CO_%282%29非混相驱原油膨胀及沥青质沉淀影响因素.pdf
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1、大庆石油地质与开发 Petroleum Geology Oilfield Development in Daqing2023 年 8 月 第 42 卷第 4 期Aug.,2023Vol.42 No.4DOI:10.19597/J.ISSN.1000-3754.202202042CO2非混相驱原油膨胀及沥青质沉淀影响因素袁斌 汪洋 白航航 陶静(中国石油长庆油田公司第六采油厂,陕西 榆林718606)摘要:膨胀降黏是CO2非混相驱增油的主要方式,但CO2溶于原油后会引起原油组分变化产生沥青质沉淀,降低CO2驱油效果。采用自主研制的高温高压纳米滤膜过滤容器,模拟了岩心薄片过滤作用下的CO2驱油实验
2、,并结合注CO2原油膨胀实验,研究了CO2注入压力、储层温度和原油黏度对原油膨胀系数、沥青质稳定性和原油采收率的影响。结果表明:CO2注入压力增加能够增大原油膨胀系数,降低剩余油沥青质含量,有利于CO2驱油;储层温度升高会降低原油膨胀系数,增加剩余油沥青质含量,不利于CO2驱油,但最终驱油效果还需考虑温度对原油黏度的影响;原油黏度降低有利于增大原油膨胀系数,降低剩余油沥青质含量,提高驱油效率;3种因素对剩余油沥青质含量的最大增幅分别为519%、440%和229%,且剩余油沥青质含量均大于产出油沥青质含量,表明CO2非混相驱会引发沥青质沉淀,而CO2注入压力和储层温度是引发沥青质沉淀的主要因素。
3、研究成果为提高含沥青质油藏注CO2开发效果提供了理论依据。关键词:非混相驱;CO2驱;原油膨胀;沥青质沉淀;影响因素中图分类号:TE349 文献标识码:A 文章编号:1000-3754(2023)04-0105-08Influencing factors of crude oil expansion and asphaltene precipitation in immiscible CO2 floodingYUAN Bin,WANG Yang,BAI Hanghang,TAO Jing(No.6 Oil Production Company of PetroChina Changqing O
4、ilfield Company,Yulin 718606,China)Abstract:Swelling and viscosity reduction is the main way of increasing oil production by CO2 immiscible flooding,but CO2 dissolved in crude oil may change oil composition,cause asphaltene precipitation and reduce the effect of CO2 flooding.Using self-developed hig
5、h temperature and high pressure nanofiltration membrane filter container,the CO2 oil displacement experiment under the filtration of core slice is simulated.Combined with CO2 injection crude oil swelling experiment,the effects of CO2 injection pressure,reservoir temperature and oil viscosity on oil
6、swelling coefficient,asphaltene stability and oil recovery are studied.The experiment results show that the increase of CO2 injection pressure can increase the swelling coefficient of oil and reduce the asphaltene content of remaining oil,being conducive to CO2 displacement.The increase of temperatu
7、re may decrease the swelling coefficient of oil and increase the asphaltene content of remaining oil,being not conducive to CO2 displacement,but the effect of temperature on oil viscosity needs to be considered in ultimate displacement effect.Oil viscosity reduction is conducive to increase the swel
8、ling coefficient of oil,reduce the asphaltene content of remaining oil and improve oil displacement efficiency.The maximum increases of the 3 factors on asphaltene content of remaining oil are 519%,440%and 229%respectively,and asphaltene content of remaining oil is higher than that of produced oil,i
9、ndicating that CO2 immiscible flooding may cause asphaltene precipitation,and CO2 injection pressure and reservoir temperature are 收稿日期:2022-02-28 改回日期:2022-08-25基金项目:国家科技重大专项“鄂尔多斯盆地大型低渗透岩性地层油气藏开发示范工程”(2016ZX05050)。第一作者:袁斌,男,1987年生,高级工程师,从事油气田开发工程研究。E-mail:yuanbin-2023 年大庆石油地质与开发the main factors cau
10、sing asphaltene precipitation.The research provides theoretical evidence for improving development effect of CO2 injection in asphaltene containing reservoirs.Key words:immiscible flooding;CO2 flooding;crude oil swelling;asphaltene precipitation;influencing factors0引言非混相驱作为注 CO2提高原油采收率的一种方式,已经在国内多个矿
11、场成功实施13。CO2注入储层后,CO2会与原油发生一系列复杂的物理化学反应,其中一些反应有利于提高原油采收率,而另一些反应则削弱CO2驱油效果46。当CO2溶于原油后,在原油黏度降低、体积膨胀的同时,原油组分及平衡性也将发生变化,导致沥青质析出和沉淀,引发一系列储层伤害后的连锁反应78。CO2溶于原油后的膨胀效果受油藏热力学和原油物性等诸多因素的影响,包括储层温度、压力、CO2注入压力、原油黏度和沥青质含量等9。而这些因素同时也会对沥青质沉淀产生影响。针对 CO2驱替过程中沥青质沉淀特征,S.Zendehboudi等10将沥青质沉淀划分为从原油中析出、沉淀以及在岩石壁面上沉积和吸附 3 个阶
12、段。H.Rassamdana 等11观察到了沥青质的另一个阶段“沥青质絮凝”,此阶段的沥青质颗粒开始形成大直径的团簇和集合体。S.Fakher等12研究了CO2驱替过程中微纳米级多孔介质对沥青质沉淀的影响。B.Wei 等13、K.Qian等14和唐梅荣等15采用核磁共振方法研究了 CO2注入过程中沥青质在岩心中的沉淀部位,从微观尺度解释了沥青质沉淀造成渗透率降低和孔喉堵塞的原因。然而,目前关于 CO2驱油过程中沥青质方面的研究主要集中在沉淀量测定、预测及其对储层的伤害上,很少有学者将原油膨胀性与沥青质稳定性结合,研究影响原油膨胀作用因素的同时研究其对沥青质稳定性产生的影响。因此,本文通过研发高
13、温高压纳米滤膜过滤容器,开展非混相 CO2驱油实验,评价了多因素影响下的原油膨胀性及沥青质稳定性,明确了多因素影响下原油膨胀和沥青质沉淀特征,为充分发挥原油膨胀作用、抑制沥青质沉淀、提高原油采收率提供了参考和借鉴。1实验设计1.1实验材料实验原油取自长庆油田4个区块的地面脱气原油。原油经过过滤、脱水后分别测定其组分组成、黏 度(25)、密 度(25)和 四 组 分 等 参数(表1)。由表 1 可知,4 种原油样品的黏度、密度及沥青质含量均存在明显差异,其中1号原油的黏度最小,密度最小,沥青质含量最低,而4号原油的黏度最大,密度最大,沥青质含量最高。高温高压过滤容器中使用的纳米滤膜型号为cMWN
14、T型复合纳米滤膜,安装在过滤容器腔体底部,用以模拟岩心薄片对原油的过滤作用。纳米滤膜孔隙半径为100 nm,滤膜直径为50 mm。实 验 CO2气 体 为 购 置 的 商 业 CO2,纯 度 为99.9%。采用增压泵将气瓶中的 CO2增压至中间活塞容器,实验中通过驱替泵调节所需 CO2的注入压力。1.2实验仪器实验仪器主要包括 CO2膨胀实验中的地层流体分析仪(PVT容器)和沥青质沉淀实验中的过滤容器。其中地层流体分析仪(图1(a)为JEFRI带观测窗型,工作压力为 0.170.0 MPa,工作温度为-30200,自带泵精度 0.000 1 mL/min。自主研制的高温高压过滤容器(图 1(b
15、)材质为哈氏合金,最高耐温和耐压分别为200 和50 MPa,过表1原油样品基础物性参数Table 1 Basic physical parameters of oil samples原油编号1234密度(25)/(gcm-1)0.7870.8420.8960.961黏度(25)/(mPas)21106229442w(饱和烃)/%51.5347.5846.6841.23w(芳香烃)/%32.5328.7026.2330.56w(胶质)/%13.1218.8421.6322.13w(沥青质)/%2.824.885.466.08取样区块姬塬J3区吴起FC区吴起W2区华庆14区106第 42 卷 第
16、 4 期袁斌 等:CO2非混相驱原油膨胀及沥青质沉淀影响因素滤容器内腔底部有一直径为 40 mm 的出口,出口端底部可以安装商业纳米滤膜,模拟不同孔径尺寸的岩心薄片,并依次用筛网和挡板固定,以防止过滤容器内加压对纳米滤膜的挤压破裂。此外,实验仪器还包括中间容器(活塞容器,最大体积1 000 mL,最大承压 100 MPa),ISCO 全自动泵(最大压力 70 MPa,精度 0.001 mL/min),恒温箱(最高温度200)等。1.3实验步骤1.3.1注CO2原油膨胀实验(1)根据图1连接实验仪器,并注入氮气检查整个装置的密封性。分别对中间容器和 PVT 容器加热至实验温度,再从 PVT 出口
17、端对整个系统抽真空,然后逐级关闭所有阀门。(2)向PVT容器中注入20 mL实验原油,并测定恒温条件下原油体积与压力的关系,计算原油的压缩系数。(3)将加热后预设压力的 CO2注入 PVT 容器,从可视窗观察 CO2注入后油气界面的变化。然后加压至 CO2完全溶于原油中成为单相,从单相压力之上,采用逐渐降压法测定饱和 CO2原油的泡点压力,每级降压 12 MPa,绘制压力体积关系曲线,曲线拐点对应压力即为泡点压力。(4)泡点压力下饱和 CO2原油的体积与该压力下初始原油体积之比即为原油膨胀系数。重复步骤(1)(3),按照表2参数水平设定值分别测定不同 CO2注入压力、储层温度及原油黏度下的膨胀
18、系数。1.3.2注CO2沥青质沉淀实验(1)选取孔隙半径为 100 nm 的复合纳米滤膜模拟岩心薄片,将纳米滤膜、筛网和挡板按由上而下的顺序安装在过滤容器底部,关闭底部阀门后检查容器气密性,并抽真空。(2)将装有原油和 CO2的中间容器及过滤容器加热至实验温度,从过滤容器顶部向腔体中注入原油 30 mL,然后在预设压力下向腔体中注入 CO2,保持 CO2与原油的静置状态,使 CO2与原油充分相互作用2 h。(3)2 h 之后打开过滤容器底部阀门,在恒压(保持CO2注入阀门打开)下开始采油,每1 min记录一次产油量,直至CO2在底部突破后停止实验。(4)收集并分析产出原油和剩余在纳米滤膜上原油
19、的沥青质含量。本实验中采用四组分测试方法,将0.1 mL的原油溶解在10 mL正庚烷中,用滤纸过滤沥青质沉淀物并称质量,以确定沥青质的含量16。(5)重复步骤(1)(3),按照表 2 参数水平设定值分别测定不同 CO2注入压力、储层温度及原油黏度下的原油采收率及产出油和剩余油沥青质含量。图1注CO2原油膨胀和沥青质沉淀实验流程示意Fig.1 Sketch of experiment process of CO2 injection oil swelling and asphaltene precipitation表2各因素基础实验取值及可变取值Table 2 Basic experiment
20、values and variable values of the factors影响因素CO2注入压力/MPa储层温度/原油黏度/(mPas)基础实验取值860106可变取值225215601068100229101404421072023 年大庆石油地质与开发2实验结果及分析2.1注CO2原油膨胀特征及影响因素2.1.1CO2注入压力注入压力是影响 CO2在原油中溶解度的主要因素。当 CO2注入压力低于最小混相压力时,注入的CO2与原油之间仍然存在一定的界面,此时随着注入压力的升高,CO2溶解度也在增加,原油膨胀系数不断增大。图 2 为 4 种注入压力下 CO2与原油静态接触下的界面变化,
21、每组实验均在 60 温度下,采用黏度为 106 mPas(25)的 2 号原油进行。从图 2 可以看出,随着注入压力的增大,CO2与原油之间的反应程度不断加剧,CO2在快速溶于原油的同时还会抽提出原油中的轻质组分进入气相,并造成原油中重质组分逐渐在底部沉降1718。当 CO2达到超临界态后,其抽提萃取能力大幅增强,与原油之间的反应也更加剧烈。由图3可知,原油体积膨胀系数随注入压力的增加而增大,当注入压力由 5 MPa 增大至 8 MPa时,原油体积膨胀系数的增幅最大,达到 12.1%。这一方面是由于在 4 种不同注入压力下 CO2分别呈现气态、液态和超临界态 3 种相态,随着 CO2相态特征的
22、变化,其物理化学性质也在不断变化,并会对其在原油中的溶解能力产生影响。另一方面,随着注入压力的增加,油气之间界面张力不断降低,直至界面张力降至零,达到混相。但根据实际测定的不同注入压力下 4 种原油与 CO2界面张力的变化(图 4)可知,界面张力随注入压力的增加呈现出明显的3段式变化。第阶段,界面张力随压力升高而快速降低;第阶段,界面张力降幅放缓,这是由于原油溶解 CO2后,平衡性遭到破坏,沥青质颗粒逐渐在油气界面处析出,导致界面张力增大;第阶段,界面张力降幅进一步变缓,这是由于沥青质颗粒大量析出所致。整体来看,随 CO2注入压力增大,界面张力下降的幅度越来越小,CO2增压注入是抑制原油体积膨
23、胀的一个主要原因。2.1.2储层温度温度对注 CO2开发效果的影响较为复杂。温度升高会对 CO2与原油产生 2 种相反的影响。一方面温度升高会降低原油黏度,降低 CO2与原油之间的界面张力,使原油更易膨胀;而另一方面温度升高会降低 CO2在原油中的溶解度,不利于原油体积膨胀。这两种作用同时存在,相互依存,当其中一种作用效果占据主导地位时,将会相应地引起原油体积膨胀系数的增加或减少,进而对 CO2驱替效果产生影响。因此,明确温度对原油体积膨胀的影响对评价和预测CO2开发效果具有极其重要的意义。()a 2 MPa()b 5 MPa()c 8 MPa()d 10 MPaCO2?图2不同注入压力下CO
24、2与原油界面的变化Fig.2 Changes of CO2-oil interface at different injection pressure11.11.21.310?/MPa?/()mL mL-12468.图3不同注入压力下的原油体积膨胀系数Fig.3 Oil volume swelling coefficient at different injection pressure010152535?/MPa?/mN?m()-11?302052?3?4?24681012.图44种实验原油界面张力与CO2注入压力的关系Fig.4 Relationship of interfacial te
25、nsion of 4 experimental oils vs.CO2 injection pressure108第 42 卷 第 4 期袁斌 等:CO2非混相驱原油膨胀及沥青质沉淀影响因素图 5为 4种不同温度下原油体积膨胀系数的变化,每组实验均采用注入压力 8 MPa 和黏度为106 mPas 的 2 号原油。从图 5 中可知,随着温度的升高,原油体积膨胀系数不断下降,且下降趋势非常明显。这说明在 8 MPa注入压力和 2号原油物性条件下,原油体积膨胀系数降低主要是由 CO2溶解度降低引起的。2.1.3原油黏度虽然原油黏度变化对原油体积膨胀的影响属于温度变化后产生影响的范畴,但单独研究原油
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