天然裂縫性稠油油藏蒸汽吞吐開采機理

摘要：這篇論文從單獨作用和混合作用兩方面入手展現了在天然裂縫桐油油藏連續注蒸汽開采過程中，氣體溶解作用、CO₂生成作用、蒸汽蒸餾作用、毛細管自吸作用以及重力排驅作用等驅油機理對油氣采收率的不同影響。本研究利用兩個數學模型來模擬基巖升溫過程。實驗結果表明，基質巖塊蒸汽驅過程中原油的采出機理主要是蒸汽蒸餾和氣體溶解的混合作用，這個結論對同類油藏蒸汽注入工程的設計有著關鍵的指導作用。

引言

上世紀80年代之前，人們普遍認為天然裂縫性油藏采用蒸汽驅可能會導致原油偏離流道進入裂縫，導致原油最終不能被采出。然而，在80年代初期，模擬操作及油田測試的結果展現了在天然裂縫性油藏中采用蒸汽驅開采稠油的經濟潛力。為了對相關物理過程有更深的理解并證明這種方法的可行性，對諸如原油降粘作用、熱膨脹作用、蒸餾作用、毛細管自吸作用、氣體溶解作用、CO₂生成作用及重力排驅作用等機理的研究就變得十分重要。

1 方法

要研究采油機理，采用兩個相近的模型來模擬天然裂縫性油藏。模型1描述一個基質巖塊對稱斷面(二維)的升溫過程；模型2描述同一巖塊垂向上的升溫過程。

2 各機理的研究

2.1氣體溶解作用與原油降粘機理

當蒸汽被注入裂縫時，熱量通過熱傳導的方式傳人基巖中央，造成液體和固體膨脹，原油粘度降低。膨脹與基巖中的壓力上升，而降粘對流體的流動有促進作用。因此，流體被從基巖中排出，進入到裂縫。

壓力波增長期間，基巖中的平均壓力隨溫度的升高而增大。之后，盡管平均溫度依然上升，但基巖平均壓力會出現下降。壓力的下降是由原油中逸出氣體的衰竭引起的，并最終降低到與裂縫中的注入壓力相等。

基巖中原油的流量與釋放的氣體體積密切相關。最初，連氣體臨界飽和度的大小都會影響原油的流動。原油流速與氣體流速同時達到最高值。之后，與溶解氣的逸出量一樣，原油產量下降。氣體溶解機理發揮作用的階段會產生大量的油氣，而它們的流動又受到原油粘度的影響。

2.2氣體溶解、原油降粘與蒸汽蒸餾機理

蒸餾是基于液汽混合物平衡方程的一種分離方法。在實際條件下，當在液體混合物中有兩種或多種純凈物時，蒸餾可以作為一種合適的分離方法，使用條件為各組分只需要有適度不同的揮發性。當兩種不相溶的物質混合加熱時會發生蒸汽蒸餾，這里的物質即為水和分餾油。

在這個實驗中，最初的混合蒸汽壓為其最大值，并且在烴類氣體被蒸餾完畢之前保持為常數。此后，混合蒸汽壓降低并在輕質擬組分被完全分餾前保持不變。不久之后，壓力再次降低并保持恒定直到中間組分排盡。這時，混合蒸汽壓要小于基巖中壓力。而最后的重質擬組分并不能被分餾。這樣，輕質與中間擬組分就比重質擬組分占有更高的比例，采出原油的品質就會大幅提高。

2.3氣體溶解、原油降粘、蒸汽蒸餾與CO₂生成機理

本組機理附加的CO₂生成機理可以在一定程度上加快基巖油氣的采收。然而，最終的原油采收率并不會因此得到提高。由于CO₂的存在，混合蒸汽壓提高，因此；所有的組分都貢獻了大量的分子運動來實現熱力學平衡，氣體流量占優。另一方面，即使混合物中存在CO₂，大量的重質擬組分還是不能被蒸餾出來。因此，這對最后的重質擬組分的采收并不有利，最終總的采收率也會受到影響。

在CO₂產生過程中，因CO₂的溶解造成的原油的溶脹并不明顯。在高溫條件下，氣體在液體中的溶解度非常小。因此，CO₂對原油溶脹并沒有明顯的作用，也就不能以這種方式排出可觀的原油體積。

2.4氣體溶解、原油降粘、蒸汽分餾、CO₂生成及毛管自吸機理

在本實驗中毛管自吸作用非常有限，當毛管自吸機理再被加入到活化機理中時，最終的原油采收率略有上升。這是由于非潤濕相(油相)被潤濕相(與蒸汽伴生的熱水)驅替造成的。由于毛管力的作用，裂縫中的水進入基巖中的小孔，使內部壓力升高。內部壓力的升高主要影響到重質擬組分產量的提高。

2.5熱膨脹與原油降粘機理

由于基巖壓力高于泡點壓力，原油中溶解的烴類氣體并不會被釋放，基巖流體向裂縫流動的能量來源于流體與巖石的膨脹。從另一方面說，溶于原油中的烴類氣體并不會影響油相的相對滲透率，也不會影響它的流動。

因此，流動狀況的改善有助于原油的產出，但氣體的采收會受到影響。這是因為氣體是溶解在原油中的，其采收受到流體與巖石熱膨脹排驅出的原油量的限制。

在克服裂縫與基巖間的壓差之后會產生垂向的壓力梯度，造成稠油相對滲透率下降而阻礙其流動。同時，烴類氣體、輕質及中間擬組分的釋放造成原油粘度上升。這樣，對重質組分流動的阻礙影響了其產出，并最終降低了原油的采收率。

2.6氣體溶解、蒸汽蒸餾、重力排驅及CO₂生成機理

加入CO₂生成作用會提高油氣的采收率。熱水與巖石化學反應生成的CO₂在降低油相各分餾組分分壓及加快這些組分的采收方面發揮主要作用。

2.7氣體溶解、蒸汽分餾、重力排驅、CO₂生成及毛管自吸機理

當毛管力的作用被添加到下面機理組合中時：氣體溶解、蒸汽蒸餾、重力排驅及CO₂生成作用，原油的采收率會略有上升。重力將裂縫中蒸汽排驅到基巖中最大的孔隙，毛管力將裂縫中的水排驅到基巖中最小的孔隙，由于它們的綜合作用，驅使流體排出的壓差增大。這樣，原油的流動特別是其中重質組分的流動得到改善，并最終提高了采收率。

然而，兩種力的作用對重質擬組分的影響是有限的。在本實驗中，兩種力產生的壓差很小，它取決于流體的飽和度，基巖中水的飽和度的上升會降低它們的綜合作用。因此，由于壓力梯度的降低、低相對滲透率及高粘度的共同作用，重質擬組分進入基巖變得十分困難。

3 總結

相關機理的加入加快了高采油期基巖的油氣產出。每種機理提供的能量都會改善流體的流動。最終，油氣的采收率也有望得到提高。

4 結論

(1)本研究證實了連續蒸汽驅在天然裂縫油藏稠油開采過程中的潛力。

(2)本研究涉及的所有機理的綜合作用都會加快基巖油氣的開采。

(3)由于能夠完全采出烴類氣體及油相中的輕質和中間擬組分，因此蒸汽蒸餾是所有機理中最有效的。但是，它對重質擬組分采收的影響非常小。因此，產出油的品質會得到顯著提高。

(4)氣體溶解機理可以引發裂縫與基巖間壓差的明顯增大。

(5)烴類氣體、輕質及中間擬組分的分離引起原油的高粘度及毛管力的大小，都使毛管自吸作用對基巖中原油采收的影響不甚明顯。

(6)隨著原油流動條件的改善，對于基巖原油采收率的提高來說，對原油降粘有貢獻的熱膨脹比氣體溶解有更明顯的促進作用。然而，后者具更高的氣體采收率。

(7)原油粘度事實上并不能被算作一個機理，因為它并不是一種能量來源。但是，當基巖與裂縫間存在壓力梯度時，它將會對基巖中原油的采出有顯著影響。總的來說，其作用是使原油采出提前，推遲氣體產出。

(8)CO₂生成機理對油相中蒸餾出的各組分的采收發揮積極作用，對重質擬組分的采收也有一定影響。

(9)本研究中，重力排驅作用對基巖中原油的采收沒有必然聯系，其作用甚微，且僅對重質擬組分的采收有一定作用。