CN103048247B - 一种co2驱油过程中测定油水界面张力变化规律的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种CO₂驱油过程中测定油水界面张力变化规律的装置及方法，属于油气田开发领域所用测试方法领域。所述方法首先测定水驱过程中不同压力下的油水界面张力，然后保持油藏条件不变，转换为CO₂驱，再测定CO₂驱过程中不同压力下的油水界面张力，最后对测得的这两种油水界面张力进行对比，获得CO₂注入过程中油水界面张力的变化规律。利用本发明方法可以模拟油藏条件下CO₂注入过程中油水界面张力变化过程，进而发现CO₂注入过程油水界面张力变化规律，为油藏的CO₂驱油过程提供数据和理论支持；本发明方法从水驱到CO₂驱是一个连续的过程，保持了油藏条件不变，可以更好地模拟真实的矿场实施情况。

Description

一种CO2驱油过程中测定油水界面张力变化规律的装置及方法

技术领域

本发明属于油气田开发领域，具体涉及一种测定油水界面张力变化规律的装置及方法。

背景技术

CO₂驱油是最有前途的提高原油采收率(EOR)方法之一。当CO₂注入油藏之后，会形成许多新的相界面，研究CO₂驱油过程中界面张力变化规律具有重要的理论和实践意义。目前矿场CO₂驱油过程的注入方式主要是气水交替注入，此时油藏流体中存在三相：分别是饱和CO₂的地层原油、饱和CO₂的地层水和饱和地层原油和地层水的CO₂，因此必须考虑CO₂的注入对油水界面张力的影响。

目前，界面张力的测试方法主要包括：毛细管上升法、最大气泡法、威廉米吊片法、滴重法和滴体积法、悬滴法、静滴法和静泡法。其中悬滴法可以测定高温高压条件下的界面张力，而且拥有较为成型的计算机处理的计算方法。

悬滴法是通过测定悬挂在毛细探针顶部的液滴外形参数，应用Bashforth-Adams方程推算出液体的界面张力。属于这一类的方法虽然不少，但有实用价值的还是1937年Andreas等提出的选面法，其数学模型为：

$\mathrm{\γ}=\mathrm{\Δ\ρ}{d}_e^{2}g/H---\left(1\right)$

1/H＝f(d_s/d_e)        (2)

其中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的地方做最大直径的平行线，交于液滴外形曲线的长度(如图1所示)。1/H可由d_s/d_e比值查数据表得到。

目前研究采用悬滴法测定的界面张力主要集中在油/水、气/水、油/气体系，对于CO₂驱油过程中油水界面张力变化规律没有特定测定方法，尤其该测定方法必须要反映在油藏条件下CO₂注入后对原有油藏油水界面张力的影响。

现有的文献中，Daoyong Yang等利用悬滴法研究CO₂注入对油水界面张力的影响(Daoyong Yang，Paitoon Tontiwachwuthikul，Yongan Gu.Interfacial Tensions of the Crude Oil+Reservoir Brine+CO2 Systems at Pressures up to 31MPa and Temperatures of 27℃ and 58℃.J.Chem.Eng.Data，2005，50，1242-1249)，但是此方法把CO₂注入前后分为两个不连续的步骤，即首先测定不同压力下原油和地层水的界面张力，这个过程结束之后，进行第二个步骤，重新装入地层水，在釜内地层水上方空间充入CO₂，进行油水界面张力的测定。这种测定方法一方面不能保证两个实验步骤中的所用的油和地层水性质相同，增加了实验的误差，另一方面，由于两个步骤的间断，使得第一个步骤中油水之间的相互作用不能带入到第二个步骤中，而矿场实施过程中气水交替注入是一个连续的过程，所以此方法不能完全模拟矿场气水交替注入的方式，进而不能准确反映CO₂驱油过程中油水界面张力变化规律。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种测定油水界面张力变化规律的装置及方法，模拟油藏条件下CO₂注入方式为气水交替注入时，油水界面张力的变化过程，进而发现CO₂注入过程中油水界面张力的变化规律，提高油藏的开发效果。本发明的方法从水驱到CO₂驱是一个连续的过程，保持油藏条件不变，可以更好地模拟真实的矿场实施情况。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种测定油水界面张力变化规律的装置，所述装置包括地层原油供给系统1、二氧化碳供给系统8、地层水供给系统14、悬滴室5、光源13、放大摄像系统18和计算机图像处理系统19；

所述地层原油供给系统1包括原油转样泵2、原油压力表3、阀门和原油进样泵4，所述原油转样泵2的出口通过原油压力表3、阀门与原油进样泵4的进口连通，所述原油进样泵4的出口通过阀门接入悬滴室5；

所述二氧化碳供给系统8包括二氧化碳手动泵9、二氧化碳容器10、阀门和二氧化碳气瓶11；所述二氧化碳手动泵9的出口通过阀门与二氧化碳容器10的入口连通；所述二氧化碳气瓶11通过阀门与二氧化碳容器10的另一个入口连通；二氧化碳容器10的出口通过阀门、二氧化碳压力表12表接入悬滴室5；

所述地层水供给系统14包括地层水手动泵15、阀门和地层水容器16，所述地层水手动泵15的出口通过阀门与地层水容器16的入口连通，所述地层水容器16的出口通过地层水压力表17和阀门接入悬滴室5。

所述悬滴室5装在保温套6内；在所述悬滴室5内悬挂有针22；

在所述悬滴室5上开有相对的两个视窗7，光源13对准一个视窗7，放大摄像系统18对准另一个视窗7，放大摄像系统18与计算机图像处理系统19连接；

所述悬滴室5有三个接口，其中顶部的第一接口与地层原油供给系统1连接，下部的第二接口与二氧化碳供给系统8连接，下部的第三接口与地层水供给系统14连接；进一步在第三接口分别连接有排空阀20和真空泵21，用于排空或抽真空。

一种利用所述的测定油水界面张力变化规律的装置来测定油水界面张力变化规律的方法，所述方法首先测定水驱过程中不同压力下的油水界面张力，然后保持油藏条件不变，转换为CO₂驱，再测定CO₂驱过程中不同压力下的油水界面张力，最后对测得的这两种油水界面张力进行对比，获得CO₂注入过程中油水界面张力的变化规律。

所述油藏条件是指油藏温度和压力条件。

所述方法包括以下步骤：

(1)CO₂驱之前，测定水驱过程中油水界面张力，具体包括以下步骤：

(11)将整个装置清洗干净，并对其抽真空；

(12)向所述悬滴室内注入地层水，然后将悬滴室、原油都加热到地层温度，调整整个装置的压力到第一个水驱压力测试点的压力；

(13)放置一段时间稳定，将原油压入悬滴室，在探针处形成油滴，并保持一段时间，由放大摄像系统拍下油滴的图片，根据油滴的形状计算出平衡界面张力；

(14)降低整个装置的压力至第二个水驱压力测试点的压力，重复步骤(13)，完成第二个水驱压力测试点的界面张力测试；

(15)逐步降低压力至剩下的各个水驱压力测试点，在各个水驱压力测试点重复步骤(13)的处理，直至压力降至泡点压力以上1MPa，完成最后一个水驱压力测试点的界面张力测试。

(2)保持油藏条件不变，将水驱转为CO₂驱，具体包括以下步骤：

(21)结束水驱，控制CO₂的注入压力与悬滴室内的压力相等，并在整个步骤(2)中始终保持该压力恒定；

(22)向悬滴室内注入CO₂，当CO₂进入悬滴室内并使悬滴室排出40mL的地层水之后结束转注过程；

通过步骤(2)保证了油藏条件不变。

(3)测定CO₂驱过程中油水界面张力，具体包括以下步骤：

(31)步骤(2)完成后，重复步骤(1)中的步骤(13)；

(32)将CO₂充入悬滴室，提高整个装置的压力至第二个CO₂驱压力测试点，重复步骤(1)中的步骤(13)；

(33)继续将CO₂充入悬滴室，逐步提高整个装置的压力至各个剩下的CO₂驱压力测试点，在每个CO₂驱压力测试点重复步骤(1)中的步骤(13)，直到压力覆盖所有的压力范围；

(4)整个实验结束后，将水驱过程中不同压力下油水界面张力和CO₂驱过程中不同压力下油水界面张力进行对比，获得CO₂注入过程中油水界面张力的变 化规律。

所述步骤(13)中，每个油滴的保持时间不少于15分钟，在每个压力测试点拍摄至少3个油滴。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：利用本发明可以模拟油藏条件下CO₂注入过程中油水界面张力变化过程，进而发现CO₂注入过程油水界面张力变化规律，为油藏的CO₂驱油过程提供数据和理论支持。本发明方法可以测定利用CO₂提高石油采收率过程中注入CO₂对原油的油水界面张力的影响，得出CO₂对油水界面张力的影响，优化CO₂提高石油采收率矿场方案设计，在CO₂EOR过程中具有非常重要的应用和广阔的前景。

附图说明

图1是现有技术中的悬滴选面法示意图。

图2是本发明测定油水界面张力变化规律的装置。

图3是本发明的方法实施例中的CO₂注入前后油水界面张力变化规律图。

其中，1、地层原油供给系统；2、原油转样泵；3、原油压力表；4、原油进样泵；5悬滴室；6保温套；7视窗；8二氧化碳供给系统；9二氧化碳手动泵；10二氧化碳容器；11二氧化碳气瓶；12二氧化碳压力表；13光源；14地层水供给系统；15地层水手动泵；16地层水容器；17地层水压力表；18放大摄像系统；19计算机图像处理系统；20排空阀；21真空泵；22针。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

本发明测定油水界面张力变化规律的装置的结构如图2所示，测试是在所述装置中带有视窗的悬滴室内实现的，悬滴室的体积为170mL。

本发明的一个具体实施例如下：

某油田的地层水矿化度为14224.2mg/L，该油田的油藏温度为97.53℃， 地层原油的溶解气油比为36.4，泡点压力为9.5MPa。为了研究CO₂驱油过程中油水界面张力变化规律，具体实验步骤如下：

第一步：CO₂驱之前，测定水驱过程中油藏条件下的油水界面张力，具体步骤如下：

(1)用石油醚清洗整个装置(如图2所示)，洗净后用热氮气吹扫以除去残存的石油醚；

(2)对系统抽真空；

(3)用原油转样泵2将配置的地层原油样品恒压转入原油进样泵4，确保在这个过程中不脱气；

(4)将地层水引入装置，然后开始对原油进样泵4和悬滴室5加热；

(5)当悬滴室5、原油进样泵4的温度都达到设定温度(即地层温度)97.53℃时，调整整个装置的压力至第一个压力测试点的压力41.287MPa；

(6)放置一段时间稳定，用原油进样泵4缓慢将原油压入悬滴室5，并在探针22处形成小油滴，并保持一段时间，由放大摄像系统拍下油滴图片，每个油滴保持时间不低于15分钟，每个压力点至少拍摄3个油滴，根据油滴的形状可计算出平衡界面张力；

(7)降低整个装置的压力至第二个压力测试点的压力35.946MPa，重复步骤(6)的处理，完成此压力测试点的界面张力测试；

(8)逐步降低压力至剩下的各个压力测试点(如表1中的第一列所示)，在各个压力测试点重复步骤(6)的处理，直至压力降至泡点压力以上，完成最后一个压力测试点(10.863MPa)的界面张力测试。

第二步：水驱结束，转注CO₂

(1)如图2所示，将地层水容器16与悬滴室5之间的阀关闭；

(2)控制二氧化碳容器10中的压力与悬滴室5内的压力相等，即压力为10.863MPa，在整个水驱转CO₂驱的过程中始终保持该压力恒定；

(3)打开二氧化碳容器10与悬滴室5之间的阀门； 

(4)慢慢打开排空阀20，确保在水驱转CO₂驱的过程，整个装置的压力始终为10.863MPa，防止脱气；

(5)当CO₂进入悬滴室5排出40mL地层水之后，关闭排空阀20，转注过程结束，此时整个装置的压力依然是泡点压力以上1MPa，并且悬滴室5的顶部出现CO₂气顶；

第三步：测定CO₂驱过程中油藏条件下油水界面张力

(1)第二步结束后，关闭二氧化碳容器10与悬滴室5之间的阀门，稳定一段时间，此时悬滴室的压力为12.238MPa(这个压力比10.863大，主要是由于在转注CO₂的过程中，由于CO₂进入的时候温度低，进入之后温度会升高，导致悬滴室内压力增加)，重复第一步中界面张力的测量步骤(6)；

(2)利用手动泵9将CO₂充入悬滴室5，提高整个装置的压力至第二个压力点16.482MPa左右；

(3)重复第一步中步骤(6)；

(4)继续利用手动泵9将CO₂充入悬滴室5，逐步提高整个装置的压力至各个剩下的压力测试点，在每个压力测试点重复第一步中的步骤(6)，直到压力覆盖所有的压力范围。

第四步：整个实验结束后，将水驱过程中不同压力下油水界面张力和CO₂驱过程中不同压力下油水界面张力进行对比，得到的变化数据如表1所示(因为CO₂注入时，经过一段稳定时间之后才进行测定，在这个过程中压力变化不可控，所以设计的压力与实际得到的实验压力存在偏差，比如设计为14MPa，最终经过稳定可能为16MPa，所以使得压力点一是不能与前边对应，压力具体值不可控，为了覆盖整个范围，所以使得压力点个数也不一样。)。

表1

CO₂注入前后油水界面张力变化规律如图3所示，从图3中分析可得：CO₂注入之前水驱过程中，压力增加对油水界面张力的影响很小，地层原油与地层水的界面张力保持在32mM/m左右；CO₂注入之后CO₂驱的过程，与水驱过程相比，界面张力下降了大概4mN/m，压力的增加对油水界面张力的影响很小，以上结论表明：CO₂注入减小了油水之间的界面张力，对于目标油田界面张力可以降低4mN/m，此结论为油田的开发过程提供理论和数据支持。

该发明是一种物理模拟装置及方法，目的是模拟在原有油藏条件下CO₂注入前后油水界面张力的变化，发现CO₂注入前后油水界面张力的变化规律，提高油藏的开发效果。与现有技术相比，本发明方法从水驱到CO₂驱是一个连续的过程，保持了油藏条件不变，可以更好地模拟真实的矿场实施情况，模拟油藏条件下CO₂驱油前后油水界面张力的变化。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (7)

1.一种测定油水界面张力变化规律的方法，其特征在于：

(1)CO₂驱之前，测定水驱过程中油水界面张力；

(2)保持油藏条件不变，将水驱转为CO₂驱；

(3)测定CO₂驱过程中油水界面张力；

(4)整个实验结束后，将水驱过程中不同压力下油水界面张力和CO₂驱过程中不同压力下油水界面张力进行对比，获得CO₂注入过程中油水界面张力的变化规律；

所述步骤(2)具体包括以下步骤：

(21)结束水驱，控制CO₂的注入压力与悬滴室内的压力相等，并在整个步骤(2)中始终保持该压力恒定；

(22)向悬滴室内注入CO₂，当CO₂进入悬滴室内并使悬滴室排出40mL的地层水之后结束转注过程。

2.根据权利要求1所述的测定油水界面张力变化规律的方法，其特征在于：所述油藏条件是指油藏温度和压力条件。

3.根据权利要求2所述的测定油水界面张力变化规律的方法，其特征在于：所述步骤(1)具体包括以下步骤：

(11)将整个装置清洗干净，并对其抽真空；

(12)向所述悬滴室内注入地层水，然后将悬滴室、原油都加热到地层温度，调整整个装置的压力到第一个水驱压力测试点的压力；

(13)放置一段时间稳定，将原油压入悬滴室，在探针处形成油滴，并保持一段时间，由放大摄像系统拍下油滴的图片，根据油滴的形状计算出平衡界面张力；

(14)降低整个装置的压力至第二个水驱压力测试点的压力，重复步骤(13)，完成第二个水驱压力测试点的界面张力测试；

(15)逐步降低压力至剩下的各个水驱压力测试点，在各个水驱压力测试点重复步骤(13)的处理，直至压力降至泡点压力以上1MPa，完成最后一个水驱压力测试点的界面张力测试。

4.根据权利要求3所述的测定油水界面张力变化规律的方法，其特征在于：所述步骤(3)具体包括以下步骤：

(31)步骤(2)完成后，重复步骤(1)中的步骤(13)；

(32)将CO₂充入悬滴室，提高整个装置的压力至第二个CO₂驱压力测试点，重复步骤(1)中的步骤(13)；

(33)继续将CO₂充入悬滴室，逐步提高整个装置的压力至各个剩下的CO₂驱压力测试点，在每个CO₂驱压力测试点重复步骤(1)中的步骤(13)，直到压力覆盖所有的压力范围。

5.根据权利要求4所述的测定油水界面张力变化规律的方法，其特征在于：所述步骤(13)中，每个油滴的保持时间不少于15分钟，在每个压力测试点拍摄至少3个油滴。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述装置包括地层原油供给系统(1)、二氧化碳供给系统(8)、地层水供给系统(14)、悬滴室(5)、光源(13)、放大摄像系统(18)和计算机图像处理系统(19)；

所述地层原油供给系统(1)包括原油转样泵(2)、原油压力表(3)、阀门和原油进样泵(4)，所述原油转样泵(2)的出口通过原油压力表(3)、阀门与原油进样泵(4)的进口连通，所述原油进样泵(4)的出口通过阀门接入悬滴室(5)；

所述二氧化碳供给系统(8)包括二氧化碳手动泵(9)、二氧化碳容器(10)、阀门和二氧化碳气瓶(11)；所述二氧化碳手动泵(9)的出口通过阀门与二氧化碳容器(10)的入口连通；所述二氧化碳气瓶(11)通过阀门与二氧化碳容器(10)的另一个入口连通；二氧化碳容器(10)的出口通过阀门、二氧化碳压力表(12)表接入悬滴室(5)；

所述地层水供给系统(14)包括地层水手动泵(15)、阀门和地层水容器(16)，所述地层水手动泵(15)的出口通过阀门与地层水容器(16)的入口连通，所述地层水容器(16)的出口通过地层水压力表(17)和阀门接入悬滴室(5)；

所述悬滴室(5)有三个接口，其中顶部的第一接口与地层原油供给系统(1)连接，下部的第二接口与二氧化碳供给系统(8)连接，下部的第三接口与地层水供给系统(14)连接；进一步在第三接口分别连接有排空阀(20)和真空泵(21)，用于排空或抽真空。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述悬滴室(5)装在保温套(6)内；在所述悬滴室(5)内悬挂有针(22)；

在所述悬滴室(5)上开有相对的两个视窗(7)，光源(13)对准一个视窗(7)，放大摄像系统(18)对准另一个视窗(7)，放大摄像系统(18)与计算机图像处理系统(19)连接。