稠油蒸汽驅(qū)三維物模實驗影響因素分析

宋志學，鄭繼龍，陳平，翁大麗，胡雪

中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452

稠油蒸汽驅(qū)三維物模實驗影響因素分析

宋志學，鄭繼龍，陳平，翁大麗，胡雪

中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452

蒸汽驅(qū)是稠油油藏開采較為有效的技術(shù)，由于受諸多條件影響，為了較為全面地認識蒸汽驅(qū)這一開發(fā)方式，利用三維物模裝置，以某油田稠油油藏為主要原型，通過蒸汽驅(qū)物理模擬方法研究注入壓力、蒸汽干度、注汽速度等因素對稠油蒸汽驅(qū)的影響。通過研究發(fā)現(xiàn)注入壓力大，采收率提高；當蒸汽干度大于50%，在蒸汽驅(qū)過程中，蒸汽干度越高，驅(qū)油效果就越明顯。

稠油；蒸汽驅(qū)；三維物模；注入壓力；蒸汽干度；注入速度

在蒸汽驅(qū)過程中，蒸汽由注入井注入儲層，原油被加熱后驅(qū)向生產(chǎn)井，通過重力分離作用，蒸汽向油層頂部超覆，熱水進入油層下部。一般認為，蒸汽驅(qū)驅(qū)油的主要機理有以下6個方面［13］：1）向地層中注入高溫高壓蒸汽會提高油層溫度，降低原油黏度和油水黏度比；2）原油在高溫下體積膨脹會產(chǎn)生一定的驅(qū)油作用；3）蒸汽的蒸餾作用使剩余油在高溫下被部分汽化，蒸汽相中的烴蒸汽，遇到低溫的油層巖石，會形成輕油帶，在驅(qū)替過程中起到萃取油的作用；4）當水蒸汽冷凝成熱水時，凝析的含烴熱水和油一塊流動，形成熱水驅(qū)；5）凝析的輕質(zhì)餾分與地層中的原油混合并將其溶解，降低原油的密度和黏度，當輕質(zhì)油帶通過地層向前推進時，則形成油的混相驅(qū)；6）在蒸汽前沿，既有水包油乳狀液，也可能有油包水乳狀液。這些乳狀液黏度均比油或水大，這種黏性乳狀液將會堵塞蒸汽竄流的通道迫使蒸汽進入低滲層，降低蒸汽的指進強度。

本文基于三維物模裝置，研究稠油蒸汽驅(qū)過程中注入壓力、蒸汽干度、注汽速度等因素對稠油蒸汽驅(qū)的影響。

1 實驗部分

1．1 實驗材料

實驗用水：室內(nèi)配置某油田地層水和注入水，地層水平均礦化度約7 562 mg／L左右，經(jīng)0．45 μm微孔濾膜過濾。

實驗用油：某油田原油，油藏溫度條件下（63℃）黏度為488 mPa·s。

石英砂：80－100目，外觀為白色，無可見的機械雜質(zhì)，二氧化硅的含量大于99．99%。

1．2 實驗儀器設(shè)備

三維物理模型裝置：飛宇石油科技有限公司生產(chǎn)，整套系統(tǒng)主要由模擬系統(tǒng)、注入系統(tǒng)、測控系統(tǒng)、油水計量系統(tǒng)、輔助配套系統(tǒng)等5部分組成；

蒸汽發(fā)生器：揚州華寶石油儀器有限公司；

高壓恒壓恒速泵：美國原裝進口 Qiuzix品牌QX5210-HC-A-AH-S型號泵；

氣體測量計：德國Ritter公司TG05-3。

1．3 實驗步驟

驅(qū)替試驗流程見圖1。其特點是按照相似準則，準備合適粒徑的石英砂，用于充填模型并滿足滲透率要求，用物理模擬的方法研究注入壓力、蒸汽干度、注汽速度等因素對稠油蒸汽驅(qū)的影響。

圖1 蒸汽熱采物模裝置流程

實驗步驟如下［4-5］：

1）實驗前準備。準備合適粒徑的石英砂，用于充填模型并滿足滲透率要求；測試模擬油的黏度、密度等物性數(shù)據(jù)；檢查溫度傳感器、差壓傳感器，保證其處于良好狀態(tài)。

2）模型填砂。安裝模擬井、溫度傳感器和差壓傳感器，向模型填石英砂。

3）封裝模型。填砂結(jié)束后，進行封裝。再用氮氣向模型的蓋層和油層打壓。實驗過程中，將壓力穩(wěn)定在3 MPa，在模型各端口檢測是否漏氣，待模型封裝后抽真空，然后飽和水測模型孔隙體積、孔隙度，最后用油驅(qū)水法造束縛水。

4）建初始溫度場。封裝模型后，設(shè)恒溫箱溫度，對模型加熱。一般加熱48 h后，待模型內(nèi)各測溫點溫度達到地層溫度時，可進行蒸汽驅(qū)三維物模實驗。

5）注入流體調(diào)試。在注入蒸汽前首先調(diào)試蒸汽發(fā)生器，使注汽速度、注汽溫度和壓力能滿足方案設(shè)計要求。

6）進行實驗。實驗時，計算機測控系統(tǒng)對實驗流程中各處溫度、壓力進行實時監(jiān)測。實驗中實時計量油水總量，實驗結(jié)束后，對收集到的產(chǎn)出液進行特殊處理、分離，以計量出油、水的瞬時產(chǎn)量。

2 稠油蒸汽驅(qū)影響因素分析

2．1 注入壓力對驅(qū)油效果的影響

在稠油蒸汽驅(qū)油實驗過程中，水蒸汽飽和溫度隨注入壓力升高而增大。實驗過程分別以4．0、2．0和1．0 MPa的注汽壓力進行蒸汽驅(qū)油實驗，其驅(qū)油效果曲線見圖2～4。

圖2顯示注汽壓力越高蒸汽驅(qū)油效果越好。在150 min，壓力分別為4．0、2．0、1．0 MPa時，采出程度分別為27%、14．5%、13%。可看出4 MPa時采出程度最高。壓力從1．0～2．0 MPa，采出程度變化不大；但從2．0～4．0 MPa，變化比較明顯。主要原因是隨著注氣壓力的增加，蒸汽溫度也隨著升高，氣體與原油的界面張力變小，油水流度比降低［6］。

圖2 不同注入壓力下采出程度與時間關(guān)系

由圖3可知，不同注入壓力條件下，4 MPa的油汽比最高，且油汽比隨壓力升高而升高。注入壓力為4．0 MPa時的油汽比可達到0．13左右；而注入壓力為1．0和2．0 MPa時，油汽比為0．8左右。溫度越高，原油的黏度越低，越易被驅(qū)替，油汽比就越高。

圖3 不同注入壓力下油汽比曲線

從圖4可看出，在1．0 MPa下，含水率最高，最終含水率在92．5%。而注入壓力在4．0 MPa下最終含水率才88%。在高溫下，稠油和輕質(zhì)油的特性相近，溫度越高，油水同出的比例越大，生產(chǎn)井含水率就越低。

圖4 注入壓力對含水率的影響

由此可知，注入壓力越高，蒸汽驅(qū)采出程度也越高。而注入壓力并不是越大愈好，因為注入壓力大會導致蒸汽注入困難，增加注氣成本。

2．2 蒸汽干度對驅(qū)油效果的影響

1980年，Gomaa對Kern River典型稠油油藏進行了研究，研究表明存在最優(yōu)蒸汽干度［7］。注入蒸汽干度越大，蒸汽驅(qū)的驅(qū)油效果就越好，驅(qū)油效率越高［8］。蒸汽驅(qū)過程中注入的蒸汽主要是作為驅(qū)替介質(zhì)不斷驅(qū)替原油，蒸汽驅(qū)在油層中形成蒸汽帶，并不斷保持蒸汽帶向前擴展。濕飽和蒸汽中的熱能包括水相中的顯熱與汽相中的潛熱，蒸汽干度越高，汽化潛熱越大。只有依靠注入油層的蒸汽中大量的、連續(xù)補充的汽化潛熱能，才能保持形成的蒸汽帶不斷擴展、驅(qū)替原油至生產(chǎn)井中采出。實現(xiàn)有效蒸汽的關(guān)鍵在于能否有足夠多的熱量補充到地層中。實驗中通過保持注汽速度、注入壓力不變，研究了蒸汽干度對驅(qū)替效果的影響。

由圖5可明顯看出注入蒸汽干度越大，蒸汽驅(qū)的驅(qū)油效果就越好，驅(qū)油效率越高。在150 min時，干度為75%采出程度為15%左右，干度為50%和 25%的采出程度不到8%。而且干度從25%～50%，驅(qū)替效果沒有明顯改變；而從50%～75%采出程度變化很大。由此可知干度至少應(yīng)在50%以上，提高蒸汽干度的方法才對驅(qū)替效果有影響。通過實驗可知，當蒸汽干度小于50%時，注入蒸汽所含的熱量少，導致蒸汽帶的范圍小，汽驅(qū)效果不明顯，所以驅(qū)油效率較低；當蒸汽干度由50%增加到70%時，注入蒸汽內(nèi)所含熱量不斷增多，能形成范圍比較大的蒸汽帶，使原油中的溶解氣都分離出來，這種溶解氣又由于體積膨脹，產(chǎn)生驅(qū)油作用，因而驅(qū)油效率大幅度提高。

由于水蒸汽有很高的汽化潛熱，高干度的蒸汽所含熱量大，注入油層后可以及時補充地層熱損失，維持和擴大蒸汽帶的范圍。汽態(tài)分子的能量遠比液態(tài)分子能量高，汽態(tài)分子可以進入液態(tài)分子進入不到的“微孔隙”中，使蒸汽帶內(nèi)的殘余油飽和度低于熱凝帶的殘余油飽和度。蒸汽干度的提高，導致注入氣體含熱量高，汽驅(qū)效果開始起作用，這樣會大大提高驅(qū)油效果。這說明在蒸汽驅(qū)過程中，蒸汽干度越高，驅(qū)油效果越好。

圖5 注汽干度對采出程度的影響

2．3 注汽速度對驅(qū)油效果的影響

注汽速度越高會導致熱損失率越低，井內(nèi)干度越高；注汽占用的時間少，蒸汽容易沿高滲透部位和邊井的方向突進［9］。上述分析是基于注汽干度75%的條件下進行的實驗，注入量增加會導致熱焓增加，前期是保持井底至少50%以上的干度，蒸汽效果才會好。這是因為蒸汽與地層進行熱交換時只要有蒸汽存在，溫度會維持在飽和溫度不變；若蒸汽干度較低，蒸汽在地層內(nèi)進行熱交換后會導致注熱量降低，驅(qū)油效果不明顯。

由圖6可知隨著注汽速度增大，采出程度增加。當注汽強度達到40 mL／min時，采出程度可達到70%左右。當以低注汽速度注汽時，由于注汽的熱損失，進入地層的熱量較低，只能加熱蒸汽前緣的熱水帶，蒸汽腔擴大有限，蒸汽驅(qū)變?yōu)闊崴?qū)，開發(fā)效果變差；當注汽速度變大時，模型內(nèi)熱量得到補充，有利于蒸汽帶的擴展，開發(fā)效果好。

圖6 注汽速度對采出程度的影響

由圖7可看出，油汽比最高的不是40 mL／min，而是20 mL／min。從而可知稠油蒸汽驅(qū)存在最優(yōu)注汽速度，使油汽比達到最大，經(jīng)濟效益達到最佳。分析原因主要是由于當注汽強度超過最佳注汽速度時，由于蒸汽前緣油墻的存在，油層液體流動速度不能成比例增加，造成采注比失衡，致使油層壓力增加，蒸汽帶擴展體積反而小于低注汽強度條件下的體積，從而導致汽驅(qū)效果變差。同時，蒸汽注入速度過大會引起汽竄，蒸汽會向高滲透層和邊井突進，造成油汽比下降［10］。

圖7 注汽速度對油汽比的影響

3 結(jié)論

1）注入壓力對蒸汽驅(qū)油效果影響比較大，注入壓力大，蒸汽溫度就高，采收率就越高。

2）在蒸汽驅(qū)過程中，蒸汽干度越高，驅(qū)油效果就越好，但蒸汽干度小于50%時，注汽干度的提高對驅(qū)油效果不敏感，且驅(qū)油效果較差。

3）稠油蒸汽驅(qū)開采過程中，都有一個最優(yōu)的注汽速度，注汽速度太小，地層熱量得不到補充；注汽速度太大，容易產(chǎn)生汽竄，油汽比會降低，經(jīng)濟效益會下降。

［1］李獻民．單家寺油田蒸汽驅(qū)先導試驗驅(qū)油機理研究［J］．特種油氣藏，1996，4（3）：13-16．

［2］張義堂．熱力采油提高采收率技術(shù)［M］．北京：石油工業(yè)出版社，2006：20-36．

［3］孫川生．克拉瑪依九區(qū)熱采稠油油藏［M］．北京：石油工業(yè)出版社，1998：12-22．

［4］馬驍．稠油油藏蒸汽開采過程中泡沫調(diào)剖模擬實驗研究［D］．青島：中國石油大學（華東），2009：10-25．

［5］禚馮昌．稠油油藏蒸汽驅(qū)三維物理模擬及數(shù)值模擬研究［D］．青島：中國石油大學（華東），2010：2-30．

［6］BURSELL C G，PITTMAN G M．Performance of steam dis-placement in the Kern River field［J］．Journal of Petrleum Technology，1995（8）：997-1004．

［7］GOMAA E E．Correlations for prediction oil recovery by steamflood［J］．Journal of Petrleum Technology，1980（2）：325-332．

［8］于海濤．注汽干度對驅(qū)油效果的影響研究［J］．科學技術(shù)與工程，2012，12（12）：2981-2982．

［9］王健竹．稠油油藏蒸汽驅(qū)技術(shù)研究［J］．大慶：大慶石油學院學報，2009：10-30．

［10］崔榮海．單家寺油田稠油熱采技術(shù)及方案設(shè)計研究［D］．青島：中國石油大學（華東），2006：68-88．

Analysis of experimental factors based on the
three-dimensional model of heavy oil steam flooding

SONG Zhixue，ZHENG Jilong，CHEN Ping，WENG Dali，HU Xue
CNOOC Energy Tech-Drilling＆Production Co．，Tianjin 300452，China

Steam flooding is a relatively effective thermal technology for heavy oil reservoirs．The steam flooding is limited by many conditions．In order to understand the steam flooding development way more comprehensively，a three-dimensional model based on a certain oilfield is used in this paper to study the factors that influence heavy steam flooding，such as steam injection pressure，steam dryness，and steam injection rate，through the physical simulation methods of steam flooding．And it turns out that reservoir recovery efficiency can be increased with the increase of injection pressure；when the steam dryness is higher than 50%，the displacement efficiency will in-crease with the increase of steam dryness during the steam flooding．

heavy oil；steam flooding；three-dimensional physical model；injection pressure；steam dryness；injec-tion rate

TE357．44

A

1009-671X（2014）03-0073-05

10．3969／j．issn．1009-671X．201309006

http：／／www．cnki．net／kcms／doi／10．3969／j．issn．1009－671X．201309006．html

2013-09-11．

日期：2014-06-05．

國家重大專項子課題資助項目（2011ZX05024-002-001）．

宋志學（1979-），男，工程師．

鄭繼龍（1987-），E-mail：zhengjl3＠cnooc．com．cn．