第二章-气体混相驱.ppt
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1、第二章第二章 气体混相驱气体混相驱主要内容:主要内容:第第1节节 概述概述第第3节节 CO2驱驱第第4节节 烃类气体驱烃类气体驱第第5节节 氮气驱氮气驱第第2节节 基本理论基本理论第第1节节 概概 述述 在提高采收率的方法中,气体混相驱具有非常大的吸引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。驱油效率趋于油效率趋于100%。如果这种技术与提高波及系数的技术结。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合起来时,实际油层的采收率可达95%以上。本章讨论的是以上。本章讨
2、论的是以气体为注入剂的混相驱油。以气体为注入剂的混相驱油。一、用于混相驱油的气体一、用于混相驱油的气体 a、烃类气体:干气(以甲烷为主)、烃类气体:干气(以甲烷为主)液化石油气(液化石油气(LPG),由乙烷由乙烷-丁烷组成丁烷组成 富气:以乙烷富气:以乙烷-己烷为主,含乙烷己烷为主,含乙烷-己烷己烷 3050%b、非烃类气体:、非烃类气体:CO2 烟道气(存在大量烟道气(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。和多级接触混相驱。一次接触
3、混相驱:是指排驱气体与地层原油以任何比一次接触混相驱: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:程。例如:LPG。多级接触混相驱:是指排驱气体在地层中推进时,多次多级接触混相驱: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(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)。气体混相驱分类化碳驱、干气驱、氮气驱、烟道气驱
4、等)。气体混相驱分类框图如下:框图如下:气体混相驱气体混相驱一次接触混相驱一次接触混相驱多次接触混相驱多次接触混相驱LPG段塞驱段塞驱丙烷段塞驱丙烷段塞驱二氧化碳驱二氧化碳驱富气驱富气驱干气驱干气驱氮气(烟道气)驱氮气(烟道气)驱 在气体多次接触混相驱的应用中,富气驱和二氧化碳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,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。对于一定的
5、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。有吸引力的提高采收率方法。第第2节节 基本理论基本理论一、基本概念一、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)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。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)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。相达到共存的
6、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)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。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)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。件(压力、温度及组成),它是泡点线与露点线的交点。(5)临界凝析压力:流体处于单相的最低压力点,也是相包)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。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
7、温度点。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)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。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)拟组分:具有性质相近的不同烃类组分的混合物,如C2C6为一个拟组分。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)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。量、摩尔等组成表示法。(10)压力)压力温度温度(pT)相图:体系的相态特征与温度、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
8、。压力的关系图。用于确定油藏类型。(11)压力)压力组成组成(pX)相图相图:体系的相态特征与压力、:体系的相态特征与压力、相数或组成的关系图。相数或组成的关系图。(12)三元相图:在一定的温度和压力下,表示三个纯组)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。特征。(13)相包络线:体系中存在的单相和两相的分隔线,它)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。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
9、端的)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。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)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。达到混相的气、油组成条件。二、三元相图二、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。如拟三元相图。如C1,C2-6,C7+三个拟组分组成体系的相态特征三个拟组
10、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,如图个顶点和三条边,如图2-1所示。所示。图图2-1 任任意比例下均能混相的三组分三元相图意比例下均能混相的三组分三元相图 一个体系含有三个组分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,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。数、摩尔分数或体积分数表示。图中,图中,P点代表着一个三组分体点代表着一个三组分体系。三元相图的三个顶点各代表系。三元相图的三个顶点各代表一个单组分,
11、即一个单组分,即A、B、C三个顶三个顶点分别代表含有点分别代表含有100%的的A,100%的的B和和100%的的C的纯组分;的纯组分;A、B、C三个顶点的对边分别代三个顶点的对边分别代表着表着A、B、C组分的含量为零,组分的含量为零,即三元相图三条边代表着除其对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应顶点组分之外的其他两个组分的混合物。的混合物。例如,例如,a,b和和c点分别表示点分别表示不含不含A,B,C的两组分体系,的两组分体系,即即a为为B(60%)+C(40%),),b为为A(60%)+C(40%),),c为为B(50%)+A(50%)的两)的两组分体系。如果一个体系
12、含有组分体系。如果一个体系含有A,B,C三种组分,(如右图三种组分,(如右图P体系含有体系含有A(40%),),B(40%)和)和C(20%),这个),这个体系的点一定位于三元相图中。体系的点一定位于三元相图中。图图2-2 任任意比例下均能混相的三组分三元相图意比例下均能混相的三组分三元相图abC 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,组分量。例如,组分B与与M混合后,形成一个新体系混合后,形成一个新体系P,P点一定落点一定落在在 连线上,即系线规则(两个体系的混合物的组成点位置连线上,即系线规则(两个体系的混合物的组成点
13、位置一定处于两个体系组成的连线上)。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点的位置由杠杆规则确定,即:定,即:或或(2-1)(2-2)图图2-3 任任意比例下均能混相的三组分三元相图意比例下均能混相的三组分三元相图 因此,采用系线规则和因此,采用系线规则和杠杆规则可以确定任何两个杠杆规则可以确定任何两个体系混合的组成。体系混合的组成。图图2-4 部分互溶的三组分三元相图部分互溶的三组分三元相图 三元相图用于表示三组分体系的三元相图用于表示三组分体系的相态关系,右图中相态关系,右图中A、B、C为三个为三个拟组分,组成用摩尔分数表示。在拟组分,组成用摩尔分数表示。在一定温度、压力下
14、,三组分达到汽一定温度、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。线和泡点线在临界点相连而组成的。如果两相区内有一点如果两相区内有一点P,它可以分成,它可以分成平衡气相平衡气相Y和平衡液相和平衡液相X,根据杠杆,根据杠杆规则及规则及PX和和PY的距离比值,可以计的距离比值,可以计算出气相和液相的相对含量。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(如两相区内连接平衡气相和平衡液相
15、的直线称为系线(如XY),临界点表),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。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,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。与临界点相切的直线为极限系线。图图2-5 拟三元相图拟三元相图 原油是一个非常复杂的碳原油是一个非常复杂的碳氢化合物的混合体系,即使是氢化合物的混合体系,即使是采用最先进的分析手段,目前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也无法全面地进行原油的化学
16、组成、组分分析,因此人们认组成、组分分析,因此人们认为,原油是由无数个组分组成为,原油是由无数个组分组成的。要表示原油的相态特征,的。要表示原油的相态特征,就需要拟三元相图,如右图所就需要拟三元相图,如右图所示。在拟三元相图中,把性质示。在拟三元相图中,把性质相近的各组分视为一个组分相近的各组分视为一个组分(拟组分)。(拟组分)。一般,将原油中易挥发的组分视为第一个拟组分,一般,将原油中易挥发的组分视为第一个拟组分,如如C1,N2,CO2;把中等挥发性组分;把中等挥发性组分C2C6(中间组分)视为第二(中间组分)视为第二个拟组分;把不易挥发的组分(如个拟组分;把不易挥发的组分(如C7+)最为第
17、三个拟组分。)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。每一个拟组分只能表示出平均相对分子质量和密度。三、最小混相压力三、最小混相压力 最小混相压力(最小混相压力(Minimum Miscible Pressure,简称,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)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,
18、才能获得较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。高的采收率。最小混相压力的确定方法主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。计量器装置和恒温空气浴等组成。图图2-6 细管实验装置细管实验装置 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,
19、从毛管玻璃观察窗中,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,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
20、。过观察窗。细管实验的方法和步骤: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;)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;)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;)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;)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;)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。)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)如果采收率小于95%,改变注入压力,重复上
21、述步,改变注入压力,重复上述步骤(骤(4)()(6),直到原油采收率高于),直到原油采收率高于95%;(8)绘制注入压力与注入)绘制注入压力与注入1.2孔隙体积的气体时的采收率孔隙体积的气体时的采收率关系曲线(如图关系曲线(如图2-7),确定注入气体在油藏温度下的最低混),确定注入气体在油藏温度下的最低混相压力。相压力。图图2-7 采收率与注入压力的关系采收率与注入压力的关系 (温度和原油组成恒定)(温度和原油组成恒定)一般,最低混相压力的一般,最低混相压力的确定是根据注入确定是根据注入1.2孔隙体积孔隙体积气体时采收率达到气体时采收率达到95%以上,以上,而且随着注入压力升高,采而且随着注入
22、压力升高,采收率不再增加,基本上维持收率不再增加,基本上维持在在95%的水平,如图中水平的水平,如图中水平段所示。段所示。细管实验所测得的采收率并不能代表油藏的混相驱采收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性指进、重力分离、
23、岩性的非均质性等因素对最低混相压力测定结果的影响。测定结果的影响。在细管实验中应考虑以下因素: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)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,油倍孔隙体积的气体后,油气体系达到完全混相。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)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。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)细管和沙
24、粒的直径。保证注入气通过横向分散作用抑制粘性指进。抑制粘性指进。一、一、CO2-原油的性质原油的性质 1、CO2在原油中的溶解性在原油中的溶解性 CO2在原油中具有很好的溶解性。与在水中一样,在原油中具有很好的溶解性。与在水中一样,CO2在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,分子量的增加而下降。相同条件下,CO2在原油中的溶解度在原油中的溶解度比在水中的溶解度高比在水中的溶解度高39倍,因而即使在低压下倍,因而即使在低压下CO2也是一也是一种很好的非混相驱注入剂。而在高压下,种很好的非混相驱注
25、入剂。而在高压下,CO2则是一种很好则是一种很好的混相驱注入剂。由于的混相驱注入剂。由于CO2在油中的溶解度远大于在水中的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。混相驱。第第3节节 CO2驱驱随着饱合压力随着饱合压力,原油粘度,原油粘度,这是气体分子进入烃类分,这是气体分子进入烃类分子中间后,降低了烃类分子子中间后,降低了烃类分子的内摩擦力之故。随压力的内摩擦力之故。随压力,原油密度,原油密度
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