井樓油田氮氣輔助蒸汽吞吐機理實驗研究

王洋，蔣平，葛際江，張貴才，劉清華

（中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東 青島 266580）

0 引言

蒸汽吞吐是目前國內(nèi)開采稠油的主要方法，約有80%的稠油產(chǎn)量依靠該工藝獲得［1-3］，其在美國、委內(nèi)瑞拉、加拿大亦得到廣泛應(yīng)用。井樓油田是河南油田的主力油田，經(jīng)過多輪次蒸汽吞吐開采后，面臨地層能量不足、產(chǎn)量遞減逐年增大、加熱半徑達到經(jīng)濟極限等問題，亟需轉(zhuǎn)換生產(chǎn)方式。井樓油田高淺三區(qū)總含油面積為1.06 km2，地質(zhì)儲量96×104t，油層溫度下脫氣原油黏度為25 905 mPa·s，屬特稠油油藏。氮氣導(dǎo)熱系數(shù)低，且具有很大的壓縮系數(shù)，因此在普通稠油油藏蒸汽吞吐開發(fā)后，可以注入一定量的氮氣以改善蒸汽吞吐開發(fā)效果［3-15］。本文通過實驗研究了氮氣輔助蒸汽吞吐開發(fā)特稠油油藏的機理，為此類油藏的開發(fā)提供了一定的理論依據(jù)。

1 實驗裝置及流程

1.1 實驗裝置

恒溫箱、平流泵（北京衛(wèi)星泵廠）、蒸汽發(fā)生器、巖心夾持器、回壓閥、中間容器罐、ISCO恒壓恒流泵、多點測溫填砂管。

1.2 實驗流程

1）測定不同溫度下井樓油田高淺三區(qū)的原油混合氮氣前后在巖心（直徑2.5 cm，長度10～16 cm）中的滲流能力。實驗溫度為120℃和160℃，設(shè)置回壓為地層壓力，分別將不飽和氮氣的原油和飽和氮氣的原油注入巖心中，記錄入口壓力的變化以及出第1滴油時的壓差。

2）填制2根滲透率2 μm2的填砂管，依次飽和地層水、原油后，分別使用氮氣和蒸汽在恒壓下驅(qū)替填砂管，記錄出口端產(chǎn)出的原油體積。

3）填制2 μm2的填砂管，恒流速注入蒸汽，記錄各測溫點的溫度；向該填砂管中注入氮氣至沒有水產(chǎn)出時，再次恒速注入蒸汽，并記錄各測溫點的溫度。

4）填制2 μm2的填砂管，依次飽和地層水、原油后，地層溫度條件下，先注入蒸汽驅(qū)替至不出油后注入氮氣，同樣驅(qū)替至不出油后再注入蒸汽；填制滲透率相當(dāng)?shù)奶钌肮埽瑫r注入氮氣和蒸汽驅(qū)替。實驗過程中均計量產(chǎn)出液體積及驅(qū)替壓差。

5）填制2 μm2的填砂管，依次飽和地層水、原油后，地層溫度條件下，先注入蒸汽驅(qū)替至不出油后，再注入氮氣驅(qū)替，同樣驅(qū)替至不出油后再注入蒸汽驅(qū)替。實驗過程中計量產(chǎn)出液體積及驅(qū)替壓差。

2 實驗結(jié)果及討論

2.1 氮氣改善稠油流動性實驗

圖1為不同溫度下巖心驅(qū)替壓差隨時間的變化關(guān)系曲線。可以看出，在相同溫度條件下，與飽和氮氣的稠油相比，未飽和氮氣的稠油在巖心中流動的啟動壓差較大，說明氮氣對稠油流動性具有一定的影響。

圖1 飽和氮氣前后原油流動能力變化曲線

從飽和氮氣前后的壓差、黏度比值（見表1）可以看出：

1）混入氮氣后，稠油的流動壓差減小。

2）在120℃時，混入氮氣后啟動壓差及平衡壓差的比值大于160℃時啟動壓差及平衡壓差的比值，而峰值壓差的比值結(jié)果相反。

3）對于高淺三區(qū)原油，混入氮氣后黏度的降低幅度略小于啟動壓差、峰值壓差及平衡壓差的降低幅度。

表1 飽和氮氣前后的壓差、黏度比值

2.2 氮氣驅(qū)替實驗

分別使用氮氣和蒸汽驅(qū)替時的采收率曲線如圖2所示。

圖2 恒壓條件下氮氣、蒸汽驅(qū)提高采收率曲線

實驗發(fā)現(xiàn)：氮氣突破時間為9 min，蒸汽突破時間為16 min，這是由于注入的蒸汽在填砂管中流動時，隨溫度降低逐漸變?yōu)樗?，故其突破時間要長于氮氣。相同壓差下，當(dāng)?shù)獨馔黄坪?，其?qū)油效果明顯比水差。這是由于相同壓差下，氮氣的流動速度高于水，而黏度遠小于水，故其與原油的流度比大于水與原油的流度比，突破后氮氣無法起到很好的驅(qū)油效果。實驗也表明，蒸汽吞吐過程中宜采取先注入氮氣再注入蒸汽的方式，以使氮氣進入到地層深處，一定程度上延遲開井生產(chǎn)時氮氣的突破時間。由于氮氣的壓縮性較好，所以使地層壓力在較長時間內(nèi)保持在一個較高的水平，從而提高采收率。

2.3 氮氣對熱量傳播的影響

各測溫點溫度數(shù)據(jù)如圖3所示。從圖3中2—4號測溫點的數(shù)據(jù)可以看出：

1）2種情況下，3個測溫點的最終穩(wěn)定溫度大致相當(dāng)，這表明注入大量蒸汽后，各測溫點的極限加熱溫度相同。

2）向飽和氮氣的填砂管中注入蒸汽時，各測溫點溫度開始大幅上升的時間要早于飽和蒸汽的填砂管，而溫度上升速率則是前者略小于后者。這是由于在相同蒸汽注入量下，當(dāng)存在氮氣時，近井地帶（近注入端

處）由于氮氣隔熱的作用消耗的熱量較少，此時氮氣由于飽和度較高，不會被完全驅(qū)出，所以蒸汽的線速度較高，可以較早地加熱到遠井地帶（遠離注入端處），蒸汽熱量可以傳播到更遠的地層；當(dāng)填砂管的整個孔隙被水飽和后，由于要加熱近井地帶的水，部分蒸汽熱量被損耗，且此時蒸汽的縱向波及系數(shù)要高于管內(nèi)為氮氣時，因而在相同的注入流量下，蒸汽線速度較低，所以測溫點測試到的溫度上升速率會更快。蒸汽吞吐開發(fā)過程中，當(dāng)進行了一定輪次的吞吐開采后，加熱半徑達到了一定的極限，此時注入氮氣，其隔熱效果可以使蒸汽的熱量波及到更遠的地層，擴大了后續(xù)蒸汽的加熱半徑，從而提高采收率。

圖3 不同測溫點數(shù)據(jù)采集曲線

2.4 氮氣改善蒸汽吞吐開發(fā)效果

交替注入和同時注入蒸汽氮氣以驅(qū)替原油的采收率曲線分別如圖4和圖5所示。從圖中可以看出：

1）二者最終采收率大致相當(dāng)，均約52%。

2）蒸汽驅(qū)后進行氮氣驅(qū)替，仍有約10%的原油可以驅(qū)出，再進行蒸汽驅(qū)仍有油被驅(qū)出，而單純氮氣驅(qū)的采收率小于單純蒸汽驅(qū)，即氮氣驅(qū)油效率比蒸汽差，說明蒸汽和氮氣的驅(qū)油通道并不完全相同。

3）注蒸汽后再注入氮氣，氮氣的采收率小于圖6中直接注入氮氣時的采收率，所以先前注入的蒸汽也采出了部分氮氣通道內(nèi)的油，即二者通道有部分是重疊的。

4）蒸汽和氮氣同時注入的采收率，較單獨注入蒸汽或氮氣的采收率都要高。這是由于填砂管（油藏）多為水濕，注入蒸汽后，蒸汽主要沿巖石表面流動驅(qū)替原油；氮氣為非潤濕相，注入后主要沿孔道中心驅(qū)替原油；同時注入氮氣和蒸汽，可以起到提高驅(qū)油效率的效果。

5）吞吐開采過程中，在注入氮氣和蒸汽量一定的條件下，應(yīng)選擇先注入氮氣再注入蒸汽。這是由于2種情況下，氮氣起到的隔熱作用大致相同，因而在相同的蒸汽注入量下，其熱利用率大致相當(dāng)。由于蒸汽與氮氣混注時的驅(qū)油效果要好于先注入氮氣再注入蒸汽，混注會將更多的原油驅(qū)至遠井地帶，而生產(chǎn)過程是氮氣和蒸汽在相同壓差下同時向井底流動，相當(dāng)于實驗過程中氮氣跟蒸汽同時注入的過程，因此可以最大限度地提高采收率。

圖4 蒸汽氮氣交替注入驅(qū)油曲線

圖5 氮氣蒸汽同時注入驅(qū)油曲線

圖6 氮氣—蒸汽驅(qū)油曲線

2.5 氮氣調(diào)剖實驗

在蒸汽—氮氣—蒸汽驅(qū)替實驗中，注入氮氣驅(qū)替出約7 cm3液體（油+水），即此時氮氣占據(jù)孔道的體積為7 cm3，關(guān)閉填砂管兩端的閥門，稱量填砂管質(zhì)量為2 218.6 g，再進行蒸汽驅(qū)，驅(qū)替結(jié)束后填砂管的質(zhì)量為2 222.0 g，該過程中產(chǎn)油約4 cm3，增加質(zhì)量4×（1-0.995 2）=0.179 2 g（該區(qū)塊原油密度為 0.955 2 g/cm3），即第2次蒸汽驅(qū)后由氮氣占據(jù)的7 cm3孔隙體積由水占據(jù)了2 222.0-2 218.6-0.179 2=3.220 8 cm3，氮氣此時仍占有3.8 cm3左右的孔隙體積，氮氣已不是連續(xù)相，多數(shù)以微氣泡的形式存在，對蒸汽/水的流動產(chǎn)生一定的阻力。

3 結(jié)論

1）氮氣對高淺三區(qū)原油的流動性有一定改善作用。氮氣導(dǎo)熱系數(shù)低，在蒸汽吞吐過程中注入氮氣，可以起到隔熱的作用，從而擴大加熱半徑以提高采收率。

2）氮氣與蒸汽/水在油藏中的滲流通道有部分重合，但并不完全相同。

3）蒸汽吞吐過程中，應(yīng)采用先注入氮氣再注入蒸汽的方式，不宜同時注入。

4）部分氮氣在油藏中以微氣泡的形式存在，對后續(xù)注入蒸汽具有調(diào)整吸汽剖面的作用。

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