界面消失技术确定注CO<sub>2</sub>驱油混相条件

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界面消失技术确定注CO₂驱油混相条件

彭宝仔 ¹, 张倩 ²

1. 北京低碳清洁能源研究所;
2. 中海油研究总院

收稿日期：2013-03-26

作者简介：彭宝仔(1978-), 男，江西吉安人，工程师。现在北京低碳清洁能源研究所主要从事能源领域研究工作。地址：(102209)北京市昌平区小汤山镇未来科技城神华低碳001信箱3108室。E-mail:pbz1029@163.com.

摘要：重新回收温室气体CO₂注入地层原油进行混相驱油是实现CO₂封存和利用的主要途径之一，但其最小混相压力(MMP)被认为是该技术的一个关键参数。采用悬滴法测定了CO₂和4种不同地层原油之间的界面张力，并直观地确定了4种不同地层原油注CO₂驱油的MMP分别为：24.12 MPa、24.81 MPa、26.87 MPa和31.69 MPa。同时，采用多项式外延法确定各自的MMP，对比发现外延法确定的MMP误差均在3.0%以内，且MMP越高，误差越小。该实验表明，采用界面消失技术确定MMP具有操作简单、耗时少、成本低、准确度高等特点。

关键词：CO₂ 界面张力驱油混相最小混相压力

Determination of miscibility conditions by vanishing interfacial tension between CO₂ and crude oil

Peng Baozi¹ , Zhang Qian²

1. National Institute of Clean and Low Carbon Energy, Beijing 102209, China;
2. CNOOC Research Institute, Beijing 100027, China

Abstract: Injecting recovered CO₂ from fuel gases into the reservoir crude oil at or near the condition of miscibility is one of the main methods to realize CO₂ sequestration and utilization. Minimum miscibility pressure (MMP) is often considered as a key parameter for the design of a gas injection project. In this paper, the interfacial tension between CO₂ and four kinds of reservoir crude oil were measured by the pendant drop method at stratum temperature, and the MMPs for the four kinds of reservoir crude oil were determined directly with visually observed miscibility appearance as 24.12 MPa, 24.81 MPa, 26.87 MPa and 31.69 MPa, respectively. At the same time, the polynomial extrapolation method was also used to determine their MMPs. The results showed that the error of MMPs determined by polynomial extrapolation method was within 3%, and corresponding to lower error value at higher MMP. It indicated that MMP determined by vanishing interfacial tension had the advances of low error and cost, convenience and easy operation.

Key Words: carbon dioxide interfacial tension oil displacement miscible phase minimum miscibility pressure

温室气体CO₂已经越来越受到人们的关注。到目前为止，大多数国家的主要能源依然是一些化石燃料，其燃烧产生的CO₂造成严重的温室效应。许多学者也提出了一些对CO₂进行回收和利用的相关技术，如注CO₂混相驱油^[1-2]、CO₂水合物法置换CH₄^[3-6]、CO₂水合物法海水淡化^[7]等，其中CO₂混相驱油被认为是一种最有效的提高原油采收率的方法^[8-14]。该技术的关键是最小混相压力(Minimum Miscibility Pressure，简称MMP)的确定。在接近MMP下驱油，将大大减少原油开采的成本。

注气混相驱油通过向地层原油中注入气体，使气-油两相达到混相互溶，急剧降低原油黏度，从而达到原油高效开采的效果。当气-油两相达到混相时，气相和油相的界面将不存在，即界面张力为零。通常，实验测定MMP的方法有细管实验和升泡仪法等^{[11, 15-16]}，但这些实验方法成本高且时间长。Rao等^[17-18]提出了一种能快速且低成本确定MMP的技术，即界面张力消失技术(Vanishing Interfacial Tension Technique, 简称VIT技术)。该方法主要通过测定气-油两相间的界面张力来确定MMP，既可通过外延至零界面张力确定，也可直接通过摄像观测混相状态来确定。Rao等^[17-18]也将该技术与其他传统技术进行对比，发现其测定结果与其他技术测定的结果具有很好的一致性。此外，许多研究者也通过理论计算的方法来确定MMP ^{[10-11, 19-23]}，但这些方法通常需要准确地确定油的组成，一旦组分稍有波动，其计算精度将大大降低。因此，这些技术往往存在一定的争议^[24-26]。

本文主要采用悬滴法测定不同地层温度下CO₂和4个不同原油样间的界面张力，并直观观测达到混相的状态，确定其MMP。此外，也通过拟合界面张力数据并外延至零界面张力方法来确定CO₂和4个不同原油间的MMP，并对实验结果进行了分析和比较。

1 实验部分

1.1 实验装置

实验采用D.B.Robinson公司(加拿大)生产的JEFFRI高压界面张力仪，并根据实验要求进行了改进。操作温度由3个Pt100热电偶测定并由3个Eurotherm温控仪控制，温控误差±0.1 ℃。所有压力表通过标准RUSKA压力死重仪进行了标定，压力表误差为±0.25%。实验装置示意图如图 1所示。Sun等^[27-28]用这套装置测定了CH₄与含表面活性剂水溶液之间的界面张力及含CO₂原油与水之间的界面张力，Luo等^[29]也采用该装置测定了乙烯与含表面活性剂水溶液之间的界面张力。

1—悬滴蒼；2 —保温套；3—原油样品爸；4—CO₂气样品爸; 5、7—手动果；6—CO₂气瓶；8—显微镜；9—摄像机；10—计算机图像处理系统；11—压力表图 1 实验装置示意图 Figure 1 Schematic diagram of experimental apparatus

1.2 实验样品

实验所用的4种油样由吉林油田提供，其密度采用RUSKA PVT装置测定。实验所用CO₂由北京氦普北分气体有限公司生产，纯度为99.95%。石油醚由北京金星化工厂生产，沸程为60~90 ℃。

1.3 实验步骤

(1) 用石油醚清洗整个实验系统(如图 1所示)，洗净后用热空气吹扫以除去残存的石油醚。

(2) 对系统抽真空以除去空气后将CO₂引入系统并排放3次以清扫残存的空气，然后系统在0.1 MPa下开始加热。

(3) 当悬滴室、原油样品釜和CO₂气样品釜都达到设定温度时，将热的CO₂气体引入悬滴室并用手动泵7(图 1)加压达到所需压力。

(4) 用手动泵5(图 1)缓慢将原油压入悬滴室，并在探针处形成小油滴，当油滴快要脱落探针时，保持该状态2 min，使其与外界达到平衡并由显微放大摄像系统拍下油滴图片，根据油滴的形状计算出界面张力。

(5) 调整压力，重复步骤4，直至原油和CO₂达到混相时结束实验。

1.4 界面张力的计算

悬滴法测定界面张力的基本原理是液滴或油滴因重力和界面张力的作用会产生扭曲变形，当液滴或油滴与周围达到静态平衡时，可通过测定悬挂在毛细探针顶部的液滴外形参数及相间密度差，应用Andreas^[30]等1937年提出的选面法(如图 2所示)来计算界面张力，其数学模型为：

(1)

(2)

图 2 选面法示意图 Figure 2 Schematic diagram of pendant drop method of the selected plane

式中:d_e为悬滴液滴的最大直径; g为重力常数; Δρ为两相密度差; d_s为选择面直径，其定义为在与悬滴顶点垂直距离等于d_e处作悬滴液滴最大直经的平行线，交于液滴外形曲线的长度(如图 2所示); 1/H可由d_s /d_e比值查数据表得到。

实验中CO₂在不同温度和压力下的密度可采用BWRS状态方程^[31]计算，d_e和d_s均通过本实验室自行开发的计算机软件测定，精确度较好。

2 实验结果和讨论

采用以上实验方法测定了CO₂和4种不同原油间在不同地层温度和压力条件下的界面张力数据，实验结果如图 3~图 6所示。

图 3 地层温度为98. 9 ℃时CO₂和1^#原油间界面张力随压力的变化关系 Figure 3 Variation of interfacial tension of CO₂ and 1^# reservoir crude oil with pressure at 98.9 ℃

图 4 地层温度为97.3℃是CO₂和2^#原油间界面张力随压力的变化关系 Figure 4 Variation of interfacial tension of CO₂ and 2^# reservoir crude oil with pressure at 97.3℃

图 5 地层温度为108.4℃时CO₂和3^#原油间界面张力随压力的变化关系 Figure 5 Variation of interfacial tension of CO₂ and 3^# reservoir crude oil with pressure at 108.4℃

图 6 地层温度为76.0℃时CO₂和4^#原油间界面张力随压力的变化关系 Figure 6 Variation of interfacial tension of CO₂ and 4^# reservoir crude oil with pressure at 76.0℃

由图 3~图 6可以看出，不同地层温度下，CO₂和不同原油间的界面张力随压力的变化呈现曲线下降趋势，且弯曲程度各不相同。图 3~图 5界面张力随压力变化呈现相似的变化规律，而图 6界面张力则呈现先快后慢的下降趋势。根据所测的实验结果，采用多项式进行拟合回归处理，回归曲线如图 3~图 6所示。从图 3~图 6同样可以看出，采用多项式拟合结果与实验数据吻合较好。通过外延拟合线至零界面张力时，即可确定达到一次接触混相的最小混相压力，所得结果列于表 1。图 7列举了不同地层温度下CO₂和不同油样间界面张力的变化。

表 1 外延法确定的MMP与观测的MMP比较 Table 1 Comparison of the determined MMP by extrapolation method with the observed MMP

图 7 不同温度和压力条件下不同油样的油滴图 Figure 7 Profile diagram of different reservoir crude oil at different pressure and temperature

从表 1可以看出，采用外延界面张力至零所确定的MMP比实验观测的MMP稍高，但其相对误差基本保持在3.0%以内，这表明采用外延界面张力至零所确定的MMP同样具有较好的精确度。此外，从表 1中也可以看到，相对误差随最小混相压力的增加而减小。该结果表明，对于MMP较高的地层原油，为降低实验成本，可通过测定一些在低压条件下的界面张力数据，外延至零界面张力来确定其MMP，其准确性将更加接近观测法确定的MMP。

作为一种新型技术，界面张力消失技术确定注气混相驱油操作简单，成本低，耗时少，精度高；不但能通过测定低压条件下注气相与油相间的界面张力来确定MMP，而且对于一次接触最小混相压力较低(小于40 MPa)的地层原油，也可采用直接观测混相状态来确定其MMP。

3 结论

(1) 采用悬滴法测定了不同地层温度和压力下CO₂和不同地层原油间的界面张力数据，结果表明该实验中的界面张力随压力的变化呈现曲线下降的趋势。

(2) 根据实验数据，采用多项式拟合回归并外延至零界面张力确定了不同原油注CO₂驱油的一次接触MMP，结果表明该法所确定的结果与实验观测的一次接触MMP相对误差在3.0%以内。

(3) 界面张力消失技术确定MMP操作简单，成本低，耗时少，精度高；既能通过观测混相状态确定MMP，也可通过外延至零界面张力来确定，且准确性较好。

参考文献

[1]	Khoo H H, Tan R B H. Environmental impact evaluation of conventional fossil fuel production (oil and natural gas) and enhanced resource recovery with potential CO₂ sequestration[J]. Energy & Fuels, 2006(20): 1914-1924.
[2]	Trivedi J, Babadagli T. Efficiency analysis of greenhouse gas sequestration during miscible CO₂ injection in fractured oil reservoirs[J]. Environ. Sci. Technol, 2008(42): 5473-5479.
[3]	Yoon J-H, Kawamura T, Yamamoto Y, et al. Transformation of methane hydrate to carbon dioxide hydrate: In situ Raman Spectroscopic observations[J]. J Phys Chem A, 2004(108): 5057-5059.
[4]	Ota M, Morohashi K, Abe Y, et al. Replacement of CH₄ in the hydrate by use of liquid CO₂[J]. Energy Conversion and Management, 2005(46): 1680-1691.
[5]	Svandal A, Kvamme B, Granasy L, et al. The phasE-field theory applied to CO₂ and CH₄ hydrate[J]. J. Crystal. Growth, 2006(278): 486-490.
[6]	Graue A, Kvamme B, Baldwin B A, et al. Environmentally friendly CO₂ storage in hydrate reservoirs benefits from associated spontaneous methane production [C]//OTC 18087, presented at the 2006 Offshore Technology Conference held in Houston, Texas, USA., 1-4 May, 2006. https://www.onepetro.org/conference-paper/OTC-18087-MS
[7]	Javanmardi J, Moshfeghian M. Energy consumption and economic evaluation of water desalination by hydrate phenomenon[J]. Applied Thermal Engineering, 2003, 23(7): 845-857. DOI:10.1016/S1359-4311(03)00023-1
[8]	Wang Y, Orr F M. Analytical calculation of minimum miscibility pressure[J]. Fluid Phase Equilibria, 1997(139): 101-124.
[9]	Dong M, Huang S, Dyer S B, et al. A comparision of CO₂ minimum miscibility pressure determinations for Weyburn crude oil[J]. J Pet Sci Eng, 2001(31): 13-22.
[10]	Nasrifar K, Moshfeghian M. Application of an improved equation of state to reservoir fluids: computation of minimum miscibility pressure[J]. J Pet Sci Eng, 2004(42): 223-234.
[11]	Shokir E M E-M. CO₂-oil minimum miscibility pressure model for impure and pure CO₂ streams[J]. J Pet Sci Eng, 2007(58): 173-185.
[12]	郝永卯, 薄启炜, 陈月明. CO₂驱油实验研究[J]. 石油勘探与开发, 2005, 32(2): 110-112. DOI:10.3321/j.issn:1000-0747.2005.02.027
[13]	雷怀彦, 龚承林, 官宝聪. 注CO₂混相驱油藏筛选新方法[J]. 中国石油大学学报:自然科学版, 2008, 32(1): 72-76.
[14]	李向良. 大芦湖油田樊124断块CO₂混相驱过程中沥青质沉淀实验研究[J]. 中国石油大学学报:自然科学版, 2006, 30(2): 64-68.
[15]	Elsharkawy A M. Measuring CO₂ minimum miscibility pressures: Slim-Tube or Rising-Bubble method?[J]. Energy & Fuels, 1996(10): 443-449.
[16]	Jaubert J-N, Avaullee L, Pierre C. Is it still necessary to measure the minimum miscibility pressure?[J]. Ind. Eng. Chem. Res, 2002(41): 303-310.
[17]	Rao D N. A new technique of vanishing interfacial tension for miscibility determination[J]. Fluid Phase Equilibria, 1997(139): 311-324.
[18]	Rao D N, Lee J I. Determination of gas-oil miscibility conditions by interfacial tension measurements[J]. J. Colloid. Interface. Sci, 2003(262): 474-482.
[19]	Wang Y, Orr F M. Analytical calculation of minimum miscibility pressure[J]. Fluid Phase Equilibria, 1997(139): 101-124.
[20]	Jessen K, Michelsen M L, Stenby E H. Global approach for calculation of minimum miscibility pressure[J]. Fluid Phase Equilibria, 1998(153): 251-263.
[21]	Ayirala S C, Rao D N. A new mechanistic parachor model to predict dynamic interfacial tension and miscibility in multicomponent hydrocarbon systems[J]. J. Colloid. Interface. Sci, 2006(299): 321-331.
[22]	Emera M K, Sarma H K. Use of genetic algorithm to estimate CO₂-oil minimum miscibility pressure- a key parameter in design of CO₂ miscible flood[J]. J Pet Sci Eng, 2005(46): 37-52.
[23]	Dehghani S A M, Sefti M V, Ameri A, et al. Minimum miscibility pressure prediction based on a hybrid neural genetic algorithm[J]. Chem Eng Res Des, 2008(86): 173-185.
[24]	Orr F M, Jessen K. Comments on "A new mechanistic parachor model to predict dynamic interfacial tension and miscibility in multicomponent hydrocarbon systems" by S[J]. J. Colloid. Interface. Sci, 2007(306): 1-2.
[25]	Orr F M, Jessen K. Response to comments on "An analysis of the vanishing interfacial tension technique for determination of minimum miscibility pressure"[J]. Fluid Phase Equilibria, 2007(259): 238.
[26]	Rao D N, Ayirala S C. Comments on "An analysis of the vanishing interfacial tension technique for determination of minimum miscibility pressure" by Orr F M and Jessen K[J]. Fluid Phase Equilibria, 2007(259): 235-237.
[27]	Sun C Y, Chen G J, Yang L Y. Interfacial tension of methane + water with surfactant near the hydrate formation conditions[J]. J Chem Eng Data, 2004, 49(4): 1023-1025. DOI:10.1021/je049948p
[28]	Sun C Y, Chen G J. Measurement of interfacial tension for the CO₂ injected crude oil + reservoir water system[J]. J. Chem. Eng. Data, 2005, 50(3): 936-938. DOI:10.1021/je0495839
[29]	Luo H, Sun C Y, Huang Q, et al. Interfacial tension of ethylene and aqueous solution of sodium dodecyl sulfate(SDS) in or near hydrate formation region[J]. Journal of Colloid and Interface Science, 2006, 297(1): 266-270. DOI:10.1016/j.jcis.2005.10.013
[30]	Andreas J H, Hauser E A, Tucker W B. Boundary tension by pendant drops[J]. J. Phys. Chem, 1938(42): 1001-1019.
[31]	Starling K E, Han M S. Thermo data refined for LPG (part 14: mixtures)[J]. Hydrocarbon Processing, 1972(51): 129-132.