油田的青睞,但在其驅(qū)替過程中,如何抑制氣竄,怎么擴大CO2驅(qū)波及范圍是影響其提高采收率的重要因素[1]。CO2具有氣態(tài)、液態(tài)和超臨界3種不同相態(tài),不同相態(tài)CO2產(chǎn)生的泡沫外觀和穩(wěn)定性差異較大,泡沫是控制氣體流度的重要手段[2]。CO2易溶于水,是一種酸性氣體,在油藏條件下處于超臨界狀態(tài),CO2泡沫受溫度壓力的影響大,在不同溫度壓力下能否形成泡沫,泡沫狀態(tài)如何,不同狀態(tài)泡沫封堵能力研究顯得十分必要。泡沫表征方法有體積法、電導率法及壓力法,常用的為Ross-Miles法[3],但這些評價方法溫度壓力均受限制,不能模擬CO2在不同相態(tài)下的發(fā)泡情況。因此,筆者通過高溫高壓可視化泡沫儀對存在相態(tài)變化的CO2泡沫特性進行研究。

1 實驗

1.1 高溫高壓可視化泡沫儀和試驗方法

高溫高壓泡沫儀由起泡裝置、加熱系統(tǒng)、測壓系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)和光源等組成。試驗裝置主要特點:耐高溫高壓,耐溫150 ℃、耐壓20 MPa,可實現(xiàn)不同相態(tài)CO2泡沫穩(wěn)定性評價;可實現(xiàn)高溫高壓條件下高速攪拌起泡,最高轉(zhuǎn)速1 000 r/min,起泡速度快;具有可視觀察窗,可觀察高溫高壓條件下泡沫的起泡及穩(wěn)泡狀態(tài);測溫點在設備內(nèi)部,可準確測量泡沫實際溫度。

試驗方法:在高溫高壓可視化泡沫儀內(nèi)加入配制好的泡沫劑溶液,并升溫至試驗溫度;充入CO2至試驗壓力,待壓力穩(wěn)定后,以恒定轉(zhuǎn)速(1 000 r/min)攪拌一定時間;記錄泡沫高度、半衰期等。

1.2 原料及試驗條件

實驗用水,濮城沙一下區(qū)塊注入水,礦化度24×104mg/L,Cl-1濃度16×104mg/L,水型為CaCl2;CO2,純度99.9%;起泡劑,甜菜堿類復配而成[4],泡沫液濃度5 g/L。

濮城沙一下區(qū)塊溫度82.5 ℃,壓力20 MPa,在該條件下CO2是超臨界狀態(tài)(CO2超臨界點溫度為31.1 ℃,壓力7.38 MPa)。

2 不同相態(tài)CO2泡沫特征

CO2在不同溫度和壓力條件下存在不同相態(tài),產(chǎn)生的CO2泡沫外觀和穩(wěn)定性差異較大。在氣態(tài)、液態(tài)和超臨界條件下,考察CO2與泡沫劑混合后的起泡特征,結(jié)果見圖1。

a)2.0 MPa/20 ℃ b)6.0 MPa/20 ℃ c)7.5 MPa/45 ℃

圖1不同相態(tài)條件下CO2泡沫形態(tài)

從圖1看出,(a)為氣態(tài)CO2泡沫,在高溫高壓可視化泡沫儀視窗中可看到明顯泡沫,其形態(tài)與空氣、N2等泡沫外觀相近。(b)為液態(tài)泡沫,從視窗中不能觀察到明顯的泡沫,外觀近似于乳狀液狀態(tài),呈均勻相。(c)為超臨界態(tài)泡沫,可看到該泡沫介于氣態(tài)和液態(tài)之間,泡沫更細小、致密。從起泡所需時間看,氣態(tài)泡沫需攪拌更長時間,需60 s,發(fā)泡速率較慢;超臨界態(tài)與液態(tài)能快速發(fā)泡,僅需10 s。

3 溫度、壓力對CO2泡沫性能影響

溫度和壓力是CO2相態(tài)變化的重要原因,針對不同相態(tài)(氣態(tài)、液態(tài)及超臨界態(tài))CO2形成的泡沫分別考察了溫度和壓力對泡沫劑性能的影響。

3.1 溫度

固定壓力為8 MPa(超臨界壓力之上),考察溫度對CO2泡沫液性能的影響,結(jié)果見表1。

表1 溫度對CO2泡沫起泡能力的影響

由表1看出,在相同壓力下,隨著溫度升高,CO2泡沫起泡體積降低,但降低幅度有限;泡沫半衰期明顯降低,泡沫與溫度變化關(guān)系與文獻[5-6]報道的規(guī)律一致。雖然隨著溫度升高,泡沫氣泡體積和半衰期均降低,但整體表現(xiàn)出泡沫性能良好,在100 ℃下半衰期為87 min。

3.2 壓力

固定溫度82.5 ℃,考察壓力對CO2泡沫性能的影響,結(jié)果見表2。

表2 壓力對CO2泡沫起泡能力的影響

由表2看出,隨著壓力增加,CO2泡沫起泡能力和穩(wěn)泡能力均增加,壓力對泡沫體積和半衰期影響明顯。尤其是在超臨界條件下,CO2形成泡沫的起泡能力和穩(wěn)泡能力均明顯增強,說明超臨界條件下,CO2泡沫性能明顯高于常規(guī)的氣態(tài)泡沫。這與在高溫高壓可視化泡沫儀觀察到超臨界CO2不僅能形成泡沫,且泡沫更細小致密結(jié)論一致。

4 泡沫封堵能力

為考察不同相態(tài)下(氣態(tài)、液態(tài)及超臨界態(tài))CO2泡沫體系封堵能力,應用物模實驗考察不同相態(tài)下CO2泡沫的封堵能力。物模滲透率均為313×10-3μm2,注水穩(wěn)定后,采用發(fā)泡劑和CO2混合注入,氣液比為1∶1,總注入量為1 PV,記錄各階段模型兩端壓差,結(jié)果見表3。

表3 不同相態(tài)CO2泡沫封堵能力

由表3看出,氣態(tài)CO2泡沫封堵能力最差,液態(tài)CO2泡沫居中,封堵性能最好的是超臨界CO2泡沫,這主要是由于氣態(tài)泡沫最不穩(wěn)定;液態(tài)CO2跟發(fā)泡劑形成的是乳狀液,乳狀液本身具有一定的封堵能力;而超臨界態(tài)CO2與發(fā)泡劑形成的泡沫致密細小,具有更長的半衰期和更好的發(fā)泡能力,這與靜態(tài)評價結(jié)果一致。

5 結(jié)論

1)由高溫高壓可視化泡沫儀研究結(jié)果可知,CO2在不同相態(tài)下均可形成泡沫,液態(tài)形成的泡沫呈均勻相,外觀形態(tài)近似于乳狀液狀態(tài),超臨界CO2形成的泡沫介于氣態(tài)和液態(tài)之間,泡沫更細小、致密。

2)溫度和壓力對泡沫的形成均有一定影響,其中壓力的影響明顯,高壓情況下能顯著提高泡沫穩(wěn)定性。在油藏條件下,CO2處于超臨界狀態(tài),在該條件下泡沫的起泡速度和半衰期均高于氣態(tài)CO2泡沫,有利于泡沫在油藏內(nèi)的形成和封堵。

3)物模實驗進一步驗證了超臨界CO2形成的泡沫體系封堵效果優(yōu)于氣態(tài)、液態(tài)CO2泡沫。

[1] 李景梅.注CO2開發(fā)油藏氣竄特征及影響因素研究[J].石油天然氣學報,2012,34(3):153-156.

[2] 周國華,宋新旺,王其偉,等.泡沫復合驅(qū)在勝利油田的應用[J].石油勘探與開發(fā),2006,33(3):369-373.

[3] 周風山.使用新舊準標Ross-Miles儀評價發(fā)泡劑發(fā)泡能力的比較[J].油田化學,1990,7(2):194-197.

[4] 楊昌華,王慶,董俊艷,等.高溫高鹽油藏CO2驅(qū)泡沫封竄體系研究與應用[J].石油鉆采工藝,2012,34(5):95-101.

[5] 劉向斌.控制二氧化碳氣竄泡沫配方體系的研制與應用—以宋芳屯油田芳48斷塊為例[J].油氣地質(zhì)與采收率,2011,18(5): 51-53.

[6] 趙仁保,岳湘安,柯文奇,等.氮氣泡沫體系穩(wěn)定性的影響因素研究[J].石油學報,2009,30(1):84-87.

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