稠油高壓吞吐模擬實驗裝置開發(fā)與應用

胡紹彬， 曹廣勝， 殷代印

(東北石油大學石油工程學院，黑龍江大慶163318)

0 引言

蒸汽吞吐是開采稠油油藏的重要方法［1］，氣體及化學劑輔助蒸汽吞吐是強化稠油蒸汽吞吐效果的有效方法［2-4］。蒸汽吞吐室內(nèi)模擬實驗是研究蒸汽吞吐或氣體及化學劑輔助蒸汽吞吐開采機理、評價氣體與化學劑輔助蒸汽吞吐效果、優(yōu)化蒸汽吞吐操作參數(shù)的有效方法和手段。稠油吞吐室內(nèi)模擬實驗有助于石油工程專業(yè)學生加深對石油工程、提高原油采收率、特種油氣藏開發(fā)等課程中所學理論知識的理解，是石油工程實驗教學的重要組成部分。

蒸汽吞吐又叫周期性注蒸汽、蒸汽浸泡、蒸汽激產(chǎn)等。所謂蒸汽吞吐就是先向油井注入一定量的蒸汽，關(guān)井一段時間，待蒸汽的熱能向油層擴散后，再開井生產(chǎn)的一種稠油增產(chǎn)方法。蒸汽吞吐的主要機理是加熱降黏作用。稠油黏度高，難于流動，但其突出特征是對溫度非常敏感。向油層注入250～350℃高溫高壓蒸汽和熱水后，近井地帶相當距離內(nèi)的油層和原油被加熱。形成的加熱帶中的原油黏度將由幾千甚至幾萬mPa降低到幾mPa，原油流向井底的阻力大大減小，流動系數(shù)成幾十倍地增加，油井產(chǎn)量必然大增。

在室內(nèi)開展稠油蒸汽吞吐模擬實驗時，存在兩個問題:①儲能空間問題，在向填砂模型注入蒸汽、氣體或化學劑進行模擬吞吐實驗時，一方面因填砂模型為不銹鋼材質(zhì)做成，是剛性的，幾乎不能發(fā)生膨脹與收縮變形;另一方面，填砂模型中填充模擬地層巖石的石英砂，石英砂粒間的孔隙空間在飽和水和油之后也已充滿。這樣，在向填砂模型注入流體時，填砂模型內(nèi)沒有空間容納注入的流體，填砂模型本身也不能膨脹，結(jié)果導致流體無法注入，模擬吞吐實驗的第一步“吞”無法實現(xiàn)。因此，開展室內(nèi)模擬吞吐實驗的實驗裝置需要具有模擬地層在實際蒸汽吞吐過程中所具有“吞”的能力，即提供空間，以容納注入介質(zhì)、存儲能量。②保溫問題，蒸汽吞吐開采稠油的主要原理之一是通過蒸汽將熱量傳遞給稠油，使其黏度降低而容易流動和采出，因此蒸汽吞吐室內(nèi)模擬實驗裝置必須具有保持注入熱量的能力，使蒸汽吞吐實驗能夠順利開展。

本文在分析稠油蒸汽吞吐工藝基本原理和室內(nèi)模擬實驗難題的基礎(chǔ)上，自主設(shè)計并建造了一種稠油蒸汽吞吐、氣體及化學劑輔助稠油高壓吞吐室內(nèi)模擬實驗裝置［5-7］，并將其用于實驗教學。

1 實驗裝置設(shè)計開發(fā)

1．1 實驗裝置流程

為解決稠油蒸汽吞吐實驗中填砂模型“吞”與“吐”的能力問題，采用在填砂模型的非注采端連接一個活塞容器作為流體暫存儲能器。為解決蒸汽吞吐模擬實驗所需的保溫問題，填砂模型和儲能器均設(shè)置可恒定溫度的加熱保溫層，蒸汽發(fā)生器與填砂模型之間、填砂模型與儲能活塞容器之間均采用保溫管線進行連接。稠油高壓吞吐模擬實驗裝置流程見圖1。

1．2 實驗裝置構(gòu)成及設(shè)計特點

稠油高壓吞吐室內(nèi)模擬實驗裝置主要包括注采系統(tǒng)、模擬地層的填砂模型、流體暫存儲能系統(tǒng)三部分。

注采系統(tǒng)包括計量泵、氣體容器、化學劑容器、蒸汽發(fā)生器、回壓閥等，其中氣體容器和化學劑容器均為耐腐蝕高壓活塞容器，計量泵可滿足具體實驗的壓力與排量要求。

填砂模型由缸體、端蓋、支撐、加熱保溫層、填砂體等構(gòu)成。缸體由耐腐蝕不銹鋼材料制成，其內(nèi)表面經(jīng)過粗糙化處理，防止流體沿此表面發(fā)生竄流。填砂模型采用實驗優(yōu)選的合適粒徑的石英砂進行填裝。填砂模型的接口前裝有過濾芯防止吞吐實驗過程中石英砂流出堵塞閥門與管線。兩端設(shè)置有測壓點，以觀測填砂模型中的壓力變化。支撐可轉(zhuǎn)動，以調(diào)節(jié)填砂模型的角度。

流體暫存儲能系統(tǒng)包括活塞容器、加熱保溫層、計量泵、回壓閥等。流體暫存儲能器的體積與工作壓力可滿足具體實驗要求，其工作介質(zhì)可以是氮氣或水。

填砂模型及儲能活塞容器的加熱保溫層可以設(shè)置模擬實驗的初始溫度，蒸汽發(fā)生器與填砂模型之間以及填砂模型與儲能器之間均采用保溫管線連接。實驗過程中可以保持注入的熱量。

1．3 吞吐原理

進行稠油吞吐實驗時，通過計量泵驅(qū)動注入體系完成“吞”的過程，即注入蒸汽、氣體等流體。在“吞”過程中，與填砂模型非注采端相連的活塞容器的上部作為儲能器，暫存“吞”過程中填砂模型中“多”出的流體。活塞容器下部注入高壓(地層壓力)N2或水作為儲能工作介質(zhì)。若以高壓N2作為工作介質(zhì)，由于填砂模型中壓力因注入而持續(xù)升高，當高于N2壓力時，N2被壓縮，能量被存儲起來，活塞下行，填砂模型中的流體進入暫存空間，注入可繼續(xù)進行;若以水作為工作介質(zhì)，則配合使用一回壓閥，其壓力可人為控制，當注入流體使填砂模型中流體壓力高于回壓閥的壓力時，活塞下行，水排出并被計量，填砂模型中的流體進入暫存空間，注入可繼續(xù)進行，直至“吞”結(jié)束。

在“吞”入流體并燜井后，開始“吐”的過程，即生產(chǎn)。此時，通過調(diào)節(jié)出口端回壓閥的壓力來控制生產(chǎn)壓力或速度。在“吐”過程中，若采用N2作為工作介質(zhì)，當填砂容器中的流體壓力因產(chǎn)出而降低時，N2自動膨脹，釋放暫存的能量，使“吐”繼續(xù)進行，直至活塞上行至頂;若以水作為暫存工作介質(zhì)，則采用計量泵往儲能活塞容器下部注水來完成“吐”的過程。

2 實驗裝置應用

所研制的稠油高壓吞吐實驗裝置可以開展冷采［8］、油藏加熱、注蒸汽、注、注 CO、注煙道氣［13］、注多元熱流體(蒸汽 +N2+CO2)、注化學劑［14］等不同吞吐激勵方式的模擬實驗，還可開展汽竄調(diào)剖［15］等實驗，具有多種用途。

2．1 實驗材料

實驗用水為模擬地層水;砂為實際油層砂;油為普通稠油，其物性參數(shù)如下:密度0．986 4 g/cm3(20℃);運動黏度1 572．6 mPa·s(脫氣原油，56℃);凝固點38．5 ℃;含硫0．25%;平均相對分子質(zhì)量 575 g/mol，餾程 0．7(＜250 ℃);8．2(250 ～350 ℃)，族組成:飽和烴26．62%;芳烴17．30%;非烴27．19%;瀝青質(zhì)28．71%。

2．2 實驗方法

(1)清洗油砂并進行模型填裝。在模擬地層溫度(56℃)下以驅(qū)替的方式給填砂模型飽和水、油。填砂模型體積5．1 L，孔隙體積 1．179 L，束縛水量 0．536 L，飽和油量1．25 L。

(2)冷采實驗。①儲能活塞容器裝滿原油，使活塞置底，按照圖1連接好實驗裝置，設(shè)置填砂模型和儲能器的初始溫度(56℃);②通過儲能活塞容器定壓注油驅(qū)替，采出端控制回壓穩(wěn)定開采，記錄采油速度和采水速度，并記錄壓力變化，至采油速度穩(wěn)定。

(3)單純加熱激勵實驗。① 儲能活塞容器裝滿原油，使活塞置底，按照圖1連接好實驗裝置，儲能器恒溫在56℃，填砂模型恒溫在80℃，保持12 h;②通過儲能活塞容器定壓注油驅(qū)替，采出端控制回壓穩(wěn)定，記錄采油速度和采水速度，直至采油速度與冷采相當。

(4)注蒸汽吞吐實驗。① 儲能活塞容器下部注入水作為工作介質(zhì)使活塞置頂，按照圖1連接好實驗裝置，設(shè)置好填砂模型和儲能器的初始溫度(56℃);②從注采端注入設(shè)計量的高溫蒸汽，當填砂模型中的流體壓力超過儲能器回壓閥的壓力(地層壓力)時，流體進入儲能空間，活塞下行，儲能器下部的水通過回壓閥流出，記錄放出水量V;③ 完成注入量后，按照設(shè)計時間燜井;④通過儲能活塞容器定壓回注驅(qū)替，采出端控制回壓穩(wěn)定，記錄采油速度和采水速度，直至回注體積達到V。

2．3 實驗結(jié)果與分析

以采油指數(shù)作為指標比較不同壓力下不同激勵方式的開采效果。采油指數(shù)的定義為單位生產(chǎn)壓差下的采油速度，其定義式為

式中:J為采油指數(shù);q為采油速度;Δp為生產(chǎn)壓差。實驗注入?yún)?shù)及根據(jù)實驗結(jié)果計算的J見表2。

從表2可以看出，溫度和壓力對稠油的采油指數(shù)影響非常明顯，在56℃(模擬油藏溫度)下僅為28．0 mL/(min·MPa)(10 MPa)和 26．9 mL/(min·MPa)(6 MPa);加熱至80℃時，平均采油指數(shù)增至80．4 mL/(min·MPa)(10 MPa)和 56．0 mL/(min·MPa)(6 MPa)。

注蒸汽吞吐激勵后稠油的采油指數(shù)較冷采有明顯提高，且采油指數(shù)隨著蒸汽溫度提高而增大，蒸汽溫度從120℃提高至240℃時，平均采油指數(shù)由36．0 mL/(min·MPa)增至 66．7 mL/(min·MPa)，增加了0．85倍。注蒸汽吞吐激勵后采油指數(shù)可達冷采的1．3～2．5倍。

3 結(jié)語

實際應用表明，設(shè)計并建造的稠油高壓吞吐模擬實驗裝置具有良好的實驗應用效果，是研究蒸汽吞吐或氣體及化學劑輔助蒸汽吞吐開采機理、評價氣體及化學劑輔助蒸汽吞吐效果、優(yōu)化蒸汽吞吐操作參數(shù)的有效手段。該實驗裝置具有實驗結(jié)果明確、可操作性強、可開展實驗多種多樣等特點，適合學生通過改變注入介質(zhì)類型，調(diào)整注采參數(shù)等方法自行設(shè)計和開展綜合性、設(shè)計性、創(chuàng)新性實驗，可使學生對理論知識有更深刻的理解，激發(fā)其創(chuàng)造興趣，提高學生的創(chuàng)新能力、科研能力及動手能力。

表2 稠油高壓吞吐模擬實驗結(jié)果

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