泡沫油PVT性能的实验研究
N. Goodarzi, A. Kantzas, University of Calgary
摘要：本文研究了重质活油的性能，发现当压力从初始油藏压力降低到大气压下，能够有助于解释和模拟重质油藏经历初次生产后的反应。当油藏压力降低，气体从原油溶液析出时，泡沫油与传统的原油相比有很明显的不同和更加复杂的行为。溶解气从原油中分离出的速度更慢，这样传统的PVT仪器就起不到应有的作用了。在本文中，作者介绍了一种新式设备，这种设备使用了X射线CT扫描和低场NMR技术。这些非破坏性的断层X光摄影方法能够提供独特的关于在PVT筒中随着压力降低原油性能变化的内部测量方法。实验最初以很慢的速度进行，在传统的PVT测试中，允许在每个压力下都达到平衡。这些结果与非平衡情况下的测试结果进行对比，在岩心驱替实验中，当压力随着时间成线性下降的时候，实验结果表明：泡沫油有独特的性质，实验数据对预测泡沫油的性能很有价值。
实验方法
通过使用ISCO泵的活塞式气缸的膨胀，活油体积慢慢膨胀。Huerta et al. (1996) 已经发现，经过24小时的实验，压力未曾发生变化，因此在这样的实验中，关于体积增加的假设终会被否定。在水被移除前后，对压力容器进行了CT和NMR测量。为了观测被原油捕集到的气体情况，这些活油油样未曾混合。
在压力快速下降的实验中，用连接在水侧的回压阀（BPR）代替泵来回收活塞一边的流体，回压要大于泡点压力。通过一个质量流量控制器以固定速率的压降实现回压阀气体一侧的压力降低。从CT扫描实验和NMR技术实验结果来看，压力降低速率分别为2.37 kPa/min 和2.38 kPa/min。
使用的CT扫描仪是第三代电动CT/I仪器，成像技术电压为120 kV，电流为80 mA。实验的像素的体积为0.049 cm x 0.049 cm x 0.1 cm。使用的核磁共振仪是由Ecotek 公司提供的操作频率约为1.2 MHz的低频应力松弛计。核磁共振仪测量响应间隔为0.3毫秒，有5000次响应，恢复极化时间为10秒。慢速衰减实验持续12分钟。在快速衰减实验中，需要的数据更快，响应间隔为0.1毫秒，有500次，恢复极化的时间为1500秒。
活油的CT扫描
用跟踪扫描来测定原油在活塞中的位置。沿着原油在气缸中的分布方向，测定其在每个不连续断面的CT成像。在转移容器中，使用相同的扫描技术，通过CT扫描不同的原油、水以及已知密度的溶剂，把CT扫描数与大量流体的密度联系起来。因此，通过CT扫描数，用一个依靠线性方程的系统来计算出液态油的密度。
气体体积是影响压力的一个显著因数（从真实气体方程看）；因此，在通过CT成像后得出的气体体积要校正到大气压力。从溶解气在油中的原始体积（从气油比测定得出的）减去通过扫描图像得到的饱和自由气的体积可以计算出在任何压力下的溶解气的残余体积。用溶解气的体积除以死油体积，获得溶解气油比作为压力的一个函数。
通过CT扫描测定活油和死油密度，可以计算出单一油相的体积因子。在这种情况下，方法是固定的，容器质量以及作为死油和活油（泡沫油）比率的单一油相的体积因子可以计算出来。为了表现活油和泡沫油的PVT反应，可以计算出作为压力的一个函数的所有性能。
CT结果
达到泡点压力时，器壁的顶部可以看到第一个气泡。在容器顶端开始形成气体后，气体量便在该位置不断增多。在慢速衰减实验过程中，标准偏差很低，而在快速衰减实验中，标准偏差增加了，表明气体在油相内部形成并且上升到气缸顶部。假定器壁粗糙，直到低压下，单独的气泡并不可见，显然在这点上，气体是在大量流体内部形成的。
图1和图2中绘制出原油地层体积因子与压力的函数图，分别表示出压力慢速和快速膨胀率。当压力降低到泡点以上的时候，单一相原油地层体积因子增加。这表明原油体积增大，但是气体仍然溶解在油中。低于泡点压力时，原油地层体积因子减小。在慢速体积膨胀的实验中，压力低于2769 kPa时，体积膨胀经历了几个快速步骤。体积膨胀率的增加相应导致了原油地层体积因子的增大。这表明大的衰减速率会引起含有残余气体的原油体积膨胀。这种情况证明原油中捕集了大量的气体。如图2所示，在原油快速膨胀的实验中，压力直到2200kPa时，过饱和延迟了原油地层体积因子的下降。压力小于此点后，原油地层体积因子快速下降。一旦气体离开了溶液，与慢速体积膨胀实验相比，快速衰减实验中的原油地层体积因子更复杂。这同样也证明气体从重质油中分离出来。
随着压力下降气体的形成，从CT扫描结果绘出溶解气液比（Rs） 和压力下降关系图，见图3和图4，同样也可以从图3和图4中看出气体在不同的饱和压下溶解在油中时的溶解气油比。在泡点压力下，油中的溶解气与测量的饱和压在某种程度上成线性下降关系。这表明CT扫描技术可以用来测定溶解气液比。在图3中，当压力大于2769kPa时，溶解气液比是在非平衡状态下测定的，快速膨胀导致了气体仍被捕集到油中。快速膨胀测试（图4）表明，由于过饱和，在溶解气液比开始下降前，直到远低于泡点压力时都会有个延迟。在衰减速率很快时，气体可以从油中很快的分离出去，这也可以解释观测到的非线性趋势。
关于CT扫描结果特别的地方是，沿着气缸的整个长度方向，在3D和内部测定中，结果都是有规律的。同时，在这个实验过程中，收集到的所有数据，并且按照沿着气缸的长度方向，把数列排列起来，因此，与仅在PVT室窗口测定的结果相比，这个结果更具有统计意义。此外，在传统的PVT性能测试中不能获得的信息可以通过CT成像技术得到。例如，在泡点压力下的快速衰减速率，从油中释出的自由气不只出现在气缸上部区域。与体积缓慢增加压力下降实验相比，在气体释放前后，原油PVT性能形状可以看出以恒定衰减速率下的实验效果。终点值在两套实验设备中相似，但是PVT性能却不同。当压力下降很快的时候，原油地层体积因子和溶解气油比的变化却由于过饱和和气体从油中的缓慢释放而被延迟。
重质油的NMR测定
在泡点压力以上，气体完全溶解在油中，因此作为单相流体的原油行为和它的粘度都可以通过毛细管，锥形和平板粘度计来测量。然而，一旦气体从原油中分离出来，高压缩混合物会形成油气两相流动，意味着使用毛细管粘度计测量的粘度不再准确。NMR测量技术不再要求原油必须流动，这项技术对测量死油和活油的分析都十分有效。在这种方式下，当自由气体形成，压力下降后，NMR可以测定原油的液相粘度。
NMR模型
对照不同温度使用Brookfield锥形和平板粘度计测定死油的粘度。在这个研究中使用的重质油与用CT扫描PVT实验中的原油一样。在30°C，泡点压力以上，用毛细管粘度计测定活油的粘度。在NMR中测量时，加热油样得到油样光谱，同时可以获得油样粘度。恒定30°C ，用NMR测定了油样粘度。因此实验是在30°C完成的，而不是23°C。结果，室温下用CT扫描测定的粘度不能直接与用NMR测定的相比较。然而，压力下降的趋势仍然可以用来作比较。
Bryan et al. (2005a and 2005b) 使用RHI 与T2gm 之间的联系来预测RHI以及内部粘度。作为T2gm 的一个非线性函数，RHI的值是必须要知道的，这个研究采用了更加直接的方法。在不同温度下用NMR波谱测得的油的T2gm 值与用粘度计测得的粘度作图，回归后可以形成一个多项式。使用这个原油粘度模型来预测活油粘度的假设即溶解气对原油粘度的影响与温度对粘度影响一样（假设高压下含有溶解气的原油行为与大气环境下低粘原油的行为相似）。用Eyring的液体粘度理论可以验证这个假设。当气体溶解到原油后，气体可以有效地使一种油分子从另一种中分离出来，正如升高温度对其产生的影响一样。在这种情况下，含有溶解甲烷气的原油行为与在分子水平上大气压力下的低粘原油行为相似，并且死油的NMR粘度模型可以用来预测活油粘度。因此，用这种方法，可以从波谱获得原油的T2gm值，从它们的相互联系上可以计算原油的粘度。
NMR测定结果
在测定死油粘度时，通过在不同温度下取四个点来调整NMR粘度模型。为了提高这个模型的准确性，应该测试更多的点。如图5所示，在测定活油的粘度值时，在泡点压力以上，粘度基本上是不变的，当低于泡点压力时，粘度值增加。
如图5所示，低于泡点压力时，测得的粘度值较分散。这是由于以下几个原因造成，在每天使用前，NMR要进行校准。这就涉及到移除油样夹持器，然后再校准磁场到标样体积时的频率。在试验中使用的NMR器皿的体积大于标准体积，可能会影响结果。此外，由于校准是每天必须的，这也会导致每次测量都要受到同样影响。造成测量值较分散的更可能的原因是每天测量时机器的噪声。有时，要做好几次尝试去调整振幅到一个合适的范围，有时却仅做微小调整。这表明在整个实验过程中，仪器并不总是在同样稳定的程度下工作。除了受大气中的电流及无线电频率噪声的影响，还要受到人为的影响。此外，当NMR仪经常处于使用状态的话，它们的稳定性很大，而在本次实验中，它每天仅用一次，大部分时间处于闲置状态。在快速衰减实验中，要经常用到NMR仪，在这个实验中得到的数据就少受到干扰。尽管数据有干扰，在泡点压力下，它们看起来很平均，符合常规变化趋势，随着压力的降低，某种程度上粘度会线性增加。当大部分气体最终都从原油中释放出来（如图5所示），压力逐渐接近大气压力时，原油粘度会向死油粘度快速增加。
从图6中也可以观测到类似现象，图6是恒定压力衰减速率实验。图6表明，有几个数据点是尖峰，高于平均值。这些偏离值与仪器校准时的相符。在校准过程中，根据标样的体积来通过磁场频率的微小调整使信号达到最优化。当测定值有很大不同时，内部软件装置为了捕捉这个信号，会进行再次转变。正如从平衡实验中看到的，由于校准才导致了数据的分散。然而，从总体来看，仪器连续运作时，在压力快速衰减实验中测定的NMR值的曲线图是相当的平滑。
图6说明在体积快速膨胀的实验中，直到压力达到2552kPa，原油粘度仍然保持相对稳定，低于此点压力，随着压力的降低，原油粘度开始快速线性增加。实验结果表明，即使压力刚好低于泡点压力时，液态原油的粘度也并不是远远大于活油粘度。除了由于过饱和的影响，快速降低结果转变到低压以外，从平衡实验和快速衰减实验中得到的结果相似。在系统增加过程中的不同压力下，假如粘度保持很低，结果会导致采油速度和采收率的增加。
讨论
在这点上，所得数据似乎表明在重油的一次开采过程形成泡沫油时期，气体缓慢从原油中释放出来会使原油粘度接近活油粘度。从NMR测定的数据来计算原油粘度，这提供了一种方法，那就是仅考虑液态原油的分子性能而不是外部产生的剪切速率。这可能提供一种更加准确的描述原油粘度行为的方法。然而，由于没有方法来验证数据的独立性，粘度值仅是一种估计。
实验表明，可以通过实验CT扫描和NMR技术来测定原油的一些PVT性能。因为对油田的模拟，原油的PVT性能是必须的指标，所以这一点上是比较重要的。此外，在缓慢衰减实验测得的原油地层体积因子和溶解气油比似乎与在快速衰减实验中的测定值不同。在快速衰减实验中，由于过饱和，流体性能的改变都转移到低压状态。因此，在缓慢衰减实验中测得的PVT性能应当用来描述过饱和程度较低的多孔介质中的气体变化情况。然而，也许能描述距井筒不同地方气体变化情况的PVT数据综合测量设备是真正意义上所需要的。
