蒸气萃取过程中稠油溶剂表面张力对重力泄油的影响

1、郭二鹏:蒸气萃取过程中稠油 溶剂表面张力对重力泄油的影响7蒸气萃取过程中稠油-溶剂表面张力对重力泄油的影响编译 :审校 :(中石油勘探开发研究院)(中石油勘探开发研究院)摘要 蒸气萃取方法是一种在开采稠油和沥青方面经济上可行 、 环境上可接受的极有潜力的方法 。虽然已经有人进行了一系列测量高温高压下稠油 溶剂系统界面张力最合适的方法。过去 , 悬滴法一般是通过给悬滴物拍照片,然后再在底片上测量液滴的尺寸来确定界面张力的大小。在测量纯烃 CO 2 系统、 合成油 CO 2 系统、原油 烃类气体 CO2 系统的界面张力时, 这种测量方法得到了极大的改进。最近, Ro tenberg 等人从液滴形状

2、分析中发展了一种更精密的测定界面张力的技术 , 这就是应用在悬滴模型中的轴对称液滴形状分析技术 (A DSA )。Cheng 等人对这项技术进行了进一步改进。与其他现有技术相比, 在悬滴模型中应用 ADSA 测定界面张力更加精确 ( 0.05mN / m), 可全自动化测量, 且不受操作者主观因素的影响。目前, 该技术已成为测定界面张力的标准方法 。实验来研究蒸气萃取过程, 但是仍的然没有弄清楚蒸气萃取过程中重力泄油的采收机理。本文采用实验和理论相结合的方法来研究重力和在蒸气萃取过程中对重力泄油的影响 。首先, 应用悬滴实验中的轴对称液滴形状分析技术 , 在低于各自蒸气压的条件下 , 测量了不

3、同压力下稠油样品与四种不同的溶剂 (甲烷、 乙烷 、 丙烷和二氧化碳)之间的界面张力。其次 , 分别计算了在稠油油藏和填砂物理模型中蒸气萃取过程的数。结果发现在测试的四个稠油 溶剂系统中, 稠油和溶剂间的界面张力随着压力的降低呈线性关系减小 , 相应的数随着二、 实验压力增加而增加。数的增加表明重力对蒸气萃取过程作用相对增大 , 从而提高了采收率 。词 蒸气萃取 稠油 溶剂表面张力 重力泄油 邦德数1 , 材料稠油样品来自加拿大 Lloydminster 地区。在使用以前, 稠油样品要经过净化处理 , 除去水 、 固体尘粒和溶解气。在 23.9 油藏温度下, 净化后的稠油样品密度 988kg/

4、m 3 , 黏度 23000 mPa s ,非溶性 n 庚烷沥青质含量为 0.115 (质量分数)。甲烷、 乙烷 、 丙烷和二氧化碳从加拿大Praxair 公司购得, 标定纯 度分别是 99.97 %、 99.0 %、99.5 %和 99.99 %。表 1 列出了这四种溶剂在23.9 下的临界压力、 临界温度和蒸气压 , 其密度以及不同压力下对应的分压由 Peng Robinson 状态方程计算得到, 并在表 2 中列出 。 、 简介X)过程是一个非热力采油蒸气萃取 (V过程 , 在这个过程中气化溶剂被注入稠油油藏或沥青中 , 溶剂溶解到稠油中使原油黏度大幅度降低。由于重力作用, 稀释的原油泄

5、流到下部水平生产井中。界面现象对多孔介质中的重力泄油过程影响非常大 , 因为重力 、 毛管力和黏滞力共同控制着流体通过多孔介质的流动。研究发现, 稠油溶剂系统的界面张力在溶剂注入油藏后降低 , 降低的界面张力改变了重力 毛管力的平衡从而降低了残余油饱表 1 甲烷、 乙烷、 丙烷和的物理性质和度 。在VX 过程中稠油 溶剂的界面张力对提高采收率的效果非常显著, 所以研究各种稠油溶剂系统的界面张力现象具有实质的和现实的意义, 以此我们才可以更好地理解 VX 过程。在现有确定界面张力的许多方法中 , 悬滴法是对甲烷来说, 23 9 高于其临界温度, 所以, 根据定义甲烷在23 9 下没有蒸气压力,

6、这里所列的值是人工蒸气压力, 从Cox 表中外推得出。溶剂临界温度()临界压力(M Pa)23 9 下的蒸气压力(M P a)甲烷82 54 603 38 乙烷32 34 884 2丙烷96 74 250 93 二氧化碳37 386 28国外油田工程第 23 卷第 5 期 (2007.5)8表2 甲烷、 乙烷、 丙烷和在23.9时的计算密度一旦形成了油滴, 数码照片捕获系统就可以在测试的溶剂不断溶解到稠油油滴中去的同时, 连续地抓拍数码照片 。连续获取照片的时间间隔要恰当地设定 :在开始阶段, 时间间隔比较短;而在油滴将要被溶剂饱和时, 时间间隔较长。 得到的照片以 TIFF 格式自动保存在计

7、算机中。对得到的每一张油滴照片, 都会用高精度的校准网格对它进行修正和校准 。在油滴的动态照片保存到计算机中后, 执行 ADSA 程序就可以从每个数码照片中确定悬垂油滴的界面张力和液滴剖面。输出数据也包括油滴顶点的曲率半径、 油滴的体积和表面积 。在程序中只要求输入当地重力加速度以及稠油与溶剂的密度差。在特定的压力和温度下, 每个稠油 溶剂系统的界面张力测定都必须重复三次以保证较好的可重复性。在测量另一组稠油 溶剂系统以前, 高压容器要用煤油和丙酮彻底清洗, 然后用N 2 冲刷, 最后要用测试溶剂浸泡至少 5 次。研究中, 对 4 种稠油 溶剂系统在 23.9 下 0.1 10MP a 之间取

8、 5 到 9 个值以覆盖那些最有可能发生的情况 。三、 结果与, 动态界面张力正如前面所讨论的, 在界面张力测定过程中,在恒压与 23.9 温度条件下压力容器首先充满了测试溶剂, 然后在压力容器中形成一个悬垂的油滴。一旦悬垂的油滴形成, 溶剂便开始向油滴中溶解。从溶剂到悬垂的液滴中进行的传质会一直持续到油滴被溶剂饱和 。为了检测溶剂向稠油油滴中传质对界面张力的影响, 在传质过程中对动态的界面张力进行了测定。从 23.9 下测量的甲烷、 乙烷、丙烷及二氧化碳典型的动态界面张力图可以看出,在 2M Pa 压力下, 稠油 甲烷、 稠油 二氧化碳、 稠油 乙烷系统在传质过程的初始阶段, 动态的界面张力

9、保持在恒定状态 (变化量不超过 2 %)。这表明虽然溶剂向油滴中的溶解会持续很长一段时间,但是稠油 溶剂界面可以很快就达到平衡状态。而在 0.90M Pa 压力和 23.9 温度下稠油 丙烷系统的动态界面张力在传质阶段的早期变化相对较大 (大约 9 %), 这些变化可能是由于丙烷的溶解导致悬垂的油滴快速而大量地膨胀引起的。, 平衡界面张力实验中 , 稠油 溶剂系统的动态界面张力最终22 , 仪器与设备在研究中 , 悬滴模型中的 ADSA 技术用来测定在 23.9 及不同压力下稠油与四种不同溶剂之间的界面张力。实验仪器的主要部件是带视窗的高压容器 (IF T10 , Temco , 美国), 容

10、器容积为41.5cm3 , 可以承受 69MPa 的压力, 压力容器的最高耐受温度是 177 。用来形成悬垂油滴的注射针头由不锈钢制成, 外径为 0.79mm , 壁厚为 0.59mm 。原油从一个稠油样品桶中由一个可编程的柱塞泵 (100D X , ISCO 公司, 美国)引入注射针头里。 加热的 循环水浴 (DC10 , ThermoH akke , 美国)用来控制压力容器的温度。压力容器内部的压力由一个数字压力计 (D TG三维仪器 , 美国)来测量 。6000 ,使用了一个光源和一个玻璃漫射体来给悬垂油滴提供均匀的照明, 用一个显微照相机 (MZ 6 , Leica , 德国)连续地摄

11、取动态的悬垂油滴的数码照片 。高压容器放置在光源和显微照相机之间, 三者及漫射体均放置在一个防振的桌子 (RS4000 , New port , 美国)上。一个分辨率为 640 480 象素的数码框图抓取器 (U lt ra , Co reco Imaging ,加拿大) 以标签影像文件格式 (T IFF)连续地抓取动态悬垂油滴的数码影像, 一台 DELL 的台式微机用来储存动态悬垂油滴的影像 , 并进行后序的图像分析 、 数字化处理和计算。这个基于 PC 的光学系统可以在 1s 时间内连续摄取三幅液滴的数码照片 。3 , 流程在每次测试以前 , 高压容器要用煤油和丙酮彻底清洗, 然后用 N2

12、 冲刷, 最后用测试溶剂浸泡至少 5 次。将溶剂桶中的溶剂注入到高压容器中, 注入后 , 一般要等至少 30min , 压力容器内的压力和温度才能达到稳定值 。用注射泵注入稠油样品, 在高压容器顶部的注射针尖上形成一个悬垂的油滴。6 0033 0065 58 0061 12 0029 90 07 70096 110 0078 62 500 20 509 85 006012 06 00201 03 5068 70 7080 9019 3甲烷乙烷丙烷二氧化碳P (M a)s (kg m 3)P (M a)s (kg m3)P (M a)s (kg m3)P (M a) s (kg m3):蒸气萃取

13、过程中稠油 溶剂表面张力对重力泄油的影响9达到一个恒定值 , 这就是所提到的平衡界面张垂直方向上渗透率各向同性的多孔介质的毛管模力。文中给出了在相同的压力 、 温度条件下 , 三次重复测量的平衡界面张力的平均值 。测量的平衡界面张力与压力的关系曲线如图 1 所示。从图 1 可以看出四个系统的平衡界面张力随着压力下降呈线性下降趋势 。由于溶剂在稠油相中的溶解度随着压力的增加而增加导致界面张力随压力而下降, 因而图 1 也表明在同样的压力和温度下, 丙烷导致了最低的界面张力, 而甲烷会引起最大的界面张力 , 这与在同样压力和温度下丙烷在稠油中的溶解度最大,而甲烷在稠油中的溶解度最小的事实相符合 。

14、通过对比 4 个稠油 溶剂系统在接近各自蒸气压情况下的界面张力, 可以看出稠油 乙烷系统的界面张力最小 (3.57mN / m , 4.00M Pa , 23.9 )。型,多孔介质的渗透率可以定义为: r 2= 24(2)k式中, k 是渗透率值 , 的毛管半径 。相应的, 是孔隙度, r 是毛管模型里数就可以重新定义为多孔介质的渗透率和孔隙度的关系式:12(os )gkBo =(3)os 基于上述方程 , 在已知多孔介质的孔隙度和渗透率的情况下,数就可以根据表 2 提供的溶剂密度和图 1 提供的平衡表面张力测量值推算出来。首先计算了孔隙度为 32 %、 渗透率为 3m2 的稠油油藏的数。图

15、2 表示随着压力的变化甲烷 、 乙烷、 丙烷和系统的数的变化 。从图中可以看出, 这四种溶剂的数都随着压力的增大而增大 。这是由于随着压力的增加, 稠油 溶剂系统的平衡界面张力逐渐减少 (如图 1 所示)。值得注意的是, 对于稠油 甲烷和稠油系统来相对较大的密说,数的增加被甲烷和度抵消了一部分。图 2 也清楚地表明稠油 乙烷系统在 23.9 温度和 4M Pa 压力下的数最大,为 2.7610 - 。在这种情况下, 重力的作用较明显,预期可以采出的原油。图 1 23.9测量的 Lloydminster 稠油与四种溶剂在不同压力下的平衡界面张力3 ,在V数X 过程中, 主要的原油采收机理是溶剂稀

16、释的稠油依靠重力的泄流作用 。总的来说, 重力、与黏滞力控制着原油在多孔介质中的重图 223.9 时在 k =3m2 、 =0.32 的稠油油藏中不同压力泄流。任意两个不同力之间的比值可以表示为不同的无因次数。无因次数可以表明不同的力对VX 过程重力泄流的影响 。其中的一个无因次力下注入不同溶剂时的计算数此外, 计算了孔隙度为 35 %、 渗透率为 830m2 的填砂物理模型的 V数。数大过程在数是X 过程的数 (Bond Number), 即重力与数是的在注通常, 物理模型的数要比油藏实际的比值 。对一个圈闭在环形孔隙中的稠油油滴 ,得多。例如稠油 乙烷系统的 VX入溶剂的情况下 ,数也可以定义为 :23.9 、 4M Pa 条件下的物理模型中的(os )gr 26