二氧化碳辅助蒸汽吞吐开采超稠油机理——以王庄油田郑411西区为例.pdf

二 氧 化 碳 辅 助 蒸 汽 吞 吐 开 采 超 稠 油 机 理 以王庄油田郑411西区为例 陶 磊 1, 2 ,李兆敏 1 ,张 凯 3 ,王 勇 1 ,张继国 4 1.中国石油大学华东石油工程学院,山东 东营257061; 2. Institute of Petroleum Engineering Heriot- WattUniversity, Edinburgh EH14 4ASUK; 3.中国石油大学华东储运与建筑工程学院,山东 东营257061; 4.中国石化股份胜利油田分公司 石油开发中心,山东 东营257000 摘要在测定超稠油粘温特性的基础上,利用P VT高压物性实验装置测定了二氧化碳在王庄油田郑411西区超稠 油中的溶解能力、 二氧化碳对超稠油的溶胀和降粘作用,以及二氧化碳与超稠油的界面张力。结果表明随着温度 的升高,超稠油的粘度急剧下降;溶解二氧化碳后超稠油体积明显增大,体积系数最大可达1. 311m3/m3;二氧化碳 对超稠油的降粘效果明显,且在低二氧化碳溶解度下降粘效果极为明显,当其溶解度超过50 s m3/m3时,降粘率超过 96;二氧化碳与超稠油体系的界面张力随压力的增加而减小,当压力大于25MPa时,界面张力趋于稳定 。在室内 实验的基础上,对前人的部分研究成果进行了修正,确定了适用于郑411西区超稠油的粘度 、 溶解度和体积系数的 计算公式,其中超稠油粘度计算公式的判定系数为0. 993, CO2在超稠油中的溶解度和油气混合物粘度计算公式的 相对平均误差为5 ,达到了较高的精度。 关键词超稠油;二氧化碳;溶解度;降粘;体积系数;界面张力 中图分类号 TE357. 42文献标识码A文章编号 1009 - 9603200901 - 0051 - 04 超稠油是指在地层温度条件下脱气原油粘度大 于50 000mPas,密度大于0. 98g/cm 3的原油[ 1 ]。 由于超稠油具有高粘度和高凝固点的特性,蒸汽吞 吐成为开采超稠油最常用的方法。然而地层中油水 粘度的巨大差异导致蒸汽向高渗透带窜流,注入蒸 汽无效循环,大量的剩余油在低渗透带和油层上部 富集,油藏采收率普遍较低,仅为10～20 [ 2 ]。 因此改善超稠油的物理性质,降低超稠油粘度成为 开发超稠油油藏亟需解决的问题。 近年来CO2采油技术在美国和加拿大发展迅速 并已成为第2大提高采收率的方法 [ 3] ,可提高采收 率15～25。2004年美国共实施了71个CO2驱 油项目,其产油量达到32 731 . 8m 3 /d。中国的大庆 油田、 胜利油田 [ 4 ] 、 辽河油田 [ 5 ]和江苏油田[ 6 ]等都 进行了CO2驱油试验,取得了一定的效果,但CO2吞 吐开采特稠油、 超稠油的研究和试验不多。为此,笔 者研究了CO2辅助蒸汽吞吐提高超稠油采收率的机 理,以期为此类油藏的开发开辟一条新的途径。 1 郑411西区概况 1 . 1 油藏概况 郑411西区位于王庄油田西部,构造上处于东 营凹陷北部陡坡带西段,北靠陈家庄凸起,西界为郑 家潜山,南临利津油田,东临郑411东区。沙三段上 亚段是主要的含油层系,细分为E3s3 1 - 1和 E3s3 1 - 2共 2套开发层系。其中E3s3 1 - 1含油面积为 4 . 93k m 2 , 石 油地质储量为5 501 0 4 t,孔隙 度平均值为 32 . 8,渗透率平均值为4 91310 - 3μ m 2 ; E3s3 1 - 2 含油面积为3. 96km 2 ,石油地质储量为87910 4 t, 孔隙度平均值为34. 4 ,渗透率平均值为6 722 10 - 3μ m 2。 1 . 2 地层原油的基本物性 郑411西区油藏属超稠油油藏, 50℃ 下地面脱 气原油粘度在200 000mPas以上,最高达800 000 mPas,胶质含量约为48 ,沥青质含量为12～ 收稿日期;改回日期5。 作者简介 陶磊,男,年毕业于石油大学华东石油工程专业,现为该校油气田开发专业在读博士研究生,从事O开发特超稠油油 藏方面的研究。联系电话 5 6335 ,365y。 基金项目 山东省自然科学研究基金资助课题“O捕集与埋存及在稠油开发中的应用”Y6 和国家留学基金管理委员会“ 国家建 设高水平大学项目 ”留金出[]3号 第16卷 第1期 油 气 地 质 与 采 收 率 Vol . 16, No. 1 2009年1月 Petroleum Geology and Recovery Efficiency Jan .2009 2008 - 11 - 112008 - 12 - 0 2004C 2 0 48 911 E - m ail taolei2ahoo . com. cn C 2 200 E11 2007020 18,凝固点为24～46℃,常温状态下均为固态。 2 CO2辅助蒸汽吞吐提高采收率的机 理 通过设计一系列实验,对超稠油的粘温特性、 CO2对超稠油的溶胀和降粘作用及CO2与超稠油的 界面张力进行了研究,对CO2在开采超稠油中的作 用机理进行了系统、 细致的分析。 2. 1 超稠油的粘温特性 利用布氏粘度计测定了郑411西区超稠油的粘 温曲线图1。超稠油的粘度随温度的变化非常敏 感,温度升高,粘度急剧下降。超稠油粘度与温度在 半对数坐标轴上呈基本线性关系,这是超稠油热力 采油的主要原理。 图1 郑411西区超稠油粘温曲线 由于超稠油凝固点高、 粘度大,中外学者提出的 计算原油粘度的公式对其都不适用。笔者对Beggs 等提出的计算原油粘度的关系式 [ 7 - 8 ]进行了适当修 正,即 μ od10 X -1.0 1 其中 X 1.8T 32 -1.016 3 exp 6.982 4-0.046 58 141.5 ρ -131.5 2 式中μ od为地面脱气原油粘度, mPas;T为温 度,℃;ρ 为地面脱气原油密度, g/cm 3。 利用修改后的公式对不同温度下超稠油粘度的 计算结果显示图1 , 50,60, 70和80℃ 的相对误差 分别为7. 68 , 3. 75 , 5. 02和10. 75 ,修改后 公式的判定系数 [ 9 ]为 0 . 993,可见修改后公式达到 较高的拟合程度,可以较为准确地描述超稠油粘度 随温度变化的关系。 O对超稠油的溶胀作用 利用高温高压VT物性分析仪对O的溶解 能力及溶解O后超稠油的膨胀能力进行了测定。 2 . 2. 1 CO2在超稠油中的溶解能力实验 由不同温度下CO2在超稠油中的溶解能力可以 看出图2, CO2在超稠油中的溶解度较小,在 30 MPa的高 压 下CO2在 超 稠油 中的 溶 解 度达 110sm 3 /m 3 ,远远低于CO2在一般原油中的溶解度。 CO2溶解于原油的机理是抽提萃取原油中的轻烃组 分,其溶解能力主要与原油的性质有关。超稠油密 度大,轻烃含量少,胶质和沥青质含量高,导致CO2 对其溶解能力小。CO2在超稠油中的溶解度随压力 的增大而增加,但增加的幅度越来越小。温度对溶 解度的影响较为复杂,对于低温系统温度低于 120℃,当压力低于28MPa时,温度越高,同一饱和 压力下溶解CO2的量就越少,当压力高于此值时,温 度越高,同一饱和压力下溶解CO2的量就越多;但对 于高温系统,温度越高, CO2在超稠油中的溶解能力 越差。这是由CO2分子的运动能力、 原油的分子间 距共同作用的结果,在低压下,原油分子间隙较大, CO2分子在原油中的运动对溶解度影响较大,温度 越高, CO2分子运动越剧烈,越容易蒸发、 汽化,不利 于在原油中的溶解;随着饱和压力的不断增大,原油 由于被压缩密度越来越大,原油的分子间隙对溶解 度影响较大,温度越低,原油分子排列得越致密, CO2分子越难以溶解在其中。 图2 不同温度下CO2溶解度与饱和压力的关系 油藏工程中有很多确定气体在原油中溶解度的 方法 [ 8, 10 ] 。比较常用的有Standing提出的关系式和 诺模图、Lasater关系式、Vazquez和Beggs关系式,但 采用这些公式对CO2在超稠油中的溶解度进行计算 的结果与实际值相差很大。Chung等 [ 11 ]在大量实 验的基础上提出了重油溶解CO2的表达式,用此表 达式计算超稠油溶解CO2的能力,计算误差在5 以内,因此可以用此公式计算高温下超稠油溶解 O的能力。 溶解O后超稠油的体积系数 超稠油溶解O后体积膨胀,这样大大增加了 25油 气 地 质 与 采 收 率 2009年1月 2. 2C 2 PC 2 C 2 C 2 2 . 2. 2C 2 C 2 地层能量和流动压差,可大幅度提高产油量,还有利 于膨胀后的剩余油脱离地层水及岩石表面的束缚, 变成可动油,从而降低残余油饱和度,提高原油采收 率。 由表1可见,超稠油溶解CO2后,油气混合物的 体积系数随CO2溶解度的增加而增加,当CO2在超 稠油中的溶解度为110sm 3 /m 3时 ,油气混合物的体 积系数可达1. 311m 3 /m 3 ,体积膨胀了32。由表1 亦可看出,温度对超稠油溶解CO2后的体积系数影 响不大,温度升高油气混合物的体积系数略有上升。 可见在饱和压力下,超稠油溶体CO2后的体积系数 取决于CO2的溶解度。 表1 不同温度和溶解度条件下超稠油溶解 CO2后的体积系数 CO2的溶解度/ s m3m - 3 体 积 系 数/m3m - 3 60℃80℃100℃120℃ 11. 0111. 0141. 0201. 022 51. 0221. 0261. 0291. 034 101. 0331. 0361. 0411. 044 201. 0611. 0661. 0711. 075 301. 0911. 0971. 0991. 107 401. 1211. 1251. 1311. 139 501. 1421. 1451. 1491. 155 601. 1611. 1671. 1711. 175 701. 1851. 1911. 1981. 201 801. 2211. 2251. 2281. 231 901. 2481. 2551. 2611. 265 1001. 2811. 2851. 2881. 295 1101. 2881. 2951. 3021. 311 Vazquez和Beggs结合泡点压力和溶解度的关 系式,提出了计算饱和状态下原油地层体积系数的 方程 [ 10 ] ,方程中C1, C2和C3是与原油密度有关的参 数,其值分别为4 . 67710 - 4,1. 751 10 - 5 和- 1. 811 10 - 8。在实验基础上 ,利用实验数据回归计算得到 了适用于郑411西区超稠油的C1, C2和C3值,分别 为4 . 607 810 - 4 , 2. 432 910 - 5和 1. 416 210 - 8。 2. 3 CO2对超稠油的降粘作用 原油粘度大和流动能力差是制约超稠油油藏开 发效果的主要因素, CO2溶解于超稠油后能大大降 低超稠油的粘度,是CO2辅助蒸汽吞吐提高超稠油 采收率的重要机理。由利用落球粘度计测定的超稠 油溶解CO2后的粘度结果可以看出表2 ,超稠油 的粘度随着溶解度的增加而下降,且在较低溶解度 下粘度降低得极为显著。溶解度大于5 33以 后降粘率超过6,粘 度是原来的3。李振 泉 []的研究结果显示原油粘度越大 ,O对超稠油 的降粘效果越好, 1m 3普通稠油溶解 70m 3 CO2后粘 度降低,但原油粘度仍高于原来的1 /8,而对于稀油 降粘率小于50。 表2 不同温度和溶解度条件下溶解CO2后 超稠油的粘度 CO2的溶解度/ sm3m - 3 粘 度/mPas 60℃80℃100℃120℃ 155 2796 1671 382467 525 4813 524887311 1013 6582 146574207 205 789861285113 303 00551617575 401 55435610547 501 0152387537 607601756329 704801204625 80413953819 90312802916 100231622713 110198532110 Beggs和Robinson提出了一种计算饱和状态下 脱气原油和气体混合物粘度的方法 [ 7 ] ,用该公式计 算的粘度和实验数据吻合得较好,平均误差为5, 能够满足工程需要。通过实验数据对该方程进行了 修改,即 μ o s Aμ od B 3 其中 A 10.75.618 4Rs100 -0.515 4 B 5.445.618 4Rs150 -0.338 5 式中μ os为饱和原油的粘度,mPas;A为溶解 气油比的函数;B为溶解气油比的函数;Rs为溶解气 油比, sm 3 /m 3。 利用上述公式对不同溶解气油比、 不同温度下 的油气混合物的粘度进行了计算,在60, 80, 100和 120℃ 时不同溶解气油比下的平均相对误差分别为 4 . 52, 4. 64 , 5 . 34和5 . 66,式3的相对平 均误差为5,能够满足工程需要。这说明该公式 可对溶解CO2后的油气混合物的粘度进行准确计 算。 2 . 4 CO2与超稠油界面张力 CO2与超稠油界面张力采用悬滴式高温高压界 面张力仪进行测定。实验方法为将样品釜A和B 及悬滴室用石油醚洗3次,抽真空;样品釜A中进 油样,B中进O。当系统升温至所需温度65℃ 并恒温一段时间后,将样品釜B中的O压入悬滴 室至所需压力气态或液态 ,然后压一滴油藏流体 35 第16卷 第1期 陶磊等二氧化碳辅助蒸汽吞吐开采超稠油机理 0sm /m 91 / 4 12 C 2 C 2 C 2 于悬滴室探针处,保持油滴在最大状态,摄像记录图 像,并记录压力。 由溶解CO2后的超稠油界面张力曲线可见图 3,随着注入压力的升高,溶解CO2超稠油的界面张 力逐渐降低,在地层中有利于超临界CO2驱动原油 并不断溶于原油,增大接触面积,从而快速形成了膨 胀原油带,这样又阻滞了CO2的指进。随着注入压 力的升高, CO2在油水相中的浓度均逐渐增大,油水 相界面张力降低但降低的速度逐渐变缓,当注入压 力大于25MPa时界面张力基本不变,可见CO2在超 稠油中无法达到混相 [ 13 - 14 ]。 图3 溶解CO2后超稠油的界面张力 3 结论 超稠油的粘度随温度变化非常敏感,温度升高, 粘度急剧降低,证实了蒸汽吞吐是降低原油粘度、 提 高超稠油采收率的有效方法。 CO2能溶解于超稠油并使其体积膨胀,从而使 含油饱和度增加,油相相对渗透率和流动能力增加, 同时体积膨胀增加油藏的弹性能量,这也是CO2提 高超稠油采收率的机理之一。 CO2对郑411西区超稠油具有极为显著的降粘 效果,溶解度达到50sm 3 /m 3时降粘率达 96 , CO2 溶解于超稠油能够大幅度降低它们之间的界面张 力,原油粘度的降低可以提高原油的流动性, CO2的 指进因原油粘度和界面张力的降低而受到大幅度的 遏制。 超稠油粘度的热敏感性、CO2在超稠油中良好 的溶解和膨胀特性及CO2的降粘能力及CO2与原油 间的低界面张力是CO2辅助蒸汽吞吐提高超稠油采 收率的理论依据。 参考文献 [ 1] 张琪,万仁溥.采油工程方案设计[M ].北京石油工业出版 社,2002. 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