第二章 气体混相驱

第2节 基本理论
一、基本概念
（1）相：具有均一性质（密度、粘度等内在性质）的单组分 或多组分体系的混合物。如油水体系有两个相，油相和水相。
（2）泡点压力：液相存在的最小压力，是无限少的气相与液 相达到共存的压力。 （3）露点压力：气体存在的最大压力，是无限少的液相与气 相达到共存的压力。
（4）临界点：具有相同物理性质的气相与液相共存的极限条 件（压力、温度及组成），它是泡点线与露点线的交点。
在细管实验中应考虑以下因素：
（1）细管长度。对细管长度的要求：保证油气系统在驱 替距离（细管长度）上，能够形成动态混相；保证注入1.2 倍孔隙体积的气体后，油—气体系达到完全混相。 （2）注入气的流速。保证注入气的粘性指进和重力分异 效应不影响混相过程。
（3）细管和沙粒的直径。保证注入气通过横向分散作用 抑制粘性指进。
m 图2-9 与饱和压力的关系 o
3、CO2-原油的又一重要性质是原油的膨胀系数。
膨胀系数定义为饱和压力下溶解了CO2的原油体积除以标 准状态下的原油体积。膨胀系数越大时，依靠原油体积膨胀的 驱油效率就越大。一定体积的CO2溶解于原油，可使原油体积 膨胀，其增长幅度取决于 压力、温度和原油组分， 指原油的平 原油体积可增加10%～ 均分子量 100%。 如左图所示，膨胀系数随 溶解的CO2摩尔浓度增加 和原油的平均相对分子质 量减少而增加；在一定 CO2浓度下，轻质原油的 膨胀系数大。
b
C
a
图2-2 任意比例下均能混相的三组分三元相图
源自文库
三元相图的主要优点就是易于表示混合物中不同组分的含 量。例如，组分B与M混合后，形成一个新体系P，P点一定 MP 连线上，即系线规则（两个体系的混合物的组成点位 落在 置一定处于两个体系组成的连线上）。P点的位置由杠杆规则 确定，即：
MP B的含量 MB 混合物的含量 （2-1）
（温度和原油组成恒定）
细管实验所测得的采收率并不能代表油藏的混相驱采收 率，但是获得的最小混相压力数值可以代表油藏的注入气体 与原油之间的混相压力。因为油气混相的动态平衡过程与岩 石性质无关。在细管实验中要尽可能排除不利的流度比、粘 性指进、重力分离、岩性的非均质性等因素对最低混相压力 测定结果的影响。
（8）绘制注入压力与注入1.2孔隙体积的气体时的采收率 关系曲线（如图2-7），确定注入气体在油藏温度下的最低混 相压力。 一般，最低混相压力的 确定是根据注入1.2孔隙体积 气体时采收率达到95%以上， 而且随着注入压力升高，采 收率不再增加，基本上维持 在95%的水平，如图中水平 段所示。
图2-7 采收率与注入压力的关系
第3节 CO2驱
一、 CO2-原油的性质
1、CO2在原油中的溶解性 CO2在原油中具有很好的溶解性。与在水中一样，CO2 在原油中的溶解度随压力的上升而上升；随温度的升高和原 油分子量的增加而下降。相同条件下，CO2在原油中的溶解 度比在水中的溶解度高3～9倍，因而即使在低压下CO2也是 一种很好的非混相驱注入剂。而在高压下，CO2则是一种很 好的混相驱注入剂。由于CO2在油中的溶解度远大于在水中 的溶解度，因此它可以从水溶液中转溶入原油中。在转变过 程中，油水界面张力会逐渐降低，驱替方式也逐渐接近或达 到混相驱。
CO2溶解在原油中，使得原 油的粘度显著下降，这是CO2驱 的一个机理，溶解了CO2的原油 粘度下降程度取决于压力、温度 和原油本身粘度的大小，图2-9 中，µ 指原始原油粘度，µ 指溶 o m 有CO2的原油粘度。随着饱和压 力的增加，溶解了CO2的原油粘 度急剧下降；在相同饱和压力下， 中质和重质原油的粘度降低幅度 比轻质原油的降低幅度大。由于 CO2能大大降低重质原油的粘度， 所以CO2主要应用于重质原油降 粘开采。
二、三元相图
三元相图是描述一定温度和压力下三组分或多组分体系相 态特征的等边三角形。如果组分数目超过三个，三元相图就称
拟三元相图。如C1，C2-6,C7+三个拟组分组成体系的相态特 征可用拟三元相图描述。三元相图是一个等边三角形，具有 三个顶点和三条边，如图2-1所示。
一个体系含有三个组分A、B、 C，该体系始终落在等边三角形 之内。体系中各组成可用质量分 数、摩尔分数或体积分数表示。 图中，P点代表着一个三组分体 系。三元相图的三个顶点各代表 一个单组分，即A、B、C三个顶 点分别代表含有100%的A， 100%的B和100%的C的纯组分； A、B、C三个顶点的对边分别代 表着A、B、C组分的含量为零， 即三元相图三条边代表着除其对 应顶点组分之外的其他两个组分 的混合物。 图2-1 任意比例下均能混相的三组分三元相图
图2-10 原油膨胀系数与CO2在原油中的摩尔浓度的 关系曲线。
4、CO2抽提原油的特征 在一定温度和压力下，CO2不仅能溶解于原油中，而且 可置换出原油中某些轻质或中间组分的烃类物质，这种置换 作用称为CO2对原油的抽提。这是CO2多级接触混相驱的最 基本条件。CO2与原油接触时，萃取原油中的轻质组分而使 CO2加富；加富的CO2再与原油接触进一步抽提原油，再接 触，再抽提，不断地使CO2被加富，当CO2抽提到足够的烷 烃时，含油富气的CO2相能与原油混溶。
多级接触混相驱：是指排驱气体在地层中推进时，多次 （级）与地层中的原油接触后才能达到混相的排驱过程，它 可以进一步分为凝析气驱（如富气驱）和蒸发气驱（如二氧 化碳驱、干气驱、氮气驱、烟道气驱等）。气体混相驱分类 框图如下： LPG段塞驱
一次接触混相驱 丙烷段塞驱 二氧化碳驱 富气驱 干气驱 氮气（烟道气）驱 气体混相驱
第二章
主要内容：
气体混相驱
第1节 概述 第2节 基本理论 第3节 CO2驱 第4节 烃类气体驱 第5节 氮气驱
第1节 概 述
在提高采收率的方法中，气体混相驱具有非常大的吸引 力。因为注入气体与原油达到混相后，界面张力趋于零。驱 油效率趋于100%。如果这种技术与提高波及系数的技术结 合起来时，实际油层的采收率可达95%以上。本章讨论的是 以气体为注入剂的混相驱油。
（12）三元相图：在一定的温度和压力下，表示三个纯组 分或三个拟组分的相态特征图。用于测定不同体系组分的相态 特征。
（13）相包络线：体系中存在的单相和两相的分隔线，它 是由泡点线和露点线在临界点连接而成。
（14）系线：两相区内两个平衡共存相的连线。其两端的 坐标位置分别代表体系的两个平衡相的组成。 （15）极限系线：三元相图中过临界点的切线。用于判断 达到混相的气、油组成条件。
最小混相压力的确定方法主 要是细管实验法。细管实验装置 如右图所示，主要由填砂盘管、 高压正向驱替泵、毛管玻璃观察 窗、回压调节器、湿式气体流量 计、液体计量器装置和恒温空气 浴等组成。
图2-6 细管实验装置
上图实验装置从毛管玻璃观察窗来观察、判断注入气体 与原油在试验中的混相特征。但是，从毛管玻璃观察窗中， 不能判断最低混相条件。如果注入气体与原油未达到混相， 注入气体突破后，从观察窗中可看出界面清晰的两相流。如 果注入气体与原油达到混相，观察到的是浅色的液体，而不 是原油的颜色。如果混相过程中有沥青沉淀，那么，混相后 液体的颜色要比原油的颜色浅得多，而且有暗黑色的段塞通 过观察窗。
一、用于混相驱油的气体
a、烃类气体：干气（以甲烷为主）
液化石油气（LPG）,由乙烷-丁烷组成
富气：以乙烷-己烷为主，含乙烷-己烷 30～50%
b、非烃类气体：CO2 烟道气（存在大量CO2 ）
N2
二、一次接触混相驱和多级接触混相驱
气体混相驱油按其混相机理可以分为一次接触混相驱 和多级接触混相驱。
一次接触混相驱：是指排驱气体与地层原油以任何比 例混合时，一经接触便可立刻达到完全互溶混相的排驱过 程。例如：LPG。
细管实验的方法和步骤： （1）抽空细管，完全饱和溶剂，测定填砂细管孔隙度； （2）利用溶剂做驱替介质，测定细管的渗透率； （3）用原油饱和细管； （4）将注入气体充入气缸，加压到一定的注入压力； （5）用增压驱替泵将气体注入到细管中；
（6）记录注入气体量与细管中原油采收率的关系数据。
（7）如果采收率小于95%，改变注入压力，重复上述步 骤（4）～（6），直到原油采收率高于95%；
例如，a，b和c点分别表示 不含A，B，C的两组分体系， 即a为B（60%）+C（40%）， b为A（60%）+C（40%），c 为B（50%）+A（50%）的两 组分体系。如果一个体系含有 A，B，C三种组分，（如右图 P体系含有A（40%），B （40%）和C（20%），这个 体系的点一定位于三元相图中。
或
MP B的含量 PB M的含量
（2-2）
因此，采用系线规则和 杠杆规则可以确定任何两个 体系混合的组成。
图2-3 任意比例下均能混相的三组分三元相图
三元相图用于表示三组分体系 的相态关系，右图中A、B、C为三 个拟组分，组成用摩尔分数表示。 在一定温度、压力下，三组分达到 汽液平衡。相图中有两个区，一个 是两相区，另一个是单相区，二者 被相包络线分隔。相包络线是由露 点线和泡点线在临界点相连而组成 的。如果两相区内有一点P，它可以 分成平衡气相Y和平衡液相X，根据 杠杆规则及PX和PY的距离比值，可 图2-4 部分互溶的三组分三元相图 以计算出气相和液相的相对含量。 两相区内连接平衡气相和平衡液相的直线称为系线（如XY），临界点表 示的是平衡气相与平衡液相组成完全相同的组成点，即两相界面张力为零。 因此，临界点是气、液两相相态特征完全相同点，即两相共处的极限点， 与临界点相切的直线为极限系线。
（5）临界凝析压力：流体处于单相的最低压力点，也是相包 络线上最大压力点。
（6）临界凝析温度：流体处于单相的最低温度点，也是相 包络线上最大温度点。 （7）组分：具有物理和化学性质完全相同的均一体系。如 液化石油气有乙烷、丙烷、丁烷等组分。 （8）拟组分：具有性质相近的不同烃类组分的混合物，如 C2～C6为一个拟组分。 （9）组成：某一物质的组分及各组分的含量。有体积、质 量、摩尔等组成表示法。 （10）压力—温度(p—T)相图：体系的相态特征与温度、 压力的关系图。用于确定油藏类型。 （11）压力—组成(p—X)相图：体系的相态特征与压力、 相数或组成的关系图。
一般，将原油中易挥发的组分视为第一个拟组分，如C1， N2，CO2；把中等挥发性组分C2～C6（中间组分）视为第二个 拟组分；把不易挥发的组分（如C7+）最为第三个拟组分。每 一个拟组分只能表示出平均相对分子质量和密度。
三、最小混相压力
最小混相压力（Minimum Miscible Pressure，简称MMP） 是指在油层温度下，注入气体与原油达到混相所需的最低压 力。最小混相压力是注气提高采收率方法筛选的一个重要参 数。如果采用注气提高采收率，那么油藏平均地层压力必须 高于注入气与地层原油的最小混相压力，才能获得较高的采 收率。
原油是一个非常复杂的碳 氢化合物的混合体系，即使是 采用最先进的分析手段，目前 也无法全面地进行原油的化学 组成、组分分析，因此人们认 为，原油是由无数个组分组成 的。要表示原油的相态特征， 就需要拟三元相图，如右图所 示。在拟三元相图中，把性质 相近的各组分视为一个组分 （拟组分）。
图2-5 拟三元相图
多次接触混相驱
在气体多次接触混相驱的应用中，富气驱和二氧化碳驱 所需的混相压力较低，对原油组成的要求也低；而干气、氮 气和烟道气所需的混相压力高，对原油的要求也高。因此， 对于一定的油藏，富气和二氧化碳驱能够获得较高的采收率。 鉴于注气的成本和最终采收率，二氧化碳是气体混相驱中最 有吸引力的提高采收率方法。
2、CO2对原油密度、粘度的影响 CO2比原油的密度、粘度都低得多。因此，不利流度比 和重力分离必然是排驱中遇到的主要问题，特别是在水平地 层中。一般，将CO2用于背斜地层或倾斜地层中。
随着饱合压力↑，原油粘度↓， 这是气体分子进入烃类分子 中间后，降低了烃类分子的 内摩擦力之故。随压力↑， 原油密度↑，因为在高压下 CO2不仅溶于油中，同时 （又将）有较轻的烃类分子 进入气相，故原油密度增加。