儲(chǔ)層條件下CO2相態(tài)與應(yīng)用研究

孔 艷，曲 斌，劉 玉

(大慶油田有限責(zé)任公司 勘探開(kāi)發(fā)研究院，黑龍江 大慶 163712)

0 引言

長(zhǎng)期以來(lái)CO2氣田儲(chǔ)量評(píng)價(jià)方法延用天然氣田儲(chǔ)量規(guī)范進(jìn)行儲(chǔ)量計(jì)算，由于CO2物理化學(xué)性質(zhì)與天然氣的物理化學(xué)性質(zhì)顯著地不同，CO2易被液化，對(duì)于液態(tài)或氣液混存CO2儲(chǔ)層，用目前儲(chǔ)量計(jì)算方法，顯然是不合適的。建立一種能夠滿足不同狀態(tài)下的CO2氣藏儲(chǔ)量計(jì)算方法，對(duì)天然氣勘探開(kāi)發(fā)具有重要意義。

1 CO2的物理性質(zhì)

在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下CO2是無(wú)色無(wú)臭有酸味的氣體，相對(duì)密度1.5192，不燃燒，CO2是易被液化的真實(shí)氣體，隨溫度壓力的變化，物理狀態(tài)分為氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)三種相態(tài)，在超高和超低溫條件下能成等離子態(tài)和超固態(tài)(超導(dǎo)態(tài))。CO2的臨界溫度為31.43℃，臨界壓力為0.2938MPa，較高的臨界溫度與較低的臨界壓力決定CO2很易被液化[1,3]。

2 CO2實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

為了了解不同溫度、壓力條件下CO2的變化特征，開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)研究。CO2氣藏一般情況下含有一定量的水，為克服由于水蒸氣對(duì)計(jì)算CO2氣體的偏差系數(shù)的影響(水分子量18，臨界壓力21.98MPa，臨界溫度647.71K)，使實(shí)驗(yàn)更接近儲(chǔ)層孔隙流體狀況，在高溫高壓容器內(nèi)加入定量地層水，以減少水蒸氣的影響。容器內(nèi)的最低水量應(yīng)該是能夠充滿容器整個(gè)空間且壓力達(dá)到1個(gè)大氣壓的水蒸汽的量，使實(shí)驗(yàn)條件最大限度地接近儲(chǔ)層環(huán)境，容器相當(dāng)于放大數(shù)倍的巖芯一個(gè)孔隙。采用該方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果更能真實(shí)地反映儲(chǔ)層CO2變化特征。

2.2 實(shí)驗(yàn)分析

圖1是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制的散點(diǎn)圖，散點(diǎn)線密度是等同的，密度線梯度隨密度增大而變大。密度線在溫度大于31℃時(shí)呈扇形放射，小于31℃成束狀收斂。如圖1所示，在31℃～15℃區(qū)間內(nèi)，密度線壓力隨溫度的降低呈拋物線狀，說(shuō)明該區(qū)間的相態(tài)是氣液混存，CO2是處于液化過(guò)程，不以液態(tài)為主。當(dāng)小于10℃時(shí)，以液相為主，同時(shí)，向相鄰低密度線方向收縮。

當(dāng)溫度大于31℃(壓力大于臨界壓力)，密度線呈良好的線性關(guān)系，即壓力是溫度和密度函數(shù)，P=f(T,ρ)，由圖1可以得到：P、T、ρ有很好的線性函數(shù)關(guān)系。

如圖1中所示，當(dāng)CO2密度達(dá)到0.46 g/cm3～0.8 g/cm3時(shí)，密度線在31℃附近彎曲方向不同，分界線密度近似為0.46 g/cm3；當(dāng)密度小于0.46 g/cm3向下彎曲，而且密度越小彎曲曲度越大；同樣，當(dāng)密度大于0.46 g/cm3向上彎曲，并隨密度增大彎曲曲度而增大。根據(jù)張川如對(duì)高密度壓縮氣體定義[1]， CO2密度在大于0.46g/cm3屬于高密度壓縮氣，密度小于0.46 g/cm3時(shí)，為正常氣態(tài)。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)證實(shí)，最低密度的分界點(diǎn)的與理論液態(tài)CO2密度最低點(diǎn)是吻合的。

溫度大于31℃，密度線的梯度隨溫度的升高有增有減，密度是影響CO2曲線梯度變化的主要因素，而在這個(gè)區(qū)間內(nèi)，溫度不影響曲線的梯度變化。

圖1 溫壓條件下CO2實(shí)驗(yàn)圖 圖2 等溫Z-P圖版

3 CO2應(yīng)用研究

CO2是天然氣的一種，有效地計(jì)算CO2儲(chǔ)量是石油工作者追求的目標(biāo)。利用上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠繪制CO2偏差系數(shù)圖及確定儲(chǔ)層密度與溫度、壓力之間的關(guān)系，為計(jì)算CO2氣藏儲(chǔ)量提供可靠的方法。

3.1 偏差系數(shù)圖版制作

偏差系數(shù)實(shí)質(zhì)是在相同溫度與壓力條件下，相同摩爾數(shù)的真實(shí)氣體與理想氣體的體積之比，即：

(1)

其中，V為相同溫度壓力條件下的真實(shí)氣體體積，mL；V0為相同溫度壓力條件下的理想氣體體積，mL。

也可以直接用真實(shí)氣體狀態(tài)方程：PV=ZnRT 計(jì)算偏差系數(shù),即:

(2)

Z為偏差系數(shù)；P是真實(shí)氣體的實(shí)測(cè)壓力，MPa；V是真實(shí)氣體的實(shí)測(cè)體積，mL；T是真實(shí)氣體的實(shí)測(cè)溫度，K；n是在定容器里的氣體的摩爾數(shù)，mol； R是氣體常數(shù)， mL·MPa/(K·mol)。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，得到相同溫度、壓力的偏差系數(shù)，并作等溫Z-P-T圖(見(jiàn)圖2)，對(duì)于以氣相CO2存在儲(chǔ)層用該圖版能夠直接查得Z值，就可以使用規(guī)范中規(guī)定的儲(chǔ)量計(jì)算方法進(jìn)行儲(chǔ)量計(jì)算。但要是以液態(tài)或氣液混相存在CO2儲(chǔ)層，上述方法就難以計(jì)算，下面介紹一種適用于各種相態(tài)的儲(chǔ)量計(jì)算方法。

3.2 等溫ρ-P圖

上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，當(dāng)溫度大于31℃，不同密度的溫度、壓力散點(diǎn)圖呈放射狀，數(shù)據(jù)遵循如下方程：

P=a+S·ρ·T

(3)

P為壓力，MPa；a為y軸截距；MPa；S為與密度相關(guān)的系數(shù)；ρ為密度，g/cm3；T為溫度，K。

上述方程確定了密度與溫度、壓力的相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明儲(chǔ)層CO2氣體壓力是密度與溫度的函數(shù)，也就是說(shuō)，CO2氣藏儲(chǔ)層壓力是由CO2密度和溫度決定的。求取CO2密度除溫度、壓力外還要了解更多的參數(shù)。解決該問(wèn)題的最好途徑是通過(guò)用實(shí)測(cè)有限個(gè)數(shù)據(jù)建立密度與溫度、壓力(ρ-T-P)圖，即等溫ρ-P圖(見(jiàn)圖3)，利用該圖查得密度，就可以進(jìn)行儲(chǔ)量評(píng)價(jià)。

圖3 等溫ρ-P圖版

3.3 儲(chǔ)量計(jì)算

目前，CO2儲(chǔ)量計(jì)算主要采用體積法，這里不再闡述，而主要介紹如何應(yīng)用CO2氣田儲(chǔ)層密度計(jì)算儲(chǔ)量，即密度—質(zhì)量法。利用等溫ρ-P圖版計(jì)算CO2氣藏儲(chǔ)量，該方法是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，用等溫ρ-P圖版，根據(jù)儲(chǔ)層的溫度、壓力直接確定儲(chǔ)層流體密度(ρ)。

設(shè)CO2儲(chǔ)層的體積為V，有：

V=A·h

(4)

A為含油面積，Km2；h為儲(chǔ)層厚度，m。

存儲(chǔ)CO2的孔隙體積為：

V孔=A·h·φ(1-Sw)

(5)

ф為地下有效孔隙度，%；Sw為原始含水飽和度，%。

孔隙體積含CO2質(zhì)量為：

M=A·h·φ(1-Sw)·ρ

(6)

ρ為地層條件下CO2氣體密度，g/cm3。

體積CO2內(nèi)的摩爾數(shù)為：

(7)

摩爾體積為22.4L[3]，即22.4×1000mL，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，CO2的體積為：

V標(biāo)=nmol×22.4×1000

(8)

由標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)到常溫常壓下體積為：

(9)

V常為常溫常壓下CO2體積，m3；V標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)CO2體積，m3。

得到密度—質(zhì)量法的計(jì)算公式：

(10)

G為儲(chǔ)量，108m3。

利用圖3，查得密度值，再根據(jù)儲(chǔ)層物性分析數(shù)據(jù)及地質(zhì)資料，就能夠計(jì)算儲(chǔ)量，該方法適用于不同相態(tài)的CO2儲(chǔ)量計(jì)算。

4 結(jié)語(yǔ)

1)當(dāng)溫度大于31℃(壓力大于臨界壓力)，密度線呈良好的線性關(guān)系，即壓力是溫度和密度函數(shù)，P=f(T,ρ)且P、T、ρ有很好的線性函數(shù)關(guān)系。

2)CO2氣體在臨界溫度以下、臨界壓力以上(P臨=0.2938 MPa T=304.43℃)是二相存在，蒸汽壓是壓力的主要貢獻(xiàn)者；CO2氣體在臨界溫度、臨界壓力以上，CO2以氣相存在，分子運(yùn)動(dòng)動(dòng)能是壓力的主要貢獻(xiàn)者。

3)儲(chǔ)層氣體CO2的壓力是密度與溫度的線性函數(shù)，直線變化率受密度制約，密度越大變化率越大。

4)建立CO2密度與溫度、壓力關(guān)系圖版，并提供了采用該圖版的儲(chǔ)量計(jì)算方法。此方法適用于不同相態(tài)CO2的儲(chǔ)量計(jì)算。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 張川如.二氧化碳?xì)饩疁y(cè)試與評(píng)價(jià)方法[M].北京:石油出版社,1999.

[2] 劉雨芬, 范尚炯.二氧化碳?xì)獠爻刹貤l件及儲(chǔ)量計(jì)算方法[J].中國(guó)海上油氣(地質(zhì)),1996,10(1):54-63.

[3] 傅獻(xiàn)彩.物理化學(xué)[M].北京:人民教育出版社,1990.