高溫復(fù)合氣驅(qū)開采稠油室內(nèi)實驗研究

劉春艷,王佩文,孟憲偉,張　浩

(1．中海石油(中國)天津分公司渤海石油研究院，天津 300452；2．中海石油(中國)天津分公司蓬勃作業(yè)公司)

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高溫復(fù)合氣驅(qū)開采稠油室內(nèi)實驗研究

劉春艷1,王佩文2,孟憲偉2,張浩2

(1．中海石油(中國)天津分公司渤海石油研究院，天津 300452；2．中海石油(中國)天津分公司蓬勃作業(yè)公司)

利用國內(nèi)某油田的稠油樣品，根據(jù)儲層的物性制作填砂管模型，在研究稠油黏溫特性和流變特性的基礎(chǔ)上，進(jìn)行稠油蒸汽驅(qū)和高溫復(fù)合氣驅(qū)的實驗研究，其中，復(fù)合氣驅(qū)的伴注氣體為氮氣和二氧化碳。實驗結(jié)果顯示，在注入PV數(shù)相同的情況下，驅(qū)油效率從高到低的驅(qū)油方案依次為：蒸汽+氮氣+二氧化碳復(fù)合氣驅(qū)、蒸汽+氮氣復(fù)合氣驅(qū)、蒸汽+二氧化碳復(fù)合氣驅(qū)、蒸汽驅(qū)。降黏、改善油相滲透率和油水流度比是二氧化碳的主要作用機(jī)理，維持或恢復(fù)地層壓力、提高波及效率、使稠油膨脹等是氮氣的主要作用機(jī)理，二者結(jié)合驅(qū)油效果最佳。

稠油開發(fā)；蒸汽驅(qū)；復(fù)合氣驅(qū)；驅(qū)油效率

目前，關(guān)于利用二氧化碳開采稠油的室內(nèi)實驗研究[1-6]以及現(xiàn)場應(yīng)用的研究[7-11]已開展很多，歸結(jié)起來，二氧化碳?xì)怏w對稠油的作用機(jī)理主要有以下幾點：①二氧化碳溶于原油時，油水界面上的張力降低，原油黏度降低，減小原油滲流阻力。②當(dāng)二氧化碳溶于原油及水時，原油的體積膨脹(體積效應(yīng))，聚集了大量的彈性能，剩余油被進(jìn)一步洗出。③二氧化碳溶于原油中，形成溶解氣驅(qū)，當(dāng)壓力較小時，二氧化碳將會從原油中逸出，形成氣驅(qū)。

氮氣具有導(dǎo)熱系數(shù)、黏度、密度較低，不助燃、不易爆、易壓縮、膨脹快，不易與地層巖石礦物及地下流體發(fā)生反應(yīng)，可防止乳化、沉淀、堵塞地層等優(yōu)良特性；氮氣具有很強(qiáng)的攜熱能力，對于注熱流體開發(fā)的稠油油田，氮氣能夠?qū)崃繑y帶到地層較深部位；氮氣彈性能量大，能夠改善原油體系的容脹特性，具有增加地層能量、增加驅(qū)替效率等效果[12-15]。

本文以國內(nèi)某油田的稠油為研究對象，從研究稠油黏溫特性、流變特性入手，以氮氣、二氧化碳作為伴注氣體，進(jìn)行了稠油蒸汽驅(qū)和高溫復(fù)合氣驅(qū)的實驗研究，力求對高溫復(fù)合氣驅(qū)開采稠油技術(shù)的驅(qū)油機(jī)理有較清晰的認(rèn)識，為該技術(shù)的現(xiàn)場應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1　稠油性質(zhì)分析

1.1稠油性質(zhì)參數(shù)

本文所研究稠油的基本物性參數(shù)見表1。

1.2稠油黏溫特性

圖1為實驗所用稠油在不同剪切速率下的全黏溫曲線，由圖1可知，稠油黏度對溫度有很強(qiáng)的敏感性，隨著溫度升高，稠油黏度顯著降低。這是由于稠油黏度與其內(nèi)聚力有密切關(guān)系,稠油含膠質(zhì)、瀝青質(zhì)越多，內(nèi)聚力越大，稠油黏度越高。而在升溫過程中，粒子的布朗運動加劇，膠質(zhì)、瀝青質(zhì)逐步溶解，使稠油內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得松散，稠油內(nèi)聚力降低，黏度隨之減小。

表1　稠油樣品的基本物性參數(shù)

圖1　稠油全黏溫曲線

1.3稠油流變特性

在不同溫度下對實驗所用稠油進(jìn)行流變性測試，得到了剪切應(yīng)力(τ)與剪切速率(γ)之間的關(guān)系式(表2)。

表2　不同溫度下稠油流變關(guān)系式

從表2所示的關(guān)系式可以看出，存在著一個臨界溫度Tc，當(dāng)溫度T

τ=τ0+ηγ

(1)

式中：τ——剪切應(yīng)力，Pa；τ0——屈服值，Pa；η——黏度， Pa·s；γ——剪切速率，s-1。

當(dāng)溫度T>Tc時，稠油流變行為表現(xiàn)為牛頓流體的流變特性，可用下式表示其流變模式：

τ=ηγ

(2)

稠油在不同溫度段表現(xiàn)出不同的流變模式，這與瀝青質(zhì)、膠質(zhì)和蠟的含量相關(guān)，當(dāng)溫度小于Tc時，以上物質(zhì)不能完全溶解在稠油中間，此時只有當(dāng)剪切應(yīng)力達(dá)到一定值(τ0)，稠油才會流動，當(dāng)溫度大于Tc以后，τ0值降為零，稠油表現(xiàn)出牛頓流體的流變特性。

2　高溫復(fù)合氣驅(qū)實驗

2.1實驗方法

參照中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[16-17]。

2.2實驗設(shè)計

在注入蒸汽的同時，加注氮氣、二氧化碳或兩者組成的混合氣體。為表述清晰，在下文中，用S代表蒸汽；S+C代表蒸汽+二氧化碳；S+N代表蒸汽+氮氣；S+N+C代表蒸汽+氮氣+二氧化碳。

根據(jù)儲層的地質(zhì)參數(shù)，按照一定的粒度分布，制作人工填砂巖心，實驗所用巖心的主要物性參數(shù)及實驗條件參見表3。模擬地層條件，注入不同的混合氣體進(jìn)行實驗。本實驗采用7.0 mL/min的排量進(jìn)行驅(qū)替。

2.3實驗結(jié)果及分析

2.3.1 高溫復(fù)合氣驅(qū)對相對滲透率的影響

在驅(qū)替稠油過程中，巖心內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，伴隨出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象和壓力波動，給實驗后的數(shù)據(jù)分析帶來了困難。采用驅(qū)油動態(tài)的歷史擬合法[18]進(jìn)行計算，能夠取得較好的結(jié)果。

表3　高溫復(fù)合氣驅(qū)基本實驗參數(shù)

歷史擬合法的基本思路是先給出一條相對滲透率曲線，利用這條曲線計算出對應(yīng)于試驗過程中每一累計時間的累積產(chǎn)油量。根據(jù)計算值與實際值之差，不斷修改這條曲線，直到目標(biāo)函數(shù)滿足設(shè)定值。

相對滲透率表達(dá)式為:

(3)

(4)

(5)

式中：kro(Sw)——油相相對滲透率，小數(shù)；krw(Sw)——水相相對滲透率，小數(shù)；Sw——含水飽和度，小數(shù)；Swe——出口端含水飽和度，小數(shù)；εo、εw——給定的小數(shù)，一般取0.001；krocw(T)——油相相對滲透率端點值，小數(shù)；krwco——水相相對滲透率端點值，小數(shù)；Sor(T)——殘余油飽和度，小數(shù)；Swc(T)——束縛水飽和度，小數(shù)；now——油相相對滲透率曲線擬合指數(shù)；nw——水相相對滲透率曲線擬合指數(shù)。

各驅(qū)替方式下的相對滲透率曲線見圖2。從圖2可以看出，在蒸汽中加注其它氣體之后，油水兩相共滲區(qū)增大，相滲曲線向右移動，等滲點隨之向右移動，這些特點有助于減緩含水上升速度，改善油相相對滲透率，降低殘余油飽和度，使驅(qū)油效果變好[19-20]。當(dāng)驅(qū)替14 PV時，蒸汽復(fù)合二氧化碳驅(qū)、蒸汽復(fù)合氮氣驅(qū)和蒸汽復(fù)合氮氣+二氧化碳驅(qū)對應(yīng)的殘余油飽和度分別為24.38%，20.75%和15.42%，相對于蒸汽驅(qū)的28.98%的殘余油飽和度而言，下降明顯。

由于氮氣導(dǎo)熱系數(shù)小，具有較強(qiáng)的攜熱能力，所以高溫復(fù)合氮氣驅(qū)能夠快速有效地提高儲層溫度，而溫度升高，稠油黏度則會快速下降(圖1)，同時，二氧化碳的溶解也有助于稠油黏度的降低。水相的黏度在高溫復(fù)合氣驅(qū)的過程中雖然也有所降低，但相對于油相而言，其降低程度要小得多。另外，圖2也顯示，采用高溫復(fù)合氣驅(qū)時，水相的相對滲透率變化不大，而油相相對滲透率明顯增加。參考流度比的定義式(3)：

圖2　200℃下各驅(qū)替方式下的相對滲透率曲線

(6)

式中：kw、ko——水和油的有效滲透率，10-3μm2；μw、μo、——水和油的黏度，mPa·s；krw、kro——水和油的相對滲透率，小數(shù)。

可以判斷出，采用高溫復(fù)合氣驅(qū)之后，油水流度比會有所減小，即流動性得到改善。

2.3.2 高溫復(fù)合氣驅(qū)對含水率的影響

各驅(qū)替方式下的無水采收期、無水采收率和見水時刻含水飽和度數(shù)據(jù)見表4，含水率曲線見圖3。

從表4可以看出，相對于蒸汽驅(qū)而言，采用高溫復(fù)合氣驅(qū)之后，無水采收期均明顯延長，無水采收率也有明顯提高。產(chǎn)生這種現(xiàn)象，與高溫復(fù)合氣驅(qū)中的氣體性質(zhì)密切相關(guān)。氮氣是非凝結(jié)性氣體，受溫度的影響很小，它能夠減緩水蒸汽凝結(jié)成水的速度。同樣，未溶解的二氧化碳?xì)怏w也有此作用。因此，在采取高溫復(fù)合氣驅(qū)之后，向出口端移動的水被部分抑制，無水生產(chǎn)期相應(yīng)延長。另外，氮氣和二氧化碳均能夠改善油水流度比，從而有助于延長無水采收期和提高無水采收率。混合氣體(氮氣+二氧化碳)綜合了兩種氣體的作用，所以無水采收期和無水采收率的值最大。

表4　各驅(qū)替方式下的無水采收期數(shù)據(jù)

圖3　200℃時各驅(qū)替方式下的含水率曲線

從圖3可以看出，在無水采收期之后，隨著含水飽和度的增加，含水率均快速增加。相比較而言，蒸汽+二氧化碳復(fù)合氣驅(qū)含水率增加最快，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他三種驅(qū)替方式。

無水采收期結(jié)束之后，形成了水的連續(xù)通道，在蒸汽與二氧化碳?xì)怏w混注條件下，二氧化碳的部分溶解使油、水的黏度都有所降低，導(dǎo)致水的突進(jìn)變得更為容易，因此，含水率快速增加。另外，由上面的分析可知，未溶解的部分二氧化碳能夠減緩蒸汽的冷凝速度，從而抑制含水率的上升，但是從實驗結(jié)果來看，此時前者起主要作用。在相同含水飽和度條件下，蒸汽+氮氣復(fù)合氣驅(qū)的含水率要低于蒸汽驅(qū)的含水率，這說明加注氮氣有助于降低含水率的上升速度。在蒸汽+氮氣+二氧化碳復(fù)合氣體中，二氧化碳所占比例比蒸汽+二氧化碳復(fù)合氣體中的低，其溶解在原油中的比例降低，此時同時存在的氮氣和部分未溶解的二氧化碳，進(jìn)一步強(qiáng)化了延緩蒸汽凝結(jié)成水的能力，從而抑制了產(chǎn)水量的快速增加，使含水率增加的速度變緩。

2.3.3 高溫復(fù)合氣驅(qū)對驅(qū)油效率的影響

蒸汽驅(qū)和加注不同氣體驅(qū)時的驅(qū)油效率曲線見圖4。從驅(qū)替實驗結(jié)果可以看出，相對蒸汽驅(qū)而言，采用高溫復(fù)合氣驅(qū)時的驅(qū)油效率有了明顯的增加。

采用蒸汽復(fù)合氮氣驅(qū)時，驅(qū)油效率顯著增加。一般情況下，氮氣在稠油中的溶解度很低。Svrcele和Mehrotra[21]的實驗結(jié)果顯示，在6.02 MPa、33.9 ℃條件下，氮氣在Athabasca稠油中的溶解度僅為3.28 cm3/cm3；溫度對氮氣在稠油中的溶解度影響較小，而壓力的影響較大，因此氮氣對稠油黏度和膨脹率的影響較小。隨著壓力增加，飽和氮氣對稠油黏度降低程度并不顯著。在油藏條件下，稠油飽和氮氣后的膨脹率小于2%。

圖4　200℃時各驅(qū)替方式下的驅(qū)油效率曲線

氮氣與蒸汽混合注入，氮氣在儲層中產(chǎn)生賈敏效應(yīng)，堵塞狹窄的孔隙喉道，從而調(diào)整注氣剖面，使氣體向周圍均勻波及，可以達(dá)到調(diào)節(jié)氣竄的作用，擴(kuò)大波及范圍；另外，熱蒸汽與氮氣混注充分利用了氮氣驅(qū)油時彈性能量大的特性，能夠彌補(bǔ)蒸汽冷凝時減小的壓力，從而保持地層壓力，起到動力驅(qū)動的作用。同時氮氣還可增強(qiáng)蒸汽的攜熱能力，強(qiáng)化蒸汽與縱深地層稠油的熱交換過程，進(jìn)而達(dá)到改善稠油熱采效果的目的。

與蒸汽驅(qū)相比，蒸汽復(fù)合二氧化碳驅(qū)的驅(qū)油效率有所增加，但是增長的幅度比蒸汽復(fù)合氮氣驅(qū)小。稠油油藏大多埋藏較淺，地層壓力低，且稠油組成以重質(zhì)組分為主，注入二氧化碳后難以達(dá)到混相驅(qū)替。根據(jù)研究，最小的混相壓力范圍是：輕質(zhì)油在低溫時是8.27 MPa，重油在高溫時是31.03 MPa[22]。非混相驅(qū)替為其主要作用機(jī)理。在室內(nèi)實驗過程中，壓力遠(yuǎn)沒有達(dá)到二氧化碳與實驗所用稠油的最小混相壓力，因此，驅(qū)替過程是典型的非混相驅(qū)替。注入的二氧化碳在稠油中發(fā)生溶解作用，當(dāng)二氧化碳溶于稠油中后，由于羧化作用，油分子間的引力降低，減少了流體間流動時的內(nèi)摩擦力，因而稠油的黏度得到有效降低，同時形成溶解氣驅(qū)，這也是驅(qū)油效率提高的原因之一。另外，二氧化碳溶于稠油之后，會使稠油體積膨脹，增加了彈性能量，從而有利于稠油的采出。

由于蒸汽復(fù)合混合氣(氮氣+二氧化碳)綜合了氮氣和二氧化碳?xì)怏w的優(yōu)點，所以，其驅(qū)油效果比其他驅(qū)替方式更好。

3　結(jié)論

(1)隨著溫度升高，稠油黏度顯著降低。其機(jī)理是：在升溫過程中，粒子的布朗運動加劇，膠質(zhì)、瀝青質(zhì)逐步溶解，使稠油內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得松散，稠油內(nèi)聚力降低，所以黏度隨之減小。

(2)在研究稠油流變行為的過程中，存在一臨界溫度Tc，當(dāng)溫度TTc時，稠油流變行為表現(xiàn)為牛頓流體的流變特性。

(3)氮氣和二氧化碳均有助于改善油相滲透率、油水流度比。氮氣是利用其攜熱能力強(qiáng)的特點，提高了熱利用率，從而使原油黏度降低；二氧化碳是利用其溶解作用，使原油黏度降低。

(4)高溫復(fù)合氣驅(qū)與蒸汽驅(qū)相比，無水采收期和無水采收率均有所提高，提高幅度從大到小依次是：蒸汽+氮氣+二氧化碳復(fù)合氣驅(qū)、蒸汽+氮氣復(fù)合氣驅(qū)、蒸汽+二氧化碳復(fù)合氣驅(qū)。

(5)高溫復(fù)合氣驅(qū)與蒸汽驅(qū)相比，含水上升速度從大到小依次是：蒸汽+二氧化碳復(fù)合氣驅(qū)、蒸汽驅(qū)、蒸汽+氮氣復(fù)合氣驅(qū)、蒸汽+氮氣+二氧化碳復(fù)合氣驅(qū)。

(6)高溫復(fù)合氣驅(qū)的各種驅(qū)替方式的驅(qū)油效率從高到低依次為：蒸汽+氮氣+二氧化碳復(fù)合氣驅(qū)、蒸汽+氮氣復(fù)合氣驅(qū)、蒸汽+二氧化碳復(fù)合氣驅(qū)、蒸汽驅(qū)。

(7)高溫復(fù)合氮氣驅(qū)的主要作用機(jī)理：彌補(bǔ)蒸汽冷凝的能量虧空，保持地層壓力封堵狹窄孔隙喉道，調(diào)整注氣剖面，增加波及效率；增加蒸汽的攜熱能力，加強(qiáng)蒸汽與稠油的熱交換過程，降低稠油黏度。

(8)高溫復(fù)合二氧化碳驅(qū)的主要作用機(jī)理：二氧化碳溶解在稠油中，降低了稠油黏度，同時形成溶解氣驅(qū)； 二氧化碳溶解在稠油中，使稠油體積膨脹，增加了彈性能量。

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編輯：李金華

1673-8217(2016)05-0108-05

2016-01-20

劉春艷，油藏工程師，1984年生，2007年畢業(yè)于長江大學(xué)石油工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事油氣田開發(fā)的研究工作。

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