0 引言
混相驱是一种具有广阔前景的提高油藏采收率方法，注气混相驱技术的核心是使气体与原油达到超低界面张力或者零张力实现混相，提高驱替效率和波及系数，从而大幅度提高采收率[1⇓-3]。国内外针对混相驱技术机理及降低混相压力、改善混相效果方法等方面开展了大量研究并达成普遍共识[4⇓⇓⇓⇓⇓⇓-11]。在机理上，注入介质通过一次或多次接触与原油形成混相带[12⇓⇓⇓-16]；在降低最小混相压力（MMP）方法上[17⇓⇓⇓⇓-22]，多以提高注气和油层压力以及添加助混剂来实现。研究和实践认为温度升高以及气介质中杂质气体（N2等）含量均对降低MMP具有不利影响[23⇓⇓⇓⇓-28]。以上对于混相驱的认识都是基于油藏温度小于120 ℃条件得到的。笔者前期针对轻质原油开展了系列注空气实验，结合模拟计算及现场实践，提出了注空气热辅助混相驱的技术理念，稀油注空气过程中形成200 ℃以上的高温环境，烟道气与稀油能够形成混相驱替，其主要开发机理不再是热膨胀降黏，而以蒸馏挥发混相为主[29]。
为进一步探索热混相机理，笔者开展了高温、高压、细长管混相实验[30]，证实了烟道气在高温、高压条件下可以实现对稀油的混相驱替，当温度升高到一定条件时最小混相压力大幅度降低。实验发现，在相同压力条件下，随着温度升高，烟道气的驱油效率呈现出先平稳增加，再急速增加达到90%以上，后缓慢增加的趋势，驱油效率随温度急速增加阶段与稀油轻质组分随温度的蒸馏相变有密切关系。
虽然前期研究对于烟道气-原油在不同温度、压力下的混相规律形成了初步认识[30]，但对于热混相动态过程及特征缺乏直观认识，同时不同气介质-原油在高温条件下混相规律有何不同、纯N2在高温条件下是否也能形成混相这些问题尚未证实。针对以上问题，本文基于热力学中混相的基本定义，设计了高温、高压可视化PVT（压力-容积-温度）筒实验，通过直接观察实验过程中两相界面的变化对不同温度、压力条件下不同气介质-原油的混相特征开展研究，并引入混相温度的概念，即一定压力条件下，气体-原油达到混相所需的温度。通过混相温度的概念能够更为准确地对热混相驱机理进行阐述。通过本实验进一步挖掘热混相驱机理，为轻质油藏注空气热混相驱理论及现场实践提供基础支撑，也为不同气介质混相驱技术在中高温领域应用开辟新的技术思路。
1 高温高压可视化PVT实验
1.1 实验材料
本次实验选取塔里木盆地柯克亚油气田气顶凝析油油样，地面脱气原油黏度为2 mPa·s，地下原油黏度为0.7 mPa·s，C10-组分含量为40.30%，C11—C20组分含量为59.47%，C21—C30组分含量为0.23%。
本次实验使用气体为工业纯CO2和N2，其纯度大于99%，在常温常压条件下均为无色无味惰性气体。烟道气样品为CO2和N2混合气体，CO2、N2体积比例为15%︰85%。
1.2 实验装置
本次实验装置主要包括PVT筒、恒压控制系统、恒温控制系统、可视化呈像系统以及操作系统（见图1 ）。该实验装置可以实时记录油气两相混合过程，精确捕捉两相界面随压力的变化过程。①PVT筒：实验过程主要发生在PVT筒内，长度410 mm、直径131.2 mm、壁厚39 mm。在工作过程中，实验用油与用气可通过不同的阀门进入PVT筒内。②恒压控制系统：主要包括柱塞、电机等设备，其中压缩油气的活塞放置在PVT筒内，可在电机推动下压缩PVT筒内流体，并通过压力传感器数据反馈实现对筒内压力的控制。测量精度为0.01 MPa，压力上限为50 MPa。③恒温控制系统：主要包括热电偶和测温套，可以提供稳定的实验温度环境。实验温度由加热套控制，并由内部热电偶测点做控温反馈，测量精度为0.1 ℃，PVT筒内的最高温度可达到250 ℃。④可视化呈像系统：主要包括摄像装置、呈像系统，摄像头主要用于监测PVT筒内的油气界面情况，摄像头可透过垂直安放的耐高压蓝宝石玻璃直接拍摄PVT筒内油气的界面，并将结果实时传输到电脑显示屏上直接观测；呈像系统可直接呈现摄像头拍摄到的图像，便于对实验现象进行具体分析。
1.3 实验设计与步骤
本次实验主要目的为探究不同温度、压力条件下不同气介质-原油的混相规律，为此共设计完成3类共16组实验（见表1 —表3 ）。实验中，混相温度的判定标准主要是基于热力学对于混相的定义，即两相达到混相条件后，两相界面消失（界面消失法）。该方法相较于细管实验测定混相压力，具有准确性更高且测量时间更短的优势。表1 中实验方案以纯CO2气体为研究对象，研究从低压环境（10 MPa）到高压环境（20 MPa）CO2气体-原油最小混相温度及混相规律；表2 、表3 中实验方案分别以烟道气、纯N2为研究对象，研究烟道气-原油、N2-原油在不同高温（100~250 ℃）条件下的混相规律。由于实验2与实验3中，气体样品中N2含量较高，低压条件下N2与原油的最小混相温度远高于实验设备上限，因此两组实验设计基础压力由15 MPa开始。
表1 CO2-原油混相实验设计方案 |
| 编号 | 气介质 | 实验压力/MPa | 实验温度/℃ | 原油样品 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | CO2 | 11 | 100~250 | 凝析油 |
| 2 | CO2 | 13 | 100~250 | 凝析油 |
| 3 | CO2 | 14 | 100~250 | 凝析油 |
| 4 | CO2 | 15 | 100~250 | 凝析油 |
| 5 | CO2 | 17 | 100~250 | 凝析油 |
| 6 | CO2 | 18 | 100~250 | 凝析油 |
表2 烟道气（15%CO2+85%N2）-原油混相实验设计方案 |
| 编号 | 气介质 | 实验压力/MPa | 实验温度/℃ | 原油样品 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 15%CO2+85%N2 | 15 | 100~250 | 凝析油 |
| 2 | 15%CO2+85%N2 | 18 | 100~250 | 凝析油 |
| 3 | 15%CO2+85%N2 | 25 | 100~250 | 凝析油 |
| 4 | 15%CO2+85%N2 | 30 | 100~250 | 凝析油 |
| 5 | 15%CO2+85%N2 | 35 | 100~250 | 凝析油 |
表3 N2-原油混相实验设计方案 |
| 编号 | 气介质 | 实验压力/MPa | 实验温度/℃ | 原油样品 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | N2 | 15 | 100~250 | 凝析油 |
| 2 | N2 | 18 | 100~250 | 凝析油 |
| 3 | N2 | 25 | 100~250 | 凝析油 |
| 4 | N2 | 30 | 100~250 | 凝析油 |
| 5 | N2 | 35 | 100~250 | 凝析油 |
每组实验具体步骤：①清洗PVT筒并进行抽真空。将PVT筒取出，注入丙酮清洗整个筒内的甲苯，通入N2将筒内丙酮清洗干净，最后将整个可视化PVT仪器抽真空，完成清洗。②饱和流体。PVT筒清洗完毕后置入实验系统，通过不同阀门在PVT筒上端注入实验气体，在下端注入油样。流体饱和完成后静置3~5 min。③增压至目标压力。利用恒压控制系统增加PVT筒压力至预设压力，待稳定后逐级升温，通过恒温控制装置，逐级增加PVT筒内温度，同时通过可视化呈像系统观察并记录油气界面变化情况，待油气界面模糊消失时，此时对应的温度即为该压力下达到混相的最低温度。④降温至初始温度。利用恒温控制系统逐渐降低PVT筒内温度至初始温度，通过可视化呈像系统观察并记录油气界面变化情况。⑤实验结束后，降低系统压力至常压，打开阀门，释放原油以及筒内气体，注入甲苯清洗筒内原油，直到摄像机检测不到残余油滴。
为系统阐述不同温度、压力条件下不同气介质-原油的混相特征，同步开展高温条件下（100~250 ℃）CO2、烟道气、N2与原油样品的最小混相压力测试实验，即在系统达到设计温度后逐级升压，待界面消失时得到该温度下的最小混相压力。最小混相压力实验测试方法较为成熟，在此不做赘述，仅为后文分析讨论提供数据支撑。
2 实验结果及分析
2.1 CO2-凝析油混相实验
以实验压力为15 MPa条件下的实验为例（见图3 ）展示整个实验过程，研究恒压升温过程对混相状态的影响。在100 ℃时，PVT筒内观察不到两相界面，CO2与油相已处于混相状态。逐级升温，由可视窗观察界面变化。当温度升高至120 ℃，此时CO2与油相仍处于混相状态；继续升温至140 ℃，CO2开始从油相中脱出，同时油相中部分轻质组分蒸发为气相，此时在PVT筒中可以明显观察到油-气两相界面存在，处于非混相状态；升温至160~180 ℃，原油体积快速膨胀占主导地位，表现为界面升高；升温至200 ℃，此时油相中C7—C16轻烃组分被蒸发为气相，表现为相界面下移；升温至230 ℃，观察到两相界面消失，油-气系统重新达到混相状态，混相带区域由超临界CO2与油相中蒸发的轻烃一起构成。
综合分析整个实验过程，15 MPa条件下逐级升温，PVT筒中流体经历以下变化过程，低温混相（100 ℃）→非混相（140~200 ℃）→高温混相（230 ℃）。由此可以看出，对于CO2-凝析油混相实验，初始条件15 MPa、100 ℃已经超过其最小混相压力13 MPa（见图2 ），因此油-气系统处于混相状态。在同一压力下，低温区间内（100~200 ℃），当温度升至140 ℃后CO2-原油不再混相，可以定义140 ℃为低温区间的最高混相温度，温度继续升高不利于混相；当温度升高至200 ℃，原油轻组分蒸馏挥发作用起主导作用，加热升温则具有促混作用；温度进一步升高到230 ℃时，CO2-原油重新达到了混相，可以把230 ℃定义为高温区间（高于200 ℃）CO2-原油的最小混相温度，温度高于最小混相温度就能实现混相，温度进一步升高则能促进混相。对比分析可知：CO2-原油在两个温度区间表现为截然不同的混相状态，140 ℃以下的混相状态源于初始压力条件下CO2与原油的相互作用，通过溶解抽提形成混相[32]。大于140 ℃条件下，随着温度的升高原油中的轻烃组分蒸馏挥发，是原油轻烃组分的强制气相相变，与CO2最终形成混相。这一过程在N2的升温混相实验中表现更为明显。
2.2 烟道气（15%CO2+85%N2）-凝析油混相实验
实验压力为25 MPa的实验显示（见图5 ），随温度升高两相界面依然存在先升高后下降的现象，最终温度为210 ℃时烟道气与凝析油形成混相，两相界面消失。
根据实验结果，烟道气-凝析油实验压力为15，18，25，30，35 MPa时均观察到了界面消失的现象，达到了混相状态，测得最小混相温度与压力的关系曲线如图6 所示。随着压力的升高，最小混相温度逐渐下降。该结果与笔者前期开展的高温高压细长管实验[30]结果相近，起到了很好的对比验证作用。本实验所得到的混相温度与压力数值略高于细长管实验，这是由于界面消失法是从相平衡角度对混相进行的准确定义，条件更为苛刻，而细管实验是以注入气体为1.2倍孔隙体积时，驱油效率达到90%以上为混相标准，侧重于开发及工程角度，因此两种实验结果存在误差是合理的。
2.3 N2-凝析油混相实验
3 实验结果对比讨论
3.1 不同温度下的混相带对比
通过CO2-凝析油混相实验发现，在升温过程中CO2与油相存在两个温度域的混相状态，以实验压力为15 MPa的实验为例，分析不同混相温度（100，230 ℃）下形成的混相区域。从实验现象来看，对比100，230 ℃两个温度下的混相带（见图3 ），可以明显观察到实验温度为230 ℃条件下混相带颜色更加均匀。同时当温度逐渐升高时，也可以看到混相带颜色变得更加均匀的现象，通过图片及视频的对比分析初步可以判断混相带的密度逐渐变小。
结合模拟计算进一步分析低温与高温混相带的差异，利用PVTsim闪蒸计算得到模拟实验压力为15 MPa，实验温度为100，120，140，230 ℃时的流体密度分别为0.604，0.538，0.471，0.273 g/cm3。综合实验以及计算结果分析，恒压升温过程中，CO2与原油在低温域与高温域的混相规律存在很大区别。100 ℃时，油相中仅极小部分C2—C6轻质组分发生蒸馏相变，超临界CO2流体与蒸馏的轻烃组分形成密度相对较高（0.604 g/cm3）的液相混相带。而当温度升高至230 ℃时，在C7—C16组分蒸馏相变为气相的同时，超临界流体偏离临界点更远，导致气体密度下降，最终相变组分与高压压缩、高温超临界CO2实现混相，此时形成呈气相特征的低密度（0.273 g/cm3）混相带。
传统CO2混相驱是通过高压实现溶解抽提混相，更多表现出单一液相的特点，而热混相体现的是高温高压条件下的蒸馏相变状态，表现出更多气相相变特征。由图2 可知CO2与油相的最小混相压力在温度为200 ℃时出现拐点，通过对不同温度条件下混相带特征的分析，证实了高温蒸馏相变机理，拐点的存在意味着随温度的升高，混相带逐渐由超临界液态向超临界气态转变。最小混相压力随温度变化与超临界气体性质的变化及油相蒸馏相变的发生密切相关。
3.2 不同气介质-原油高温混相规律对比
对比分析不同实验压力、不同气介质-原油间的混相温度实验结果（见图10 ，此处仅对比高温区间CO2-凝析油的实验结果）。由图可知：在相同压力下，混相温度表现为CO2低于烟道气，而烟道气低于纯N2。CO2气体在油相中易于溶解，且能够通过溶解抽提作用置换原油中部分轻质组分；当温度持续升高，原油中更多轻质组分发生相变，油-气两相更容易形成混相，故混相温度最低。纯N2由于溶解抽提作用弱，混相温度相对最高。而烟道气中有少量CO2存在，即使温度升高CO2溶解抽提能力变弱，仍有一定促混作用，混相温度低于纯N2。
从温度对混相效果影响角度来看，温度为200 ℃时N2与油样在31.4 MPa发生混相，显著高于烟道气混相压力27.0 MPa；温度为250 ℃时，烟道气与油相的混相压力为15.0 MPa，而N2与凝析油的混相压力为19.0 MPa，随着温度升高，N2与烟道气混相压力逐渐接近，说明高温条件下CO2促混效果相对下降，轻质组分蒸馏挥发为气相成为主要影响因素，温度越高不同类型气体混相压力越接近。
利用PVTsim软件模拟注入CO2、烟道气、N2在不同温度下的压力（p）-物质的量分数（x）相图。注入CO2气体的p-x相图（见图11 ）显示，CO2-原油混相压力存在先上升后下降的趋势。温度不断升高的过程中油气体系临界点首先向左上方移动，临界压力升高；随后临界点逐渐向原点方向移动，更容易向气相转化。注入烟道气、N2气体的p-x相图表明（见图12 、图13 ），随着温度升高，因气体-原油的混相压力逐渐下降，临界点逐渐向原点方向移动。
上述实验结果加深了对热辅助混相驱油机理的认识，也进一步证实了轻质油藏注空气热氧化驱替过程中，以原油轻质组分蒸馏相变热混相为主的开发机理。但目前对烟道气与轻质原油混相的组分相变作用特征、微观作用机理、高温条件下油气系统相变规律等仍需开展相关实验及理论研究，进一步明确热作用条件下混相组分相变作用机理。
在传统混相驱开发中，烟道气、N2等气体一直被作为杂质气体而忽略其潜在应用价值，在轻质油热相变条件下，传统非混相气体也能够与原油实现混相达到高效驱油的目的，这也为混相驱技术开辟了新的技术思路。
4 结论
恒压升温过程中CO2-原油系统存在两个混相温度域，当温度低于140 ℃时，混相带呈液相特征，温度对于混相过程起抑制作用；当温度高于230 ℃时，混相带趋向气相特征，提高温度有助于形成混相。
恒压条件下，温度足够高时，烟道气、N2与原油两相接触界面逐渐消失，可以实现混相。
传统CO2-原油混相机理主要为加压溶解抽提形成混相，热辅助混相主要机理为高温条件下原油轻质组分蒸馏挥发实现混相。高温蒸馏挥发混相为烟道气、N2等传统非混相气介质高效驱油提供新的技术方向。