稠油和瀝青VAPEX技術(shù)影響因素的研究進(jìn)展

趙法軍，劉永建，吳永彬，哈 斯，談龍日

（1東北石油大學(xué)提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163318；2中石油大慶油田博士后工作站，黑龍江 大慶 163453；3中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083；4大慶油田有限責(zé)任公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，黑龍江 大慶 163712）

進(jìn)展與述評(píng)

稠油和瀝青VAPEX技術(shù)影響因素的研究進(jìn)展

趙法軍1,2，劉永建1，吳永彬4，哈 斯3，談龍日3

（1東北石油大學(xué)提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163318；2中石油大慶油田博士后工作站，黑龍江 大慶 163453；3中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083；4大慶油田有限責(zé)任公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，黑龍江 大慶 163712）

由于常規(guī)稀油石油資源逐漸枯竭，作為非常規(guī)石油資源的稠油和瀝青的開(kāi)采日益重要，稠油和瀝青的蒸氣萃取（VAPEX）技術(shù)已經(jīng)成為一項(xiàng)非常有前途的開(kāi)采工藝。本文討論了影響稠油和瀝青VAPEX技術(shù)的各種因素，包括稠油黏度，溶劑在稠油中的擴(kuò)散系數(shù)，溶劑的分散度，溶劑注入時(shí)的溫度、壓力，溶劑的注入速度，地質(zhì)因素等。列出了這些因素之間重要的數(shù)學(xué)關(guān)系式以及這些因素與稠油和瀝青質(zhì)產(chǎn)量之間的數(shù)學(xué)模型，對(duì)VAPEX技術(shù)發(fā)展前景和未來(lái)研究方向進(jìn)行了總體展望：由于模型與實(shí)際油藏的差異造成結(jié)果偏差因而需修正實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?；VAPEX和SAGD的混合使用；不同溫度、壓力下溶劑的擴(kuò)散系數(shù)；混合溶劑的使用。

稠油；瀝青；蒸氣萃?。挥绊懸蛩?；溶劑

稠油（crude oil），通常是指黏度高、相對(duì)密度大、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)含量都較高的重質(zhì)原油。國(guó)外稱稠油為重質(zhì)原油（heavy oil），對(duì)黏度極高的稠油稱為瀝青（bitumen）或?yàn)r青砂油（tar sand oil）。由于稠油在油層中黏度高，流動(dòng)阻力大，甚至不能流動(dòng)，因而用常規(guī)技術(shù)難以經(jīng)濟(jì)有效地開(kāi)發(fā)[1-2]。

目前，開(kāi)采稠油油藏的常規(guī)技術(shù)是熱力采油，即蒸汽吞吐（CSS），蒸汽驅(qū)（SF）、火燒油層（ISC）、蒸汽輔助重力泄油（SAGD）等。這些技術(shù)開(kāi)采稠油和瀝青原理是通過(guò)加熱降低油藏中原油的黏度。在蒸汽吞吐采油技術(shù)中，原油最高采收率不超過(guò)20%。通常情況下，蒸汽吞吐后要采用蒸汽驅(qū)技術(shù)，而蒸汽驅(qū)過(guò)程中，存在著蒸汽的密度和黏度較低，易發(fā)生蒸汽超覆和汽竄的問(wèn)題，產(chǎn)生不均勻的垂直掃油效率，導(dǎo)致地層中殘余油飽和度高、蒸汽波及系數(shù)小、驅(qū)油效率和采收率降低?；馃蛯蛹夹g(shù)要取得成功，原油地層條件下的黏度要足夠低（μ＜1000 m Pa·s），從而可以使原油從燃燒區(qū)驅(qū)替到冷油藏區(qū)[3]。盡管SAGD技術(shù)在稠油和瀝青開(kāi)采方面是可行的，但是SAGD技術(shù)具有熱利用率低，尤其是該技術(shù)應(yīng)用到薄層油藏中，成本高昂。SAGD技術(shù)除了存在熱利用效率低的問(wèn)題，還存在著其它相關(guān)的問(wèn)題，主要包括采出水的處理及相關(guān)環(huán)境問(wèn)題，需要消耗大量淡水資源及黏土膨脹可能引起的地層損害等[4]。因此，科研工作者努力尋求一種更清潔、效率更高的技術(shù)。

VAPEX技術(shù)是Butler等于1991年提出的一種類似于 SAGD開(kāi)采稠油新方法[5-7]。該方法是向油藏中注入諸如乙烷、丙烷或丁烷等溶劑的露點(diǎn)壓力與油藏壓力接近的石油氣體，使其在油藏中形成氣腔，利用石油氣體在原油中的溶解降黏作用和重力泄油機(jī)理開(kāi)采稠油油藏。與SAGD方法一樣，蒸氣萃取法一般也采用在油層下部鉆兩口平行水平井（一上一下）的布井方式，上部井為注氣井，下部井為采油井。

一些學(xué)者采用室內(nèi)物理模擬方法研究了影響稠油和瀝青 VAPEX技術(shù)的多種因素，其中影響VAPEX技術(shù)重要的因素有稠油和瀝青的黏度、稠油和瀝青的脫瀝青作用、溶劑在稠油和瀝青中擴(kuò)散、溶劑在稠油和瀝青中分散度、VAPEX的溶劑選擇及油藏地質(zhì)因素等。

1 稠油和瀝青的黏度

黏度低于10 Pa·s并且API重度為20°或更小的原油稱為稠油。如果黏度大于 10 Pa·s，且API重度為10°或更小稱之為瀝青[8]。稠油和瀝青的黏度是溫度的強(qiáng)函數(shù)，當(dāng)溫度從 20 ℃上升到200 ℃可以將Athabasca瀝青的黏度從900 Pa·s降到0.01 Pa·s，降低5個(gè)數(shù)量級(jí)。

稠油和瀝青的黏度高是其開(kāi)采難的主要原因，所有開(kāi)采工藝的目標(biāo)都是降低稠油和瀝青的黏度，增加稠油和瀝青的流度。在VAPEX工藝中，氣態(tài)溶劑的注入可使稠油和瀝青的黏度下降。稠油和瀝青的黏度取決于它的化學(xué)組成、溫度、壓力和溶解氣的濃度。稠油瀝青的黏度是溫度的強(qiáng)函數(shù)，但是，當(dāng)氣體溶解到稠油和瀝青中后，壓力能夠有效地影響?zhàn)ざ萚9]。總之，稠油和瀝青黏度是溫度、溶解氣濃度、壓力和瀝青質(zhì)含量的函數(shù)。

與溫度對(duì)黏度影響相比，壓力對(duì)稠油和瀝青的黏度的影響不明顯。然而，當(dāng)稠油和瀝青中溶解氣體后，壓力對(duì)黏度的影響是非常大的，像CO2、乙烷、CO和N2等幾種氣體可顯著地降低瀝青的黏度[10-13]。這些氣體中降低瀝青黏度最有效的氣體是乙烷，按降低黏度從大到小的順序是CO2、CH4、CO和N2。

Lederer提出了溶劑的濃度對(duì)稠油和瀝青的黏度影響的關(guān)系式如式（1）[14]。

式中，γ是重量因子，值在0～1之間變化；fB是較黏組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；μB和μS分別是瀝青和溶劑的黏度，Pa·s；CB和CS分別是瀝青和溶劑的體積分?jǐn)?shù)。

Shu在1984年提出了稠油混合物或含有輕餾分瀝青的γ關(guān)系式如式（2）[15]。

Das和Butler在1996年給出了兩參數(shù)黏溫關(guān)系，如式（3）[16]。

式中，μ是Peace River瀝青黏度，Pa·s；T是絕對(duì)溫度，K；b1、b2值分別是9.523535、-3.57231。

Jin在1999年總結(jié)出含有丁烷溶劑的產(chǎn)出原油黏度經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式如式（4）、式（5）[17]。

式中，μ是平衡狀態(tài)稠油或?yàn)r青黏度；Cs是稠油中丁烷體積分?jǐn)?shù)；ωs是稠油中丁烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)。對(duì)于原油中丁烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)等于0、黏度趨近于無(wú)限大的情況，這個(gè)關(guān)系式不成立。這項(xiàng)研究工作表明23±2 ℃室溫條件下，隨著丁烷質(zhì)量濃度從10%增加到17%，原油黏度從150 mPa·s急劇下降到40 mPa·s，黏度下降較為明顯。

對(duì)于瀝青和稠油油藏，上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果有助于確定在蒸氣萃取操作中選用哪一種溶劑，在油藏溫度和壓力條件下，找到一種溶劑可以最大程度降低稠油和瀝青的黏度。

2 溶劑氣體在稠油瀝青中擴(kuò)散

在蒸氣萃取過(guò)程中，溶劑氣體在稠油和瀝青中的擴(kuò)散主要是分子運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，這是因?yàn)榉肿釉诔碛秃蜑r青中的吸收和混合作用，導(dǎo)致稠油和瀝青黏度降低。溶劑氣體在稠油瀝青中的擴(kuò)散是降黏的主要原因，而且影響產(chǎn)量，因此，擴(kuò)散現(xiàn)象在蒸氣萃取中起著很重要的作用。

氣體在液體中的擴(kuò)散系數(shù)可以用實(shí)驗(yàn)方法或經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式確定[18]。實(shí)驗(yàn)方法可以分為直接法和間接法。直接法主要是對(duì)不同時(shí)間萃取的液體樣品進(jìn)行組分分析。間接法分為兩類：①根據(jù)物性變化如壓力、體積、溶質(zhì)揮發(fā)速度、氣液界面位置等；②通過(guò)核磁共振測(cè)量擴(kuò)散系數(shù)。

有些學(xué)者利用直接法[19-21]，也有一些學(xué)者利用間接法[22-27]和經(jīng)驗(yàn)公式法[28-29]研究溶劑擴(kuò)散現(xiàn)象和稠油瀝青中各種溶劑質(zhì)量轉(zhuǎn)換的關(guān)系。

Hayduk和Cheng在1971年給出了溶劑黏度與擴(kuò)散系數(shù)的關(guān)系，如式（6）[30]。

式中，α，β為每種分散介質(zhì)常數(shù)。

Peace River瀝青中丁烷和丙烷擴(kuò)散系數(shù)是由Das和Butler根據(jù)VAPEX實(shí)驗(yàn)采用間接法估算出來(lái)的。他們用Hele-Shaw裝置研究丙烷與丁烷瀝青的蒸氣萃取，將瀝青與氣體擴(kuò)散接觸面的運(yùn)移和相對(duì)應(yīng)的瀝青黏度按照經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)起來(lái)，得到了Hayduk和Cheng經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式中α和β的最佳值，用于測(cè)量丁烷和丙烷的擴(kuò)散系數(shù)[31-32]。丁烷的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式如式（7）。

然而，對(duì)于丙烷，得到的α值不相同，關(guān)系式如式（8）。

研究結(jié)果表明，擴(kuò)散系數(shù)是混合物黏度的函數(shù)，也是氣體濃度和溫度的函數(shù)。

Upreti和Mehrotra[29]在溫度為25～90 ℃，壓力分別為4 MPa和8 MPa條件下，估算了Athabasca瀝青中CO2、CH4、C2H6和N2的擴(kuò)散系數(shù)。他們使用間接壓力衰減的實(shí)驗(yàn)方法發(fā)現(xiàn)這些氣體的擴(kuò)散系數(shù)是瀝青中氣體濃度的函數(shù)。根據(jù)這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果，他們總結(jié)出氣體平均擴(kuò)散系數(shù)的關(guān)系式如式（9）。

Upreti和Mehrotra觀察到瀝青中擴(kuò)散系數(shù)是氣體濃度的函數(shù)，在給定氣體濃度和壓力條件下，擴(kuò)散系數(shù)隨溫度升高而增大。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，給定溫度和氣體濃度下，氣體擴(kuò)散系數(shù)通常隨壓力增加而增大。

Boustani和Maini在2001年根據(jù)3種不同相互關(guān)系，對(duì)作為溶劑濃度函數(shù)的Penny瀝青中丙烷本征擴(kuò)散系數(shù)的估算值做了對(duì)比。他們發(fā)現(xiàn)Das和Butler在1996年估算的擴(kuò)散系數(shù)比由Hayduk等和Hayduk和M inhas估算的擴(kuò)散系數(shù)高一個(gè)數(shù)量級(jí)[32]。他們解釋了將Das和Butler使用的最優(yōu)α和β值作為首選的原因，能夠?yàn)镠ele-Shaw實(shí)驗(yàn)提供更好的歷史擬合。

Hele-Shaw實(shí)驗(yàn)的原油驅(qū)油效率與以分子擴(kuò)散為基礎(chǔ)的模型所預(yù)測(cè)的驅(qū)油效率一致。然而，多孔介質(zhì)砂巖充填模型的驅(qū)油效率遠(yuǎn)高于預(yù)測(cè)的驅(qū)油效率。當(dāng)稠油和瀝青黏度由于氣體擴(kuò)散而下降時(shí)，降黏的原油在重力作用下排泄出來(lái)。此時(shí)，其它因素也會(huì)與擴(kuò)散相結(jié)合來(lái)提高VAPEX技術(shù)的產(chǎn)量。Das和Butler提出這些因素分別是孔隙介質(zhì)中界面面積的增加（對(duì)比平面擴(kuò)散），物理分散作用，溶解度增加（由于溶劑蒸汽冷凝在毛細(xì)管上），表面更新（由于原油降黏的外泄），溶劑腔上升期的增大和溶劑-原油界面間的毛細(xì)管現(xiàn)象[33-34]。

3 溶劑氣體在稠油瀝青中的分散度

擴(kuò)散是一種特殊的分散，分散狀態(tài)流體是穩(wěn)定的（對(duì)流速度為零）。因此，從根本上說(shuō)分散是擴(kuò)散與對(duì)流運(yùn)動(dòng)的復(fù)合效應(yīng)。孔隙尺寸的混合稱為微觀分散，油藏的混合稱為宏觀分散。宏觀分散上，這種多孔介質(zhì)中的對(duì)流傳輸用達(dá)西定律來(lái)描述。油藏特性的變化形成宏觀分散。當(dāng)流體通過(guò)多孔介質(zhì)流動(dòng)時(shí)，分散系數(shù)會(huì)由于對(duì)流混合而增大，并且分散程度高于單獨(dú)的擴(kuò)散作用。多孔介質(zhì)中的分散包含兩種濃度梯度，溶質(zhì)-溶劑在橫向和縱向上的流動(dòng)。這兩種分散也被稱為縱向分散和橫向分散。至今，沒(méi)有太多關(guān)于高黏度和低黏度流體分散造成溶質(zhì)黏度明顯變化的報(bào)道[35]。

1989年 Butler等[36]利用 Athabasca和 Suncor瀝青以甲苯作為溶劑進(jìn)行了Hele-Shaw實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用分析模型的擴(kuò)散值，預(yù)測(cè)產(chǎn)量正好在范圍之內(nèi)。

然而，Das與Butler發(fā)現(xiàn)稠油和瀝青在多孔介質(zhì)中產(chǎn)量遠(yuǎn)高于Hele-Shaw實(shí)驗(yàn)時(shí)的產(chǎn)量。為了擬合產(chǎn)量，在其分析模型中，使用的擴(kuò)散值高于文獻(xiàn)中使用的值。他們提出不同分散值在VAPEX產(chǎn)量中起著重要作用[34]。

2001年Boustani和Maini利用Hele-Shaw裝置研究了VAPEX。結(jié)果表明，VAPEX期間由于溶劑對(duì)流增加的質(zhì)量轉(zhuǎn)移，使用泰勒分散系數(shù)而不是擴(kuò)散系數(shù)，能夠減小這種差異。然而，泰勒分散并不適用多孔介質(zhì)，它只局限于Hele-Shaw裝置[28]。

2003年Cuthiell等[37]利用CT研究了25℃時(shí)甲苯溶劑對(duì)Lloydminster原油分散在砂巖和石英砂中的作用。他們還用擬溶劑分散系數(shù)模擬了重要的溶劑驅(qū)替特征。為了模擬溶劑驅(qū)替的黏性不穩(wěn)定特性，使用了具有交互孔隙度的二維空間網(wǎng)格，考慮沿縱向上的分散是沿橫向上的10倍，使用不同的溶劑分散系數(shù)，他們也能分辨出與數(shù)值對(duì)應(yīng)的物理分散。

4 稠油和瀝青的脫瀝青作用

稠油和瀝青是由飽和烴、芳烴、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)（SARA組分）4類組成的，其組成影響稠油和瀝青的開(kāi)采和運(yùn)輸。在這些組分中，工業(yè)上主要關(guān)注瀝青質(zhì)，因?yàn)樗鼤?huì)隨著壓力、溫度或組成的變化而沉積。瀝青質(zhì)為含有鎳、鐵、釩的高分子量復(fù)雜化合物，它能溶于CS2、嘧啶、CCl4和苯，但不溶于低分子量的正構(gòu)烷烴，可以從石油或頁(yè)巖油中衍生出來(lái)。稠油和瀝青中由于含有大量的瀝青質(zhì)，因此具有較高的黏度，它會(huì)帶來(lái)一些嚴(yán)重和復(fù)雜的運(yùn)輸問(wèn)題，需要用輕質(zhì)組分稀釋或改質(zhì)之后，才能便于運(yùn)輸[38]。

Bray等[39]研究了不同的烷烴溶劑的脫瀝青作用的效果，即通過(guò)沉淀脫除瀝青。他們發(fā)現(xiàn)，在所有的溶劑當(dāng)中，乙烷產(chǎn)生的沉淀量最大。而且，按產(chǎn)生沉淀降低的順序依次是丙烷、丁烷、戊烷和己烷。

Das等[40]1994年進(jìn)行了Hele-Shaw實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)如果注入溶劑的壓力接近或高于溶劑在油藏溫度下的蒸氣壓力就會(huì)產(chǎn)生脫瀝青，會(huì)帶來(lái)一定的降黏效果。實(shí)驗(yàn)中他們觀察到脫瀝青作用前需要一個(gè)特定的最小溶劑濃度（臨界值），并推斷出這個(gè)值因溶劑不同而變化。他們利用高于其20 ℃時(shí)蒸氣壓力的丙烷對(duì)Cold Lake瀝青和Lloydm inster稠油進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)使瀝青質(zhì)沉淀所需溶劑最小質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為20%和30%。這項(xiàng)工作得出的結(jié)論是，丙烷脫瀝青作用使Lloydm inster稠油和Cold Lake瀝青的黏度分別下降了50倍和300倍。這部分就地脫瀝青的原油改質(zhì)為更輕的、質(zhì)量更好的原油。

在進(jìn)行VAPEX實(shí)驗(yàn)時(shí)，Das等[34]觀察到脫瀝青原油中的瀝青質(zhì)沉積占據(jù)不到20%的孔隙空間。因此，根據(jù)Das和Bulter的觀點(diǎn)，瀝青質(zhì)沉積可能不會(huì)阻塞生產(chǎn)井。2002年Das[41]證實(shí)了他們的研究，脫瀝青不能阻止原油從油藏流出，而且由于原油黏度下降，相比沒(méi)有脫瀝青作用下原油產(chǎn)量會(huì)增加10%～20%。據(jù)觀察，在特定溫度下，如果蒸氣壓力下降到大約只有0.0345 MPa時(shí)，瀝青質(zhì)沉積就不會(huì)存在。

Oduntan等和Jin觀察到VAPEX過(guò)程中的瀝青質(zhì)沉積不會(huì)明顯阻礙多孔介質(zhì)中的生產(chǎn)井，它主要沉積在生產(chǎn)井的末端[17，42]。一些瀝青質(zhì)還會(huì)沉積在原油和溶劑界面。當(dāng)原油-溶劑界面的溶劑濃度達(dá)到最高時(shí)，沉積物開(kāi)始靠近原油-溶劑界面[43]。2003年Ramakrishnan也在他的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)類似的結(jié)果，并且認(rèn)為瀝青質(zhì)可能會(huì)被稀油攜帶到地面，沉積在油-溶劑界面上[44]。

Nghiem等[45]利用丙烷在Lindbergh原油中進(jìn)行氣相抽提模擬實(shí)驗(yàn)，并預(yù)測(cè)了相動(dòng)態(tài)和液體流動(dòng)現(xiàn)象。他們計(jì)算的瀝青質(zhì)沉積與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)值相一致。

VAPEX過(guò)程中，就地脫瀝青可能會(huì)沉積在井筒里面或附近，這將會(huì)阻塞生產(chǎn)井。因此，為了阻止或控制脫瀝青作用，有必要對(duì)脫瀝青沉積物進(jìn)行預(yù)測(cè)并開(kāi)發(fā)出用于故障排除的瀝青質(zhì)沉淀密封圈。

5 溶劑注入條件

溶劑的注入會(huì)產(chǎn)生脫瀝青作用，它能使原油黏度降低，通常，溶劑的選擇以一些因素為基礎(chǔ)，包括平衡壓力、分子量、密度差、溶解度、擴(kuò)散率和油藏溫度及壓力等。低分子量的氣化溶劑當(dāng)其接近或處于露點(diǎn)壓力時(shí)，通常在氣相抽提中用作采油用劑。在其露點(diǎn)壓力下注入氣化溶劑具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。①氣化溶劑在接近露點(diǎn)壓力時(shí)有最大的溶解性，接近油藏溫度下的蒸氣壓力時(shí)，氣化溶劑的進(jìn)入更為有利。②在油藏溫度下接近于蒸汽壓條件下注入溶劑，會(huì)提高采油速度。③除此之外，氣化溶劑的使用與瀝青產(chǎn)生較高的密度差，能夠?yàn)橹亓π褂吞峁└叩尿?qū)動(dòng)力。④從經(jīng)濟(jì)的角度來(lái)說(shuō)，使用氣化溶劑而不是使用液體溶劑，降低萃取油藏的溶劑殘余量，這可以顯著地降低氣相抽提的操作成本。

Das和Butler提出了丙烷和丁烷是VAPEX過(guò)程最有效的溶劑，他們還證實(shí)了丙烷比丁烷擴(kuò)散更快[16]。

利用液體溶劑（純丙烷、純丁烷、混合物），20～30目的Ottawa砂巖和來(lái)自Atlee Buffalo油田的原油，Butler和Jiang在2000年研究了溫度、壓力、注入速度、溶劑類型、混合溶劑、開(kāi)發(fā)過(guò)程的井距和井形態(tài)對(duì)具有經(jīng)濟(jì)溶劑要求高產(chǎn)量的影響。由于輕烴混合物沒(méi)有純?nèi)軇┠敲窗嘿F，所以它能顯著降低VAPEX過(guò)程相關(guān)的費(fèi)用。因此，有必要研究混合溶劑對(duì)VAPEX的影響[43]。

2000年Butler和Jiang研究發(fā)現(xiàn)使用丙烷的產(chǎn)量高于丁烷，但丙烷和丁烷的混合物（液體體積比為50∶50）比單獨(dú)的丁烷更有效，其性能基本上等效于丙烷[43]。

為研究混合溶劑（丙烷和丁烷的混合物）的注入速度的影響，以30 m L/h和20 m L/h恒定的速度分別注入混合溶劑。結(jié)果是注入速度增加了50%，產(chǎn)量只增加了11%，這表明，原油產(chǎn)量不會(huì)隨著混合溶劑的注入速度增加而顯著的增加。另外一組實(shí)驗(yàn)中，研究了高啟動(dòng)溶劑注入速度的影響，得出結(jié)論是高啟動(dòng)速度后降低注入速度，可以獲得較高的原油產(chǎn)量和較低的溶劑累積量，其效果要好于恒速注入速度。

VAPEX過(guò)程中使用非凝結(jié)性氣體作為溶劑的氣體載體也是可行的，這種非凝結(jié)性氣體的注入速度應(yīng)該足夠低，以便驅(qū)替出原油空出的體積。

6 地質(zhì)因素

任何過(guò)程的經(jīng)濟(jì)可行性都取決于產(chǎn)量。一些作者還研究了地質(zhì)因素（產(chǎn)油層長(zhǎng)度、滲透率、均質(zhì)性、傾角和殘余油飽和度）對(duì)產(chǎn)量的影響。

（1）產(chǎn)油層長(zhǎng)度對(duì)產(chǎn)量的影響 產(chǎn)油層長(zhǎng)度是稠油和瀝青所處油藏的高度。Oduntan等觀察到對(duì)于給定的長(zhǎng)度，產(chǎn)量一直維持不變，直到累積產(chǎn)油量達(dá)到80%～90%，總產(chǎn)油量大約是原始地質(zhì)儲(chǔ)量的85%～92%。他們發(fā)現(xiàn)產(chǎn)油量與產(chǎn)油層長(zhǎng)度的平方根成正比，對(duì)由滲透率136 μm2、孔隙度38%、地層傾角45°組成的關(guān)系如式（10）[42]。

式中，Q是模型單位寬度的體積流量，m3/h·m；Lpz是產(chǎn)油層厚度，m。

（2）傾角對(duì)產(chǎn)量的影響 2003年Ramakrishnan和Oduntan等研究了傾角對(duì)產(chǎn)量的影響[42,44]。Ramakrsihnan用滲透率為156 μm2的均質(zhì)系統(tǒng)在傾角分別為45°、75°、80°、90°時(shí)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，隨著傾角從45°～90°增加，產(chǎn)量也會(huì)增加；由于陡峭傾角擁有更大重力的事實(shí)，所以在90°傾角時(shí)獲得最大產(chǎn)量[44]。

（3）油藏滲透率和均質(zhì)性的影響 油藏滲透率和均質(zhì)性在VAPEX過(guò)程起著重要的作用。蒸氣封閉在孔隙空間及毛細(xì)管孔隙中，并不潤(rùn)濕固體。一些研究者[35，41，45]對(duì)稠油和瀝青開(kāi)采中高低滲透層和頁(yè)巖存在引起的油藏非均質(zhì)性進(jìn)行了研究。1989年Bulter和Mokrys利用Athabasca和Suncor Coker Feed瀝青以甲苯作為溶劑在垂向Hele-Shaw裝置中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，得出結(jié)論是在Hele-Shaw滲透率較低時(shí)，泄油速度是滲透率平方根的函數(shù)。高滲透率的使用不是很清楚，因?yàn)橛?jì)算Hele-Shaw滲透率的關(guān)系只限于低滲透率。接著這項(xiàng)工作，1997年Das、1998年Bulter和Mokrys在多孔介質(zhì)中進(jìn)行了幾組不同滲透率的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)VAPEX產(chǎn)量隨著滲透率的平方根而變化。這些結(jié)果表明原油產(chǎn)量與模型滲透率平方根呈線性關(guān)系。Oduntan等在他們的實(shí)驗(yàn)中使用了25 μm2、85 μm2、136μm2、192 μm2的滲透率，得到了與Bulter和Mokrys相似的結(jié)果。他們還發(fā)現(xiàn)體積流量與滲透率平方根成正比，關(guān)系式為式（11）。

式中，Q為流量，cm3/min；K為滲透率，μm2。

1995年Jiang等[46]進(jìn)行一系列實(shí)驗(yàn)研究了連續(xù)性和非連續(xù)性低滲透層的影響，他們使用由兩種不同尺寸砂子來(lái)獲得不同滲透率（20～30目為217 μm2，30～50目為43.5 μm2）的水平層構(gòu)成的二維物理模型（寬35.56 cm，高22.86 cm，厚3.2 cm），以丙烷為溶劑來(lái)開(kāi)采Tangleflags北油田和Lloydminster原油，發(fā)現(xiàn)低滲透層均質(zhì)模型產(chǎn)量低于高滲透率均質(zhì)模型，原油和溶劑氣相之間界面張力產(chǎn)生的毛細(xì)管現(xiàn)象在VAPEX中起著重要作用。

Oduntan等利用具有高（192 μm2）低（85 μm2）滲透層，長(zhǎng)度為84 cm的物理模型更深刻地分析了油藏非均質(zhì)性的影響。他們使用由各種高低滲透性結(jié)構(gòu)組成7種不同類型的模型，模型Ⅶ的平均滲透率為125 μm2。結(jié)果表明，模型Ⅰ～Ⅵ的總產(chǎn)量沒(méi)有明顯的不同，平均滲透率稍高的模型Ⅶ相比其它分層系統(tǒng)產(chǎn)量較高，這歸因于小尺寸低滲透層的存在。他們觀察到隨著層數(shù)的增加，產(chǎn)量略有下降。除此之外，還發(fā)現(xiàn)非均質(zhì)體系的產(chǎn)量低于同樣尺寸同樣平均滲透率的均質(zhì)油藏。

7 殘余油飽和度

Oduntan等在傾角為45°的矩形槽中以丁烷作為溶劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究了蒸汽萃取后沿物理模型長(zhǎng)度方向的殘余油飽和度。他們選擇兩種模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，第一種是均質(zhì)體系，第二種是非均質(zhì)體系。在均質(zhì)體系中，模型殘余油飽和度從3%～5%倍孔隙體積變化，整個(gè)波及區(qū)基本上是一個(gè)常量。由于溶解氣的存在，現(xiàn)場(chǎng)條件下的殘余油飽和度假定略高并在5%～8%倍孔隙體積之間變化[41]。2003年Ramakrishnan在傾角為45°，用丙烷作為溶劑進(jìn)行了類似的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)對(duì)于均質(zhì)系統(tǒng)殘余油飽和度為10%～13%，使用丙烷氣體比丁烷氣體的殘余油飽和度百分?jǐn)?shù)高，因?yàn)楸闅怏w的瀝青質(zhì)沉淀比較高[44]。

Ramakrishnan在2003年利用物質(zhì)平衡方程來(lái)計(jì)算殘余油飽和度，如式（12）。

式中，MRO是殘余油質(zhì)量，g；VB是填充的總體積，cm3；φ是填充孔隙度，ρo是死油密度，g/cm3。

對(duì)于分層系統(tǒng)，Jiang和Butler以及Oduntan等[42，46]發(fā)現(xiàn)位于高滲透層之上低滲透層的殘余油飽和度較高，孔隙尺寸的小是低滲透層中高毛細(xì)管壓力產(chǎn)生的主要原因。

Oduntan等[42]通過(guò)變化產(chǎn)油層高度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不論產(chǎn)油層高度怎樣變化，模型底部（6～7 cm）都采不出油來(lái)，因?yàn)橹亓Σ蛔阋钥朔?xì)管壓力。

8 孔隙尺寸變化

VAPEX過(guò)程提及，微觀的發(fā)生在大的宏觀區(qū)域內(nèi)的孔隙尺寸變化現(xiàn)象。Ramakrishnan，Jin和Oduntan等[17,42,44]用二維微觀物理模型研究了蒸氣萃取期間發(fā)生的孔隙尺寸變化來(lái)解釋多孔介質(zhì)中流體相間相互作用。當(dāng)溶劑氣體擴(kuò)散到稠油和瀝青中時(shí)，使稠油和瀝青黏度下降，在重力作用下排出。

Oduntan等觀察到的VAPEX孔隙尺寸形態(tài)變化，毛孔壁上捕獲的丁烷蒸氣被吸收到稠油瀝青中，這樣黏度高的稠油和瀝青得到稀釋。這種稀釋的低黏度原油隨后在重力作用下排出。一旦前面原油排出，新的孔隙就會(huì)露出來(lái)，結(jié)果孔隙中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)泄油驅(qū)替通道[42]。

9 建議與展望

綜上所述，VAPEX技術(shù)用于開(kāi)采稠油和瀝青是可行的，并且在國(guó)內(nèi)外的礦場(chǎng)試驗(yàn)中也有過(guò)成功的實(shí)例。通過(guò)對(duì)影響VAPEX技術(shù)因素分析，可以更好地對(duì)VAPEX過(guò)程進(jìn)行預(yù)測(cè)，包括應(yīng)用數(shù)值模擬估算擴(kuò)散系數(shù)、解決數(shù)值模擬中的數(shù)值離散以及經(jīng)濟(jì)可行性分析等問(wèn)題?；趯?shí)驗(yàn)研究揭示了影響VAPEX技術(shù)的多種因素，給出了重要的數(shù)學(xué)關(guān)系式和從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中形成了增加稠油和瀝青產(chǎn)量的模型，建議將來(lái)進(jìn)一步研究以下課題。

（1）文中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，瀝青質(zhì)沉淀與沉積物不能導(dǎo)致原油產(chǎn)量減少。這可能是由于此次測(cè)試研究中，砂巖充填的模型滲透率非常高所致。實(shí)際稠油油藏的滲透率可能遠(yuǎn)低于模型中的那些測(cè)試。因此，建議用更細(xì)小砂子進(jìn)行VAPEX實(shí)驗(yàn)，以進(jìn)一步研究稠油油藏中瀝青質(zhì)沉淀和沉積物對(duì)原油和溶劑產(chǎn)量的具體影響。

（2）VAPEX和SAGD的混合過(guò)程測(cè)試，因?yàn)槌碛偷酿ざ炔⒉粌H完全取決于溶劑的溶解，它還對(duì)溫度極其敏感。在稠油采出過(guò)程中將溶劑溶解（即質(zhì)量轉(zhuǎn)換）和蒸汽注入（即熱量轉(zhuǎn)換）結(jié)合起來(lái)可以加速 VAPEX過(guò)程的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用，對(duì)Butler-Mokrys模型進(jìn)行修正，使擴(kuò)散系數(shù)適用范圍更廣。

（3）其它氣體即丙烷、乙烷、甲烷和二氧化碳的分散系數(shù)可以在不同溫度和壓力條件下進(jìn)行測(cè)量。

（4）研究證明使用適當(dāng)比例的混合溶劑能夠獲得與純?nèi)軇缀跻粯拥漠a(chǎn)油量。事實(shí)上混合溶劑比純?nèi)軇└咏?jīng)濟(jì)，因此，研究混合溶劑的分散系數(shù)，可以衡量它的經(jīng)濟(jì)可行性。

鑒于VAPEX具有環(huán)境友好、成本低的特點(diǎn)，因此，VAPEX是一項(xiàng)有前途的綠色科技。VAPEX技術(shù)在稠油或?yàn)r青開(kāi)采中是可行的、有潛力的，相信不久的將來(lái)必將成為開(kāi)采稠油或?yàn)r青的新工藝。

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Research progress on factors affecting VAPEX performance in exp loitation of heavy oil and bitumen

ZHAO Fajun1,2，LIU Yongjian1，WU Yongbin3，HA Si4，TAN Longri4
（1Key Laboratory of Enhanced Oil Recovery of M inistry of Education，Northeast Petroleum University，Daqing 163318，Heilongjiang，China;2Post-Doctoral Scientific Research Station of Daqing Oilfield，PetroChina，Daqing 163453，Heilongjiang，China ;3Research Institute of Exploration and Development，Daqing Oilfield Company，PetroChina，Daqing 163712，Heilongjiang，China;4Research Institute of Petroleum Exploration and Development，Petrochina，Beijing 100083，China）

Since the exploitation of unconventional oil resources like heavy oil and bitumen is increasingly important due to gradual exhaustion of conventional light oil resources，the vapor extraction (VAPEX) technology in exploitation of heavy oil and bitumen deposits has become a prom ising process. This paper discusses the influence factors of VAPEX，including heavy oil viscosity，solvent diffusion and dispersion coefficients，solvent injection temperature and pressure，solvent injection rate，geological factors，etc. The critical mathematical equations and the mathematical model characterizing the relationship between the factors above and heavy oil/bitumen production rate are deduced. The outlook and development trend of VAPEX technology are analyzed，such as experimental model modification based on the difference between mathematical model and actual reservoir model，VAPEX combined w ith SAGD process，solvent diffusion coefficients at different temperatures and pressures，and application of m ixed solvent systems.

heavy oil; bitumen; VAPEX; impact factor; solvent

TE 357.44

A

1000–6613（2012）07–1477–07

2012-01-10；修改稿日期：2012-02-21。

國(guó)家自然科學(xué)基金（21046002）及國(guó)家重大油氣專項(xiàng)（2008ZX05012-001）項(xiàng)目。

及聯(lián)系人：趙法軍（1974—），男，博士后。E-mail fajzhao@126.com。