二氧化碳驱油分层注入技术

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。进入油层的二氧化碳可以通过溶解、酸化、膨胀、萃取等方式，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 分层系开采的方式进行开发，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。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。

一 CO2分层注入工艺管柱

（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。

（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。

二　二氧化碳气嘴的设计

（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。

（2）二氧化碳的模拟

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。

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 格划分，如图3所示。

单级气嘴结构尺寸为：内孔直径为2mm，外孔直径为6mm，在 格划分方面采用六面体单元。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：

式中：p为流体压力，kPa；

R 为气体常数，R＝8.314kJ／（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＝7.377MPａ，临界温度Tc＝304.13K，T＝313K，P－R 方程为：

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。

（3）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。

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。

三 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。

杰利阳www.jerrywon.com.cn

参考 献

[1] 张晓静.二氧化碳驱油分层注入技术研究[J].大庆油田有限责任公司采油工程研究院,2016，11.