氣體在原油中擴散系數影響因素研究進展*

王志興，侯吉瑞，李 妍，李 卉，朱貴良

（1.中國石油大學（北京）提高采收率研究院，北京102249；2.中國石油三次采油重點實驗室低滲油田提高采收率應用基礎理論研究室，北京102249；3.石油工程教育部重點實驗室，北京102249；4.中石化石油勘探開發研究院，北京100083）

0 前言

注入氣的擴散系數是研究注氣提高采收率機理的重要參數之一。高溫高壓的油藏條件下注入氣與原油接觸，受濃度差、色散力、毛管力等作用，氣體分子擴散到地層原油中。擴散系數決定了注入氣在地層流體中溶解量的高低以及溶解后引起原油性質的變化程度，進而決定了原油體積膨脹和黏度變化規律、飽和壓力改變等［1-2］。在注入氣進入原油的擴散過程中，氣體（如CO2、C3H8）對原油輕質組分（或中間組分）的抽提作用也同時發生，進而引起油氣界面張力降低［3-4］，甚至達到混相［5-7］，最終實現采收率大幅增加。

近年來，隨注氣提高采收率技術在縫洞型油藏、致密油等非常規油氣藏的應用［8-13］，需進一步分析非常規油氣藏復雜地層條件下的擴散系數，以輔助研究相關類型油藏注氣提高采收率機理。當前對氣體擴散系數的認識是建立在常規砂巖油藏或淺層稠油油藏基礎之上，大部分的研究主要集中在實驗測量方法的對比，對擴散系數的影響因素只是初步探究，對氣-油相互作用的機理認識不夠充分。同時，現階段對氣體-原油擴散系數的研究主要集中在測量方式的優化和計算方法的改進［14-15］，但優化了的氣體擴散系數測定方法及計算方式應用范圍限制較多，對擴散系數影響因素的總結認識有待進一步深入。因此，本文調研了近期關于注入氣體在原油擴散系數的研究，初步總結了影響擴散系數的相關因素，簡單分析了對應因素的影響機理，為以后非常規油氣中的注氣提高采收率機理研究提供一定參考。

1 氣體類型對擴散系數的影響

根據開發目的，注入氣類型多樣，非烴類氣體主要以氮氣［16-18］、二氧化碳為主，或者是采出氣［19］、甲烷、丙烷和丁烷等烴類氣體。注入氣體介質的類型決定了對應的氣體溶解進入原油容易程度。氣體的擴散系數越高，注入氣更易進入原油，進而改善原油物性特征明顯，增加原油流動性，與原油達到混相；氣體擴散系數越低，注入氣進入原油相對困難，地層保壓能力相對較好，較低密度的自由氣形成的氣頂聚集在油層上部以重力分異作用將原油驅至井底［20］。因此，氣體擴散系數是分析不同注入氣提高采收率機理的重要參數，也是后續注氣開發方式及參數優化的重要指導參數。

Hill 與 Lacey［19］首次將擴散系數用于指導現場注氣，為研究采出氣回注對油藏能量的補充能力，測量了氣體在原油中的擴散系數。他們認為相同條件下丙烷在原油中的溶解速率高于甲烷，且在低壓條件就有較高溶解度，更適合油藏回注提高原油流動性，主要原因是丙烷的擴散系數高于甲烷。可以看出，擴散系數的研究對現場注氣開發有一定的指導作用。

針對不同注氣體在原油中擴散系數的研究，眾多研究者采用不同測量方法且進行了初步的對比。Simant 等［21］對比了不同溫度下二氧化碳、甲烷、乙烷和氮氣等氣體在Athabasca瀝青質中的擴散系數（圖1），相同條件下乙烷的擴散系數最高，二氧化碳次之，氮氣最低，且均在相同數量級。Zhang等［22］采用壓力衰竭法（Pressure Decay）測量注入氣在稠油中的擴散系數，該方法提高了注入氣在原油中擴散的壓力條件。在5 Pa·s、21℃、3.5 MPa 的條件下，甲烷在稠油中的擴散系數（8.6×10-9m2/s）高于二氧化碳（4.8×10-9m2/s），但相同條件下二氧化碳在稠油中的溶解量高于甲烷。郭平等［23］通過定容擴散方法及相關模型測量了氮氣、甲烷和二氧化碳在實際地層原油中的擴散系數，發現二氧化碳-原油系統中，氣相、液相中每一組分的擴散系數均高于氮氣-原油系統和甲烷-原油體系中對應組分的擴散系數。Yang與Gu［24］采用動態垂懸滴體積分析法（Dynamic Pendant Volume Analysis，DPDVA）研究了二氧化碳、甲烷、乙烷和丙烷在稠油的擴散系數（表1）。二氧化碳在稠油中的擴散系數高于烴類氣體，但原油膨脹后，乙烷的擴散系數迅速增加，為4種氣體最高。Nguyen 和 Farouq Ali［25］研究了氮氣對二氧化碳-Aberfeldy 原油擴散系數的影響，發現氮氣的存在降低了二氧化碳在原油中的擴散系數，最終降低二氧化碳在原油中的溶解度，從而導致注氣過程中更容易發生氣竄。

圖1 不同氣體在Athabasca瀝青質中的擴散系數［21］

表1 不同氣體介質在稠油中的擴散系數［24］

從不同注入氣在原油中的擴散系數可以看出，氮氣在原油中的擴散系數較低，而二氧化碳則接近甚至高于其他烴類氣體的擴散系數，是理想的提高采收率注入介質。針對不同注入氣在原油中擴散系數差異的機理解釋，一些學者也進行了相關研究。Lara等［26］認為，不同氣體在原油界面上的分子排列不同，造成了擴散行為的差異。二氧化碳與甲烷在原油界面上不存在原油分子的優先定位，而N2在原油界面上的原油方向秩序參數隨溶解氣量增加而逐漸降低。Tharanivasan 等［27］認為，烴類氣體與原油接觸立刻溶解，在原油界面立刻達到飽和，界面阻力較小，而二氧化碳和氮氣等非烴類氣體在與原油接觸時，界面并未達到飽和，界面阻力較大，不易擴散。Sohaib［28］通過分子動力學模擬方法對比注入氣在原油中界面特征的結果表明，與原油之間的低界面張力和在油相中的高擴散性是二氧化碳區別于其他用于提高采收率注入流體獨有的特征。

對比不同注入氣在原油中的擴散系數可以看出，由于測量條件的不一致，導致不同氣體在原油中的擴散系數規律性認識并不統一。結合不同注入氣在原油中擴散系數機理研究的文獻調研結果，注入氣在原油中的擴散系數偏差主要體現在注入氣與原油的界面特征差異上。因此，原油界面上不同注入氣的擴散特征描述，是研究不同注入擴散行為特征的主要切入點。

2 原油物性對擴散系數的影響

原油組分不同，主要體現在密度、黏度等宏觀物性上的差異。高溫高壓油藏條件下，注入氣通過擴散作用溶入原油中，引起原油體積膨脹（密度降低）、黏度降低（流動性增強）等，促進油滴剝離巖石表面，進而流入井底。然而對于不同性質的原油，注氣提高采收率的機理各異。研究原油物性對注入氣在原油中擴散作用的影響，不僅有助于深入理解注入氣與原油的混相難易程度，而且便于掌握由氣體擴散溶解引起的原油物性變化規律，進而指導現場注氣類型選擇、注氣開發方式選取和注氣參數的優化等。

對于原油物性對擴散系數的研究，研究人員借助理論和實驗測量得到了一些初步認識。（1）理論分析方面。現有的擴散系數理論計算多基于Stokes-Einstein 方程［29］（式（1）），僅考慮了單一稀釋溶質擴散主要特征的簡單模型。通過該方程，可計算無限稀釋相互擴散系數D12。

其中，kB—Boltzmann 常數；T—溫度，nSE—Stokes-Einstein 數；η—溶質黏度；a—溶質的水動力學半徑。在Stokes-Einstein 基礎上，Wilke 等［30］提出了一些改進，即

式中，表示在非常低的濃度下，溶質A在溶劑B中的擴散系數，cm2/s；MB—溶劑B的分子量，g/mol；T—絕對溫度，K；μB—溶劑B的黏度，mPa·s；VA—正常沸點下溶質A 的摩爾體積，cm3·g/mol；φ—溶劑B 的締合因子，無量綱，對于非締合溶劑φ=1.0。該式計算結果的平均誤差約為10%。Moore 和 Wellek［31］、Loakimidis［32］等認為，二元烷烴體系無限稀釋液相分子擴散系數與溶劑黏度存在一定的關系（式（3）），即體系分子間無強相互作用力時，當同一種溶質溶解于不同溶劑中時，擴散系數隨著溶劑黏度的增加而減小；當不同的溶質溶解于同一種溶劑時，擴散系數隨著溶質分子直徑和溶質摩爾體積的增大而減小。

式中，D—擴散系數，cm2/s；γ0、β0分別為擴散流體的特征參數；μ—流體的黏度，mPa·s。

（2）實驗測量方面。現有的實驗測量方法以菲克定律為基礎，建立相應的數學模型，最終求解得到對應的擴散系數。其中壓力衰竭法最為常用，計算方式如下。

式中，H為液面高度，m；a1，a2，k1，k2，c為壓力與時間擬合的雙對數衰竭曲線參數。Guo 等［33］測量了甲烷、氮氣和二氧化碳在不同PVT筒位置原油的擴散系數。三種氣體在上層輕質組分中的擴散系數均高于在下層重質組分的擴散系數。葉安平等［34］對比了二氧化碳在凝析油與重質油中的擴散系數，也得到了類似的結論，二氧化碳在凝析油中的擴散系數（10-12m2/s 數量級）比在重質油（10-13m2/s）中高一個數量級。同樣，敖文君［35］發現二氧化碳在原油中的平均擴散系數與原油黏度呈指數相關，當原油黏度從 2.21 mPa·s 增至 29.1 mPa·s 時，CO2在原油中的平均擴散系數由3.92×10-7m2/s 降至3.39×10-8m2/s，擴散系數受原油黏度的影響明顯。肖愛國［36］采用壓力衰竭法［22］研究了二氧化碳在同一種原油石沸點蒸餾出的擬組分中的擴散系數（表2）。結果表明，擬組分沸點越高，壓力衰竭的對數回歸參數降低，平衡壓力升高，最終計算得到的擴散系數降低。高沸點原油擬組分的分子量越大，含有的芳香烴類等組分和不規則碳鏈越多，二氧化碳在對應餾分的平均擴散系數降低。重質組分增加，芳香烴等對擴散的影響較為明顯。

原油物性對氣體在其中的平均擴散系數影響明顯。主要原因在于：烷烴分子與注入氣的相互作用能隨鏈長的增加而減少，即較短的烷烴分子與注入氣相互作用較強，有利于克服烷烴分子間的作用力，達到相互分散的目的；而長鏈烷烴分子間內部相互作用力較強，不易與注入氣相互分散。同時，長碳鏈組分含量越高，分子鏈越長，分子鏈彎曲幅度大，原油黏度越高，分子間糾纏程度高，位阻效應降低了與氣體的接觸面積，降低了氣體溶解度［37］。除此之外，注入氣對原油的萃取作用，增加了原油中的重質組分含量，注入氣更不易進入較低分子間隙的重質組分中，擴散系數降低，最終導致注氣效果變差［38］。

表2 不同原油餾分CO2擴散系數統計（25℃，1.8 MPa）［36］*

由原油類型對注入氣擴散系數的影響機理分析可見，長鏈烷烴烴類對注入氣擴散系數的影響規律及機理解釋較為完善，而針對環烷烴、芳香烴、膠質瀝青質對注入氣擴散系數的影響機理分析較少，因此需要進一步分析原油組分中分子結構對注入氣擴散系數的影響效果及機理。

3 溫度對擴散系數的影響

注氣或生產過程中，地層內部及井筒的溫度并非恒定，溫度的變化會影響氣體溶解擴散行為。Jamialahmadi等［39］利用有限不穩定氣液邊界的PVT室模擬油藏條件，研究了高溫高壓條件下甲烷分別在十二烷和原油中的擴散系數。研究表明，溫度升高會使原油黏度降低，進而促進擴散，甲烷的擴散系數隨溫度升高而增加。根據實驗數據擬合了不同溫度下甲烷在這兩種烴類的擴散系數與液相黏度的關系式（式（4），表3）。郭彪［40］、李東東等［41］、胡雪［42］通過壓力衰竭法（Pressure Decay）研究了二氧化碳-原油體系的擴散系數，實驗結果均表明擴散系數隨溫度增加而升高。Unatrakarn等［43］利用PVT室和填砂多孔介質模型在不同溫度（30數55℃）下分別測試了二氧化碳-重質油、甲烷-重質油的擴散系數，也得到了相同的規律。

表3 式（4）中的參數在不同溫度下的取值

從現有溫度對注入氣擴散系數的研究結果可以看出，注入氣在原油中的擴散系數隨著溫度的升高而升高。主要原因在于：溫度升高，原油黏度降低，分子運動加劇，原油分子間距增加，直徑較小的分子更易進入原油分子中；油藏溫度一般高于二氧化碳、丙烷等氣體的臨界溫度時，氣體分子的運動加劇，動能增加，有利于加速擴散過程的進行［44］。

4 壓力對擴散系數的影響

實際油藏壓力不僅決定了地層油對注入氣的飽和程度，同時也決定了注入氣體對原油物性的改變程度，這些都是通過注入氣向原油中的擴散作用引起的。同時，不同壓力擴散系數的高低也反應出地層原油與注入氣混相的難易程度，從而影響原油在地層中的流動形態，最終影響提高采收率的程度。

目前有關壓力對擴散系數影響的研究主要以實驗測量為主，得到的數據較少。敖文君［34］分析非超臨界狀態二氧化碳在原油的擴散特征時發現，初始壓力越高，溶解初期曲線的斜率越大且平衡壓力衰竭的程度越低，隨壓力升高，擴散系數增加。張彪［45］、Li等［46］將壓力范圍擴大至超臨界狀態（圖2），發現在相同溫度條件下改變壓力，二氧化碳的狀態隨之發生變化，超臨界狀態下二氧化碳的擴散能力高于氣相和液相狀態下的擴散能力。但二氧化碳的有效擴散系數隨壓力增加而增大，并且增幅逐漸降低。

圖2 不同壓力條件下CO2在原油中的擴散系數

壓力增加會促進氣體在原油中的擴散。原因在于：壓力升高，氣體分子密度增加，分子間碰撞幾率變大，從而使得分子熱運動加劇，有利于擴散的進行；另一方面，壓力升高也會使液相的黏度增加，從而使二氧化碳向其中擴散的困難程度増加。正是這兩方面的影響使二氧化碳的有效擴散隨著壓力的升高而緩慢增加，并且增幅越來越低。

5 結論與建議

由于得到擴散系數方法的不統一，導致現有注入氣體介質擴散系數影響因素不明確。針對注入氣體的介質，應著重研究不同氣體在原油界面上的擴散特征，而對于原油性質對擴散系數的影響機理方面，則需在直鏈烷烴的基礎上進行環烷烴、芳香烴和膠質瀝青質擴散系數的研究。

現有測量氣體擴散系數的條件中，溫度多集中在20數60℃、壓力在1數30 MPa，測量的溫度和壓力條件僅適用于我國少數油藏條件，對于油藏條件溫度高于60℃且地層壓力高于30 MPa的氣體擴散系數數據較少。現有的高溫高壓氣體擴散系數數據有限，得到的規律性認識普遍適用性不足，無法充分支持注入氣提高采收率機理研究，因此其影響因素及作用機理仍需進一步深化研究，以加強分子擴散作用對真實油藏條件下注氣提高采收率機理的認識。

目前，混合注入氣-原油體系的擴散系數數據較少，同時，對注入氣在油水混合物中的擴散系數影響因素的認識十分有限，還未涉及原油混相或超過混相壓力條件下的氣體介質擴散系數規律的研究。除此之外，隨著非常規油氣資源的大規模開發，注入氣在致密油藏、縫洞型碳酸鹽巖油藏等復雜油藏條件下的擴散系數數據有待完善，機理分析有待進一步提高。因此，隨著石油行業的發展，對注入氣與地層流體相互作用的擴散行為研究需進一步深入。