CO2驱气溶性降混剂提高采收率机理实验

孙大龙，张广东，彭 旭，敬 豪，吕 华，任超峰，王 宁

(1.西南石油大学，四川 成都 610500；2.四川省科源工程技术测试中心，四川 成都 610091；3.中国石油长庆油田分公司，陕西 靖边 718500；4.中国石油长庆油田分公司，陕西 西安 710000)

0 引 言

中国低渗透石油资源分布较广，在近几年探明石油储量中，低渗透石油资源所占比例达到70%以上[1-2]。低渗透油藏通常具有低孔低渗、渗流能力差、产能低等特点，采用常规注水开发，存在注入困难，波及范围较小，采收率较低等问题[3]。为达到油藏持续高效开发，油田多采用CO2混相驱油技术，可提高低渗透油藏采收率15%～25%[4-5]。中国先后在大庆、吉林、辽河、江苏等油田进行了CO2混相驱油，均取得了一定的效果[6]，但多数油藏CO2混相压力较高，无法达到混相，导致低渗透率油藏的驱油效果受到严重影响[7-9]。目前，添加混相调节剂已成为降低CO2与原油混相压力的主要技术手段，但针对低渗透油藏降低CO2驱混相压力溶剂的研究集中体现在油溶性降混剂的研制、室内评价、驱油机理及矿场实践应用方面，气溶性降混剂的研究鲜有报道[10-23]。因此，利用已在矿场实践中应用的气溶性降混剂JS，提出了一种气溶性降混剂的降混机理实验评价方法，研究了该气溶性降混剂对原油组分、黏度、相态特征以及油气界面张力的影响，确定了气溶性降混剂降低混相压力的机理。此外，分析了气溶性降混剂与CO2混合注入、段塞注入2种注入方式提高采收率的驱油机理，以期为气溶性降混剂在矿场上的应用提供理论指导。

1 实验准备

实验用降混剂为气溶性降混剂JS；实验用油为X区块地层原油，25 ℃下原油密度为0.880 1 g/cm3，60 ℃下原油黏度为122.0 mPa·s；实验用气为纯度99%的CO2。

实验仪器包括Agilent 7890A气相色谱仪、高温高压Hakeem流变仪、高温高压界面张力仪(限压40 MPa，限温200 ℃)、法国ST公司高压PVT仪、高温高压配样器、恒压泵(限压69 MPa)、摄像系统、高温高压中间容器(限压69 MPa)、压力表(限压60 MPa)、真空泵、微量泵以及气体增压泵(限压150 MPa)等。

2 实验与结果

2.1 对原油组分的影响

在室温室压下，配制气溶性降混剂体积分数分别为3%、20%的混合原油样品，充分搅拌摇匀后，静置1 h。取上层部分原油进行组分测试，对比原始油样组分，分析不同比例气溶性降混剂对原油组分的影响(表1)。由表1可知：气溶性降混剂可显著降低原油重质组分比例，中间烃组分比例呈不同程度增加，且摩尔分数越高，原油的重质组分和中间烃组分改变程度越大。含3%气溶性降混剂的原油重质组分(C11—C35)摩尔分数减少25.07%，中间烃组分(C5—C7)摩尔分数增加1.10倍，主要增加产物为C6，增加了2.25倍；含20%气溶性降混剂的原油重质组分摩尔分数减少54.83%，中间烃组分含量增加4.82倍，其中C6和C7的摩尔分数分别增加10.85、2.22倍。此外，含3%气溶性降混剂的原油裂解组分主要为C11+，而含20%气溶性降混剂的原油裂解组分主要为C8+，裂解组分范围随气溶性降混剂含量增加而增大。这是由于气溶性降混剂具有裂解原油重质组分的作用，气溶性降混剂与原油发生反应，破坏了原油的高碳链结构，原油中的重质组分被分解，生成低碳数的中间烃，原油组分向低碳数方向移动。随着气溶性降混剂含量增加，原油裂解作用越强，裂解原油组分的范围越广。

表1 不同体积分数气溶性降混剂对原油组分影响

实验过程中发现，向原油中注入不同体积分数的气溶性降混剂后，出现了分层现象，且气溶性降混剂体积分数越大，分层现象越明显，可见气溶性降混剂在原油中溶解性有限。结合原油组分变化可知，少量的气溶性降混剂即可使原油组分向低碳数方向移动，不会在地层过度消耗，可与地层中更远处的原油发生反应，提高作用范围。

2.2 对原油黏度的影响

利用高温高压Hakeem流变仪，测定含不同体积分数气溶性降混剂的混合原油样品黏度随温度的变化，研究气溶性降混剂对原油黏度的影响(图1)。由图1可知：初始温度60 ℃下，原始油样的黏度为122.0 mPa·s，含3%和20%气溶性降混剂的原油黏度分别为60.3 mPa·s和2.6 mPa·s，分别降低了50.57%和97.87%。随着温度升高，不同原油的黏度出现不同程度下降。分析认为：气溶性降混剂破坏了原油的内部结构，裂解了原油中高碳链结构，使原油黏度大幅度降低，增加了原油的流动性。原油中气溶性降混剂含量越高，裂解原油高碳链结构作用越强，降低原油黏度效果越明显。

图1 不同原油黏温曲线

2.3 对油气界面张力和混相压力的影响

为研究气溶性降混剂对原油与CO2之间界面张力和最小混相压力的影响，利用高温高压配样器，将含不同体积分数气溶性降混剂的混合原油和伴生气，在101 ℃、29.0 MPa条件下进行地层原油复配。采用悬滴法测定复配原油与CO2在不同压力下的界面张力，并将界面张力为0的压力点确定为CO2与原油的最小混相压力。

实验步骤为：①连接实验设备，清洗干净仪器后试温试压，利用高温气体吹扫系统，抽真空；②加热高温高压反应釜、原油和CO2气体至设定温度(101 ℃)，将热CO2气体引入高温高压反应釜后，加压至最低实验压力(16.7 MPa)；③原油缓慢注入高温高压反应釜，在探针处形成小油滴，保持该状态至达到平衡时拍下油滴图片，利用软件计算出界面张力；④调整实验压力至原油和CO2达到混相时结束实验，结果见图2。由图2可知：气溶性降混剂体积分数相同情况下，随着压力的增加，原油与CO2之间的界面张力逐渐减小，界面张力与压力呈线性关系；相同压力下，含不同体积分数气溶性降混剂的混合原油的油气界面张力均小于原始油样，且随着气溶性降混剂含量增加，油气界面张力降低的幅度越大，油气界面张力越低，计算得到的最小混相压力越小(表2)，降低幅度与气溶性降混剂的浓度呈现正相关。由于气溶性降混剂改变了原油的组分，使得原油组分向低碳数方向移动，原油与CO2可以在较低压力下达到相近性质，界面张力降低甚至消失，最终实现油气混相。相比油溶性降混剂，气溶性降混剂更容易注入地层，在地层中的波及范围更广，消耗量更少，对于降低混相压力，提高原油采收率，具有极其重要作用。

图2 含不同体积分数降混剂的混合原油油气界面张力随压力变化

表2 含不同体积分数降混剂的原油-CO2混相压力

2.4 对原油相态特征的影响

为研究气溶性降混剂对原油相态的影响，利用Eclipse软件绘制含不同体积分数气溶性降混剂的原油相图(图3)。由图3可知：气溶性降混剂可明显改变原油的相态特征。随着气溶性降混剂体积分数的增加，原油相平衡曲线整体向左下方平移。泡点线和露点线均发生改变，原油相平衡曲线包络范围减小，气液两相共存区间变小，临界点由重组分向轻组分转移。气溶性降混剂可降低原油在地层温度下的饱和压力。含3%和20%的气溶性降混剂可将原油的饱和压力由16.58 MPa分别降至15.55 MPa和13.95 MPa，这是由于气溶性降混剂改变了原油的组分和黏度等物性，导致相态特征发生变化。由此可知，气溶性降混剂可降低原油的饱和压力，延长原油脱气的时间，增大轻质组分比例，改善注气效果，可在较低压力下达到油气混相，提高驱油效率。

图3 含不同体积分数气溶性降混剂的混合原油温压相图

2.5 气溶性降混剂的降低混相压力机理

由前文可知，气溶性降混剂具有裂解原油重质组分、降低原油黏度、降低原油饱和压力、降低原油与CO2之间的界面张力等作用。为明确气溶性降混剂降低混相压力的主要机理，对比气溶性降混剂对原油相关物性的影响程度(表3)。由表3可知：气溶性降混剂对原油组分、黏度和界面张力的影响均远大于对原油临界点和饱和压力的影响，说明气溶性降混剂裂解原油重质组分、降低原油黏度和降低原油与CO2的界面张力作用在降低混相压力过程中占据主导。原油黏度和界面张力降低是油气混相压力降低的主要因素，而原油重质组分含量的变化则是油气混相压力降低的根本原因。因此，气溶性降混剂降低混相压力的主要机理为裂解原油的重质组分、降低原油黏度和降低油气界面张力。

表3 含不同体积分数气溶性降混剂的混合原油物性变化程度

3 不同注入方式下气溶性降混剂提高采收率机理

现场生产中，多采用降混剂与CO2段塞注入和降混剂与CO2混合注入2种注入方式降低CO2驱混相压力，通常存在注入困难、地层波及范围较低等问题。气溶性降混剂可以较好地解决该问题，但目前对气溶性降混剂的研究刚刚起步，其提高CO2驱采收率的机理尚不明确。因此，结合文献调研[15-25]，剖析了气溶性降混剂与CO2混合注入和段塞注入方式条件下的提高采收率机理，为气溶性降混剂矿场实施及驱油机理研究提供依据。

3.1 气溶性降混剂与CO2混注

该方式为在地面将气溶性降混剂与CO2充分混合后注入地层进行驱油，在地层中会先后形成CO2+地层原油的混合带、CO2区、CO2+气溶性降混剂+地层原油的混相带、气溶性降混剂+地层原油的混合带、CO2+气溶性降混剂+地层原油的混相带(图4)。

(1) 气溶性降混剂与CO2混注驱油过程中，注入的气溶性降混剂和CO2混合物在地层中一起扩散。由于CO2气体分子扩散速度较快，气溶性降混剂扩散速度相对较慢，会在驱替区域的最前端形成CO2+地层原油的混合带，改变部分地层原油的性质。残余的CO2和气溶性降混剂逐渐形成CO2区和CO2+地层原油+气溶性降混剂的混相带。

(2) 由于气溶性降混剂和CO2的扩散速度的差异，后期CO2与气溶性降混剂分离，在CO2+地层原油+气溶性降混剂的混相带后端形成气溶性降混剂+地层原油的混合带。在该混合带中，越靠近混合带前端，气溶性降混剂所占的比例越低，裂解原油重质组分、降低原油黏度、降低原油与CO2的界面张力的程度有限；越靠近混合带后端，气溶性降混剂所占比例越大，裂解原油重质组分、降低原油黏度、降低原油与CO2界面张力的程度越大。

(3) 随着后续CO2不断注入，CO2与气溶性降混剂和地层原油的混合带接触，由于气溶性降混剂已改变该混合带原油的性质，CO2可在较低的压力下与地层原油达到混相，形成CO2+气溶性降混剂+地层原油的混相带，降低CO2驱替原油过程中的混相压力。随着驱替过程的继续进行，混相带和混合带继续向前推进，不断接触新的地层原油并发生作用，实现逐步混相，提高驱油效率。

图4 气溶性降混剂与CO2混合注入驱油机理示意图

3.2 气溶性降混剂与CO2段塞注入驱油方式

气溶性降混剂与CO2段塞注入的驱油方式驱油过程较为复杂，形成的渗流区域相对较多(图5)。随着驱替过程的进行，气溶性降混剂与CO2在地层中逐渐扩散，最终形成3个CO2+气溶性降混剂+地层原油的混相带，2个气溶性降混剂+地层原油的混合带,1个气溶性降混剂+CO2的混相带，1个CO2+地层原油的混合带，1个CO2区。

图5 气溶性降混剂与CO2段塞注入驱油机理示意图

第1阶段注入气溶性降混剂段塞后，气溶性降混剂段塞在地层中扩散，形成气溶性降混剂和地层原油的混合带，改变原油的黏度、组分、油气界面张力等性质，越靠近混合带前端，气溶性降混剂浓度越低。此阶段注入的气溶性降混剂段塞浓度通常较高，在地层原油中的溶解度有限，未溶解的气溶性降混剂在地层中继续以稳定的段塞形式存在。

第2阶段注入CO2段塞。注入初期，由于CO2扩散时间较短，未突破第1阶段气溶性降混剂和地层原油形成的混合带，CO2扩散至稳定气溶性降混剂段塞处，首先形成含气溶性降混剂的CO2混合气体。随着驱替过程进行，混合气体逐渐扩散至第1阶段气溶性降混剂和地层原油形成的混合带处。由于该处原油性质已发生改变，可在较低压力下形成CO2+地层原油+气溶性降混剂的混相带。随着驱替继续进行，气溶性降混剂与CO2混合气体突破第1阶段气溶性降混剂+地层原油形成的混合带，继续向前扩散。突破初期，在气溶性降混剂+地层原油形成的混合带前端又开始形成CO2+地层原油+气溶性降混剂的混相带；由于气溶性降混剂和CO2气体的扩散速度不一及气溶性降混剂对原油的降混作用，随着含气溶性降混剂的CO2混合气体逐渐向前扩散，最终在最前端又依次形成CO2+地层原油的混合带、CO2区、CO2+气溶性降混剂+地层原油的混相带、气溶性降混剂+地层原油的混合带，从而降低驱替前缘的混相压力，实现混相驱油，提高驱油效率。

4 结 论

(1) 气溶性降混剂降混机理实验表明，气溶性降混剂可以裂解原油的重质组分、降低原油的黏度、改变原油的相态特征、降低油气界面张力，其降混的主要机理为裂解原油重质组分、降低原油黏度和降低油气界面张力。

(2) 气溶性降混剂具有明显的降低原油与CO2的混相压力的作用。原始原油与CO2的混相压力为22.05 MPa，加入含3%和20%的气溶性降混剂后，原油与CO2的混相压力分别为19.95 MPa和17.14 MPa，混相压力降低幅度较大，有利于提高地层原油采收率。

(3) 提出了利用气溶性降混剂与CO2混合注入和段塞注入方式进行驱油提高采收率的驱油机理。气溶性降混剂与CO2混合注入主要通过不断建立和推进单个混合带和混相带实现混相驱油，而气溶性降混剂与CO2段塞注入主要通过不断建立和推进多个混合带和混相带实现混相驱油。