二氧化碳對重質鏈狀烷烴的膨脹效應

劉曉蕾，王正東，韓海水

(1.中國科學院滲流流體力學研究所，河北 廊坊 106500；2.提高石油采收率國家重點實驗室，北京 100083；3.中國石油勘探開發研究院，北京 100083；4.盤錦職業技術學院，遼寧 盤錦 124010)

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二氧化碳對重質鏈狀烷烴的膨脹效應

劉曉蕾1，2，3，王正東4，韓海水2，3

(1.中國科學院滲流流體力學研究所，河北 廊坊 106500；2.提高石油采收率國家重點實驗室，北京 100083；3.中國石油勘探開發研究院，北京 100083；4.盤錦職業技術學院，遼寧 盤錦 124010)

目前CO2對烴類純組分膨脹效應研究主要針對碳數小于16的輕質中質烷烴，對碳數大于16的重質烷烴并未涉及，為此，選取碳數為20～32的3種重質鏈狀烷烴，分別與CO2組成不同物質的量之比的二元體系，進行不同溫度下的恒質膨脹實驗，獲取重質鏈狀烷烴-CO2體系膨脹系數的基礎數據，探究CO2對于重質鏈狀烷烴的膨脹效應。實驗結果表明：相同狀態時，不同碳數的重質鏈狀烷烴-CO2體系的膨脹程度影響幾乎相同；在CO2含量較高時，溫度和壓力對膨脹程度有一定影響，溫度越高、壓力越小，體系膨脹程度越大；膨脹系數隨CO2物質的量百分含量增加呈拋物線趨勢增大。研究結果對于水驅后重組分含量較高的原油開展CO2驅相態計算具有重要的理論指導意義。

水驅后油藏；重質鏈狀烷烴；CO2；恒質膨脹實驗；膨脹系數；相態計算；提高采收率

0 引 言

CO2溶于原油致使原油膨脹是CO2驅提高采收率的一個重要機理[1-2]。文獻[3-5]均針對特定油藏原油進行了膨脹程度的研究，并提出了相應膨脹系數的預測圖版，但所得的結果僅針對特定油藏原油；文獻[6-7]改變思路，研究CO2對原油中的烴類純組分的膨脹效應，通過加權平均計算，可將結果應用于任意組成原油的CO2驅相態計算，使結果的應用性有了一定的提高。研究顯示，長期水驅后的原油物性會發生改變，密度和黏度增加，含蠟量升高。然而文獻[6-7]中已有的CO2對烴類純組分膨脹效應研究主要針對碳數小于16的輕質及中質烷烴，對碳數大于16的重質烷烴并未涉及，導致研究成果不能很好地應用到水驅后重質組分含量較高的原油的CO2驅相態計算。為解決上述問題，選取正二十烷(C20)、正二十四烷(C24)、正三十二烷(C32)3種重質鏈狀烷烴分別與不同物質的量CO2配制成二元體系，進行不同溫度下的恒質膨脹實驗，獲取重質烷烴-CO2體系膨脹系數基礎數據，探究CO2對重質鏈狀烷烴的膨脹效應。

1 恒質膨脹實驗

恒質膨脹實驗是在恒定溫度下，通過逐級退泵增加體系體積，測定恒定質量樣品的壓力與體積的關系。

1.1 實驗樣品

實驗用3種重烴組分為C20、C24、C32，TCL公司生產，均為分析純；實驗用CO2為北京兆格氣體科技有限公司生產，純度為99.996%；清洗實驗設備用煤油為航空煤油，分析純；所用石油醚，北京化工廠生產，分析純。

實驗裝置選用加拿大DBR公司生產的無汞高壓JEFRIPVT裝置。該裝置流程由PVT釜、裝有CO2的中間容器、裝有重烴組分的中間容器、ISCO泵、柱塞泵、攝像機、成像儀、光柵尺控制器以及計算機等組成。PVT釜有前后視窗，通過攝像機可直觀觀察釜內樣品體積的變化，同時通過光柵尺控制器和計算機能準確地獲取當下釜內樣品的體積。實驗步驟參考國家標準[8]，主要步驟如下。

(1) 重質烷烴樣品的轉入。設定空氣浴溫度大于重質烷烴熔點，待重質烷烴溶解后，泵入一定體積至PVT釜中。

(2) 測定重質烷烴密度。設定恒溫箱溫度T，升壓至30 MPa，穩定一段時間，采用3次稱重法[7]進行測量，平均值即為重質烷烴在溫度T、30 MPa時的密度(ρ重烴)。

(3) 實驗樣品的配制。重質烷烴物質的量和二元體系所需CO2體積的計算公式為：

(1)

(2)

式中：M重烴為重質烷烴的相對分子質量；MCO2為CO2的相對分子質量；ρCO2為CO2在溫度T、30 MPa下的密度，g/cm3；c為CO2在二元體系中的物質的量百分含量，取值分別為25%、50%、75%。

釜內壓力恒定在30 MPa，讀取釜中重質烷烴的體積V重烴，根據式(1)、(2)計算n重烴、VCO2，根據計算結果將所需CO2的體積泵入PVT釜中，完成實驗樣品配制。

(4) 粗測泡點壓力。升高壓力至樣品為單相，打開攪拌器，穩定一段時間。以較低流速退泵，觀察釜內壓力及相態變化，當發現壓力難以下降甚至升高時停泵，靜置一段時間，記錄此時的壓力即為粗測泡點壓力。

2.品種結構逐步調整。養殖品種包括青、草、鰱、鳙、鯉、鯽、鳊、鲌、鱸、鮰、鱖、鰍、大鯢、鱉、龜等20余種經濟魚類。大鯢、黃緣閉殼龜等品種為國家和省級重點水生保護動物，已成為地方養殖特色品種。

(5) 實驗樣品的p—V關系測量。升高壓力至樣品為單相，穩定一段時間記錄此時釜內樣品的體積和壓力。恒壓模式逐級退泵至泡點壓力，分別穩定30 min記錄各狀態釜內樣品的體積(V)和壓力(p)。

(6) 設定恒溫箱溫度為下一個溫度點，準備下一組實驗。實驗設定溫度分別為70、90、110 ℃。

2 實驗結果及分析

膨脹系數能有效地表征體積膨脹程度，其定義為相同溫度、壓力條件下，原油組分中溶解CO2前、后體積之比的倒數[4]，根據所得的p—V關系，求得各體系不同狀態下的膨脹系數。由于篇幅限制，僅以C24-CO2體系為例進行實驗，結果見表1，以30 MPa下重質鏈狀烷烴-CO2體系為例進行實驗，

表1 C24-CO2體系膨脹系數計算結果

結果見表2。對所得結果進行總結，得到溫度、壓力、CO2含量以及烴組分對體系膨脹程度的影響。

表2 30MPa下重質鏈狀烷烴-CO2體系膨脹系數

2.1 壓力、溫度對膨脹程度的影響

壓力、溫度對膨脹程度的影響見圖1、2。由圖1、2可知，當體系中CO2物質的量比重質烷烴物質的量少或者相當時(CO2物質的量百分含量不大于50%)，改變壓力和溫度，體系膨脹系數幾乎不改變，即壓力和溫度對體系的膨脹系數影響均較小。當CO2物質的量比重質烷烴物質的量多時(CO2物質的量百分含量為75%)，隨著壓力降低，體系膨脹系數增大；隨著溫度升高，體系膨脹系數有較明顯增幅。

圖1 110℃時壓力與膨脹系數關系(C24單相為例)

圖2 30MPa時溫度與膨脹系數關系(C24為例)

2.2 CO2含量對膨脹程度的影響

CO2含量對膨脹程度的影響見圖3。由圖3可知，30 MPa、110 ℃時，重質鏈狀烷烴-CO2體系的膨脹系數均隨CO2物質的量百分含量的增加呈指數曲線趨勢增加，CO2含量越大，CO2對原油中重質烷烴的膨脹作用越明顯。其他溫壓條件也具有相似的變化規律。

圖3 30MPa、110℃時CO2物質的量百分含量與膨脹系數關系(以C24為例)

2.3 烴組分對膨脹程度的影響

結合已有的輕質中質鏈狀烷烴-CO2體系(碳數小于16)膨脹系數數據[4]，得到圖4、5，實驗條件均為30 MPa、110 ℃。由圖4可知，鏈狀烷烴-CO2體系的膨脹系數隨CO2物質的量百分含量變化的規律同2.2，但重質鏈狀烷烴體系膨脹系數隨CO2物質的量百分含量變化幅度小于輕質中質鏈狀烷烴體系。由圖5可知，體系膨脹系數隨著烴組分碳數的增加呈下降趨勢，增至重質鏈狀烷烴時曲線逐漸趨于平穩，且CO2物質的量百分含量越大，變化幅度越大。

上述規律說明，不同碳數的重質鏈狀烷烴-CO2體系在相同狀態時的體積膨脹程度幾乎相同，即烴組分對重質鏈狀烷烴-CO2體系膨脹程度影響較小。且原油中的重質組分對原油-CO2體系的膨脹效應雖小于輕質組分，但其仍對原油-CO2體系的膨脹具有貢獻，最大膨脹系數為1.428 5(表2)。

圖4 不同鏈狀烷烴CO2物質的量百分含量與膨脹系數關系

圖5 不同鏈狀烷烴碳數與膨脹系數關系

2.4 應用指導

油藏注水開發后期，由于輕質組分溶于注入水及其他作用的影響，致使原油中重質組分含量增高，含蠟量也相對增高。CO2易與原油中的輕質組分互相抽提形成混相驅，輕質組分的減少導致水驅后油藏CO2驅以非混相驅為主。CO2非混相驅提高采收率的主要機理為CO2溶于原油致使原油膨脹、黏度下降。實驗結果證實，CO2對于原油中的重質組分具有膨脹效應，因此，水驅后油藏進行CO2驅提高采收率是可行的。

同時，獲得的重質鏈狀烷烴-CO2體系膨脹系數基礎數據，為后續修正相態軟件性能參數的計算

公式提供基礎數據支持，相態軟件性能參數的計算是半經驗半理論的，需要用實驗結果進行擬合。研究成果對于水驅后重組分含量較高的油藏原油CO2驅相態計算具有重要的理論指導意義。

3 結 論

(1) 獲取了不同溫度、壓力、CO2物質的量百分含量下C20、C24、C32的膨脹系數基礎數據，填補了已有研究的空白。

(2) 在相同狀態條件下，不同重質鏈狀烷烴-CO2體系的膨脹效應幾乎相同。重質鏈狀烷烴-CO2體系的膨脹程度主要受溫度、壓力、CO2含量的影響，與輕質鏈狀烷烴-CO2體系不同，重質鏈狀烷烴-CO2體系的膨脹程度受烴組分影響較小。

(3) 溫度和壓力對重質鏈狀烷烴-CO2體系膨脹程度的影響主要體現在：CO2物質的量百分含量大于50%時，溫度越高、壓力越低，體系膨脹程度越大；CO2物質的量百分含量越大，體系膨脹程度越大，最大可達到1.428 5。

[1] 秦積舜，韓海水，劉曉蕾.美國CO2驅油技術應用及啟示[J].石油勘探與開發，2015，42(2)：209-216.

[2] 韓海水，李實，陳興隆，等.CO2對原油烴組分膨脹效應的主控因素[J].石油學報，2016，37(3)：392-398.

[3] SIMON R，GRAUE D J.Generalized correlations for predicting solubility，swelling and viscosity behavior of CO2-crude oil systems[C].SPE917，1965：102-106.

[4] MONGER T G，KHAKOO A.The phase behavior of CO2-application oil systems[C].SPE 10269，1981：1-5.

[5] TSAU J S，BUI L H，et al.Swelling/extraction test of a small sample size for phase behavior study[C].SPE129728，2010：1-7.[6] NEMATI Lay E，TAGHIKAHANI V，et al.Measurement and correlation of CO2+ n-hexane at near-critical and supercritical condition[J].Journal of Chemical & Engineering Data，2006，51(6)：2197-2200.

[7] 韓海水.原油組分和二氧化碳體系關鍵狀態參數的獲取及應用[D].北京：中國石油勘探開發研究院，2015.

[8] 鄭希譚，孫文悅，李實，等.GB/T 26981—2011油氣藏流體物性分析方法[S].北京：中國標準出版社，2012.

編輯 王 昱

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.05.029

20160714；改回日期：20160720

國家重點基礎研究發展計劃“973”項目“孔隙介質中相態實驗與理論研究”(2011CB707304)；中國石油天然氣股份有限公司重大科技專項“長慶油田低滲透油藏CO2驅油及埋存關鍵技術與應用”(2014E-3601)

劉曉蕾(1990-)，女， 2012年畢業于中國石油大學(華東)石油工程專業，現為中國科學院滲流流體力學研究所流體力學專業在讀博士研究生，主要從事注氣驅提高采收率方面的研究工作。

TE135

A

1006-6535(2016)05-0118-04