孫大龍，張廣東，彭 旭，敬 豪，呂 華，任超峰，王 寧

(1.西南石油大學(xué)，四川 成都 610500；2.四川省科源工程技術(shù)測(cè)試中心，四川 成都 610091；3.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司，陜西 靖邊 718500；4.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司，陜西 西安 710000)

0 引 言

中國(guó)低滲透石油資源分布較廣，在近幾年探明石油儲(chǔ)量中，低滲透石油資源所占比例達(dá)到70%以上[1-2]。低滲透油藏通常具有低孔低滲、滲流能力差、產(chǎn)能低等特點(diǎn)，采用常規(guī)注水開發(fā)，存在注入困難，波及范圍較小，采收率較低等問題[3]。為達(dá)到油藏持續(xù)高效開發(fā)，油田多采用CO2混相驅(qū)油技術(shù)，可提高低滲透油藏采收率15%～25%[4-5]。中國(guó)先后在大慶、吉林、遼河、江蘇等油田進(jìn)行了CO2混相驅(qū)油，均取得了一定的效果[6]，但多數(shù)油藏CO2混相壓力較高，無法達(dá)到混相，導(dǎo)致低滲透率油藏的驅(qū)油效果受到嚴(yán)重影響[7-9]。目前，添加混相調(diào)節(jié)劑已成為降低CO2與原油混相壓力的主要技術(shù)手段，但針對(duì)低滲透油藏降低CO2驅(qū)混相壓力溶劑的研究集中體現(xiàn)在油溶性降混劑的研制、室內(nèi)評(píng)價(jià)、驅(qū)油機(jī)理及礦場(chǎng)實(shí)踐應(yīng)用方面，氣溶性降混劑的研究鮮有報(bào)道[10-23]。因此，利用已在礦場(chǎng)實(shí)踐中應(yīng)用的氣溶性降混劑JS，提出了一種氣溶性降混劑的降混機(jī)理實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法，研究了該氣溶性降混劑對(duì)原油組分、黏度、相態(tài)特征以及油氣界面張力的影響，確定了氣溶性降混劑降低混相壓力的機(jī)理。此外，分析了氣溶性降混劑與CO2混合注入、段塞注入2種注入方式提高采收率的驅(qū)油機(jī)理，以期為氣溶性降混劑在礦場(chǎng)上的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)用降混劑為氣溶性降混劑JS；實(shí)驗(yàn)用油為X區(qū)塊地層原油，25 ℃下原油密度為0.880 1 g/cm3，60 ℃下原油黏度為122.0 mPa·s；實(shí)驗(yàn)用氣為純度99%的CO2。

實(shí)驗(yàn)儀器包括Agilent 7890A氣相色譜儀、高溫高壓Hakeem流變儀、高溫高壓界面張力儀(限壓40 MPa，限溫200 ℃)、法國(guó)ST公司高壓PVT儀、高溫高壓配樣器、恒壓泵(限壓69 MPa)、攝像系統(tǒng)、高溫高壓中間容器(限壓69 MPa)、壓力表(限壓60 MPa)、真空泵、微量泵以及氣體增壓泵(限壓150 MPa)等。

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

2.1 對(duì)原油組分的影響

在室溫室壓下，配制氣溶性降混劑體積分?jǐn)?shù)分別為3%、20%的混合原油樣品，充分?jǐn)嚢钃u勻后，靜置1 h。取上層部分原油進(jìn)行組分測(cè)試，對(duì)比原始油樣組分，分析不同比例氣溶性降混劑對(duì)原油組分的影響(表1)。由表1可知：氣溶性降混劑可顯著降低原油重質(zhì)組分比例，中間烴組分比例呈不同程度增加，且摩爾分?jǐn)?shù)越高，原油的重質(zhì)組分和中間烴組分改變程度越大。含3%氣溶性降混劑的原油重質(zhì)組分(C11—C35)摩爾分?jǐn)?shù)減少25.07%，中間烴組分(C5—C7)摩爾分?jǐn)?shù)增加1.10倍，主要增加產(chǎn)物為C6，增加了2.25倍；含20%氣溶性降混劑的原油重質(zhì)組分摩爾分?jǐn)?shù)減少54.83%，中間烴組分含量增加4.82倍，其中C6和C7的摩爾分?jǐn)?shù)分別增加10.85、2.22倍。此外，含3%氣溶性降混劑的原油裂解組分主要為C11+，而含20%氣溶性降混劑的原油裂解組分主要為C8+，裂解組分范圍隨氣溶性降混劑含量增加而增大。這是由于氣溶性降混劑具有裂解原油重質(zhì)組分的作用，氣溶性降混劑與原油發(fā)生反應(yīng)，破壞了原油的高碳鏈結(jié)構(gòu)，原油中的重質(zhì)組分被分解，生成低碳數(shù)的中間烴，原油組分向低碳數(shù)方向移動(dòng)。隨著氣溶性降混劑含量增加，原油裂解作用越強(qiáng)，裂解原油組分的范圍越廣。

表1 不同體積分?jǐn)?shù)氣溶性降混劑對(duì)原油組分影響

實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，向原油中注入不同體積分?jǐn)?shù)的氣溶性降混劑后，出現(xiàn)了分層現(xiàn)象，且氣溶性降混劑體積分?jǐn)?shù)越大，分層現(xiàn)象越明顯，可見氣溶性降混劑在原油中溶解性有限。結(jié)合原油組分變化可知，少量的氣溶性降混劑即可使原油組分向低碳數(shù)方向移動(dòng)，不會(huì)在地層過度消耗，可與地層中更遠(yuǎn)處的原油發(fā)生反應(yīng)，提高作用范圍。

2.2 對(duì)原油黏度的影響

利用高溫高壓Hakeem流變儀，測(cè)定含不同體積分?jǐn)?shù)氣溶性降混劑的混合原油樣品黏度隨溫度的變化，研究氣溶性降混劑對(duì)原油黏度的影響(圖1)。由圖1可知：初始溫度60 ℃下，原始油樣的黏度為122.0 mPa·s，含3%和20%氣溶性降混劑的原油黏度分別為60.3 mPa·s和2.6 mPa·s，分別降低了50.57%和97.87%。隨著溫度升高，不同原油的黏度出現(xiàn)不同程度下降。分析認(rèn)為：氣溶性降混劑破壞了原油的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，裂解了原油中高碳鏈結(jié)構(gòu)，使原油黏度大幅度降低，增加了原油的流動(dòng)性。原油中氣溶性降混劑含量越高，裂解原油高碳鏈結(jié)構(gòu)作用越強(qiáng)，降低原油黏度效果越明顯。

圖1 不同原油黏溫曲線

2.3 對(duì)油氣界面張力和混相壓力的影響

為研究氣溶性降混劑對(duì)原油與CO2之間界面張力和最小混相壓力的影響，利用高溫高壓配樣器，將含不同體積分?jǐn)?shù)氣溶性降混劑的混合原油和伴生氣，在101 ℃、29.0 MPa條件下進(jìn)行地層原油復(fù)配。采用懸滴法測(cè)定復(fù)配原油與CO2在不同壓力下的界面張力，并將界面張力為0的壓力點(diǎn)確定為CO2與原油的最小混相壓力。

實(shí)驗(yàn)步驟為：①連接實(shí)驗(yàn)設(shè)備，清洗干凈儀器后試溫試壓，利用高溫氣體吹掃系統(tǒng)，抽真空；②加熱高溫高壓反應(yīng)釜、原油和CO2氣體至設(shè)定溫度(101 ℃)，將熱CO2氣體引入高溫高壓反應(yīng)釜后，加壓至最低實(shí)驗(yàn)壓力(16.7 MPa)；③原油緩慢注入高溫高壓反應(yīng)釜，在探針處形成小油滴，保持該狀態(tài)至達(dá)到平衡時(shí)拍下油滴圖片，利用軟件計(jì)算出界面張力；④調(diào)整實(shí)驗(yàn)壓力至原油和CO2達(dá)到混相時(shí)結(jié)束實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見圖2。由圖2可知：氣溶性降混劑體積分?jǐn)?shù)相同情況下，隨著壓力的增加，原油與CO2之間的界面張力逐漸減小，界面張力與壓力呈線性關(guān)系；相同壓力下，含不同體積分?jǐn)?shù)氣溶性降混劑的混合原油的油氣界面張力均小于原始油樣，且隨著氣溶性降混劑含量增加，油氣界面張力降低的幅度越大，油氣界面張力越低，計(jì)算得到的最小混相壓力越小(表2)，降低幅度與氣溶性降混劑的濃度呈現(xiàn)正相關(guān)。由于氣溶性降混劑改變了原油的組分，使得原油組分向低碳數(shù)方向移動(dòng)，原油與CO2可以在較低壓力下達(dá)到相近性質(zhì)，界面張力降低甚至消失，最終實(shí)現(xiàn)油氣混相。相比油溶性降混劑，氣溶性降混劑更容易注入地層，在地層中的波及范圍更廣，消耗量更少，對(duì)于降低混相壓力，提高原油采收率，具有極其重要作用。

圖2 含不同體積分?jǐn)?shù)降混劑的混合原油油氣界面張力隨壓力變化

表2 含不同體積分?jǐn)?shù)降混劑的原油-CO2混相壓力

2.4 對(duì)原油相態(tài)特征的影響

為研究氣溶性降混劑對(duì)原油相態(tài)的影響，利用Eclipse軟件繪制含不同體積分?jǐn)?shù)氣溶性降混劑的原油相圖(圖3)。由圖3可知：氣溶性降混劑可明顯改變?cè)偷南鄳B(tài)特征。隨著氣溶性降混劑體積分?jǐn)?shù)的增加，原油相平衡曲線整體向左下方平移。泡點(diǎn)線和露點(diǎn)線均發(fā)生改變，原油相平衡曲線包絡(luò)范圍減小，氣液兩相共存區(qū)間變小，臨界點(diǎn)由重組分向輕組分轉(zhuǎn)移。氣溶性降混劑可降低原油在地層溫度下的飽和壓力。含3%和20%的氣溶性降混劑可將原油的飽和壓力由16.58 MPa分別降至15.55 MPa和13.95 MPa，這是由于氣溶性降混劑改變了原油的組分和黏度等物性，導(dǎo)致相態(tài)特征發(fā)生變化。由此可知，氣溶性降混劑可降低原油的飽和壓力，延長(zhǎng)原油脫氣的時(shí)間，增大輕質(zhì)組分比例，改善注氣效果，可在較低壓力下達(dá)到油氣混相，提高驅(qū)油效率。

圖3 含不同體積分?jǐn)?shù)氣溶性降混劑的混合原油溫壓相圖

2.5 氣溶性降混劑的降低混相壓力機(jī)理

由前文可知，氣溶性降混劑具有裂解原油重質(zhì)組分、降低原油黏度、降低原油飽和壓力、降低原油與CO2之間的界面張力等作用。為明確氣溶性降混劑降低混相壓力的主要機(jī)理，對(duì)比氣溶性降混劑對(duì)原油相關(guān)物性的影響程度(表3)。由表3可知：氣溶性降混劑對(duì)原油組分、黏度和界面張力的影響均遠(yuǎn)大于對(duì)原油臨界點(diǎn)和飽和壓力的影響，說明氣溶性降混劑裂解原油重質(zhì)組分、降低原油黏度和降低原油與CO2的界面張力作用在降低混相壓力過程中占據(jù)主導(dǎo)。原油黏度和界面張力降低是油氣混相壓力降低的主要因素，而原油重質(zhì)組分含量的變化則是油氣混相壓力降低的根本原因。因此，氣溶性降混劑降低混相壓力的主要機(jī)理為裂解原油的重質(zhì)組分、降低原油黏度和降低油氣界面張力。

表3 含不同體積分?jǐn)?shù)氣溶性降混劑的混合原油物性變化程度

3 不同注入方式下氣溶性降混劑提高采收率機(jī)理

現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)中，多采用降混劑與CO2段塞注入和降混劑與CO2混合注入2種注入方式降低CO2驅(qū)混相壓力，通常存在注入困難、地層波及范圍較低等問題。氣溶性降混劑可以較好地解決該問題，但目前對(duì)氣溶性降混劑的研究剛剛起步，其提高CO2驅(qū)采收率的機(jī)理尚不明確。因此，結(jié)合文獻(xiàn)調(diào)研[15-25]，剖析了氣溶性降混劑與CO2混合注入和段塞注入方式條件下的提高采收率機(jī)理，為氣溶性降混劑礦場(chǎng)實(shí)施及驅(qū)油機(jī)理研究提供依據(jù)。

3.1 氣溶性降混劑與CO2混注

該方式為在地面將氣溶性降混劑與CO2充分混合后注入地層進(jìn)行驅(qū)油，在地層中會(huì)先后形成CO2+地層原油的混合帶、CO2區(qū)、CO2+氣溶性降混劑+地層原油的混相帶、氣溶性降混劑+地層原油的混合帶、CO2+氣溶性降混劑+地層原油的混相帶(圖4)。

(1) 氣溶性降混劑與CO2混注驅(qū)油過程中，注入的氣溶性降混劑和CO2混合物在地層中一起擴(kuò)散。由于CO2氣體分子擴(kuò)散速度較快，氣溶性降混劑擴(kuò)散速度相對(duì)較慢，會(huì)在驅(qū)替區(qū)域的最前端形成CO2+地層原油的混合帶，改變部分地層原油的性質(zhì)。殘余的CO2和氣溶性降混劑逐漸形成CO2區(qū)和CO2+地層原油+氣溶性降混劑的混相帶。

(2) 由于氣溶性降混劑和CO2的擴(kuò)散速度的差異，后期CO2與氣溶性降混劑分離，在CO2+地層原油+氣溶性降混劑的混相帶后端形成氣溶性降混劑+地層原油的混合帶。在該混合帶中，越靠近混合帶前端，氣溶性降混劑所占的比例越低，裂解原油重質(zhì)組分、降低原油黏度、降低原油與CO2的界面張力的程度有限；越靠近混合帶后端，氣溶性降混劑所占比例越大，裂解原油重質(zhì)組分、降低原油黏度、降低原油與CO2界面張力的程度越大。

(3) 隨著后續(xù)CO2不斷注入，CO2與氣溶性降混劑和地層原油的混合帶接觸，由于氣溶性降混劑已改變?cè)摶旌蠋г偷男再|(zhì)，CO2可在較低的壓力下與地層原油達(dá)到混相，形成CO2+氣溶性降混劑+地層原油的混相帶，降低CO2驅(qū)替原油過程中的混相壓力。隨著驅(qū)替過程的繼續(xù)進(jìn)行，混相帶和混合帶繼續(xù)向前推進(jìn)，不斷接觸新的地層原油并發(fā)生作用，實(shí)現(xiàn)逐步混相，提高驅(qū)油效率。

圖4 氣溶性降混劑與CO2混合注入驅(qū)油機(jī)理示意圖

3.2 氣溶性降混劑與CO2段塞注入驅(qū)油方式

氣溶性降混劑與CO2段塞注入的驅(qū)油方式驅(qū)油過程較為復(fù)雜，形成的滲流區(qū)域相對(duì)較多(圖5)。隨著驅(qū)替過程的進(jìn)行，氣溶性降混劑與CO2在地層中逐漸擴(kuò)散，最終形成3個(gè)CO2+氣溶性降混劑+地層原油的混相帶，2個(gè)氣溶性降混劑+地層原油的混合帶,1個(gè)氣溶性降混劑+CO2的混相帶，1個(gè)CO2+地層原油的混合帶，1個(gè)CO2區(qū)。

圖5 氣溶性降混劑與CO2段塞注入驅(qū)油機(jī)理示意圖

第1階段注入氣溶性降混劑段塞后，氣溶性降混劑段塞在地層中擴(kuò)散，形成氣溶性降混劑和地層原油的混合帶，改變?cè)偷酿ざ?、組分、油氣界面張力等性質(zhì)，越靠近混合帶前端，氣溶性降混劑濃度越低。此階段注入的氣溶性降混劑段塞濃度通常較高，在地層原油中的溶解度有限，未溶解的氣溶性降混劑在地層中繼續(xù)以穩(wěn)定的段塞形式存在。

第2階段注入CO2段塞。注入初期，由于CO2擴(kuò)散時(shí)間較短，未突破第1階段氣溶性降混劑和地層原油形成的混合帶，CO2擴(kuò)散至穩(wěn)定氣溶性降混劑段塞處，首先形成含氣溶性降混劑的CO2混合氣體。隨著驅(qū)替過程進(jìn)行，混合氣體逐漸擴(kuò)散至第1階段氣溶性降混劑和地層原油形成的混合帶處。由于該處原油性質(zhì)已發(fā)生改變，可在較低壓力下形成CO2+地層原油+氣溶性降混劑的混相帶。隨著驅(qū)替繼續(xù)進(jìn)行，氣溶性降混劑與CO2混合氣體突破第1階段氣溶性降混劑+地層原油形成的混合帶，繼續(xù)向前擴(kuò)散。突破初期，在氣溶性降混劑+地層原油形成的混合帶前端又開始形成CO2+地層原油+氣溶性降混劑的混相帶；由于氣溶性降混劑和CO2氣體的擴(kuò)散速度不一及氣溶性降混劑對(duì)原油的降混作用，隨著含氣溶性降混劑的CO2混合氣體逐漸向前擴(kuò)散，最終在最前端又依次形成CO2+地層原油的混合帶、CO2區(qū)、CO2+氣溶性降混劑+地層原油的混相帶、氣溶性降混劑+地層原油的混合帶，從而降低驅(qū)替前緣的混相壓力，實(shí)現(xiàn)混相驅(qū)油，提高驅(qū)油效率。

4 結(jié) 論

(1) 氣溶性降混劑降混機(jī)理實(shí)驗(yàn)表明，氣溶性降混劑可以裂解原油的重質(zhì)組分、降低原油的黏度、改變?cè)偷南鄳B(tài)特征、降低油氣界面張力，其降混的主要機(jī)理為裂解原油重質(zhì)組分、降低原油黏度和降低油氣界面張力。

(2) 氣溶性降混劑具有明顯的降低原油與CO2的混相壓力的作用。原始原油與CO2的混相壓力為22.05 MPa，加入含3%和20%的氣溶性降混劑后，原油與CO2的混相壓力分別為19.95 MPa和17.14 MPa，混相壓力降低幅度較大，有利于提高地層原油采收率。

(3) 提出了利用氣溶性降混劑與CO2混合注入和段塞注入方式進(jìn)行驅(qū)油提高采收率的驅(qū)油機(jī)理。氣溶性降混劑與CO2混合注入主要通過不斷建立和推進(jìn)單個(gè)混合帶和混相帶實(shí)現(xiàn)混相驅(qū)油，而氣溶性降混劑與CO2段塞注入主要通過不斷建立和推進(jìn)多個(gè)混合帶和混相帶實(shí)現(xiàn)混相驅(qū)油。