二氧化碳对重质链状烷烃的膨胀效应

刘晓蕾，王正东，韩海水

(1.中国科学院渗流流体力学研究所，河北 廊坊 106500；2.提高石油采收率国家重点实验室，北京 100083；3.中国石油勘探开发研究院，北京 100083；4.盘锦职业技术学院，辽宁 盘锦 124010)



二氧化碳对重质链状烷烃的膨胀效应

刘晓蕾1，2，3，王正东4，韩海水2，3

(1.中国科学院渗流流体力学研究所，河北 廊坊 106500；2.提高石油采收率国家重点实验室，北京 100083；3.中国石油勘探开发研究院，北京 100083；4.盘锦职业技术学院，辽宁 盘锦 124010)

目前CO2对烃类纯组分膨胀效应研究主要针对碳数小于16的轻质中质烷烃，对碳数大于16的重质烷烃并未涉及，为此，选取碳数为20～32的3种重质链状烷烃，分别与CO2组成不同物质的量之比的二元体系，进行不同温度下的恒质膨胀实验，获取重质链状烷烃-CO2体系膨胀系数的基础数据，探究CO2对于重质链状烷烃的膨胀效应。实验结果表明：相同状态时，不同碳数的重质链状烷烃-CO2体系的膨胀程度影响几乎相同；在CO2含量较高时，温度和压力对膨胀程度有一定影响，温度越高、压力越小，体系膨胀程度越大；膨胀系数随CO2物质的量百分含量增加呈抛物线趋势增大。研究结果对于水驱后重组分含量较高的原油开展CO2驱相态计算具有重要的理论指导意义。

水驱后油藏；重质链状烷烃；CO2；恒质膨胀实验；膨胀系数；相态计算；提高采收率

0 引 言

CO2溶于原油致使原油膨胀是CO2驱提高采收率的一个重要机理[1-2]。文献[3-5]均针对特定油藏原油进行了膨胀程度的研究，并提出了相应膨胀系数的预测图版，但所得的结果仅针对特定油藏原油；文献[6-7]改变思路，研究CO2对原油中的烃类纯组分的膨胀效应，通过加权平均计算，可将结果应用于任意组成原油的CO2驱相态计算，使结果的应用性有了一定的提高。研究显示，长期水驱后的原油物性会发生改变，密度和黏度增加，含蜡量升高。然而文献[6-7]中已有的CO2对烃类纯组分膨胀效应研究主要针对碳数小于16的轻质及中质烷烃，对碳数大于16的重质烷烃并未涉及，导致研究成果不能很好地应用到水驱后重质组分含量较高的原油的CO2驱相态计算。为解决上述问题，选取正二十烷(C20)、正二十四烷(C24)、正三十二烷(C32)3种重质链状烷烃分别与不同物质的量CO2配制成二元体系，进行不同温度下的恒质膨胀实验，获取重质烷烃-CO2体系膨胀系数基础数据，探究CO2对重质链状烷烃的膨胀效应。

1 恒质膨胀实验

恒质膨胀实验是在恒定温度下，通过逐级退泵增加体系体积，测定恒定质量样品的压力与体积的关系。

1.1 实验样品

实验用3种重烃组分为C20、C24、C32，TCL公司生产，均为分析纯；实验用CO2为北京兆格气体科技有限公司生产，纯度为99.996%；清洗实验设备用煤油为航空煤油，分析纯；所用石油醚，北京化工厂生产，分析纯。

实验装置选用加拿大DBR公司生产的无汞高压JEFRIPVT装置。该装置流程由PVT釜、装有CO2的中间容器、装有重烃组分的中间容器、ISCO泵、柱塞泵、摄像机、成像仪、光栅尺控制器以及计算机等组成。PVT釜有前后视窗，通过摄像机可直观观察釜内样品体积的变化，同时通过光栅尺控制器和计算机能准确地获取当下釜内样品的体积。实验步骤参考国家标准[8]，主要步骤如下。

(1) 重质烷烃样品的转入。设定空气浴温度大于重质烷烃熔点，待重质烷烃溶解后，泵入一定体积至PVT釜中。

(2) 测定重质烷烃密度。设定恒温箱温度T，升压至30 MPa，稳定一段时间，采用3次称重法[7]进行测量，平均值即为重质烷烃在温度T、30 MPa时的密度(ρ重烃)。

(3) 实验样品的配制。重质烷烃物质的量和二元体系所需CO2体积的计算公式为：

(1)

(2)

式中：M重烃为重质烷烃的相对分子质量；MCO2为CO2的相对分子质量；ρCO2为CO2在温度T、30 MPa下的密度，g/cm3；c为CO2在二元体系中的物质的量百分含量，取值分别为25%、50%、75%。

釜内压力恒定在30 MPa，读取釜中重质烷烃的体积V重烃，根据式(1)、(2)计算n重烃、VCO2，根据计算结果将所需CO2的体积泵入PVT釜中，完成实验样品配制。

(4) 粗测泡点压力。升高压力至样品为单相，打开搅拌器，稳定一段时间。以较低流速退泵，观察釜内压力及相态变化，当发现压力难以下降甚至升高时停泵，静置一段时间，记录此时的压力即为粗测泡点压力。

2.品种结构逐步调整。养殖品种包括青、草、鲢、鳙、鲤、鲫、鳊、鲌、鲈、鮰、鳜、鳅、大鲵、鳖、龟等20余种经济鱼类。大鲵、黄缘闭壳龟等品种为国家和省级重点水生保护动物，已成为地方养殖特色品种。

(5) 实验样品的p—V关系测量。升高压力至样品为单相，稳定一段时间记录此时釜内样品的体积和压力。恒压模式逐级退泵至泡点压力，分别稳定30 min记录各状态釜内样品的体积(V)和压力(p)。

(6) 设定恒温箱温度为下一个温度点，准备下一组实验。实验设定温度分别为70、90、110 ℃。

2 实验结果及分析

膨胀系数能有效地表征体积膨胀程度，其定义为相同温度、压力条件下，原油组分中溶解CO2前、后体积之比的倒数[4]，根据所得的p—V关系，求得各体系不同状态下的膨胀系数。由于篇幅限制，仅以C24-CO2体系为例进行实验，结果见表1，以30 MPa下重质链状烷烃-CO2体系为例进行实验，

表1 C24-CO2体系膨胀系数计算结果

结果见表2。对所得结果进行总结，得到温度、压力、CO2含量以及烃组分对体系膨胀程度的影响。

表2 30MPa下重质链状烷烃-CO2体系膨胀系数

2.1 压力、温度对膨胀程度的影响

压力、温度对膨胀程度的影响见图1、2。由图1、2可知，当体系中CO2物质的量比重质烷烃物质的量少或者相当时(CO2物质的量百分含量不大于50%)，改变压力和温度，体系膨胀系数几乎不改变，即压力和温度对体系的膨胀系数影响均较小。当CO2物质的量比重质烷烃物质的量多时(CO2物质的量百分含量为75%)，随着压力降低，体系膨胀系数增大；随着温度升高，体系膨胀系数有较明显增幅。

图1 110℃时压力与膨胀系数关系(C24单相为例)

图2 30MPa时温度与膨胀系数关系(C24为例)

2.2 CO2含量对膨胀程度的影响

CO2含量对膨胀程度的影响见图3。由图3可知，30 MPa、110 ℃时，重质链状烷烃-CO2体系的膨胀系数均随CO2物质的量百分含量的增加呈指数曲线趋势增加，CO2含量越大，CO2对原油中重质烷烃的膨胀作用越明显。其他温压条件也具有相似的变化规律。

图3 30MPa、110℃时CO2物质的量百分含量与膨胀系数关系(以C24为例)

2.3 烃组分对膨胀程度的影响

结合已有的轻质中质链状烷烃-CO2体系(碳数小于16)膨胀系数数据[4]，得到图4、5，实验条件均为30 MPa、110 ℃。由图4可知，链状烷烃-CO2体系的膨胀系数随CO2物质的量百分含量变化的规律同2.2，但重质链状烷烃体系膨胀系数随CO2物质的量百分含量变化幅度小于轻质中质链状烷烃体系。由图5可知，体系膨胀系数随着烃组分碳数的增加呈下降趋势，增至重质链状烷烃时曲线逐渐趋于平稳，且CO2物质的量百分含量越大，变化幅度越大。

上述规律说明，不同碳数的重质链状烷烃-CO2体系在相同状态时的体积膨胀程度几乎相同，即烃组分对重质链状烷烃-CO2体系膨胀程度影响较小。且原油中的重质组分对原油-CO2体系的膨胀效应虽小于轻质组分，但其仍对原油-CO2体系的膨胀具有贡献，最大膨胀系数为1.428 5(表2)。

图4 不同链状烷烃CO2物质的量百分含量与膨胀系数关系

图5 不同链状烷烃碳数与膨胀系数关系

2.4 应用指导

油藏注水开发后期，由于轻质组分溶于注入水及其他作用的影响，致使原油中重质组分含量增高，含蜡量也相对增高。CO2易与原油中的轻质组分互相抽提形成混相驱，轻质组分的减少导致水驱后油藏CO2驱以非混相驱为主。CO2非混相驱提高采收率的主要机理为CO2溶于原油致使原油膨胀、黏度下降。实验结果证实，CO2对于原油中的重质组分具有膨胀效应，因此，水驱后油藏进行CO2驱提高采收率是可行的。

同时，获得的重质链状烷烃-CO2体系膨胀系数基础数据，为后续修正相态软件性能参数的计算

公式提供基础数据支持，相态软件性能参数的计算是半经验半理论的，需要用实验结果进行拟合。研究成果对于水驱后重组分含量较高的油藏原油CO2驱相态计算具有重要的理论指导意义。

3 结 论

(1) 获取了不同温度、压力、CO2物质的量百分含量下C20、C24、C32的膨胀系数基础数据，填补了已有研究的空白。

(2) 在相同状态条件下，不同重质链状烷烃-CO2体系的膨胀效应几乎相同。重质链状烷烃-CO2体系的膨胀程度主要受温度、压力、CO2含量的影响，与轻质链状烷烃-CO2体系不同，重质链状烷烃-CO2体系的膨胀程度受烃组分影响较小。

(3) 温度和压力对重质链状烷烃-CO2体系膨胀程度的影响主要体现在：CO2物质的量百分含量大于50%时，温度越高、压力越低，体系膨胀程度越大；CO2物质的量百分含量越大，体系膨胀程度越大，最大可达到1.428 5。

[1] 秦积舜，韩海水，刘晓蕾.美国CO2驱油技术应用及启示[J].石油勘探与开发，2015，42(2)：209-216.

[2] 韩海水，李实，陈兴隆，等.CO2对原油烃组分膨胀效应的主控因素[J].石油学报，2016，37(3)：392-398.

[3] SIMON R，GRAUE D J.Generalized correlations for predicting solubility，swelling and viscosity behavior of CO2-crude oil systems[C].SPE917，1965：102-106.

[4] MONGER T G，KHAKOO A.The phase behavior of CO2-application oil systems[C].SPE 10269，1981：1-5.

[5] TSAU J S，BUI L H，et al.Swelling/extraction test of a small sample size for phase behavior study[C].SPE129728，2010：1-7.[6] NEMATI Lay E，TAGHIKAHANI V，et al.Measurement and correlation of CO2+ n-hexane at near-critical and supercritical condition[J].Journal of Chemical & Engineering Data，2006，51(6)：2197-2200.

[7] 韩海水.原油组分和二氧化碳体系关键状态参数的获取及应用[D].北京：中国石油勘探开发研究院，2015.

[8] 郑希谭，孙文悦，李实，等.GB/T 26981—2011油气藏流体物性分析方法[S].北京：中国标准出版社，2012.

编辑 王 昱

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.05.029

20160714；改回日期：20160720

国家重点基础研究发展计划“973”项目“孔隙介质中相态实验与理论研究”(2011CB707304)；中国石油天然气股份有限公司重大科技专项“长庆油田低渗透油藏CO2驱油及埋存关键技术与应用”(2014E-3601)

刘晓蕾(1990-)，女， 2012年毕业于中国石油大学(华东)石油工程专业，现为中国科学院渗流流体力学研究所流体力学专业在读博士研究生，主要从事注气驱提高采收率方面的研究工作。

TE135

A

1006-6535(2016)05-0118-04