用含有雜質(zhì)的CO2提高混相驅(qū)采收率

編譯:劉英博 賈宏越 (大慶油田公司勘探開發(fā)研究院)

審校:金佩強(qiáng) (大慶油田公司勘探開發(fā)研究院)

用含有雜質(zhì)的CO2提高混相驅(qū)采收率

編譯:劉英博 賈宏越 (大慶油田公司勘探開發(fā)研究院)

審校:金佩強(qiáng) (大慶油田公司勘探開發(fā)研究院)

當(dāng)實施提高采收率 (EOR)項目把CO2作為溶劑時,主要有三個尋求CO2注入劑來源的選擇。這三個選擇是天然CO2沉積物、人為煙道氣捕集,或來自EOR項目早期階段的循環(huán)CO2。所有這些來源可能都含有改變注入劑性質(zhì)的雜質(zhì),潛在地影響系統(tǒng)的所有階段。例如,捕集的煙道氣可能含有N2,而采出或循環(huán) CO2源可能含有CH4和/或NGL。兩者或其中之一可能含有SO2或 H2S。這些雜質(zhì)的每一種都對CO2的熱力學(xué)和流體流動特征有不同影響,顯示出對注入劑的混相能力、密度和黏度及其與地下油氣相互作用的有利或有害影響。這些雜質(zhì)還能夠改變壓縮能力、腐蝕控制和管道技術(shù)要求。本文描述了CO2雜質(zhì)對 EOR項目所有階段 (從CO2捕集到驅(qū)替效率預(yù)測)的影響?；煜嗄芰?、密度和黏度以及巖石性質(zhì)是給定巖石和流體系統(tǒng)驅(qū)替效率的主要決定因素。開發(fā)出了一個篩選工具以便預(yù)測不同原油的EOR動態(tài)。該篩選工具的一個關(guān)鍵組成部分是基于溶解度參數(shù)的方法,為了獲得一個原油范圍的混相能力,該方法可以用于篩選含有雜質(zhì)的CO2注入劑。結(jié)合世界作業(yè)經(jīng)驗,應(yīng)用這一技術(shù)評價了符合壓力、溫度和流體組成條件的油藏的 EOR潛力。通過準(zhǔn)確評價雜質(zhì)在注入劑中的影響,能夠在不增加處理液流來清除所有雜質(zhì)的費用的情況下,能夠找到確保和利用注入劑供給的最佳經(jīng)濟(jì)解決辦法。通過礦場實例,討論了混相能力、密度和黏度對CO2混相驅(qū)工藝效率的影響。

CO2混相驅(qū) 雜質(zhì) 最小混相壓力 密度 黏度 提高采收率

1 引言

注CO2提高采收率具有增加能源供給和儲存溫室氣體的雙重效益。在實施所有CO2EOR項目的情況下,最近估算的全世界增采油量為,在儲存130×109～240×109t CO2的同時能夠增采出450×109～820×109bbl(1 bbl=0.159 m3)原油。預(yù)計未來用于注入的主要CO2供給將是人為 CO2。CO2基礎(chǔ)設(shè)施的應(yīng)用,將可能面臨含有不同類型和含量雜質(zhì)的混合源流。因此,重要的是研究這些雜質(zhì)對壓縮、輸送和有 EOR潛力的井/油藏整個系統(tǒng),以及對與注含有雜質(zhì)的CO2流相比在產(chǎn)地凈化CO2流的費用的潛在影響。

EOR項目的經(jīng)濟(jì)競爭需要以能與天然來源的CO2供給相比的價格水平把人為來源的CO2輸送到礦場。目前,在美國 Permian盆地,天然CO2源的定價在<＄2/1 000 ft3(1 ft3=28.317 dm3),而傳統(tǒng)的胺基燃燒后捕集、壓縮和輸送費用>＄5/1 000 ft3。幾項碳捕集技術(shù)正在開發(fā)中,目的是降低人為CO2的成本。

2 捕集源和有關(guān)雜質(zhì)

人為CO2可能來自多個來源和幾個不同捕集過程。雖然每個來源將可能產(chǎn)生用于 EOR的高品質(zhì)CO2,但是一些設(shè)計和操作參數(shù)將導(dǎo)致把少量雜質(zhì)夾帶入輸送的CO2流。表1報道了目前項目的CO2注入流中雜質(zhì)的含量。

傳統(tǒng)EOR作業(yè)從可能含有CH4或 H2S的天然來源中尋求其CO2源。表1示出了用于Permian盆地作業(yè)的混合氣源的例子。當(dāng)從實施 EOR的油藏中再次采出氣體時,氣體中將含有一定量的烴氣并且可能含有H2S,然后把這些氣體回注。表1示出了在西得克薩斯由 ExxonMobil實施的Means EOR項目中注入的CO2流的目前組成。同樣,天然氣處理也將夾帶一些烴氣或 H2S。在一些情況下,酸氣處理有意捕集CO2和H2S的酸氣混合物,把這兩種氣體同時回注入地下。

胺基燃燒后捕集工藝通常產(chǎn)生含有痕量雜質(zhì)的CO2。來自常規(guī)燃煤電廠的CO2幾乎含有來自煤的所有硫。來自燃燒氧電廠的CO2含有SO2、O2、N2和Ar。在捕集裝置中能夠降低雜質(zhì)濃度,但是生產(chǎn)較高純度CO2流將增加成本。

表1 CO2注入流中雜質(zhì)平均含量

3 壓縮

在壓縮或泵送過程中,CO2可能形成密相,而其他組分仍然為氣相,潛在地影響壓縮機(jī)效率。還測試了含有雜質(zhì)CO2對壓縮機(jī)潤滑油的影響。對于不純混合物來說,還需要研究水合物生成的可能性以便確定脫水技術(shù)要求。

圖1示出了有代表性的CO2相圖和含有雜質(zhì)的CO2混合物的相包絡(luò)線。不同雜質(zhì)通常加寬相包絡(luò)線,因此將改變壓縮技術(shù)條件。當(dāng)在大約10%SO2相包絡(luò)線的中間落下時,示出了第三級壓縮入口可能出現(xiàn)的區(qū)域。壓縮機(jī)設(shè)計將需要識別和避免進(jìn)入兩相流體區(qū)域,因為兩相流體損害大部分類型的壓縮設(shè)備。每級壓縮加熱氣體,然后級間冷卻裝置分離壓縮級之間的所有液體。

圖1 純CO2和含有雜質(zhì)CO2的相平衡

4 輸送

通過管道輸送CO2是最佳的輸送選擇方案。到目前為止,根據(jù)經(jīng)驗制定了管道出口CO2的技術(shù)要求,CO2管道在 2 000 psi(1 psi=6.895 kPa)和70℉區(qū)域內(nèi) (液相)運轉(zhuǎn)。這樣的技術(shù)要求不一定適用于其他輸送方式,例如輸送低壓、冷CO2的船運和車運。CO2的三相點是75.1 psia和-69.9℉;接近于CO2三相點的儲存和輸送條件會潛在地形成固體。因為目前輸送的大部分或所有CO2準(zhǔn)備用于EOR,所以目前的技術(shù)要求常常是EOR項目特定的,而其他技術(shù)要求適用于實際管道完整性。

在臨界 (密相)CO2中,水具有不同程度的溶解度,取決于溫度和壓力條件。當(dāng)溶解度低時,液相水能夠從溶液中冷凝出來。在特定位置沒有適當(dāng)控制的情況下,液相水的形成能夠在冷凝點下游的碳鋼設(shè)備中產(chǎn)生嚴(yán)重腐蝕。CO2不需要完全干燥,但是應(yīng)該具有最低可能溫度以下10 ℉左右的水露點,管道可以暴露在這一溫度下。在與SO2、O2和/或 H2S任何形式混合的液態(tài)水都具有腐蝕影響。液態(tài)水與 SO2和/或O2混合特別成問題,因為腐蝕抑制劑對這些化合物無效。當(dāng)50×10-6以上H2S與液態(tài)水同時出現(xiàn)時,能夠出現(xiàn)嚴(yán)重的硫化物應(yīng)力開裂,這可導(dǎo)致幾乎瞬間的開裂破壞。突然破壞的可能性使硫化物應(yīng)力開裂成為更大的擔(dān)憂。通過采用脫水工藝,Weyburn項目中含有大約1.5% H2S的注入劑從200 mile(1 mile=1.609 km)以外的人為來源處成功地輸送到了目的油田。酸氣項目 (例如LaBarge和 Zama)也安全地輸送了 H2S含量高得多的CO2。

碳鋼是用于CO2管道的經(jīng)濟(jì)優(yōu)選材料。必須嚴(yán)格干燥管道CO2以避免水酸引起的腐蝕,水酸是由水和含有雜原子氣體 (例如 SOx、NOx等)以及CO2本身形成的。只要干燥CO2,這些雜原子組分和CO2的混合物就對碳鋼沒有腐蝕性。雖然可以使用抗腐蝕鋼,但是干燥的成本與抗腐蝕冶金的成本比較,前者更有利。

管道設(shè)計還應(yīng)當(dāng)考慮輸送過程中溫度變化的影響;在冷海底和熱沙漠環(huán)境中,溫度變化可能更重要。在管道中可能出現(xiàn)兩相流,如果在海上輸送,在接收平臺上可能需要段塞流捕集器。當(dāng)在730 psia和30 ℉以下輸送CO2流時,可能需要低于250×10-6的水濃度;如果還要避免兩相流,可能需要把最低工作壓力提高到1 160 psia。多相流會影響效率。Seevam等認(rèn)為,CO2中存在5%N2會降低體積流量,并且需要50%的再壓縮距離,由于輸送這些雜質(zhì)造成了管道容量的無效使用。

表2示出了目前認(rèn)可的CO2管道技術(shù)要求。來自捕集過程的氣體可能需要額外的脫水或提純以便滿足普通載體管道的技術(shù)要求。這些技術(shù)要求比來自人為捕集裝置的預(yù)計排出流嚴(yán)格,所以在捕集裝置處可能需要進(jìn)行額外的處理和提純。而且,在多捕集來源供給普通載體管道的大規(guī)模應(yīng)用中可能需要用于CO2管道的不同材料和操作條件。目前為CO2純度制定的其他技術(shù)要求常常應(yīng)用于 EOR應(yīng)用;例如除了在高溫高壓油藏中外,避免出現(xiàn)N2,因為N2對混相能力、密度和黏度有不利影響。如果目的是簡單的儲存,一些技術(shù)要求可以放松。但是必須評價較高量的痕量組分對冶金和材料(管壁和其他組件)的影響。

表2 CO2管道技術(shù)要求

5 井注入

對于 EOR或儲存來說,在大部分情況下把CO2注入正常加壓地層或低壓衰竭油藏。當(dāng)注入正常加壓地層時,管道氣體可能需要進(jìn)一級加壓以便提高井口壓力;進(jìn)一步提高井中壓力和溫度,直到氣體到達(dá)井底。如果壓力衰竭油藏是儲存場所,那么僅在流體靜壓頭作為驅(qū)動壓力的情況下,密相氣可以自動注入。Mireault等討論了相態(tài)特性變化,這些變化是在注入過程中由于雜質(zhì) (包括H2S和CH4)的出現(xiàn)導(dǎo)致的?；居绊懣赡苁窃诰谧⑷雺毫]有明顯變化的情況下,井的產(chǎn)速率出現(xiàn)了重大變化。

注入脫水CO2的影響是,原生水在井射孔孔眼附近被吸收,并且伴生鹽可能在干燥區(qū)域孔隙空間中沉淀。隨著時間的推移,這可能導(dǎo)致注入能力降低并且需要用淡水沖洗或采取其他補(bǔ)救措施以便恢復(fù)注入能力。在CO2中出現(xiàn)雜質(zhì)將很可能影響附近井干燥的范圍。

設(shè)計注入井時考慮的另一個因素是冷的高壓CO2進(jìn)入油藏孔隙空間的影響。在由鉆井?dāng)嗔言囼灡砻鞯牡蛪合?熱彈性應(yīng)力可能產(chǎn)生裂縫。在CO2中出現(xiàn)雜質(zhì)將改變流體靜壓頭和注入劑的熱容量,因此當(dāng)模擬注入井系統(tǒng)時需要對此予以考慮。

6 注氣選擇方案

在歷史上已經(jīng)把各種氣體注入劑用于大規(guī)模EOR:

◇在先導(dǎo)性試驗研究中使用了O2,但是當(dāng)O2接觸H2S時,燃燒性和在地下形成元素硫?qū)е虏荒芙邮艿娘L(fēng)險。

◇在小規(guī)模 EOR項目中 (例如加拿大阿爾伯達(dá)Zama論證項目)使用了 H2S和 CO2混合物(酸氣)。H2S是一種混相驅(qū)油的有效溶劑,但是H2S與地下鹽接觸形成的酸使生產(chǎn)處理昂貴并且困難,而且隨著時間推移可能導(dǎo)致地層滲透率或蓋層完整性改變。

◇在O2作為銷售氣體并且N2作為廢產(chǎn)物排放的情況下,如果在附近有空氣分離器,也可以以比CO2低的成本得到N2。如果壓力、溫度和原油品質(zhì)條件合適,N2可能是混相的,但是大部分N2的EOR應(yīng)用是重力穩(wěn)定的非混相驅(qū)。

◇在許多情況下,烴注入劑具有直接銷售價值,所以烴注入劑常常不用于 EOR。但是,甲烷和乙烷 (來自管道或LNG基礎(chǔ)設(shè)施)可能僅具有作為注入劑的正常價格。

CO2具有以上方案有關(guān)的EOR溶劑的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)。超臨界CO2具有比競爭氣體高的混相能力、黏度和密度 (可減小指進(jìn)和重力上竄)。挑戰(zhàn)可能包括是多次接觸混相還是一次接觸混相,對于偏遠(yuǎn)油田來說,CO2供給受到限制或費用昂貴。

7 EOR工藝篩選和雜質(zhì)的影響

EOR項目的篩選包括考慮和計算影響混相注氣項目可行性的多種因素。這些因素包括注入氣的選擇和供給以及混合物物理性質(zhì)的計算,該混合物將影響目標(biāo)含油飽和度驅(qū)替和波及效率。

用于 EOR篩選的性質(zhì)包括最小混相壓力(MMP)、密度和黏度。

7.1 混相能力

為了說明各種雜質(zhì)對混相能力的影響,應(yīng)用Lange建立的關(guān)系式估算了注入氣與原油的MMP。

圖2示出了符合壓力、溫度和原油性質(zhì)條件范圍的純CO2MMP計算結(jié)果 (這些壓力、溫度和原油性質(zhì)代表全球具有EOR潛力盆地的范圍)以及典型雜質(zhì)對MMP的影響。雖然 H2S降低了氣體MMP,但是由于 H2S的優(yōu)先溶解性,在注酸氣中有H2S和CO2色譜分離的跡象。這導(dǎo)致 H2S比CO2突破得晚,并且對項目設(shè)計和開采策略有意義。

圖2 MMP與溫度和原油相對分子質(zhì)量變化關(guān)系

7.2 密度

注入流體混合物密度影響注入量和油藏波及。密度變化將提高或降低油管中的流體靜壓頭,對于給定注入井口壓力來說產(chǎn)生井底壓差,因此影響注入量。隨著流體混合物沿著井筒向下流動并且經(jīng)歷壓力和溫度變化,需要準(zhǔn)確的EOS描述注入壓力動態(tài)。

在油藏中,與水平水驅(qū)相比,重力分離能夠大大降低水平氣驅(qū)的垂直波及效率并且導(dǎo)致氣體在生產(chǎn)井中早期突破。黏性/重力比描述了重力分離的重要性,黏性/重力比包括注入速度以及流體密度和黏度項。

重力分離程度是地質(zhì)和流體性質(zhì) (例如垂直滲透率、油藏厚度以及注入流體和被驅(qū)替流體之間的密度差)的函數(shù)。如果CH4與CO2混合,那么與密相CO2混合的較低密度CH4將顯示出較大的上竄和較低的有效波及效率。為了說明氣體組成對波及效率的影響,用CO2和CO2/CH4混合物作為注入劑進(jìn)行了簡單2D模擬。圖3說明了模擬結(jié)果。在圖3中,黃色區(qū)域代表CO2/CH4混合物波及的體積,紅色區(qū)域代表注純CO2波及的體積增量,藍(lán)色區(qū)域代表未波及到的原油。當(dāng)注純CO2時,波及效率為39%;當(dāng)注入劑含有30%CH4時,波及效率降低到了31%。如果N2作為雜質(zhì)出現(xiàn),效果相似。

圖3 在200℉和2 330 psi下CO2驅(qū)的波及效率

7.3 黏度

注入氣體黏度與地下流體黏度的比 (流度比)對于波及效率也十分重要。把流度比M定義為:

式中,kg和ko是氣和油有效滲透率;μg和μo是氣和油黏度。不利流度比 (M>1)將導(dǎo)致注入劑通過地下流體指進(jìn)。當(dāng)CH4和N2以雜質(zhì)出現(xiàn)時,注入氣黏度降低,M增加,對CO2驅(qū)波及效率有負(fù)面影響。

圖4示出了注入1 PV和10 PV時的采收率,該采收率是用適合流度比范圍的油藏模型計算的;該圖還示出了不同氣體有代表性的流度比范圍的重疊。在文獻(xiàn)中還示出了流度比與波及效率相互關(guān)系作為氣體突破 (BT)時和注入CO2不同孔隙體積后的列線圖。

圖4 不同注入體積下采收率與流度比的函數(shù)關(guān)系

可以用水氣交替注入 (WAG)減緩重力上竄和黏性指進(jìn)。通過同時注水減小氣體流度比,但由于注入能力、油管腐蝕和地面設(shè)施優(yōu)化原因,實際上采用交替注入方式。通過油藏模擬研究確定最佳WAG比和周期時間,驅(qū)替時進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化并且出現(xiàn)氣體突破。由于注氣后水循環(huán)的注入能力降低,還需要解決操作問題,特別是在滲透率低于10 mD的油藏。在 Permian盆地廣泛采用了該技術(shù),在該盆地,CO2和水之間的密度差小;在高溫油藏中采用該技術(shù)的經(jīng)驗較少,高溫油藏中CO2和水之間的密度差較大。

8 Means油田實例

把CO2注入這一西得克薩斯油田 (碳酸鹽巖油藏原油黏度6 mPa·s,油藏壓力2 000 psi,油藏溫度100 ℉)的第一階段是1984年,當(dāng)時能夠利用Permian盆地內(nèi)的CO2供給基礎(chǔ)設(shè)施。該項目目前運行情況是大約25%CO2注入劑來源于管道,剩余75%從附近EOR采油區(qū)域循環(huán)中獲得。表1示出了Means油田綜合流中雜質(zhì)的濃度。因此,重要的是了解變化的注入氣組成對混相能力和采收率的影響。圖5表明,如果油藏壓力保持在目前的大約2 000 psi,循環(huán)的CO2(87%)能夠達(dá)到混相。

圖5 用細(xì)管和關(guān)系式計算的純CO2和含有15%和25%雜質(zhì)CO2的MMP

目前,細(xì)管仍然是優(yōu)先選用的測量MMP的方法,遺憾的是,實驗費用相當(dāng)高并且費時。關(guān)系式篩選法的優(yōu)點是在沒有實驗數(shù)據(jù)的情況下,對于任何數(shù)量的氣體組成和原油性質(zhì)來說,該方法具有快速估算MMP的靈活性。

隨著在Means主力油層成功實施CO2驅(qū),目前正在研究評價殘余油層 (ROZ)的驅(qū)替。該層含有水驅(qū)殘余油飽和度,估算了地下原油性質(zhì),由于天然水侵剝離或生物降解,原油可能是較稠的。假定,離開構(gòu)造頂部和 ROZ中的原油具有不同的MMP,因此做了一些工作以便弄清對MMP和其他性質(zhì)的影響。由于得不到足夠量的用于分析的生物降解原油,所以進(jìn)行了模擬,在模擬中平分CH4到己烷的濃度,然后由較重組分濃度補(bǔ)償這一濃度。結(jié)果顯示,當(dāng)以注85%以上CO2為條件時,生物降解原油采收率最初低于主力采油層,因為原油較黏 (在該模型中為9 mPa·s),但是CO2仍然使其流動并且與CO2混相。注CO2達(dá)到1 PV后,模型中生物降解原油采收率接近基礎(chǔ)油采收率。

9 結(jié)論

對于從壓縮到輸送、井注入和 EOR實施的EOR過程所有階段,研究了人為CO2中少量雜質(zhì)的影響。雖然目前技術(shù)能夠控制雜質(zhì)含量,但是雜質(zhì)的存在還將影響壓縮/泵送系統(tǒng)效率,增加設(shè)備和管子中腐蝕的可能性,并且可能影響 EOR采油量和采收率。針對不同雜質(zhì)性質(zhì),有必要進(jìn)行成本效益分析,以便確定,在捕集裝置處進(jìn)一步提純是否有成本效益,前提是與在下游使用先進(jìn)材料和/或接受較低作業(yè)效率的方案比較。

成功地開發(fā)出一個篩選工具,該工具包括MMP、密度、黏度以及基于油藏描述的標(biāo)準(zhǔn)曲線的分析。

研究了Means油田循環(huán)流注入氣組成對主力油層原油和ROZ原油混相能力的影響。研究顯示,甚至在降低 CO2濃度的情況下,仍然達(dá)到了MMP,因為NGL餾分補(bǔ)償了 CO2濃度的降低。還研究了提高殘余油層生物降解原油采收率的潛力,發(fā)現(xiàn)殘余油層生物降解原油采收率能夠與主力油層采收率相比。

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.9.006

資料來源于美國《SPE 131003》

2010-08-19)