原油采出液中二氧化碳逸出特性实验装置设计

任玉鸿，戴嘉倍，薛 婷，周雪静，谢璐瑶

（1. 中国石油大学（北京），北京 102249； 2. 中国海洋石油总公司湛江分公司，广东 湛江 524000）

原油采出液中二氧化碳逸出特性实验装置设计

任玉鸿1，戴嘉倍2，薛 婷1，周雪静1，谢璐瑶1

（1. 中国石油大学（北京），北京 102249； 2. 中国海洋石油总公司湛江分公司，广东 湛江 524000）

为了更好地研究原油采出液中二氧化碳的逸出特性，通过设计的实验装置可以测量不同的温度、压力条件下二氧化碳的逸出时间以及逸出气体量，进而得出该条件下二氧化碳的逸出速率，为集输站外集油系统中混输管路的压降、温降计算以及后续的集油系统工艺运行参数优选等提供基础数据，对于研究二氧化碳在原油中的理化特性有重大意义，同时也对完善二氧化碳驱油技术以提高采收率有很大的帮助。

原油采出液；二氧化碳；逸出速率；实验装置

在石油开采过程中，经过一次采油后，大约还有70%的原油滞留在地下，普通的采油技术无法将其采出。这就推动了新的采油技术的发展，继水驱之后，聚合物驱、三元复合驱和多元泡沫驱等三次采油技术相继发展起来[1,2]。随着工业化进程的快速发展，由二氧化碳排放引起的温室效应不断加剧，二氧化碳气体限排、回收处理成为世界的关注焦点。从20世纪50年代起，二氧化碳驱油作为二次采油和三次采油的一种重要手段，已在实验室和现场进行了一定规模的研究和应用[3]。

二氧化碳驱油技术作为一种新兴的三次采油技术，其关键技术仍属于世界性难题。目前很多国家都在对其开展研究，并形成了一些技术标准和规范。纵观国内外提高原油采收率领域，二氧化碳驱油技术已得到了越来越广泛的应用，但同时也存在着不少技术难点和缺陷。例如，在之前靠注水提高采收率的油田，改注CO2驱以后，采出流体中含有油、伴生气（包括烷烃和CO2等）和少量水，这给气液混输管道的压降计算带来很大的困难。此外，气液混输管道的温降计算和单相气体或者液体有明显的不同，气液混输管道的温降计算也相当复杂。加之每个生产作业区的情况各异，还是有相当一部分油田并不适合现行的二氧化碳驱油技术[3]。

很多专家认为，较之传统的注水技术，二氧化碳驱油技术更先进，应该要得到良好的推广。目前此技术的局限性也表明这项技术有很大的提升空间，其中很大一部分原因在于人们对二氧化碳这一常见气体在原油或油气混相体中所发挥的理化性质的了解还不够深入。为了更好地研究这些性质，以二氧化碳在原油采出液中的逸出特性为出发点，旨在用实验或数值模拟的方法得到二氧化碳逸出特性的相关数据，从而加深对其理化特性的研究。在更深入的了解二氧化碳相关理化性质的基础上，完善二氧化碳驱油技术，使二氧化碳这种普通气体能更好地为提高采收率服务。

1 实验装置的设计思想及影响因素

1.1 实验装置设计思想及原理

由于考虑到测定二氧化碳逸出特性实验主要将用到控制变量的思想，根据单一变量原则使得温度，压力，截面积等始终只有一个量变化，通过测量某一确定条件下二氧化碳的逸出时间以及逸出气体量，得出相应的逸出速率，所以相应的实验装置的设计也应该要满足并且方便实验中对控制变量法的运用。

如图1所示，通过温度和压力控制，使得气液两相处于平衡（或饱和）状态，再对其进行恒温减压（或升温）使二氧化碳气体逸出，通过计时装置测出逸出定量气体时所需时间，再通过收集装置收集此气体，测出其体积，最终得出二氧化碳的逸出速率。

图1 二氧化碳逸出特性研究路线图Fig1 The research roadmap about escaping character of carbon dioxide

1.2 影响因素分析

1.2.1 二氧化碳对原油粘度的影响

原油的粘度是原油在流动过程中内部摩擦阻力的反映。地层原油的粘度直接影响其在地下孔隙介质内的渗流及其在管道中流动的能力。了解地层原油的粘度特点，对开发方案编制、油井产能评价、研究渗流机理以及原油集输等都有重要现实意义。影响原油粘度的因素很多，原油中溶解气体的变化是引起其粘度变化的重要因素，对油藏原油注 CO2可以起到减粘效果。通过测量原油及油气混合液的粘度，对较大气油比范围内的原油及油气混合液的粘温特性进行较系统的研究，为原油在地层、井筒及输油管道中的流动计算提供科学依据[4-6]。

1.2.2 二氧化碳在原油中的溶解度

CO2的驱油效率在很大程度上取决于 CO2在原油中的溶解及溶解后原油性质的变化[7]。地层条件下CO2在原油中的传质直接决定CO2驱油效果，一般认为，CO2驱油过程中存在分子扩散和对流扩散两种传质机理。特别在焖井时间段内，分子扩散在传质过程中起主要作用，它控制气体在原油中溶解的速率。因此，对于CO2驱油过程，不管现场施工设计还是油藏模拟，均需得到CO2的注入量和油藏流体达到预期黏度的时间。长期以来，我国研究人员一般是根据国外报道的图版或经验公式来获取这方面的数据。但由国外原油样品数据拟合得到的经验公式能否适用于我国原油，已经受到质疑。通过实验，CO2在原油中的溶解度明显大于在水中的溶解度，采出液中油的含量越高，减压后逸出的 CO2量越多，液体在气液分离器中的停留时间应该越长；以CO2为主要成分的伴生气和以甲烷为主要成分的常规伴生气相比较，前者在采出液中的溶解度明显大于后者，所以CO2驱采出液在气液分离器中的停留时间应比规范规定的停留时间适当延长[8-11]。

2 实验装置设计

2.1 实验装置介绍

如图2所示，①为装发泡油的压力容器，能模拟原油采出时的压力和温度状态；②为恒压泵，其保证实验容器内压力恒定；③为清洗液出口；④为实验主体压力容器，容器内有加热温度控制系统能对容器内的温度进行控制，另有一活塞，活塞上部为采出液下部为恒压泵填充液，活塞的上止点处有两入口，该容器内有搅拌装置，容器壁有刻度尺用于测量泡沫高度；⑤为清洗液入口；⑥为添加剂入口。另外还有秒表一只。

图2 二氧化碳逸出特性实验装置设计图Fig2 The experiment device design about escaping character of carbon dioxide

2.2 工作原理

活塞行至上止点，将容器内调至预定温度，打开①号罐上方和④号容器上方左边的阀门；使活塞下行至容器内进入足够的采出液为止，关闭上述阀门；打开④号容器上方右边的阀门放气，然后关闭；将恒压泵的压力调到预定的值；待活塞停止大范围活动时开始计时，并记录此时泡沫层的高度，当泡沫完全消去是记录时间，时间差即为发泡时间。

2.3 实验步骤

2.3.1 实验准备

（1）如图2所示连接实验装置；

（2）打开⑤号阀门，使清洗液从该阀门进入容器，适量清洗液进入容器后打开③号阀门，放出清洗液；

（3）活塞行至上止点，打开①号罐上方和④号容器上方左边的阀门，使活塞下行至容器内进入足够的采出液为止，关闭上述阀门。

2.3.2 实验详细操作

（1）上述准备阶段完成后，对容器的温度T0、压力P0、泡沫高度H0进行记录和预设定；

（2）记录第一个时间节点，观察发泡的过程，待发泡完全后，记录第二个时间节点，计算发泡时间t0；

（3）打开③号、⑤号阀门，并从⑤号阀门压入清洗液将发泡后的原油从③号阀门排出；

（4）改变预设温度T1，保持压力P0、泡沫高度H0不变；

（5）记录第一个时间节点，观察发泡的过程，待发泡完全后，记录第二个时间节点，计算发泡时间t1；

（6）重复上述步骤（3）、（4）、（5），改变不同的温度值，得到5组不同温度下的溢出时间t0～t4；

（7）打开③号、⑤号阀门，并从⑤号阀门压入清洗液将发泡后的原油从③号阀门排出；

（8）改变压力P1，保持温度T0和泡沫高度H0不变；

（9）记录第一个时间节点，观察发泡的过程，待发泡完全后，记录第二个时间节点，计算发泡时间t5；

（10）重复上述步骤（7）、（8）、（9），改变不同的压力值，得到4组不同压力下的溢出时间t5～t8；

（11）打开③号、⑤号阀门，并从⑤号阀门压入清洗液将发泡后的原油从③号阀门排出；

（12）保持温度T0，压力P0不变，通过改变使用容器的截面积S改变泡沫高度H1；

（13）记录第一个时间节点，观察发泡的过程，待发泡完全后，记录第二个时间节点，计算发泡时间t9；

（14）使用3个不同截面积的容器，分别记录其气体溢出所用的时间t9、t10、t11；

（15）卸下实验装置，整理实验器材；

（16）数据处理，计算各条件下的二氧化碳逸出速率。

2.4 注意事项

（1）实验过程中必须保证实验装置密封良好；

（2）在更换容器的过程中保证①号容器中溶解的二氧化碳量不变。

2.5 实验结果分析

（1）由于在其他影响因素不变的情况下，二氧化碳的溶解度随温度的上升而下降。随着温度的不断升高，二氧化碳的逸出速率会逐渐增大；

（2）由于在其他影响因素不变的情况下，二氧化碳的溶解度随着压力的上升而上升。随着压力的不断增大，二氧化碳的逸出速率会逐渐减小；

（3）容积的泡沫破裂速度与泡沫—气体接触面的面积成一定的正相关关系。与气体接触的接触面面积越大，二氧化碳的逸出速率越大。

3 结束语

本实验装置的设计目的是为了更好地研究采出液中二氧化碳的逸出特性。使用本文设计的实验装置，研究二氧化碳逸出特性，对温度，压力等因素与二氧化碳逸出速率的关系进行了定性分析，得出了二氧化碳在采出液中的逸出规律，更好地了解二氧化碳在原油采出液中所表现的理化性质，对完善二氧化碳驱油技术的研究也有十分重要的意义。

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Design of the Experiment Device for Studying Escaping Properties of Carbon Dioxide in Crude Oil Extraction Liquid

REN Yu-hong1，DAI Jia-bei2，XUE Ting1，ZHOU Xue-jing1，XIE Lu-yao1
（1. China University of Petroleum, Beijing 102249，China；2. China National Offshore Oil Corporation Zhanjiang Branch, Guangdong Zhanjiang 524000，China）

In order to study escaping properties of carbon dioxide in crude oil extraction liquid, a experiment device was designed to measure the escaping time and volume of carbon dioxide under different conditions of temperature and pressure, and then the escaping rate of carbon dioxide was got, which could provide basic data to calculate pressure drop and temperature drop of collecting system outside the gathering station, and optimize operation parameters of subsequent oil gathering system, had a great significance for the research of the physical and chemical properties of carbon dioxide in crude oil, and also had a great help to improve carbon dioxide driving technology to enhance oil recovery.

Crude oil extraction liquid；Carbon dioxide；Escaping rate；Experimental device

TE 832

A

1671-0460（2015）08-1894-03

国家自然科学基金项目“成品油管道批次输送过程中的复杂传热传质机理研究”，项目号：No.51474228。

2015-07-04

任玉鸿（1990-），男，陕西渭南人，硕士，2013年毕业于中国石油大学（北京），研究方向：多相管流与油气田集输方向。E-mail：renyuhong1990@163.com。