熱采水平井配汽模擬實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)與應(yīng)用

王新偉，林日億，楊德偉，朱傳濤，李 端，尚林明

（1. 中國石油大學(xué)（華東） 新能源學(xué)院，山東 青島 266580；2. 青島市化石能源高效清潔利用工程研究中心，山東 青島 266580；3. 山東石油天然氣股份有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

近年來，能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整步伐不斷加快，對能源動力專業(yè)創(chuàng)新性人才的培養(yǎng)提出了新的挑戰(zhàn)和要求[1]。創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)是高等學(xué)校教學(xué)改革的重要內(nèi)容，對于學(xué)生自主學(xué)習(xí)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)具有至關(guān)重要的作用[2-4]。將結(jié)合實(shí)際工程問題的科研成果轉(zhuǎn)化為創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)資源，對于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識、培養(yǎng)創(chuàng)新思維、提升創(chuàng)新能力具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[5]。

稠油/超稠油是重要的非常規(guī)油氣資源，對能源結(jié)構(gòu)、國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國家能源安全戰(zhàn)略具有重要影響[6-7]。稠油/超稠油的高效開發(fā)技術(shù)一直是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)[8],出現(xiàn)了蒸汽吞吐、蒸汽驅(qū)、蒸汽輔助重力泄油、火燒油層、化學(xué)驅(qū)、微生物驅(qū)、多元復(fù)合驅(qū)等一系列開發(fā)技術(shù)[9]。其中，注蒸汽熱采由于其經(jīng)濟(jì)效益好、安全環(huán)保等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。然而，隨著注汽時(shí)間的延長，熱采水平井普遍存在吸汽不均、汽竄嚴(yán)重、注汽效果差、油藏動用程度差異大等問題，導(dǎo)致熱采效率下降，開發(fā)成本升高[10-12]。

目前，對于水平井注汽效果的研究主要通過理論分析和CMG 軟件模擬等手段，物模實(shí)驗(yàn)研究相對較少。理論分析和軟件模擬往往存在一些近似處理，且不能直接觀察、親自操作、主動調(diào)節(jié)注汽模擬過程中的關(guān)鍵參數(shù)，使學(xué)生難以準(zhǔn)確理解和客觀分析與水平井配汽相關(guān)的科學(xué)問題，也不利于學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

因此，有必要搭建水平井配汽三維模擬實(shí)驗(yàn)平臺，通過研究蒸汽在水平段的流動傳熱問題，探究注汽過程溫度場形成和蒸汽腔擴(kuò)展的影響因素等，為解決水平井蒸汽均衡分配問題提供理論支持[13-14]。該實(shí)驗(yàn)平臺還可幫助學(xué)生加深對熱力采油理論知識的理解，為學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)提供條件，有利于培養(yǎng)學(xué)生的理論知識應(yīng)用能力和實(shí)踐動手創(chuàng)新能力。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 實(shí)驗(yàn)平臺總體結(jié)構(gòu)

熱采水平井配汽模擬三維實(shí)驗(yàn)平臺如圖1 所示，由注入系統(tǒng)、油藏模擬系統(tǒng)、背壓系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)四部分組成。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖2 模型內(nèi)部分布

注入系統(tǒng)主要由蒸汽發(fā)生器、平流泵、活塞容器等組成，在定壓或定流量工況下提供實(shí)驗(yàn)所需要的蒸汽。 油藏模擬系統(tǒng)本體為三維模型， 內(nèi)尺寸為400 mm×400 mm×150 mm，共安裝147 個(gè)熱電偶和8個(gè)壓力傳感器。熱電偶分布如圖2 所示，共分三層，每層49（7×7）個(gè)熱電偶，8 個(gè)壓力傳感器分別布置在進(jìn)出口位置和模型內(nèi)部，可實(shí)時(shí)監(jiān)測模型內(nèi)溫度和壓力的變化。三維模型安裝在360°電控轉(zhuǎn)軸上，為減少模型散熱，模型內(nèi)部四周采用云母板隔熱，外部置于恒溫箱內(nèi)，溫度控制范圍為25～150 ℃。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由溫度采集裝置、采出液收集裝置和計(jì)算機(jī)組成，溫度采集裝置將熱電偶信號轉(zhuǎn)化為電信號，實(shí)時(shí)顯示溫度值，由此觀察注汽過程中模型內(nèi)部溫度變化，并可設(shè)置數(shù)據(jù)采集頻率并儲存。背壓系統(tǒng)由高壓氮?dú)馄亢驼{(diào)節(jié)閥組成，實(shí)驗(yàn)前去除三維模型內(nèi)的空氣，實(shí)驗(yàn)中維持實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的出口背壓條件。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備。準(zhǔn)備不同粒徑的石英砂，混合后填入模型；檢查溫度、壓力傳感器等實(shí)驗(yàn)測試儀器，保證其處于正常工作狀態(tài)。

（2）按照生產(chǎn)井和注汽井的實(shí)際相對位置，安裝模擬生產(chǎn)井和注汽井，并飽和油。若實(shí)驗(yàn)用油粘度較大，直接用平流泵將其注入模型難度大，易堵塞管路。實(shí)驗(yàn)時(shí)常用預(yù)先按比例混合的油砂填入模型，保證模型內(nèi)部油相的波及體積均勻充分。填砂后測孔隙度，并加入蒸餾水，建立油藏初始含油飽和度和束縛水飽和度。上部覆蓋云母板，模擬原始油藏的頂部蓋層，之后蓋上模型蓋密封。

（3）封裝完成后，向模型內(nèi)部注入高壓氮?dú)?，待?nèi)部壓力穩(wěn)定后，記錄初始壓力值，觀察壓力變化情況，一段時(shí)間后若壓力不變，說明模型封裝良好。如果壓力下降嚴(yán)重，則要通過涂抹檢漏液來尋找漏氣點(diǎn)，并進(jìn)行補(bǔ)救。

（4）將三維模型置于恒溫箱內(nèi)，在設(shè)定溫度下老化24 h，該設(shè)定溫度通常略高于原始油藏溫度。通過溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測模型內(nèi)部溫度變化，老化結(jié)束后調(diào)整恒溫箱的設(shè)定溫度至原始油藏初始溫度，待溫度穩(wěn)定后進(jìn)行水平井配汽模擬實(shí)驗(yàn)。

（5）開啟蒸汽發(fā)生器，升溫過程約1～2 h。實(shí)驗(yàn)開始前，先進(jìn)行蒸汽放空，排出注汽管線內(nèi)空氣，預(yù)熱蒸汽管線及連接件。然后，按設(shè)計(jì)的注入強(qiáng)度、蒸汽溫度、壓力等通過模擬注汽井進(jìn)入模型內(nèi)部，開始實(shí)驗(yàn)。

（6）采出端安裝背壓裝置，保證實(shí)驗(yàn)過程的模擬油藏壓力值。出口管路安裝有伴熱裝置，保證原油的流動性，防止堵塞。

（7）實(shí)驗(yàn)過程中由計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控顯示油藏溫度、壓力變化，并設(shè)置記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的頻率，直至實(shí)驗(yàn)完成。

（8）實(shí)驗(yàn)完成后，待裝置完全冷卻后更換注汽井及其他參數(shù)，按上述步驟再次實(shí)驗(yàn)。

1.3 相似準(zhǔn)則分析

實(shí)驗(yàn)?zāi)M參數(shù)的選擇應(yīng)與真實(shí)油藏開發(fā)參數(shù)具有相關(guān)性，這就需要進(jìn)行三維物模實(shí)驗(yàn)的相似準(zhǔn)則分析。以遼河油田杜-84 區(qū)塊為例，以主要相似準(zhǔn)則數(shù)作為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)依據(jù)，進(jìn)行油藏注汽熱采物理模擬參數(shù)計(jì)算。

1.3.1 模型滲透率

模型絕對滲透率K、實(shí)際油藏滲透率Kf和模型滲透率Km的計(jì)算如式（1）、式（2）和式（3）：

式中，π1為重力與黏性力之比；K為模型絕對滲透率，μm2；t為生產(chǎn)時(shí)間，d（天）；ρ0為油密度，kg/m3；g 為重力加速度，m/s2；L為生產(chǎn)井與注汽井的間距，m；φ為孔隙度；S為油藏初始含油飽和度；μ0為原油黏度，mPa·s。

式中，f 表示實(shí)際油藏，m 表示模型， ( )r SφΔ 取1.55，( )r t取0.000 299，r(L)為0.013， 0( )r μ、 0( )r ρ、 (g)r取1，實(shí)際油藏的滲透率為1.86 μm2，則對應(yīng)比例模型滲透率為：

1.3.2 注汽速率

注汽速率表達(dá)式見式（4）、式（5）和式（6）：

式中，2π為注入速率，is為注汽速率，m3/d；ρw為水相密度，kg/m3；其余參數(shù)含義同上。

式中，r(ρw)取1，實(shí)際油藏開發(fā)注汽速率sfi為350 m3/d，由于比例模型管長方向較短，為0.15 m，對應(yīng)實(shí)際油藏長度為11.5 m，此時(shí)實(shí)際注汽速度折算為8.05 m3/d，對應(yīng)比例模型注汽速率 smi如式（6），單位為mL/min：

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)誤差分析

實(shí)驗(yàn)過程中的不確定度主要是由實(shí)驗(yàn)儀器誤差和數(shù)據(jù)采集誤差造成的，定義為：

式中，u為實(shí)驗(yàn)的不確定度；δins為實(shí)驗(yàn)儀器誤差；δacq為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)誤差。

溫度為整個(gè)三維物理模擬實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵參數(shù)，誤差主要來源于熱電偶的測量誤差和采集系統(tǒng)的顯示誤差，熱電偶精度為±1 ℃，故最大誤差為1 ℃，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)精度為±0.1 ℃，故最大誤差為0.1 ℃，因此實(shí)驗(yàn)的不確定度為0.64 ℃，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響較小。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過改變注汽井的結(jié)構(gòu)，對比分析了配汽過程中油藏溫度場的變化。實(shí)驗(yàn)使用的注汽井結(jié)構(gòu)為割縫管、均勻開孔管柱、趾端射孔加密管柱三種結(jié)構(gòu)，如圖3所示，其他參數(shù)保持不變，注汽速率63.7 mL/min，蒸汽溫度264 ℃，壓力5 MPa。

圖3 水平井管柱結(jié)構(gòu)

三種注汽井結(jié)構(gòu)在注汽20 min 和4 h 后所形成的溫度場分別如圖4 和圖5 所示。注汽20 min 后傳統(tǒng)割縫管和均勻開孔管柱的跟端溫度較高，趾端加密管柱的趾端溫度高于跟端溫度。注汽4 h 后，割縫管仍是跟端溫度較高，與趾端溫度相差較大，溫度場不均勻，而均勻開孔管柱形成由跟端向趾端溫度逐漸降低的溫度場，溫度梯度較小，對于整體儲層的動用程度高于割縫管，但不利于開采趾端原油。趾端加密管柱蒸汽已經(jīng)由趾端向跟端蔓延，形成蒸汽腔，且產(chǎn)生了蒸汽超覆現(xiàn)象。

圖4 注汽20 min 后的溫度場

圖5 注汽4 h 后的溫度場

3 教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

針對我校石油工程專業(yè)及能源與動力工程專業(yè)熱力采油方向?qū)Χ嘣瘎?chuàng)新性人才的培養(yǎng)要求，所搭建的熱采水平井配汽模擬三維實(shí)驗(yàn)平臺可以進(jìn)行以下實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

3.1 稠油熱采水平井配汽過程認(rèn)識實(shí)驗(yàn)

通過對實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)各部件的組裝，了解水平井配汽模擬三維實(shí)驗(yàn)平臺的結(jié)構(gòu)和功能，熟悉并實(shí)際操作蒸汽發(fā)生器、三維油藏模型、氮?dú)馄康葍x器設(shè)備和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，直觀認(rèn)識水平井配汽過程，加深對相關(guān)理論知識的理解，為后續(xù)的學(xué)習(xí)和工作打下基礎(chǔ)。

3.2 稠油熱采水平井配汽特性實(shí)驗(yàn)

通過觀察水平井配汽過程中模型內(nèi)部溫度場和壓力場的變化，確定不同條件下的注汽井結(jié)構(gòu)、注汽速率、蒸汽品質(zhì)、油藏模型參數(shù)等因素對配汽效果的影響。包括：

（1）注汽井結(jié)構(gòu)對配汽效果的影響實(shí)驗(yàn)。在相同注汽速率、蒸汽品質(zhì)、注汽壓力、油藏模型參數(shù)下，改變注汽井結(jié)構(gòu)進(jìn)行水平井配汽模擬實(shí)驗(yàn)。

（2）注汽速率對配汽效果的影響實(shí)驗(yàn)。其他參數(shù)不變，改變注汽速率進(jìn)行水平井配汽模擬實(shí)驗(yàn)。

（3）蒸汽品質(zhì)對配汽效果的影響實(shí)驗(yàn)。其他參數(shù)不變，改變蒸汽品質(zhì)，如蒸汽壓力和干度，進(jìn)行水平井配汽模擬實(shí)驗(yàn)。

（4）油藏模型參數(shù)對配汽效果的影響實(shí)驗(yàn)。其他參數(shù)不變，改變油藏模型參數(shù)，如孔隙度、滲透率、含油飽和度和油層壓力，進(jìn)行水平井配汽模擬實(shí)驗(yàn)。

4 實(shí)驗(yàn)平臺功能的多元化

學(xué)生通過稠油熱采水平井配汽模擬實(shí)驗(yàn)，可以了解不同注汽參數(shù)和油藏參數(shù)對水平井配汽效果的影響，了解實(shí)驗(yàn)設(shè)備的使用，提高應(yīng)用技能。學(xué)生還可以自主選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、自行開展實(shí)驗(yàn)，分析研究水平井配汽過程中各類參數(shù)對配汽效果的影響以及進(jìn)行模擬注汽熱采開發(fā)實(shí)驗(yàn)。這樣既能保證理論教學(xué)演示性和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的開設(shè)，又能滿足創(chuàng)新性、設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn)的需求，對于學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)的提高具有重要意義[15-16]。

本實(shí)驗(yàn)平臺既可為我校能源與動力工程專業(yè)學(xué)生開設(shè)實(shí)驗(yàn)課，又可滿足他們畢業(yè)設(shè)計(jì)和創(chuàng)新訓(xùn)練的需要。結(jié)合目前稠油熱采水平井配汽技術(shù)在油氣田開采中遇到的問題，并在查閱文獻(xiàn)、資料基礎(chǔ)上，學(xué)生可利用本實(shí)驗(yàn)平臺自主選擇或在教師指導(dǎo)下選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，完成課題調(diào)研、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)測試和數(shù)據(jù)分析等。不僅能培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力，還能提高學(xué)生的科研能力和創(chuàng)新精神。

本實(shí)驗(yàn)平臺還可以滿足科學(xué)研究和科技創(chuàng)新的需要，實(shí)現(xiàn)教學(xué)與科研的緊密結(jié)合?？蔀槠渌嚓P(guān)的高溫高壓實(shí)驗(yàn)提供相關(guān)材料設(shè)備和儀器，鼓勵學(xué)生進(jìn)行稠油熱采水平井配汽等方面的創(chuàng)新性研究，激發(fā)學(xué)生的科研興趣，培養(yǎng)學(xué)生的科研能力，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室資源的整合和高效利用。

5 結(jié)語

本文所搭建的實(shí)驗(yàn)平臺可用于稠油熱采水平井配汽認(rèn)識實(shí)驗(yàn)及科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)，研究蒸汽品質(zhì)、注汽速率、油藏參數(shù)和注汽井結(jié)構(gòu)等因素對配汽效果的影響。可以幫助學(xué)生加深對熱力采油技術(shù)理論知識的理解，并鼓勵學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識。該實(shí)驗(yàn)平臺滿足了本科理論教學(xué)、本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)和自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的需要，實(shí)現(xiàn)了科研實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與教學(xué)實(shí)驗(yàn)的結(jié)合。