二氧化碳驱油分层注入技术研究

张晓静

(大庆油田有限责任公司 采油工程研究院，黑龙江 大庆 163453)



二氧化碳驱油分层注入技术研究

张晓静

(大庆油田有限责任公司 采油工程研究院，黑龙江 大庆 163453)

二氧化碳对于低渗透油藏具有良好的驱替特性，在油田二次开发中被广泛应用。但是，笼统注入的二氧化碳会沿渗透率高的方向突进，造成气窜，导致油层无法有效动用。如果采用分层注入的方法，目前缺少二氧化碳注入所需的气嘴，无法建立起有效的节流压差，不能实现分层注气。针对上述问题，研究了二氧化碳驱分层注入技术，研制了一种适用于二氧化碳的大节流压差多级串联气嘴。室内试验及现场应用29口井表明：采用多级串联内孔偏心气嘴可实现流量7 m3/d时，节流压差1 MPa以上，二氧化碳分注工艺成功率高达86.2%。此研究结果为二氧化碳驱分注工艺的现场推广提供了技术保障。

气驱；分层注气；气嘴；节流压差

二氧化碳驱油(二氧化碳-EOR)技术最早起源于20世纪50年代，与传统的注水开发技术相比，这种技术具有很多优势[1]。进入油层的二氧化碳可以通过溶解、酸化、膨胀、萃取等方式[2]，大幅度提高原油的采收率。大庆油田作为一个非均质多油层的砂岩油田，常采用多井网分层系开采的方式进行开发[3]，若笼统注气开采，层间矛盾突出，注入的二氧化碳会沿高渗透层快速突进，造成气窜。陈祖华[4]等提出的细分层系、高部位注气、水气交替注入等方法可以解决这一问题。为此，进行二氧化碳驱分层注入技术研究，设计一种适用于分层注入二氧化碳的气嘴结构。

1 CO2分层注入工艺管柱

1.1 管柱组成

分层注入工艺管柱主要由镍磷镀油管、自带液压坐封系统可钻式封隔器、反循环阀、配注器、单向阀组成，如图1所示。

图1 单管分注工艺管柱示意

1.2 工艺原理

注入工艺管柱采用单管1次下入2级自带液压坐封系统Y443型封隔器，1趟管柱完成2级封隔器坐封，注入层接配注器，配注器内投入不同类型的气嘴，通过气嘴实现分层注入，采用钢丝投捞实现分层调配及分层测试，采用鎳磷镀防腐油管、防腐封隔器，定期注入防腐液保护管柱及套管，采用单向阀控制注入液体反吐，采用反循环阀实现不放喷作业。为防止注入的二氧化碳遇水腐蚀套管内壁，投注前用氮气举净井筒内液体。

2 二氧化碳气嘴的设计与仿真

2.1 CO2气嘴的结构及工作原理

由于二氧化碳气体的黏度小，如果沿用水驱水嘴的结构进行二氧化碳分注，则节流压差建立困难。为此，采用多级气嘴串联结构进行节流压差控制，通过多次缩径过程让二氧化碳产生能量损失，从而降低单层二氧化碳注入压力，最终实现配注量调节的目的。目前，单级气嘴有内孔未偏心气嘴和内孔偏心气嘴2种形式，其结构如图2所示。

a 内孔未偏心单级气嘴结构

b 内孔偏心单级气嘴结构

2.2 FLUENT软件中的二氧化碳模拟

为了分析不同类型气嘴对于节流压差影响，利用FLUENT软件和室内试验对进入不同类型气嘴结构二氧化碳形成的节流压差进行对比研究。

2.2.1 气嘴模型建立

首先通过建模软件Gambit对不同类型气嘴内的流动通道进行物理模型的建立，并进行了网格划分，如图3所示。单级气嘴结构尺寸为：内孔直径为2 mm，外孔直径为6 mm，在网格划分方面采用六面体单元。

图3 多级串联内径偏心气嘴结构的物理模型

之后，在FLUENT软件中对二氧化碳气体进行物理参数设置。二氧化碳的密度和黏度是随流场压力和温度的变化而变化。由于气嘴的长度很小，可以近似认为气体的温度基本没有发生变化。另外，二氧化碳的黏度对压差的影响很小，所以近似认为其黏度在流场内为定值。因此，只有二氧化碳的密度随着压力的变化而变化。密度与压力的关系在理论上可以通过理想气体状态方程进行推导，但是理想气体状态方程具有一定的局限性，没有一种真实气体能在宽的范围内服从该方程，一般来说，气体分子越复杂，相同密度下，真实压力值与利用理想气体状态方程推导的气体压力值偏差也越大。在高压下，因为计算压力值误差大，不能使用理想气体状态方程，必须使用真实气体状态方程。通过研究表明，Pen-Robinson方程(简称P-R方程)在计算二氧化碳密度与压力关系时，较为适合工程应用。

P-R方程表达式为：

(1)

其中，

α(T)=α(Tc)α(Tr,ω)

k′=0.374 64+1.542 26ω+0.269 92ω2

式中：p为流体压力，kPa；R为气体常数，R=8.314 kJ/(kmol·K)；T为绝对温度，K；V为气体摩尔体积，L/mol；b为P-R方程的状态参数；α为温度函数；Tc为临界温度；pc为临界压力，kPa；Tr为对比温度，K；ω为偏心因子；k′为偏心因子函数。

当气体为二氧化碳时，偏心因子ω=0.225，临界压力pc=7.377 MPa，临界温度Tc=304.13 K，T=313 K，P-R方程为：

(2)

二氧化碳密度为

(3)

式中：ρ为密度，kg/m3；M为摩尔质量，g/mol。

由式(2)～(3)就可得到密度与压力关系式

(4)

为了更加符合工程实际，通过FLUENT软件自带程序接口，输入二氧化碳关于密度和压力函数，即式(4)，在进出口流动参数设置时，流体介质为40 ℃、20MPa下的二氧化碳，进口流量为7m3/d，出口为自由流动状态。

2.2.2 数值模拟结果

图4为计算得到的二氧化碳压力分布。图中左侧为进口，右侧为出口。从图4中可以看出，随着二氧化碳通过气嘴级数的增加，压力逐渐降低，起到了节流作用。

图4 二氧化碳在多级气嘴内压力分布

表1和表2是流量7m3/d时，不同级数、不同内孔直径的喷嘴模拟得到的节流压差统计数据。从表1～2可以看出，随着内孔的缩小、级数的增多，节流压差逐渐增大。在相同直径的内孔、气嘴级数情况下，内孔偏心也可进一步增大节流压差，原因是由于内孔偏心增加了气体通过气嘴的路程，从而会造成能量损失增加。另外，气体在偏心气嘴流动时，由于偏心的影响，造成气体速度方向连续不断的变化，从而进一步增加了气体在气嘴内的沿程能量损失，两者结合，造成节流压差提升幅度大。

表1 内孔未偏心情况下不同气嘴级数试验的节流压差

表2 内孔偏心情况下不同气嘴级数试验的节流压差

3 室内试验

为了验证数值模拟计算结果的正确性，利用室内试验测定二氧化碳在串联气嘴的压力损失，试验流程如图5。

3.1 试验条件

试验介质为二氧化碳。温度40 ℃，压力20MPa，流量7m3/d。

3.2 试验步骤

1) 在储液罐中配制二氧化碳，压力20MPa、温度40 ℃。

2) 将试验用的气嘴装入试验核中。

图5 气嘴节流压差试验装置流程

3) 连接好管线。启动柱塞泵，调整到适当流量范围，记录流量在7m3/d条件下的节流压差。

4) 停止柱塞泵，拆下连接管线，即完成一次试验过程。

5) 重复上述步骤，进行不同结构气嘴的室内试验。

气嘴规格分别为：

1) 内孔直径1.5mm、内孔中心未偏心、气嘴级数2、3、4、5。

2) 内孔直径2.5mm、内孔中心偏心、气嘴级数2、3、4、5。

从表3中可以看出，串联气嘴结构在室内试验条件下能够产生节流压差与数值模拟得到结果平均误差为5.38%，最大误差为9.89%，满足工程需要，说明数值模拟结果的正确性。因此，在现场需要不同节流压差时可根据数值模拟提供的结果进行气嘴更换选择。另外，气嘴过流面积越大则工具现场应用堵塞可能性越小。通过对比表1和表2，在相同气嘴级数情况下，要得到相近节流压差情况下，内孔偏心串联气嘴内径尺寸要大于未偏心情况，例如：气嘴级数为2，需要节流压差0.2MPa，内孔未偏心需要内径直径为2.0mm，而内孔偏心则内径直径选择为2.5mm，缓解了气嘴堵塞。在现场应用时应采用内径偏心的不同级数串联气嘴。

表3 室内试验与数值模拟得到的气嘴节流压差

4 现场应用

目前，二氧化碳分注技术在大庆油田共现场应用29口井，工艺成功率86.2%，投捞气嘴负荷与水驱水嘴投捞复合相当，其中某油田101区块96-碳斜10井笼统注入时，测试结果显示YI6层不吸气，FⅢ13层吸入量25.6m3/d，气窜严重。为此，对该井下入二氧化碳分注管柱，分层后，FⅢ13层配注器内投入气嘴级数为2级、内孔直径为1.5mm的内孔偏心气嘴。投入后进行流量测试，测试解释结果显示在正常注入压力下，总注入量为23.4m3/d，YI6层注入量由0m3/d提高到11.22m3/d(如表4)，FⅢ13层与YI6层的吸气比例分别是52.03%、47.97%，注入量满足配注需求。

表4 树96-碳斜10分层注气数据

4 结论

1) 利用P-R方程建立了二氧化碳密度与压力关系式，并通过FLUENT软件，可准确计算出二氧化碳在不同结构气嘴内的节流压差。

2) 采用内孔偏心结构气嘴较未偏心结构气嘴可提高节流压差，若在相同节流压差情况下，内孔偏心结构气嘴内径尺寸较未偏心结构气嘴大，可缓解气嘴堵塞。

3) 下步将对不同内径偏心程度对于节流压差影响程度进行数模分析，在保证节流压差情况下，进一步提高气嘴的横截面积，减少现场工具堵塞的可能性，并进一步扩大二氧化碳分层注入工艺现场应用规模，验证工艺现场适用性。

[1] 罗二辉，胡永乐，李宝柱，等.中国油气田注CO2提高采收率实践[J].特种油气藏，2013(2)：33-42.

[2] 刘忠运，李莉娜.CO2驱油机理及应用现状[J].节能与环保，2009，18(6)：36-38.

[3] 周望，李志，谢朝阳.大庆油田分层开采技术的发展与应用[J].钻采工艺，1998，01(2)：78-82.

[4] 陈祖华，汤勇，王海妹，等.CO2驱开发后期防气窜综合治理方法研究[J].岩性油气藏，2014，10(8)：26-33.

[5] 曾亚勤，郭方元，巨亚锋.CFD技术在防堵塞系列配水嘴设计中的应用[J].石油矿场机械，2011，40(12)：76-80.

Research on CO2Layered Injection Technology

ZHANG Xiaojing

(ProductionEngineering&ResearchInstitute，DaqingOilfieldCompanyLimited，Daqing163453，China)

CO2for low permeability reservoir with good displacement characteristics is widely used in the secondary development of the oil field，but the general injection of CO2will be along the direction of high permeability onrush，resulting in gas channeling and the reservoir cannot be effectively utilized.If using the method of separating injection，becauseofthelackofCO2injection required gas nozzle，it is unable to establish effective throttle pressure，failed to achieve separating gas injection.In view of the above questions，research on the development of the CO2separating injection technology，developed a festive flow differential pressure multistage gas nozzle，the laboratory experiments and the field application of 29 injection wells results show that：in the flow 7 m3/d，the throttle pressure can be reached above 1 MPa by multi-stage eccentric diameter gas mouth，success rate of field application of CO2layered injection technology was 86.2% .The results of this study provide technical support for the field promotion of CO2flooding technology.

gas drive；separate layer gas injection；gas nozzle；throttle pressure

2016-05-26

张晓静(1983-)，女，黑龙江大庆人，工程师，2007年毕业于东北石油大学石油工程专业，主要从事二氧化碳分层开采工艺方面研究，E-mail：zhangxiaojing@petrochina.com.cn。

1001-3482(2016)11-0073-05

TE934.407

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.11.017