海上稠油油藏水平井多元熱流體驅(qū)物理模擬實驗研究

葛濤濤，龐占喜，羅成棟，高振南，杜春曉

（1.中海石油（中國）有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津300459；2.中國石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院，北京102249）

中國某海上稠油油藏是一個半背斜構(gòu)造，油藏埋深為900～1 100 m，平均孔隙度為35%，平均滲透率為4 564 mD。地面原油密度為0.964～0.978 g/cm3，地面原油黏度（50℃）為1 457.0～3 635.0 mPa·s，屬于普通稠油Ⅱ類。該油藏初期采用以水平井為主的冷采衰竭開發(fā)，單井初期產(chǎn)能為35 t/d，產(chǎn)量遞減速度非?？臁嵤┒嘣獰崃黧w吞吐開發(fā)后，區(qū)塊日產(chǎn)油量由200 t/d上升到600 t/d，目前面臨由吞吐方式向驅(qū)替方式轉(zhuǎn)換的問題。多元熱流體的產(chǎn)生是利用航天火箭推進器的燃燒噴射機理，燃油與空氣混合燃燒將水加熱汽化，連同燃燒產(chǎn)生高溫高壓的煙道氣，形成由二氧化碳、氮氣和水蒸氣等組成的高壓多元熱流體混合物［1］。多元熱流體驅(qū)是指在注入蒸汽或熱水的同時添加泡沫、非凝析氣體（氮氣和二氧化碳）或化學(xué)劑的稠油熱力開發(fā)新技術(shù)［2-3］。該技術(shù)在熱力降黏的基礎(chǔ)上，不僅能依靠多種組分協(xié)同作用進一步降低原油黏度，同時能夠改善注入剖面，擴大注入流體的波及系數(shù)，有效地改善稠油油藏?zé)崃﹂_發(fā)的效果［4-6］。為此，利用一維填砂管模型，開展多元熱流體組成優(yōu)化及多元熱流體驅(qū)二維比例物理模擬實驗研究，最終分析了多元熱流體驅(qū)提高采收率的機理。

1 多元熱流體組成優(yōu)化實驗

海上的多元熱流體熱采工藝是將燃油與空氣燃燒而使水汽化，產(chǎn)生高溫高壓的煙道氣，形成氮氣、二氧化碳和蒸汽（熱水）等組成的混合流體。利用物理模擬實驗，優(yōu)化多元熱流體的組成，以利于現(xiàn)場應(yīng)用。

圖1 多元熱流體驅(qū)替實驗裝置Fig.1 Schematic of multi-thermal fluid flooding experiment

1.1 實驗器材與方法

實驗裝置由蒸汽發(fā)生器、氣體質(zhì)量流量計、平流泵、填砂管模型、壓差計、原油與地層水中間容器、高壓氣瓶、閥門和手搖泵等構(gòu)成（圖1）。

實驗填砂管模型以目標油藏儲層平均滲透率為基準，長度為50 cm，直徑為2.5 cm，填砂后氣測滲透率約為4 500 mD，孔隙度約為35%。實驗用油為該油藏的地面脫氣原油，地面原油密度為0.953 g/cm3，50℃下原油黏度為1 000 mPa·s。實驗用水為蒸餾水和地層水，地層水為CaCl2型，總礦化度為10 249.1 mg/L。實驗用氣為二氧化碳、氮氣及氮氣與二氧化碳混合氣（N2+CO2）。實驗材料主要包括石英砂等。

實驗方法為：①填裝填砂管模型。將與油層粒度及潤濕性相近的石英砂分多次裝填并壓實，測定空氣滲透率，直至測得的滲透率與設(shè)計值相近為止。②測定孔隙體積和孔隙度。將單管模型接入抽真空流程，在真空度達到133.3 Pa后，連續(xù)抽真空2～5 h，飽和地層水，用天平稱量飽和水前后的質(zhì)量，計算孔隙體積與孔隙度。③設(shè)定出口回壓。將模型接入飽和油流程，根據(jù)實驗溫度設(shè)定出口回壓，回壓應(yīng)高于實驗溫度下對應(yīng)水飽和壓力0.3～0.5 MPa，將模型溫度升高到實驗溫度。④計算初始含油飽和度。以低流速將油樣注入到模型內(nèi)，當(dāng)油驅(qū)水的壓差穩(wěn)定后，再繼續(xù)驅(qū)替1.0～2.0 PV，記錄此時的累積出水量和壓差，計算巖心初始含油飽和度和束縛水飽和度。⑤測定驅(qū)油效率。將模型轉(zhuǎn)入多元熱流體驅(qū)替實驗流程進行驅(qū)油實驗，注入端氣體與蒸汽的體積比分別為1∶1，1∶3和1∶5，氣體包括CO2，N2和體積比為85%∶15%的N2與CO2混合氣（N2＋CO2）?；貕涸O(shè)定為略低于該實驗溫度下對應(yīng)的水飽和壓力。按設(shè)計的注入速度進行驅(qū)油實驗，其中蒸汽的注入速度為6 mL/min，實時記錄產(chǎn)液量、產(chǎn)油量、產(chǎn)水量和壓力等參數(shù)隨時間的變化。

1.2 驅(qū)油效率影響因素

1.2.1 注入溫度

為了確定最佳注入溫度，分別選擇150，200，250和300℃進行蒸汽驅(qū)和多元熱流體驅(qū)實驗，由實驗結(jié)果（圖2）可以看出：150℃時蒸汽驅(qū)的驅(qū)油效率為64.1%，而多元熱流體的驅(qū)油效率（62.0%）略低于蒸汽驅(qū)；200℃時多元熱流體的驅(qū)油效率為79.2%，比蒸汽驅(qū)（77.3%）增加1.9%；250℃時多元熱流體的驅(qū)油效率為85.3%，比蒸汽驅(qū)（81.5%）增加3.8%，殘余油飽和度為12.5%，比蒸汽驅(qū)低3.2%；300℃時多元熱流體的驅(qū)油效率為87.6%，比蒸汽驅(qū)增加3.8%，殘余油飽和度僅為10.3%，比蒸汽驅(qū)低3.1%。分析發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，多元熱流體的驅(qū)油效率逐漸增大；低于150℃時，多元熱流體的驅(qū)油效率略低于蒸汽驅(qū)，體現(xiàn)不出優(yōu)勢；從200℃升至250℃過程中，驅(qū)油效率增幅較大，超過250℃后驅(qū)油效率增幅變小，因此最佳注入溫度選擇250℃。

圖2 不同溫度下蒸汽驅(qū)與多元熱流體驅(qū)驅(qū)替效果對比Fig.2 Comparison of displacement results between steam flooding and multi-thermal fluid flooding at different temperatures

1.2.2 流體類型

在蒸汽注入速度恒定為6 mL/min、氣汽比為1∶1的注入條件下，選擇N2，CO2和N2＋CO23種氣體進行實驗。由實驗結(jié)果（圖3）可以看出：在無水期階段，N2＋CO2輔助蒸汽驅(qū)和CO2輔助蒸汽驅(qū)的驅(qū)油效率差別不大，兩者分別比N2輔助蒸汽驅(qū)的驅(qū)油效率增加了4.2%和3.9%；實驗結(jié)束時，N2＋CO2輔助蒸汽驅(qū)的最終驅(qū)油效率為85.3%，比N2輔助蒸汽驅(qū)增加了12.9%，CO2輔助蒸汽驅(qū)最終驅(qū)油效率比N2＋CO2輔助蒸汽驅(qū)增加了5.91%。然而，中國沒有大型的CO2礦藏，另外自煙道氣中分離CO2的難度與成本均較高；而直接應(yīng)用N2與CO2混合氣則工藝簡單且成本較低，同時其熱采開發(fā)效果也較好［7］。因此，最終選擇N2與CO2混合氣輔助蒸汽驅(qū)的方式。

圖3 不同流體類型的驅(qū)油效率對比Fig.3 Comparison of oil displacement efficiency of different fluid types

1.2.3 氣汽比

在流體類型實驗優(yōu)化的基礎(chǔ)上，開展流體組成（氣體與蒸汽比例）優(yōu)化。蒸汽注入速度為6 mL/min，不同氣汽比下氣體輔助蒸汽驅(qū)的驅(qū)油效率實驗結(jié)果（圖4）顯示：針對N2＋CO2輔助蒸汽驅(qū)方式而言，從無水期至含水率為90%，直至實驗結(jié)束，氣汽比為1∶3時的驅(qū)油效率均最大。在無水期階段，氣汽比為1∶3比氣汽比為1∶1時的驅(qū)油效率增加了6.87%，比氣汽比為1∶5時的驅(qū)油效率增加了2.42%；實驗結(jié)束時，氣汽比為1∶3分別比氣汽比為1∶1和1∶5的最終驅(qū)油效率增加了2.3%和3.9%。因此，選擇1∶3的氣汽比開展水平井多元熱流體驅(qū)相似比例物理模擬實驗研究。

圖4 不同氣汽比下驅(qū)油效率對比Fig.4 Comparison of oil displacement efficiency at different gas and steam ratio

2 二維比例物理模擬實驗設(shè)計及結(jié)果分析

2.1 實驗設(shè)計

目前海上某普通稠油油藏已開展了多輪次的多元熱流體吞吐生產(chǎn)，下一步計劃實施多元熱流體驅(qū)［8-10］。依據(jù)相似準則進行參數(shù)轉(zhuǎn)化，吞吐階段與轉(zhuǎn)驅(qū)階段注采參數(shù)轉(zhuǎn)化如表1所示。為了研究多元熱流體生產(chǎn)動態(tài)特征與驅(qū)油機理，開展多元熱流體驅(qū)二維比例物理模擬實驗，實驗流程如圖5所示。實驗裝置包括注入泵、氮氣瓶及增壓裝置、流體中間容器（N2+CO2混合氣、地層水、原油）、氣體質(zhì)量流量計、蒸汽發(fā)生器、二維比例物理模擬裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、回壓裝置及油水計量裝置等。其中二維比例物理模型平面尺寸為70 cm×70 cm，高度為6 cm，兩側(cè)各布置一口長度為60 cm的水平井；模型內(nèi)部均勻布置187個溫度測點與3個壓力測點。

表1 多元熱流體驅(qū)現(xiàn)場參數(shù)與實驗?zāi)Ｐ蛥?shù)值Table1 Field parameters and laboratory model parameters of multi-thermal fluid flooding

圖5 多元熱流體驅(qū)二維比例物理模擬實驗流程Fig.5 Schematic of physical simulation of 2D scale multi-thermal fluid flooding

實驗方法為：①填裝物理模型。在模型內(nèi)安裝2口水平井，井距為70 cm，安置溫度測點與壓力測點。選定合適粒徑的石英砂，充分混合后裝填模型。裝填完畢后，在1.3 MPa下用高壓氮氣進行密封性測試。②測定孔隙體積。模型接入抽真空流程，在真空度達到133.3 Pa后，再連續(xù)抽真空2～5 h，飽和地層水，通過吸水體積計算孔隙體積與孔隙度。③建立初始溫度場。通過加熱裝置使模型達到實驗設(shè)計初始溫度，溫度場應(yīng)均勻一致，各溫度測點之間溫差小于2℃。④建立初始飽和度場。將實驗用油以1 mL/min的速度注入模型，建立束縛水，直到出口均無水流出且壓差穩(wěn)定為止，計量流出的總水量，計算初始含油飽和度和束縛水飽和度。⑤啟動注入系統(tǒng)。啟動高壓計量泵，設(shè)定流量；啟動蒸汽發(fā)生器，設(shè)定溫度，調(diào)試干度；啟動溫度壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實時監(jiān)測模型內(nèi)部溫度和壓力，并觀察溫度場的變化。⑥模擬多元熱流體吞吐。兩口水平井交替進行多元熱流體吞吐，直至井間建立熱連通為止。⑦模擬多元熱流體驅(qū)。以設(shè)計的注入速度157.4 mL/min連續(xù)注入蒸汽，同時以52.5 mL/min伴注N2＋CO2混合氣，另外一口水平井生產(chǎn)，分階段收集采出液并做好記錄。⑧實驗結(jié)果處理。計量各時間段產(chǎn)油量、產(chǎn)水量和產(chǎn)液量，計算采出程度、油汽比和含水率等，并結(jié)合溫度場的變化進行多元熱流體驅(qū)機理的分析。

2.2 實驗結(jié)果與分析

2.2.1 生產(chǎn)動態(tài)特征

分析采出程度與油汽比隨時間的變化曲線（圖6a）可知：在啟動階段（0～21 min），采出程度由從蒸汽吞吐結(jié)束時的10.8%增至15.1%，增加了4.3%，占驅(qū)替階段采出程度的9.7%；在穩(wěn)定驅(qū)替階段（21～195 min），采出程度從15.1%增至36.7%，增加了21.6%，占驅(qū)替階段采出程度的48.8%，是主要產(chǎn)油階段；突破階段（195～196 min）和剝蝕階段（196～435 min）經(jīng)歷時間較長，采出程度增幅明顯放緩，從36.7%增至55.1%，增加了18.4%，占驅(qū)替階段采出程度的41.5%。油汽比先快速上升而后整體呈明顯降低趨勢，至油汽比低于0.07后基本平穩(wěn)。啟動階段的油汽比最高達0.29，平均為0.24；穩(wěn)定驅(qū)替階段的油汽比變化幅度較大，并且長時間維持于0.18左右；突破階段的油汽比降低為0.10，而在剝蝕階段，油汽比由0.10降至0.05。

圖6 多元熱流體驅(qū)生產(chǎn)動態(tài)隨時間的變化曲線Fig.6 Curves on production performance of multi-thermal fluid flooding with time

由多元熱流體瞬時采出曲線（圖6b）可以看出：產(chǎn)液速度在120 min前波動較大，然后趨于穩(wěn)定；在啟動階段，產(chǎn)液速度快速上升，從39.6 mL/min最高增至50.6 mL/min，階段末為45.6 mL/min；在穩(wěn)定驅(qū)替階段，產(chǎn)液速度穩(wěn)定在26.2～29.9 mL/min；突破階段和剝蝕階段，產(chǎn)液速度穩(wěn)定在20.2～25.3 mL/min。對于產(chǎn)油速度，在啟動階段，產(chǎn)油速度快速上升，從13.6 mL/min增至18.2 mL/min；穩(wěn)定驅(qū)替階段的產(chǎn)油速度不斷下降，從18.2 mL/min降至7.2 mL/min；至突破階段和剝蝕階段，產(chǎn)油速度逐漸由7.2 mL/min下降到3.0 mL/min。針對含水率而言，在啟動階段，含水率從吞吐階段的82.1%降至63.6%，該階段屬于多元熱流體驅(qū)替上產(chǎn)階段；穩(wěn)定驅(qū)替階段，含水率持續(xù)上升，從44.4%最高升至82.7%，階段末為74.1%，是采出程度貢獻最大的階段；突破階段和剝蝕階段的含水率從74.1%逐步上升到88.9%。

2.2.2 溫度場發(fā)育特征

多元熱流體吞吐預(yù)熱階段 首先，向一口水平井注入多元熱流體，注入速度為157.4 mL/min，當(dāng)模型壓力達到1.2 MPa后，關(guān)井燜井；待多元熱流體的熱能向油層擴散后，再打開該井生產(chǎn)，該井不出液后，再向另一口水平井注多元熱流體，如此循環(huán)，建立井間熱連通；最終，多元熱流體吞吐達到4個輪次，該階段采出程度為10.76%。由圖7可以看出，溫度場沿水平井方向逐漸發(fā)育，跟端發(fā)育快而指端發(fā)育略慢；至第4輪次時兩井間達到熱連通。

多元熱流體驅(qū)替階段 由注入井（右側(cè)）持續(xù)注入多元熱流體，注入速度為157.4 mL/min，生產(chǎn)井（左側(cè)）收集產(chǎn)出液。分析多元熱流體驅(qū)替溫度場（圖8）可知，轉(zhuǎn)驅(qū)后，高溫前緣向生產(chǎn)井推進，注入井跟端推進快，指端推進慢，呈三角形推進。結(jié)合生產(chǎn)動態(tài)曲線將驅(qū)替過程劃分為：啟動階段（21 min前）、穩(wěn)定驅(qū)替階段（21～138 min）、突破階段（138～139 min）和剝蝕階段（139～435 min）。在啟動階段，多元熱流體沿著注入井與生產(chǎn)井跟端推進速度快，而指端推進速度慢。在穩(wěn)定驅(qū)替階段，波及面積逐步擴大。多元熱流體在生產(chǎn)井突破后，剝蝕階段蒸汽腔沿對角線方向擴展，速度緩慢。因此，多元熱流體驅(qū)過程中，注入井與生產(chǎn)井之間的蒸汽腔發(fā)育不均衡，兩井跟端之間發(fā)育快，而兩井指端發(fā)育慢，可采用泡沫類流體進行水平井沿程流動剖面的調(diào)整，從而進一步改善開發(fā)效果。

原始油樣與產(chǎn)出油樣外觀變化照片（圖9）顯示：原始脫氣原油為均勻的特稠油，原油黏度大，為純黑色黏稠流體；經(jīng)多元熱流體驅(qū)替后，油中分散著大量較微小尺寸的氣泡，原油呈現(xiàn)褐色或咖啡色，流動性明顯增強，該現(xiàn)象類似于油藏中的泡沫油流體流動。

圖7 多元熱流體吞吐階段溫度場分布變化Fig.7 Field diagram of temperature distribution during multi-thermal fluid stimulation

圖8 多元熱流體驅(qū)替階段溫度場分布變化Fig.8 Field diagram of temperature distribution during multi-thermal fluid flooding

圖9 原始油樣與產(chǎn)出油樣外觀照片變化對比Fig.9 Comparison photos of appearance change between original oil and produced oil

3 多元熱流體驅(qū)油機理

基于一維填砂管驅(qū)替實驗與二維比例物理模擬實驗的結(jié)果，結(jié)合二氧化碳和氮氣本身的物性特征，對多元熱流體的驅(qū)油機理進行分析，得到以下四點認識：①多元熱流體中主要流體為蒸汽或熱水，既可以起到降低原油黏度增強其流動性的作用，同時由于油藏溫度的升高，使得油藏束縛水飽和度增加，殘余油飽和度降低，相比于冷采而言可以大幅度提高稠油油藏的采收率［10-11］。②多元熱流體是由二氧化碳、氮氣和蒸汽組成的混合流體。二氧化碳能夠溶解于原油中，起到降低原油黏度，改善原油流動能力的作用［12-13］。氮氣基本不溶于原油和地層水，由于其具有較強的膨脹能力，可以有效增強驅(qū)替介質(zhì)的驅(qū)動力［14-18］。③多元熱流體中的氣體可以進入到微小孔隙或孔隙盲端內(nèi)，從而進一步提高微觀洗油效率，比純蒸汽能進一步改善開發(fā)效果；氣體用量不宜過大，油藏條件下最佳氣體與蒸汽的體積比為1∶3。④多元熱流體驅(qū)替過程中，原來溶于原油中的二氧化碳隨驅(qū)替前緣的推進從原油中析出，而形成大量的分散微小氣泡，類似于泡沫油流體，一方面增大了氣相的流動阻力，另外一方面改善了原油的流動能力［19］。

4 結(jié)論

高溫條件下，多元熱流體驅(qū)的驅(qū)油效率明顯高于蒸汽驅(qū)，250℃為最佳的注入溫度；海上稠油多元熱流體驅(qū)替工藝最佳氣體體積組成為85%的氮氣與15%的二氧化碳，最佳體積比為1∶3。

多元熱流體驅(qū)過程中，蒸汽腔沿水平井跟端推進快，指端推進慢，呈三角形推進；其驅(qū)替過程可劃分為：啟動階段、穩(wěn)定驅(qū)替階段、突破階段和剝蝕階段。其中穩(wěn)定驅(qū)替階段是主要的產(chǎn)油階段。

多元熱流體中主要載熱流體為蒸汽或熱水，起到熱力降黏以及降低殘余油飽和度的作用，其中二氧化碳溶于原油而促進原油流動，由于氮氣在油藏內(nèi)的非凝析特性而起到維持油藏壓力的作用；經(jīng)多元熱流體驅(qū)替后，原油中分散著大量微小氣泡，起到了類似于泡沫油的作用。