近临界挥发油藏CO2-近临界挥发油-地层水三相相态实验

韩 鑫 侯大力，2 赵 锐，3 黄思婧 余洋阳 强贤宇

（1.成都理工大学能源学院，四川 成都 610059；2.成都理工大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川 成都 610059；3.中国石化胜利油田分公司海洋采油厂，山东 东营 257000）

0 引 言

近年来，随着钻采技术的不断进步，在中国海南、新疆等地陆续发现了大型近临界挥发油藏。前人［1-5］研究发现，近临界挥发油藏在衰竭开采中后期存在大量气体脱出、地层能量不足的问题，并且近临界挥发油藏地层流体的中间烃组分较多。根据物理化学的相似相容原理，采用注CO2提高采收率将会取得较好的效果。近临界挥发油藏地层温度压力接近于临界点，流体组成和热动力学性质介于普通黑油油藏和凝析气之间，溶解气油比高，体积系数大，收缩性强。

目前，近临界区流体相态特征研究备受国内外关注，是目前流体相态特征研究的热点以及难点［6-14］。经过国内外调研发现，国内外研究大多停留在凝析气-水两相和凝析气-CO2-水三相的凝析气相平衡相态研究，对于CO2-近临界挥发油-地层水三相相平衡研究较少。常规凝析气藏相态研究通常忽略凝析水的影响。梁利侠等［15］论述了平衡共存水条件下目前和原始富含气态凝析水的地层凝析气流体PVT 相态特征。潘毅等［16］开展了凝析气藏油气水三相PVT 相态特征，并分析了气态水组分对凝析油气体系相态的影响。沈平平等［17］通过测试3 个富凝析气藏，得出了当流体温度高于临界温度，将出现2 次露点，当流体温度低于临界温度，将出现露泡点的转化的结论。

近临界挥发油藏和近临界凝析气藏流体相态特征有一定的关联。C.A.C.Parral 等［18］发现：随着注入N2比例的增加，近临界挥发油流体的饱和压力增加，气油比增加，原油的密度下降；当注入N2的摩尔分数达到40%时，该近临界挥发油流体转变为近临界凝析气流体。张利明等［19］分析凝析气藏循环注气开发中后期重力分异特征认为，在饱和压力附近，近临界挥发油藏和近临界凝析气藏有相似性，而在低于饱和压力后有明显的差别。

本文以真实的近临界挥发油藏地层流体为实验对象，本着由简单到复杂的研究思路，首先从单相近临界挥发油流体的相态特征实验入手，其次开展CO2-近临界挥发油两相相平衡规律实验研究，最后开展CO2-近临界挥发油-地层水三相相平衡规律实验研究。以期揭示CO2在近临界挥发油藏中驱替机理及溶解规律。同时，可为近临界挥发油藏中CO2驱提高原油采收率提供地下相态特征理论资料，推进温室气体CO2在近临界挥发油藏中高效驱替提高原油采收率的发展。

1 近临界挥发油PVT实验

1.1 实验仪器

利用西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室的高温高压可视化无汞仪（PVT（压力-体积-温度）仪），开展了近临界挥发油藏地层流体PVT 相态实验。该实验仪器完全满足实验所需的温度压力条件。仪器的温度精度为±0.1 ℃、体积精度为±0.001 mL。核心部件PVT 测试单元由镍铬合金不锈钢腔体及其包裹着1 个蓝宝石玻璃筒组成。实验所产生的相态变化可以由高清摄像头电脑采集以及PVT 室的观测窗得到。

1.2 实验流体

研究区块地层流体为近临界挥发油藏流体，油藏压力为40.6 MPa，油藏温度为157.5 ℃，流体样品采用地面分离器（HP-6890）气和分离器（Agilent-7890A）油复配而成。

根据油田现场提供的生产资料，在实验室复配地层流体，复配后的地层流体气油比为711.50 m3/m3，饱和压力为35.7 MPa。根据实验室复配流体样品的气油比，计算出井流物组成（表1）。

表1 X区块井流物组成Table 1 Compositions of well fluid in Block X

1.3 实验步骤

单相近临界挥发油地层流体和CO2-近临界挥发油的两相相平衡实验详细步骤参见国家标准GB/T 26981—2020 《油气藏流体物性分析方法》［20］。

这里重点介绍CO2-近临界挥发油-地层水的三相态的相平衡实验流程（图1）。

图1 CO2-原油-地层水三相态相互溶解度实验测试流程示意Fig.1 Experiment diagram of experiment workflow of CO2-crude oil-formation water mutual solubility

单相近临界挥发油地层流体相态实验步骤：

（1）将实验温度升到地层温度，对地层流体加压至高于饱和压力，使其变为单相，将单相流体样品放至PVT 分析仪中；

（2）压力稳定后，记录压力和地层流体体积；

（3）选择10 个温度点，完成恒质膨胀实验，连续降低体系压力，测定在不同温度下，恒定组分的流体体积与压力的关系。

两相近临界挥发油地层流体实验步骤：

还有一例，2018年7月20日，安徽省纪委监委网站发布消息，安徽省地质矿产勘查局党委书记、局长李从文涉嫌严重违纪违法，正在接受监察调查。巧合的是，在李从文之前担任安徽省地质矿产勘查局党委书记、局长的李学文已于2014年7月因涉嫌严重违纪违法被调查。有媒体称，李学文和李从文不仅名字相似，还在同一个位置上先后任职并先后落马，称得上是“前腐后继”的典型代表。

（1）将实验温度升到地层温度，把CO2气体注入到地层流体，继续对流体施压，使注入的CO2完全溶解于地层流体中，变为单相；

（2）压力稳定后，记录压力和地层流体体积；

（3）选择10 个温度点，完成恒质膨胀实验，研究注入的CO2对地层流体性质的影响。

三相近临界挥发油地层流体实验步骤：

（1）将实验温度升到地层温度，先向近临界挥发油饱和地层水，然后向饱和了地层水的近临界挥发油中注入CO2，对流体进行施压，使注入的CO2完全溶解于地层流体中，变为油水两相；

（2）压力稳定后，记录压力和地层流体体积；

（3）选择10 个温度点，完成恒质膨胀实验，连续降低体系压力，测定在不同温度下，恒定组分的流体体积与压力的关系。

2 实验结果

2.1 近临界挥发油藏地层流体PVT相态实验

对地层流体进行恒质膨胀实验，认为原始地层流体是近临界挥发油。选取35.0～197.5 ℃的10 个温度点，压力为10～40 MPa。实验测试的p-V关系、液相体积分数如图2、图3所示。

图2 不同温度下恒质膨胀实验过程中压力与相对体积关系Fig.2 Relations between pressure and relative volume during constant-mass expansion experiment at different temperatures

图3 不同温度下恒质膨胀实验过程中压力与液相体积分数关系Fig.3 Relations between pressure and liquid phase volume fractions in constant-mass expansion experiment at different temperatures

图4 地层流体p-T相图Fig.4 p-T phase diagram of formation fluid

在地层温度下作恒质膨胀临界乳光可视化观测实验，定性地分析样品油在近临界区的奇异乳光现象。图5为近临界挥发油降压过程中的临界乳光现象，实验观测结果表明，样品油在近临界温度点附近时，随着压力的下降，地层流体依次出现了左端的橙红色-中间的黑褐色-右端的上部橙黄色、下部橙红色的临界乳光现象。证明临界挥发油藏地层原始流体在临界区是一种高密度、液滴高度分散且没有界面张力的流体。

图5 临界点附近（温度157.5 ℃）实验观测饱和压力过程中的奇异乳光现象Fig.5 Strange opalescence phenomenon in experiment observed process of saturation pressure near critical point(Temperature:157.5 ℃)

2.2 CO2-近临界挥发油两相相平衡实验

经过衰竭开采一段时间后，研究区储层中依旧存在大量的剩余挥发油未被开采。通过现场测量的目前地层条件，发现目前地层温度为157.5 ℃，目前地层压力为24 MPa，在目前地层条件下，利用高温高压可视化无汞PVT 仪测定挥发油体系的压力与体积变化情况。

由图6可知，当压力不断增加时，目前地层条件下，近临界挥发油体系的相对体积逐渐减小，当压力较高时，近临界挥发油体系的相对体积变化受CO2注入含量的影响较小，当压力较低时，近临界挥发油体系的相对体积受CO2注入含量的影响较大，相对体积随着体系中CO2含量的增加而增大。压力相同时，体系中CO2含量越高，近临界挥发油体系相对体积相差越大。当压力趋近于40 MPa 时，体系的相对体积逐渐趋向于1，表明在高压条件下，更多的CO2溶解于近临界挥发油体系中形成单相，最终CO2将完全溶解在近临界挥发油体系中变成单相。

图6 近临界挥发油体系不同CO2注入含量下的相对体积与压力关系Fig.6 Relations between relative volume and pressure for different injected CO2 contents in near critical volatile oil system

目前地层流体体系注入不同含量的CO2后，压力-温度两相包络线的对比见图7。由图7可知，随着CO2的注入含量逐渐增加，体系的饱和压力逐渐上升、临界温度逐渐降低、临界压力逐渐上升、临界点朝左上方偏移、压力-温度相图向左偏移，从而体系逐渐向轻质挥发油转化。当注入CO2摩尔分数为60%时，目前地层条件下，地层流体体系未发生相态转换，只是变为了更为轻质的挥发油。

图7 不同CO2注入含量下目前地层流体体系压力与温度关系Fig.7 Relations between pressure and temperature of current formation fluid system for different injected CO2contents

2.3 CO2-近临界挥发油-地层水三相相平衡实验

在原始地层条件下（157.5 ℃，40.6 MPa）进行CO2-近临界挥发油-地层水三相相平衡规律实验研究。

实验测试了CO2-近临界挥发油-地层水三相体系中不同相态相互作用下溶解过程中的饱和压力。气油比的变化情况，实验结果如图8、图9所示。

图8 不同含水饱和度下饱和压力与CO2注入含量的关系Fig.8 Relations between saturation pressure and injected CO2 content for different water saturations

图9 不同含水饱和度下气油比与CO2注入含量关系Fig.9 Relations between gas-oil ratio and injected CO2 content for different water saturations

（1）随着CO2注入含量的增加，三相体系的饱和压力不断增加。但受地层水饱和度的影响，三相体系的饱和压力高于两相体系的饱和压力，且含水饱和度越大，体系饱和压力越低。这说明当存在地层水时，注入的CO2将会有一部分溶于地层水中，导致了CO2在原油中的溶解量变小，从而导致三相体系的饱和压力降低。

（2）随着CO2的注入含量的增加，三相体系中原油的溶解气油比不断增加；随含水饱和度的增加，体系中原油溶解气油比不断降低。说明由于CO2在水中溶解含量的增加，原油中溶解的CO2量降低，致使原油饱和压力降低。

同时，开展了CO2-近临界挥发油-地层水三相态降压过程的相态变化规律及临界乳光观测实验，结果如图10 所示。实验结果表明，三相态降压过程中不像单相态近临界挥发油降压过程中一样出现临界乳光现象，近临界挥发油没有临界乳光现象。在压力高于单相近临界挥发油泡点压力的时候出现了气泡，水中的气体快速释放，在图10 中显示出玻璃筒的透光性急剧变差小从而造成图片变成黑色，呈雾状相态，最终气体再次从油当中分离出来。

图10 CO2-近临界挥发油-水降压过程相态变化规律及临界乳光现象Fig.10 Phase change law and critical opalescence phenomenon during CO2-near critical volatile oil-water pressure drop process

3 结 论

（1）通过近临界挥发油藏地层流体PVT 相态实验研究，测定地层流体为近临界挥发油。温度为177.5～187.5 ℃时，体系发生相态反转。出现奇异乳光现象，表明该地层流体在临界区附近是一种高密度且没有界面张力的流体。

（2）CO2-近临界挥发油两相相平衡实验结果表明，随着CO2注入含量增加，体系饱和压力逐渐增加，并且压力越高，体系的相对体积受CO2的注入含量影响越小。注入摩尔分数为60%的CO2后也未发生相态反转，说明CO2可以很好地抽提流体中的中间烃组分和重质烃组分。

（3）CO2-近临界挥发油-地层水三相相平衡实验表明，三相体系中存在地层水时，注入的CO2部分会溶于地层水中，导致三相体系的饱和压力降低，并且随着含水饱和度的增加，三相体系的饱和压力下降，原油溶解CO2含量减少，最终会使得体系中原油溶解气油比不断降低。