CO2-原油混相带形成机理与表征方法

陈志豪，郝永卯，季迎春，韦馨林，曾旭智

（1.非常规油气开发教育部重点实验室中国石油大学（华东），山东青岛 266580；2.中国石化胜利油田分公司勘探开发研究院，山东东营 257015）

CO2混相驱提高采收率的效果明显高于CO2非混相驱［1-2］。CO2非混相驱条件下，黏性指进和重力超覆使CO2驱波及系数较低，同时油气之间存在界面张力，洗油效率较低。而CO2混相驱条件下，CO2与原油多次接触逐步混相，可有效改善黏性指进和重力超覆，从而提高波及系数；CO2与原油界面张力消失，毛管力为0，理论上洗油效率可达100%。因此，相比于CO2非混相驱，CO2混相驱更有利于提高采油率［3-9］。CO2-原油混相带是表征混相驱和非混相驱的重要依据，但目前研究主要集中在混相过程方面，而对混相带的研究较少。赵越超等运用核磁共振成像技术研究CO2混相驱驱油过程［10］，结果表明驱替前缘保持匀速推进，有效地抑制指进和窜流。章星等通过细管实验研究CO2与原油的混相动态，并量化分析了混相带的特征［11］。BOOTH等运用数值模拟研究混相驱驱油过程中混相带的变化特征［12］，结果表明混相带面积增大并存在黏性指进现象。李南等运用数值模拟技术，将流体黏度和油气界面张力作为划分混相带的指标，研究混相驱驱油过程中混相带的波及规律［13］。为此，笔者在系统研究CO2-原油混相带形成机理基础上［14］，建立混相带划分标准和表征方法，以期为CO2混相驱提供理论指导。

图1 各实验参数拟合结果Fig.1 Fitting results of each parameter

1 CO2-原油相态模型

1.1 拟组分划分

根据胜利油田G 区块原油的组成，并按照性质相似相近原则，对原油组分进行合并，考虑各组分的相态、摩尔分数、目标区块复配油的黏度等，将原油划分为CO2，N2+C1，C2-NC4，IC5-C7，C8-C12，C13-C20及C21+共7个拟组分，减少模型运算时间。各拟组分摩尔分数分别为0.004 4，0.239 5，0.080 7，0.176 7，0.262 3，0.184 7和0.052 4。

1.2 PVT实验数据拟合

利用CMG-Winprop 相态模拟软件包对PVT 实验数据进行拟合来调整状态方程参数，建立真实的流体相态模型。主要调整数据包括各拟组分的相互作用系数、偏心因子、黏度系数等，主要拟合实验参数包括相对体积系数、膨胀系数、黏度等（图1）。从图1中可以看出，各实验参数的拟合效果较好，相态模型可以准确表征地层流体性质。

2 CO2-原油混相带形成机理

CO2与原油的混相过程一般为多级接触混相，且压力越大，CO2与原油间的汽化-凝析作用强度和速率越大，越易形成混相。从CO2混相驱驱油过程中的多级接触混相示意图（图2）中可以看出，当CO2注入油藏时，第一次与原油O接触、混合并经闪蒸分离产生平衡气相Y1和平衡液相X1。由于气相的流度大于液相的流度，且平衡气相Y1将向前运移与原油接触，而平衡液相X1与后方的注入气G相接触，为了方便表示，将平衡气相Y1放在平衡液相X1之前，这是油气第1次接触结果。

图2 CO2混相驱驱油过程中多级接触混相示意Fig.2 Diagram of multiple-contact miscibility during CO2miscible flooding

第2 次接触包括注入气G向前运移时与平衡液相X1的接触和平衡气相Y1向前运移时与原油O的接触。驱替过程中，注入气G向前运移与平衡液相X1接触、混合并经闪蒸分离产生平衡液相X21和平衡气相Y21，平衡气相Y1向前运移和原油O接触、混合并经闪蒸分离产生平衡液相X22和平衡气相Y22，这是第2 次接触结果。同理，第N次接触结果，将产生一系列平衡气相YN1，YN2，…，YNN以及平衡液相XN1，XN2，…，XNN。

由图2 可知，在CO2混相驱驱油过程中，沿驱替方向，一开始油藏中的组成只有注入气G和原油O，这2 个组成是不连续的、离散的，经过一系列的汽化-凝析作用，逐渐产生一系列连续分布的平衡气相YN1，YN2，…，YNN以及平衡液相XN1，XN2，…，XNN，且随着接触次数的增加，气相组成YNN和液相组成XNN越来越接近，最终达到一致并实现混相，形成混相带。因此，在混相过程中，汽化-凝析作用使油藏中气相的组成从注入气G的组成逐渐的、连续的变化为一系列连续的组成YN1，YN2，…，YNN，从而实现注入气性质（黏度、密度等）到混相带性质的平稳过渡。

在混相带形成之前，气相前缘的组成YNN逐渐靠近临界点，被富化的程度越来越高，与原油O组成也越来越接近，因此气相前缘与原油间的汽化-凝析作用在混相带形成过程中越来越弱。当混相带M形成之后，位于混相带之后的平衡气相YNN无法与原油O直接接触，而是与混相带M后缘相接触。混相带后缘的组成位于气液相平衡的临界点，而气相前缘的组成YNN也非常靠近临界点，即可认为气相前缘组成与混相带后缘的组成非常接近，因此在混相带M形成后，气相前缘与混相带后缘间的汽化-凝析作用非常弱。

另一方面，当混相带刚形成时，可认为混相带前缘的组成也位于气液相平衡的临界点，混相带前缘与原油相接触。由于混相带前缘的组分含量（CO2和轻质组分）和原油组分含量存在差异，混相带前缘中CO2含量较高，轻质组分含量较低，造成混相带和原油组分浓度和流速分布不均，且混相带和原油是可以互溶的，从而引起分子扩散和机械弥散带前缘和原油之间存在水动力弥散现象。与汽化-凝析作用使注入气组成到临界点组成连续变化作用类似，水动力弥散作用的结果将使混相带组成与原油的组成连续的变化。

综上所述，CO2与原油的混相过程可以分为2个步骤：①混相带形成之前，CO2前缘不断向前运移，不断与原油接触，通过多次的、较强的汽化-凝析作用实现油气混相，形成混相带。在这个过程中汽化-凝析作用使油藏中注入气组成到临界点组成连续变化，汽化-凝析作用逐渐减弱。②混相带形成之后，由于混相带前缘与原油组分浓度存在差异，在混相带前缘将出现水动力弥散现象，最终使得混相带与原油间的组成连续变化。

3 混相带表征方法

3.1 数值模拟模型的建立

建立二维平面油藏模型，尺寸为200 m×200 m×8 m，对角设置一注一采井组。油藏顶深为3 000 m，温度为126 ℃，初始地层压力为28.9 MPa，孔隙度为10%，渗透率为10 mD，含水饱和度为30%。流体模型采用胜利油田G 区块的流体模型，原油组分划分成7 个拟组分。模拟连续CO2驱，注气井定流量为0.001 PV/d 进行注入，采油井定流压为28.9 MPa 进行生产，保证整个油藏区域内压力高于最小混相压力。

3.2 混相带的划分

一般划分混相区域的方法是比较压力是否大于最小混相压力，但是在驱替过程中，由于汽化-凝析作用，使得波及区内的油相组分在不断变化，因此油气的最小混相压力也在不断变化，因此需要寻找一个更加准确判定混相带的方法。拟采用油气界面张力和油相中CO2含量作为主要指标来划分混相带。利用油气界面张力和油相中CO2含量划分的方法来定义混相带。

从图3可知，混相带后缘位于油气两相区之中，利用油气界面张力确定其位置，油气组成越接近，油气界面张力越低。利用胜利油田G区块的流体模型，建立细管模型，CO2累积注入量为0.4 PV 时，油气界面张力随无因次距离（注气井的距离与井距之比）变化规律（图4）。根据油气界面张力的变化趋势，将油气界面张力等于0.1 dyn/cm 定义为临界油气混相界面张力，即油气界面张力低于0.1 dyn/cm时，可认为CO2与原油已达到混相状态。

图3 CO2混相驱过程中流体分布示意Fig.3 Diagrammatic sketch of fluid distribution in CO2miscible flooding process

图4 油气界面张力随无因次距离变化规律Fig.4 Interfacial tension variation with the dimensionless distance

混相带前缘位于溶有CO2的油相区中，只存在液相，不存在油气界面张力，故需其他的指标。李南等利用流体黏度确定其位置，即将油相黏度降低一定幅度的位置定义为混相带前缘［13］，但是压力的降低也会导致油相黏度降低，因此这种划分方法并不准确。油相中CO2含量和油相黏度分布示意如图5 所示，CO2含量为0.2 时，油相的黏度降幅约为25%，根据实验数据此时油相的膨胀系数约为1.1，可认为这已达到工程上所需的混相效果。因此，将油相中CO2含量等于0.2的位置定义为混相带前缘。

图5 油相中CO2含量和油相黏度分布示意Fig.5 Schematic diagram of CO2content in oil phase and oil viscosity distribution

3.3 混相带的表征方法

基于混相带的定义，在二维平面油藏模型基础上，分别说明混相带前缘和后缘的确定方法，进而建立混相带宽度表征方法。首先利用油气界面张力分布进行线性插值作出油气界面张力等于0.1 dyn/cm 的等值线（图6a），即混相带后缘；然后利用油相中CO2含量分布进行线性插值作出油相中CO2含量为0.2 的等值线，即混相带前缘（图6b）。将混相带展开等效为一个矩形，矩形的面积就是混相带的面积，矩形的长度等于混相带前缘与原油接触面的长度，即混相带前缘形成的包络线的长度，将矩形的宽度定义为混相带的宽度，即混相带的宽度等于无因次混相带面积与混相带前缘包络线的长度之比。

图6 油气界面张力和油相中CO2含量分布Fig.6 Oil-gas interfacial tension and CO2content distribution in oil phase

从混相带宽度随累积注入量的变化（图7）可以看出，在混相前缘突破之前，随着累积注入量的增加，混相带的宽度一直在增大，说明混相带面积的增大不仅仅是因为混相带前缘与原油接触面在增大。混相带的宽度增大的主要原因是由于水动力弥散使混相带前缘的运移速度大于混相带后缘的运移速度，导致混相带的宽度在增加。同时可以看出，混相带宽度的增大趋于平缓，也就是混相带前缘与后缘之间的运移速度越来越接近。分析其原因主要包括：①随着混相带宽度的增大，气相与原油接触变难，即通过油气多级接触、汽化-凝析作用的方式增加混相带的宽度难度增大。②随着混相带宽度的增大，混相带之间的组分含量变化趋于平缓，即组分的浓度梯度变小，导致水动力弥散作用变弱，混相带前缘运移速度减慢。在混相带前缘突破时，混相带宽度达到最大，约为模型宽度的15%。在混相带前缘突破到混相带后缘突破之间，混相带宽度迅速下降，之后趋于平稳。

图7 混相带宽度随累积注入量变化Fig.7 Curve of miscible zone width with cumulative injection volume

4 结论

CO2-原油混相带形成之前，CO2相前缘不断向前运移，通过多次较强的汽化-凝析作用实现油气混相，形成混相带，注入气组成到气液平衡临界点组成连续变化；CO2-原油混相带形成之后，混相带前缘与原油组分浓度存在差异，在混相带前缘出现水动力弥散现象，结果使得混相带与原油间的组成连续变化。

CO2-原油混相带的划分方法是将油气界面张力等于0.1 dyn/cm 的等值线作为混相带后缘，将油相中CO2含量为0.2 的等值线作为混相带前缘。建立了CO2-原油混相带宽度的表征方法，即混相带的宽度等于无因次混相带面积与混相带前缘包络线的长度之比；在混相带前缘突破之前，混相带宽度逐渐增大但增速逐渐减慢；在混相带前缘突破之后到混相带后缘突破之前，混相带宽度迅速下降，之后趋于平稳。