N2对非纯CO2驱油效果的影响

殷丹丹 ，赵东锋

（1.中国石油大学（北京）提高采收率研究院，北京 102249；2.中国石油大学（北京）石油工程教育部重点实验室，北京 102249）

0 引言

CO2驱是一种非常有前景的提高原油采收率的方法［1-5］，且可缓解温室效应［6-8］。然而，天然 CO2气源中含有CH4，H2S及N2等，其他CO2气源也含一些杂质气体。例如，油田产出气中包含烃类、H2S及NH3；火力发电厂产生的废气中，除了CO2，还包含硫化物、氮化物、O2等。不同的杂质气体随CO2一起注入时对最小混相压力（MMP）和驱油效率影响效果不同。一般来说，N2，O2，CH4气体的混入会显著增大 CO2的 MMP，而 H2S，SO2，C2H6或一些中间烃类会降低 CO2的 MMP［9-13］。

N2是驱油用CO2中常见的一种杂质气体，关于含有N2的CO2混合气体的研究多集中在相态研究以及MMP计算上。前人建立了非纯CO2的MMP计算模型，但关于混有N2的非纯CO2气体对提高原油采收率的影响研究较少［14-15］。为了减少纯CO2的用量，降低提纯气体的费用，很有必要研究非纯CO2中杂质气体对驱油效果的影响。笔者通过室内实验，研究了含N2非纯CO2对MMP以及驱油效率的影响，为设计经济可行的产出气回注的CO2驱方案提供参考。

1 MMP测定及驱油效率实验

1.1 MMP测定实验

获取MMP的方法主要有计算法和实验法。计算法比较省时。实验法包括细管实验和升泡仪法，升泡仪法比细管实验快且节省流体，但细管实验是目前公认的确定MMP最准确的方法。

采用延长油田的原油和岩心，通过细管实验法来测定含不同摩尔分数（分别为 0，5%，10%，15%）N2的CO2混合气的MMP，并研究其对MMP的影响。

1.1.1 实验条件

1）实验温度为油藏温度57℃，饱和压力为7.45 MPa，实验回压大于7.45 MPa，以防原油脱气。

3）实验用油为配制的地层油。在实验室条件下，用RuskaPVT-3000仪按照地下高压取样所得到的样品成分配制脱气油和油井伴生气。

1.1.2 实验过程

1）每次实验前，细管都要用5.0 PV的甲苯和5.0 PV的丙酮清洗，用N2吹干，在100℃下，放置至少12h。

2）注入2.0 PV的原油，回压调节器用来调节合适的压力，体系达到平衡后，用排量泵以0.2 mL/min的速度将气体注入细管中与原油接触并驱替原油。

3）时刻监测注入端和产出端的压力。产出物在大气压下，通过循环水冷凝器进行气液分离。分离器带有量筒，可计量产出油的体积流量，气体气量计可计量产出气的体积。

4）每注入0.1 PV计量1次，并记录实验数据，直到注入1.2 PV。

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5）进行5种压力下不同组成气体和原油的驱替实验。

1.2 岩心驱替实验

1.2.1 实验材料和条件

为了更加接近地层实际情况，在细管实验的基础上，进行岩心注气实验。CO2-原油体系的混相过程为多次接触混相，因此必须采用长岩心进行驱替实验。在油藏条件下，对不同组成的气体进行驱替实验研究。实验中使用的岩心是由5根短岩心串联而成，岩样总长度为33.21 cm，实验岩心的基本参数如表1所示。长岩心物理模拟流程如图1所示。

表1 岩心基本参数

图1 长岩心物理模拟流程

除了CO2中N2的摩尔分数不同，所有岩心驱替实验的其他条件保持不变。每个实验都严格按照相同的步骤并且保证重复性好。57℃下，混相驱的驱替压力通过回压调节器设置为20.0 MPa，非混相驱的驱替压力为8.4 MPa。

地层水用33.33%的CaCl2和66.67%的NaCl配制而成，用来进行饱和注入。地层水的矿化度为94 547.2 mg/L，注入水的矿化度为1 600.0 mg/L。

1.2.2 岩心驱替实验步骤

1）岩心放入夹持器中，加2.0 MPa的环压，抽真空4 h并饱和地层水，测量孔隙体积和孔隙度，用不同的速度驱替并测量水测渗透率。

2）将配制的地层原油饱和至不出水为止，计算原始含油饱和度和束缚水饱和度。岩心在恒温箱中老化10 h使润湿性达到平衡。

3）岩心驱替前，用回压调节器将压力分别设置在高于纯CO2的MMP的20%和纯CO2的MMP的50%，即设置压力分别为20.0 MPa和8.4 MPa，用配制的注入水以0.1 mL/min的速度注入岩心，水驱后相同注入速度下进行CO2驱，直至不出油。

每个岩心驱替实验中，读取入口和出口处的压力，计算出压差，根据泵的读数计算出注入量，产出物通过三相冷凝分离器，分别计量产出油、水和气的体积。

2 实验结果及讨论

2.1 细管实验

绘制4种含不同摩尔分数N2杂质的气体在注入1.2 PV时，随驱替压力变化的采收率曲线（见图2）。

图2 气体在不同注入压力下的采收率

从图2可见，驱油效率随压力变化的曲线存在拐点，说明在该拐点处对应的压力下驱油机理发生了改变，拐点对应压力即为MMP。驱替压力达到MMP前，原油的采收率随注入压力呈线性增长，说明随着压力的增大，气体在原油中的溶解度增大，降低原油黏度的程度增大；压力增大到一定程度后，气体在原油中的溶解已经达到饱和，即使继续增大压力，采收率增长也很小，因此，将拐点视为气体驱替原油的MMP。根据以上原则，4种气体与原油的MMP分别为A，B，C，D点对应的压力，对应的数值如表2所示。

表2 含不同摩尔分数N2的混合气体的MMP

CO2与原油的MMP受油藏岩性影响不大，但受CO2的纯度、原油的特点和油藏温度影响很大；对于给定的油藏，原油组成和性质以及油藏温度一定，MMP只和注入CO2的纯度有关。从表2可以看出含不同摩尔分数N2的CO2气体的MMP变化。当采用纯的CO2实验时，在油藏温度57℃下，油样的MMP为16.7 MPa；当 CO2中 N2的摩尔分数为 5%时，MMP提高了29.34%；当N2的摩尔分数增加到10%时，MMP提高了64.07%；当N2的摩尔分数增加到15%时，MMP提高了97.01%：这表明，N2的混入会显著地提高CO2驱的MMP，不利于气体与原油混相。

2.2 不同组成气体的驱油实验

当实验压力大于MMP时为混相驱，低于MMP时为非混相驱。本文研究了混相和非混相2种状态：一种采用大于纯CO2的MMP 20%的压力进行混相实验；另一种是采用纯CO2的MMP的50%压力进行非混相实验。实验结束后，将注入孔隙体积倍数、采出程度的值计算出来，结果见图3。

图3 不同注入气的采出程度随注入孔隙体积的变化

图3a为实验压力20.0 MPa时注入孔隙体积倍数与采收率的关系曲线。由图3a可以看出：纯CO2的MMP为16.7 MPa，在该压力下CO2达到了混相；采用含摩尔分数为5%N2的CO2混合气驱时，MMP为21.6 MPa，高于实验压力，故岩心内驱替是近混相驱；采用含摩尔分数10%N2的CO2混合气驱时，MMP为27.4 MPa，为近混相驱；采用含摩尔分数15%N2的CO2混合气驱时，MMP为32.9 MPa，远高于实验压力，为非混相驱。因此，采用含不同摩尔分数N2的气体岩心驱替实验，混相状态也不同，总体来看，混相驱的采收率要好于近混相和非混相驱。

图3b为实验压力8.4 MPa时注入孔隙体积倍数与采收率的关系曲线。该组实验也得出了N2摩尔分数越大，气驱采收率越低的结论；但不同的是，非混相驱过程中，N2摩尔分数对采收率的影响程度小于混相驱。这是由于非混相条件下，气体中的CO2未在原油中溶解充分，N2基本不溶解，因此，N2摩尔分数对采收率的影响较小。

图3表明，含不同摩尔分数N2的CO2混合气体混相和非混相驱都可进一步提高原油采收率。在混相驱替过程中，CO2驱的采收率快速增加，最终采收率提高值超过10.00%；非混相CO2驱与混相驱相比采收率增加的比较缓慢，采收率最终提高值在3.00%～6.00%。

图3同时表明，无论是混相驱还是非混相驱，4种混合气体的采收率曲线有着相同的趋势，但最终采收率有一定的差距，纯CO2驱较高，混有不同摩尔分数N2的CO2混合气较低。混相状态下，纯CO2驱提高采收率20.04%，而含摩尔分数5%和10%N2的CO2驱，在该压力下提高采收率值分别为15.93%和12.32%，少量N2的混入就能明显降低CO2驱的采收率，这主要是由于氮气与原油的混溶能力差，不利于原油的膨胀和降黏，因此，N2摩尔分数越大，对气驱越不利，选择CO2驱的气体时应尽量提高CO2的纯度。

图4为含不同摩尔分数N2的CO2混合气体在混相和非混相驱气驱阶段岩心出口端气体突破时注入PV数。图4表明：对于混相驱，气体突破时，注入孔隙体积倍数较高，说明气驱有着比较平缓的驱替前缘，即较小指进和重力分异影响，因此，混相驱时气体在岩心中停留的时间比非混相驱长；无论混相驱还是非混相驱，当CO2中不含N2时，气体突破较晚，N2的存在会使CO2气体较早突破，导致提高采收率值较低。

图4 含不同N2的CO2混合气突破时注入孔隙体积倍数

3 结论

1）N2的混入会显著增大CO2驱的MMP，不利于原油和CO2的混相。纯CO2的MMP为16.7 MPa；当CO2中含摩尔分数5%的N2时，MMP增大了 29.34%，达21.6MPa；含摩尔分数10%的N2时，MMP增大了64.07%，达27.4 MPa。

2）不同压力下的岩心驱替实验表明：无论是混相或非混相条件下，CO2驱均可在水驱后进一步有效提高原油采收率；在混相和非混相实验中，当注入压力相同时，纯CO2的驱油效率最高，随着CO2气体中的N2摩尔分数增大，CO2驱的效果显著下降，并且N2摩尔分数越高，混合气体突破越早。若CO2含有不利于与原油混相的杂质气体，为减小其对驱油效果的影响，可在注入气中掺入一定量的易于与原油混相的气体。

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