CO2-烃-水体系多相平衡和相稳定性研究：揭示水和CO2对油气烃类体系相态的影响规律

Water is ubiquitously existed in all kinds of petroleum reservoirs and therefore its effects on phase behavior of reservoir fluids cannot be neglected. In addition, the increasing use of CO2 in the oil and gas recovery processes made the phase equilibrium calculations for the CO2-hydrocarbon-water system is an essential technology for various reservoir engineering applications: such as the simulation of CO2 miscible displacement, CO2 huff-n-puff, and CO2 sequestration processes. However, traditional approach that uses cubic equation of state with van der Waals-family mixing rule is unable to correlate the vapor-liquid-equilibrium (VLE) experimental results for the CO2-hydrocarbon-H2O and hydrocarbon-H2O systems. In this study, we incorporate Zhao-and-Lvov modified Wong-Sandler mixing rule, as well as an excess a Gibbs energy model, into a cubic equation of state to improve the accuracy of phase equilibrium calculation for the CO2-hydrocarbon-H2O systems. Based on this improvement, we focused on the three critical problems: 1. “Gas-gas immiscibility” phenomenon of the Hydrocarbon-H2O and CO2-H2O systems; 2. Global search for all stationary points of the Gibbs energy tangent plane distance function (TPD), which is proposed by Michelsen. 3. Quantitatively reveal the influences of water and CO2 on hydrocarbon phase behavior in a wide pressure and temperature range. This study is aimed to provide an efficient and reliable solution of the phase equilibrium calculation and stability analysis for the CO2-Hydrocarbon-H2O systems in a wide P-T region, and to further explain the effects of water and CO2 on phase behavior of various typical hydrocarbon reservoir fluids.

水不可避免的存在于各类油气藏中，对油气藏流体相态计算不能忽视水的影响。随着CO2在油气田开发过程中的广泛使用，使得CO2-烃-水体系的相态计算成为了各类油气藏数值模拟过程（CO2混相驱、CO2吞吐、CO2地质封存）的核心问题之一。广泛使用的立方型状态方程结合范德华型混合规则无法准确描述该类体系的相平衡和相稳定性。本课题拟采用立方型状态方程结合申请人改进的Wong-Sandler混合规则对CO2-烃-水体系的多相平衡现象和相稳定性进行研究，拟解决三个科学问题：1.烃-水及CO2-水子体系气-气平衡现象的热力学描述；2.MICHELSEN相稳定性分析判据应用于复杂流体系统时的全局最优化求解；3.定量揭示水和CO2对油气烃类体系相态的影响规律。通过本项研究，可望在宽广的压力温度区间内对CO2-烃-水体系实现可靠高效的相态计算及相稳定性判定，并在此基础上揭示水和CO2对油气烃类体系相态的影响规律。

高温高压CO2-烃-水体系是油气田开发过程中广泛存在的流体系统，准确预测该类流体系统的相态规律是掌握地层流体渗流规律的前提。本课题聚焦CO2-烃-水体系及其子系统的相态规律研究，完成了6部分主要内容，形成了3篇已发表的SCI论文，2篇已投稿的SCI论文，2篇已接收的国际会议论文，以及1篇已完成的论文手稿。详述如下：1）建立了气-水体系的热力学相态模型，对通过稳定性分析及闪蒸计算得到了气-水体系在高温高压条件下的相分率及组分分布变化情况。对H2S-H2O体系的研究说明了高压条件下可能存在所谓的气-气平衡区域，且混合规则中的二元交互系数对于该“气-气”平衡区域的出现与否及面积大小有很大影响。该工作形成2篇研究论文发表于SCI期刊Fluid Phase Equilibria；2）进行了相稳定性分析及闪蒸计算方法的广泛对比，在此基础上提出了更快速闪蒸算法。初步工作已参加国际会议PetroPhase 2019。该工作形成1篇研究论文已投稿至SPE Journal；3）研究了CO2注入地层后与地层原油的最小混相压力计算方法，改进了前人提出了多混合单元格法，避免了大量无效的闪蒸计算，使得该法的计算速度获得较大幅度的提升（30-60%），该工作形成1篇研究论文发表于SPE Journal；4）建立了水合物体系复杂的多相平衡热力学模型，该模型可同时描述水合物体系复杂的多相共存状态（气-水-液烃-冰-水合物I-水合物II），并根据Gibbs能最小化的原理给出最终体系中稳定存在的相态（相分率及相间组分）。该工作已被2020年在新加坡召开的第十届国际水合物大会接收。5）进行了高含CO2的油气烃类体系多相闪蒸算法的研究，提出了一种直接确定三相区域边界的算法及对采用Newton法求解多相平衡方程时改进的初始值选取方法。该工作已形成1篇待发表论文手稿；6）N2及N2-CO2与高温高压油气藏流体的混相机理研究，通过拟三元相图及多次接触过程的理论计算并与实验数据进行对比，得到了高温高压条件下，N2也能够实现混相驱替的理论认识，该工作形成1篇研究论文已投稿至SPE Journal。培养硕士生5名，其中1名已经取得硕士学位，4名在读。项目总经费20万元，支出14.8693万元，各项支出基本与预算相符。剩余经费5.1307万元，计划用于本项目研究后续参加国际交流及学生培养支出。