溶劑-蒸汽輔助重力泄油數(shù)值模擬研究

王大為，劉小鴻，張風義，杜春曉，耿志剛

(中海石油(中國)有限公司天津分公司 渤海石油研究院，天津 300459)

王大為,劉小鴻,張風義,等.溶劑-蒸汽輔助重力泄油數(shù)值模擬研究[J].西安石油大學學報(自然科學版),2018,33(2):65-71.

WANG Dawei,LIU Xiaohong,ZHANG Fengyi,et al.Study on numerical simulation of expanding solvent-steam assisted gravity drainage[J].Journal of Xi'an Shiyou University (Natural Science Edition),2018,33(2):65-71.

引　言

蒸汽輔助重力泄油(SAGD)是目前應用較為成功的一項稠油熱采技術，對于特超稠油能夠取得較好的開發(fā)效果。該技術目前已經(jīng)實現(xiàn)了商業(yè)化應用，國外加拿大應用最為廣泛，國內(nèi)的遼河油田杜84塊和新疆風城油田也開展了現(xiàn)場試驗，取得了較好的效果。2003年，Nasr等[1]人在SAGD技術的基礎上提出了溶劑-蒸汽輔助重力泄油(Expanding Solvent-Steam Assisted Gravity Drainage)，簡稱ES-SAGD技術，認為在SAGD生產(chǎn)中注入少量烴類溶劑能夠減少能量消耗，進一步降低蒸汽腔邊緣稠油黏度，改善熱采開發(fā)效果。

目前，國外對ES-SAGD的研究主要集中在物理模擬和數(shù)值模擬兩個方面[2-11]，研究內(nèi)容包括溶劑的增產(chǎn)機理、溶劑-原油體系的相行為、溶劑注入?yún)?shù)優(yōu)選及注入策略、油藏適用性等方面，并且在EnCana公司的Senlac和Christina Lake油田、Suncor公司的Firebag和Burnt Lake油田、Nexen公司的Long Lake油田進行了先導試驗，部分試驗取得了較好的效果[12]。國內(nèi)對ES-SAGD的理論研究較少[13-15]，基本還處于起步階段，遼河油田和新疆風城油田在SAGD開發(fā)的基礎上開展了溶劑輔助開發(fā)的室內(nèi)實驗研究及部分先導試驗，認為溶劑輔助SAGD開發(fā)能夠調(diào)整蒸汽腔發(fā)育，增加產(chǎn)油量[16-17]。本文應用數(shù)值模擬對比了SAGD和ES-SAGD的開發(fā)效果，闡述了溶劑的作用機理，并分析了溶劑類型、溶劑注入量、溶劑注入時機等重要參數(shù)對ES-SAGD生產(chǎn)的影響。

1　ES-SAGD生產(chǎn)機理

ES-SAGD技術不需要改變SAGD注采井的管柱結構和增加過多的現(xiàn)場設備，僅需要將溶劑和蒸汽在井口處混合注入，合適的溶劑應該在注入井和蒸汽腔內(nèi)充分汽化，隨蒸汽運移至汽腔邊緣。如果溶劑在到達油汽界面之前冷凝，則直接被采出，沒有起到溶解稀釋降黏的作用；溶劑到達油汽界面以后冷凝，與熱傳導作用相結合，能夠更有效地降低重油和瀝青的黏度，增加產(chǎn)油量，降低汽油比。產(chǎn)出的溶劑經(jīng)過分離后還可以循環(huán)利用，提高了該技術的經(jīng)濟性。

ES-SAGD中蒸汽的加熱作用仍是降黏的主要機理，因此，存在于氣相和液相中的溶劑應盡可能減小對熱傳導的影響。根據(jù)油藏不同區(qū)域油、汽飽和度的差異，可以將ES-SAGD生產(chǎn)過程分為4個不同的流動區(qū)域[18](圖1)：

蒸汽區(qū)A：區(qū)域內(nèi)充滿蒸汽、剩余油和原生水，溫度和壓力均勻分布。蒸汽區(qū)還包含蒸發(fā)溶劑，較輕的溶劑在蒸汽腔內(nèi)可以完全汽化，較重的溶劑則可能部分汽化。

蒸汽冷凝區(qū)B：當蒸汽與低溫瀝青和儲層巖石接觸后，由于溫差的存在，蒸汽的潛熱被傳導到冷油區(qū)域，溶劑和蒸汽依據(jù)相行為冷凝，氣相飽和度急劇減小，水相飽和度增大，汽液界面處含氣飽和度降為零。

移動油區(qū)C：區(qū)域內(nèi)溶劑溶解稀釋和蒸汽傳熱共同作用降低油相黏度，使之可以通過重力作用泄流至生產(chǎn)井。

不動油區(qū)D：區(qū)域內(nèi)溫度仍然很低，瀝青吸收的熱量不足以使之泄流至生產(chǎn)井。

圖1　ES-SAGD生產(chǎn)剖面Fig.1　Production profile of ES-SAGD

2　數(shù)值模型

2.1　模型選取

本文采用不考慮氣頂或底水的均質(zhì)機理模型研究ES-SAGD的生產(chǎn)規(guī)律，模型中將瀝青作為一項擬組分賦值，不考慮溶解氣的影響。模型尺寸150 m×300 m×30 m，油層下部部署2口平行的水平井，2口井垂向距離為10 m，下部生產(chǎn)井距離油層底部1 m，井長300 m。應用CMG-STARS軟件進行計算，生產(chǎn)初期預熱3個月，再轉(zhuǎn)入ES-SAGD生產(chǎn)。蒸汽干度0.95，溫度217 ℃，注汽壓力2.1 MPa，生產(chǎn)時間10 a。為了限制蒸汽被采出，設置生產(chǎn)井最大產(chǎn)汽量1 m3/d。其他油藏基礎參數(shù)見表1和圖2。

表1　油藏基礎參數(shù)Tab.1　Reservoir basic parameters

圖2　原油黏溫曲線Fig.2　Viscosity-temperature curve of crude oil

2.2　重要參數(shù)取值

ES-SAGD數(shù)值模擬中，溶劑相平衡常數(shù)、溶劑-原油混合物黏度、溶劑在原油中的擴散系數(shù)是反映溶劑作用機理的3個重要參數(shù)。

2.2.1溶劑相平衡常數(shù)溶劑在瀝青中溶解降黏是注溶劑增產(chǎn)的主要機理，溶劑的相平衡常數(shù)體現(xiàn)了溶劑在瀝青中的溶解度，相平衡常數(shù)是溫度和壓力的函數(shù)，CMG-STARS中應用修正的安托因(Antoine)方程計算得到，即

(1)

其中：K為一定溫度、壓力下溶劑的相平衡常數(shù)；K1、K4、K5為對應溶劑的相平衡系數(shù)，可以通過查表得到(表2)；p為體系壓力，MPa；T為體系溫度，K。

表2　溶劑相平衡系數(shù)取值Tab.2　Phase equilibrium coefficients of solvents

2.2.2溶劑-原油混合物黏度CMG-STARS中，應用對數(shù)混合規(guī)則計算混合溶劑后油相的黏度，即

ln(μo)=∑i[xi·ln(μi)]。

(2)

其中：μo為混合溶劑后油相的黏度，mPa·s；xi為組分i的摩爾分數(shù)；μi為組分i的黏度，mPa·s。

CMG-STARS中，烴類溶劑的黏度可以由式

μoi=a·exp(b/Tabs)

(3)

得到。其中：Tabs為絕對溫度，K；μoi為溫度Tabs對應溶劑黏度，mPa·s；a和b為溶劑i的黏度系數(shù)，可以通過查表得到。

分析表明，通過式(3)計算的溶劑黏度偏低(表3)，不能真實地反應蒸汽降黏的效果，理想的方法是采用實驗值。如果知道某一溫度下溶劑黏度的實驗值，可以應用沃爾特(Walther)方程計算不同溫度條件下的溶劑黏度[19]，即

(4)

其中：υ和υ0分別為溫度T和T0對應的運動黏度，mPa·s；a2=-3.7。

表3　不同烴類溶劑的液相黏度Tab.3　Liquid phase viscosity of different hydrocarbon solvents

2.2.3溶劑在原油中的擴散系數(shù)ES-SAGD技術的應用效果與溶劑在原油中的擴散系數(shù)相關，研究表明，對于C5—C7，擴散系數(shù)可以取4.32×10-5m2/d[20]。擴散系數(shù)同時也是溫度和黏度的函數(shù)[21]，即

(5)

其中：D為一定溫度和黏度時的溶劑擴散系數(shù)；Dref為參考溫度和黏度下的溶劑擴散系數(shù)；T為溫度，K；Tref為參考溫度，K；μ為黏度，mPa·s；μref為參考黏度，mPa·s；β=0.545。

3　數(shù)值算例分析

本節(jié)對比了SAGD和ES-SAGD的開發(fā)效果，分析了ES-SAGD的生產(chǎn)機理以及影響溶劑增產(chǎn)效果的幾個重要因素。除特殊說明外，基礎模型均采用摩爾分數(shù)2%的正己烷溶劑。

3.1　SAGD和ES-SAGD開發(fā)效果對比

如圖3所示，注入正己烷溶劑能夠明顯加快汽腔發(fā)育，這是因為高溫溶劑在油汽界面凝結，溶解于被加熱的原油區(qū)域，通過稀釋作用降低了原油黏度，增加了泄油速度。此外，由于正己烷的沸點和密度比水低，溶劑注入后分布在蒸汽外圍，形成高濃度的氣體薄層，會影響蒸汽向油藏的熱傳導。溶劑碳原子數(shù)越少，油汽界面的溶劑氣層越厚，阻熱越明顯；同時，由于其密度更低，也更容易隨蒸汽擴散至冷油區(qū)域，冷凝溶解后降低殘余油飽和度。相反，溶劑碳原子數(shù)越多，溶劑越重，更多以液相存在，移動油區(qū)域油相中的溶劑層越厚，更利于降低近井地帶殘余油飽和度。

圖3　SAGD和ES-SAGD不同生產(chǎn)階段水蒸汽和溶劑分布剖面Fig.3　Distribution profiles of steam and solvent in different production stages of SAGD and ES-SAGD

SAGD和ES-SAGD都能大幅度提高熱采開發(fā)效果，但是從采收率、日產(chǎn)油量和累積汽油比(圖4)可以看出，ES-SAGD開發(fā)效果更好。

如圖4所示，SAGD和ES-SAGD采收率分別為65.2%和77.3%，ES-SAGD采收率增加12.1%，采收率計算時去除了注入溶劑的量。SAGD和ES-SAGD穩(wěn)產(chǎn)期平均產(chǎn)油量分別為88 m3/d和127 m3/d，注入溶劑增產(chǎn)作用明顯。ES-SAGD生產(chǎn)特征與SAGD類似，隨著泄油高度的變化，分為產(chǎn)量上升、平穩(wěn)和衰竭3個階段。在前2個階段，由于溶劑的降黏作用，ES-SAGD產(chǎn)油量較SAGD明顯增大，衰竭產(chǎn)油期ES-SAGD產(chǎn)油量快速下降，后期低于SAGD生產(chǎn)，是由于ES-SAGD前期采油速度快，后期蒸汽腔先到達油藏邊界，油藏中剩余油減少所致。注入溶劑后SAGD累積汽油比下降32.9%，降低了能量消耗。

圖4　SAGD和ES-SAGD采收率、日產(chǎn)油量、累積汽油比對比Fig.4　Comparison of recovery factor,daily oil production and cumulative steam-to-oil ratio of SAGD and ES-SAGD

3.2　溶劑對ES-SAGD開發(fā)效果的影響

ES-SAGD生產(chǎn)中，注入溶劑的類型、溶劑的注入量、溶劑的注入時機等因素對開發(fā)效果有著重要的影響，了解這些因素的影響規(guī)律，對開發(fā)方案優(yōu)化設計具有重要意義。

3.2.1 溶劑類型的影響為了研究溶劑類型對ES-SAGD的影響，選擇了正戊烷、正己烷、正庚烷3種溶劑及它們之間的混合物(各占50%)進行對比，注入量均為摩爾分數(shù)2%。圖5顯示了不同溶劑的開發(fā)效果，可見注入碳原子數(shù)越大的溶劑采收率越高，但是由于碳原子數(shù)越大沸點也越高，產(chǎn)出液中溶劑回收利用也越困難。

圖5　ES-SAGD不同溶劑類型采收率對比Fig.5　Comparison of recovery factor of different types of solvent

不同溶劑增產(chǎn)效果的區(qū)別來自其揮發(fā)和凝結溫度的差異。溶劑的揮發(fā)性與揮發(fā)溫度密切相關，主要影響蒸汽腔邊緣溫度。溶劑的溶解稀釋作用降低了原油黏度，但是溶劑的揮發(fā)也影響了汽腔邊緣的溫度分布，降低了蒸汽加熱降黏效果，只有當二者影響相互抵消后才能通過注入溶劑提高SAGD產(chǎn)油量。溶劑的凝結溫度決定了其凝結的時機，并進一步影響溶劑在原油中的溶解度。如果蒸汽先于溶劑冷凝，沿著油汽界面形成的水膜層會稀釋溶劑，降低溶劑的溶解度。溶劑碳原子數(shù)越小，氣相中溶劑含量越高，降低了蒸汽分壓，蒸汽腔溫度降低，水膜層形成也早于純蒸汽注入。

ES-SAGD采用低濃度烴類溶劑與蒸汽共同注入，溶劑和水應該在相似的條件下蒸發(fā)或凝結，應具有相近的飽和蒸汽溫度。烴類溶劑的飽和蒸汽溫度隨著碳原子數(shù)的增加而增加，正烷烴溶劑中，水的飽和蒸汽溫度(2.1 MPa，215 ℃)更接近正己烷(2.1 MPa，203 ℃)和正庚烷(2.1 MPa，275 ℃)。因此，注入正己烷、正庚烷或者二者的混合物增產(chǎn)效果更好。

3.2.2溶劑注入量的影響對比了正己烷摩爾分數(shù)為0.1%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%時ES-SAGD的開發(fā)效果。如圖6所示，隨著溶劑注入量的增加，ES-SAGD采收率明顯增加，但是增幅逐漸減??；累積汽油比隨著溶劑濃度的增加逐漸減小。

圖6　ES-SAGD不同溶劑注入量采收率、累積汽油比對比Fig.6　Comparison of oil recovery factor and cumulative steam-to-oil ratio of ES-SAGD under the solvent injection of different molar fraction

溶劑注入過少，溶解降黏作用降低，增產(chǎn)效果不明顯。高濃度溶劑能夠更快地在蒸汽腔邊緣溶解，更有效地稀釋降黏稠油，并且由于注入溶劑后汽腔中蒸汽溫度降低，減少了向巖層的熱損失，增大了蒸汽熱效率；同時，由于汽腔溫度降低，蒸汽腔向周圍油藏的傳熱能力下降，加熱降黏作用減弱。合適的溶劑注入量需要平衡溶劑溶解降黏作用和蒸汽加熱降黏作用。

注入溶劑大部分能夠被采出再利用，以注入2%摩爾分數(shù)正己烷為例，累積注入溶劑40 221 m3，最終采出29 823 m3，回收率為74.1%。未采出的溶劑分為兩部分，一部分通過氣液相平衡溶解在殘余油中，另一部分留在氣相中[22]。隨著溶劑注入量的增加，溶解在殘余油中和留存在氣相中的溶劑也隨之增多(圖7)。

圖7　ES-SAGD溶劑損失量隨注入量變化關系Fig.7　Variation of solvent loss in ES-SAGD with mole fraction of injected solvent

在ES-SAGD生產(chǎn)中，蒸汽在稠油降黏中仍起主要作用，與溶劑相比，蒸汽加熱降黏的速度更快，并且溶劑成本更高，再考慮到溶劑損失量隨注入量的增加而增加，因此，對于特定的油藏條件，有必要優(yōu)化溶劑注入量，滿足經(jīng)濟性。為簡單起見，假設蒸汽注入量不變，溶劑價格7 000 元/t，對比不同溶劑注入量時相比SAGD的累積增油量以及溶劑損失量，便可以優(yōu)選出不同油價下溶劑注入量。例如，油價50美元/桶時，注入1%摩爾分數(shù)正己烷可以得到最大收益3084萬元(圖8)。

圖8　ES-SAGD凈利潤隨溶劑注入量變化關系Fig.8　Variation of ES-SAGD net profit with mole fraction of injected solvent

3.2.3溶劑注入時機的影響溶劑注入時機包括起始時機和結束時機2個方面，應用1%摩爾分數(shù)正己烷溶劑進行了注入時機研究。

ES-SAGD生產(chǎn)初期，汽腔處于上升階段，在到達油層頂部之前，蒸汽尚未接觸蓋層巖石，熱量能夠完全保存在油層中；當汽腔到達油層頂部后，溶劑能夠減少蒸汽對蓋層的熱損失，并且此時油相和溶劑接觸面積增大，更利于充分溶解稀釋稠油。如圖9所示，在初期注入溶劑，氣相飽和度稍有增大，但是由于溶劑的注入，汽腔溫度也有所降低，此時溶劑增產(chǎn)效果不明顯。分析認為，應該在蒸汽腔擴散到油層頂部后再注入溶劑。

圖9　SAGD和ES-SAGD生產(chǎn)初期氣相飽和度和溫度場分布Fig.9　Gas saturation and temperature distributions in the initial stage of SAGD and ES-SAGD production

ES-SAGD生產(chǎn)后期產(chǎn)油量迅速下降，提前停注溶劑，累產(chǎn)油量稍有降低，但是可以大幅提高回收溶劑量。如圖10所示，方案一持續(xù)注入溶劑，方案二5 a后停止注入溶劑，采收率由75.0%降到73.0%，溶劑回收率則由74.1%上升到87.4%；方案一比方案二累計多產(chǎn)油15 524 m3，多消耗溶劑7 436 m3，當溶劑價格7 000 元/t、油價50美元/桶時，方案二比方案一節(jié)約287萬元。由此可見，生產(chǎn)后期停注或少注溶劑能夠提高經(jīng)濟效益，需要根據(jù)產(chǎn)油量和溶劑回收量綜合判定溶劑注入策略。

圖10　ES-SAGD殘留溶劑量、累產(chǎn)油量對比Fig.10　Comparison of residual solvent and accumulated oil production of different solvent injection schemes

4　結　論

(1)ES-SAGD通過注入烴類溶劑，將溶劑溶解降黏作用與蒸汽加熱降黏作用相結合，增大了泄油速度，蒸汽腔發(fā)育明顯加快，改善了SAGD開發(fā)效果，能夠?qū)崿F(xiàn)增產(chǎn)和降低能耗。

(2)不同溶劑揮發(fā)和凝結溫度的差異是影響增產(chǎn)效果的內(nèi)在因素。選擇飽和溫度與蒸汽相近的烷烴溶劑與蒸汽混合注入，增產(chǎn)效果更為明顯。

(3)合適的溶劑注入量能夠充分利用溶劑溶解降黏的優(yōu)勢，并且不會損失過多的蒸汽熱量。增大溶劑注入量雖然能夠提高采收率，但是注入過多會降低蒸汽加熱降黏作用，經(jīng)濟成本和溶劑損失量也增大。

(4)蒸汽腔擴散到油層頂部后再注入溶劑能夠減少蒸汽對蓋層的熱散失，增大油相和溶劑接觸面積，更利于溶解稀釋稠油。生產(chǎn)后期根據(jù)產(chǎn)油量和溶劑回收量綜合判定溶劑停注時機，能夠提高經(jīng)濟效益。

參考文獻：

[1]NASR T N,BEAULIEU G,GOLBECK H,et al.Novel expanding solvent-SAGD process 'ES-SAGD'[J].Journal of Canadian Petroleum Technology,2003,42(1):13-16.

[2]DENG X,ZHAO L,LAW D H-S.Numerical study of ES-SAGD process[C].World Heavy Oil Conference,2006,419-433.

[3]DENG X,HUANG H,ZHAO L,et al.Simulating the ES-SAGD process with solvent mixture in athabasca reservoirs[J].Journal of Canadian Petroleum Technology,2008,48(1):38-46.

[4]AYODELE O R,NASR T N,BEAULIEU G H.Laboratory experimental testing and development of an efficient low pressure ES-SAGD process[J].Journal of Canadian Petroleum Technology,2009,49(9):54-61.

[5]LI W.Improved steam assisted gravity drainage (SAGD) performance with solvent as steam additive[D].Texas:Texas A & M University,2010.

[6]ARDALI M,MAMORA D D,BARRUFET M.Experimental study of co-injection of potential solvents with steam to enhance SAGD process[C].SPE 144598,2011.

[7]SOURAKI Y,ASHRAFI M,TORSAETER O.A comparative field-scale simulation study on feasibility of SAGD and ES-SAGD processes in naturally fractured bitumen reservoirs[J].Energy and Environment Research,2013,3(1):49-62.

[8]ASHRAFI M,SOURAKI Y,TORSAETER O.Numerical simulation study of field scale SAGD and ES-SAGD processes investigating the effect of relative permeabilities[J].Energy and Environment Research,2013,3(1):93-105.

[9]MUKHAMETSHINA A,HASCAKIR B.Bitumen extraction by expanding solvent-steam assisted gravity drainage (ES-SAGD) with asphaltene solvents and non-solvents[C].SPE 170013,2014.

[10] KESHAVARZ M,OKUNO R,BABADAGLI T.Efficient oil displacement near the chamber edge in ES-SAGD[J].Journal of Petroleum Science and Engineering,2014,118(3):99-113.

[11] SOURAKI Y,ASHRAFI M,TORSAETER O.Experimental investigation and comparison of thermal processes:SAGD,ES-SAGD and SAS[J].International Journal of Engineering Trends and Technology,2016,32(2):91-105.

[12] 羅健,李秀巒,王紅莊,等.溶劑輔助蒸汽重力泄油技術研究綜述[J].石油鉆采工藝,2014,36(3):106-110.

LUO Jian,LI Xiuluan,WANG Hongzhuang,et al.Research on ES-SAGD technology[J].Oil Drilling & Production Technology,2014,36(3):106-110.

[13] 李魏.溶劑-蒸汽輔助重力泄油(ES-SAGD)驅(qū)油機理研究[D].東營:中國石油大學,2013.

LI Wei.Study on the displacement mechanism of expending solvent-steam assisted gravity drainage (ES-SAGD)[D].Dongying:China University of Petroleum,2013.

[14] 賈江濤,施安峰,王曉宏.輔助溶劑對SAGD開采效果影響的數(shù)值模擬研究[J].特種油氣藏,2014,21(5):99-101.

JIA Jiangtao,SHI Anfeng,WANG Xiaohong.Numerical study on the effect of auxiliary solvent on SAGD[J].Special Oil & Gas Reservoirs,2014,21(5):99-101.

[15] 孫曉娜,李兆敏,李松巖,等.SAGD 過程中注入煙道氣和溶劑對降低稠油的表面張力作用[J].中南大學學報(自然科學版),2015,46(1):324-331.

SUN Xiaona,LI Zhaomin,LI Songyan,et al.Performance of reducing surface tension by adding flue gas and solvent in SAGD process[J].Journal of Central South University (Science and Technology),2015,46(1):324-331.

[16] 王正東.溶劑輔助SAGD現(xiàn)場實驗：以遼河油田杜84塊為例[J].化工設計通訊,2016,42(6):24-26.

WANG Zhengdong.Solvent assisted SAGD field experiments:A case study of Liaohe oilfield Du-84[J].Chemical Engineering Design Communications,2016,42(6):24-26.

[17] 何萬軍,木合塔爾,董宏.風城油田重37井區(qū)SAGD開發(fā)提高采收率技術[J].新疆石油地質(zhì),2015,36(4):483-486.

HE Wanjun,MUHETAER,DONG Hong.EOR technologies of SAGD development in Zhong-37 wellblock,Fengcheng oilfield,Junggar Basin[J].Xinjiang Petroleum Geology,2015,36(4):483-486.

[18] JI D.Simulation study of steam-solvent phase behaviour in solvent aided SAGD process and its effect on oil recovery[D].Alberta:University of Calgary,2014.

[19] ARDALI M,MAMORA D D,BARRUFET M.A comparative simulation study of addition of solvents to steam in SAGD process[C].SPE 138170,2010.

[20] SALAMA D,KANTZAS A.Monitoring of diffusion of heavy oils with hydrocarbon solvents in the presence of sand[C].SPE 97855,2005.

[21] DAS S K,BUTLER R M.Diffusion coefficients of propane and butane in peace river bitumen[J].Canadian Journal of Chemical Engineering,1996,74(6):985-992.

[22] KESHAVARZ M,OKUNO R,BABADAGLI T.Optimal application conditions for steam-solvent coinjection[C].SPE 165471,2013.