稠油油藏氣體輔助蒸汽吞吐研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向

潘一 付洪濤 殷代印 楊二龍 韓穎

1.東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院；2.遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院

國(guó)內(nèi)外已探明的稠油儲(chǔ)量達(dá)3×1011t，稠油熱采在強(qiáng)化采油中占有主導(dǎo)地位，目前在加拿大、委內(nèi)瑞拉、俄羅斯已得到廣泛應(yīng)用［1-3］。蒸汽吞吐是能夠有效開(kāi)發(fā)稠油油藏的熱采技術(shù)之一，早在20世紀(jì)50年代就有蒸汽吞吐開(kāi)發(fā)稠油油藏的先例。我國(guó)已探明的稠油資源儲(chǔ)量在4×109t以上，其中80%以上的稠油產(chǎn)量需采用蒸汽吞吐獲得。蒸汽吞吐對(duì)各類(lèi)型稠油油藏具有適用性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)小等優(yōu)勢(shì)，因而它在稠油油藏的開(kāi)發(fā)中占有重要地位［4］。純蒸汽吞吐開(kāi)發(fā)稠油油藏，其平均采收率僅有20.3%，油田經(jīng)過(guò)高輪次的吞吐開(kāi)發(fā)后，會(huì)出現(xiàn)油藏壓力下降、儲(chǔ)層動(dòng)用不均、汽竄等問(wèn)題，吞吐效果受到嚴(yán)重影響［5］。20世紀(jì)70年代初，美國(guó)和加拿大首先展開(kāi)了氮?dú)廨o助蒸汽吞吐開(kāi)發(fā)稠油油藏的先導(dǎo)試驗(yàn)，取得了一定的效果，90年代初期，我國(guó)制氮技術(shù)逐步提高，為氮?dú)廨o助蒸汽吞吐開(kāi)采稠油提供了有利的條件，隨后國(guó)內(nèi)又相繼開(kāi)展了CO2、煙道氣、泡沫等輔助蒸汽吞吐的試驗(yàn)，取得了良好效果。國(guó)內(nèi)外的研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證實(shí)，輔助氣體可增大蒸汽波及體積，有效改善吞吐性能。目前，氣體輔助蒸汽吞吐提高稠油油藏采收率技術(shù)已越來(lái)越成為油田工作者研究的熱點(diǎn)，備受關(guān)注，但還未有學(xué)者對(duì)該技術(shù)進(jìn)行的綜述。對(duì)現(xiàn)階段氮?dú)?、CO2、煙道氣、泡沫等輔助蒸汽吞吐的輔助機(jī)理、優(yōu)化注采、創(chuàng)新應(yīng)用展開(kāi)了評(píng)述，分析了每種輔助氣體的優(yōu)缺點(diǎn)，并展望了氣體輔助蒸汽吞吐今后的發(fā)展，以期為相關(guān)的研究提供參考。

1 氣體輔助蒸汽吞吐

1.1 氮?dú)廨o助蒸汽吞吐

氮?dú)饩哂袑?dǎo)熱系數(shù)低，膨脹系數(shù)大等特點(diǎn)，可以保護(hù)蒸汽，增加原油流動(dòng)性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)優(yōu)化注入氮?dú)夤に嚰夹g(shù)展開(kāi)了大量的研究，如注入比、注入量、注入方式、注入時(shí)機(jī)等，目前遼河、勝利、克拉瑪依油田已廣泛應(yīng)用了氮?dú)廨o助蒸汽吞吐技術(shù)，取得了良好的開(kāi)發(fā)效果。

蒸汽吞吐前注入氮?dú)饪梢蕴岣咴筒墒章?，有學(xué)者通過(guò)數(shù)值模擬證實(shí)，當(dāng)?shù)獨(dú)馀c蒸汽比小于1∶30時(shí)，采收率顯著提高［6］。田鴻照等建立了哥倫比亞油田B2井區(qū)地質(zhì)模型，優(yōu)化結(jié)果顯示，在吞吐中后期以氮?dú)夂驼羝葹?∶40混注，并將注氮速度調(diào)至8 000 m3/d，井區(qū)累采油量增加了2 000 m3左右［7］。顧浩等模擬了某區(qū)塊低滲薄層稠油油藏，發(fā)現(xiàn)在采用大段塞方式的基礎(chǔ)上，從第4周期初始，采用間隔1周期循環(huán)注氮?dú)夥绞?，?dāng)?shù)獨(dú)夂驼羝罴雅渥⒈葹?∶60時(shí)，絕對(duì)增油量最大［8］。有學(xué)者通過(guò)模擬紅3區(qū)塊提出，早期最佳氣體輔助吞吐方式為先注蒸汽再注氮?dú)?，中后期采用段塞式注入，注氮效果最為顯著，最佳注氮周期為第3周期［9］。楊峰等通過(guò)模擬紅3區(qū)塊稠油油藏發(fā)現(xiàn)，氮?dú)廨o助蒸汽吞吐對(duì)于剩余油飽和度分布區(qū)間在0.6～0.625之間、油層有效厚度大于15 m的油藏，增油效果較好［10］。何萬(wàn)軍等在風(fēng)城油田現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)較長(zhǎng)水平段蒸汽腔到達(dá)油層頂部后再注入氮?dú)?，可有效減少熱損失，更有利于提高油氣比［11］。在注氮?dú)廨o助吞吐理論研究的基礎(chǔ)上，劉欣等通過(guò)河南某區(qū)塊稠油油藏的13井次氮?dú)庵旁囼?yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用大段塞注入，氮?dú)夂驼羝⑷氡葹? t∶35 m3，在第3至第7周期注入氮?dú)?，提高采收率效果較好，單井平均日增油1.1 t［12］。王喜全在冷42塊油藏進(jìn)行了提高氮?dú)廨o助蒸汽吞吐開(kāi)采效果試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，氮?dú)廨o助蒸汽吞吐較純蒸汽吞吐生產(chǎn)周期平均增加了1.35%，水循環(huán)率提高了18.4%左右［13］。在埋藏淺、溫度低、敏感性高的超稠油春風(fēng)油田應(yīng)用氮?dú)廨o助蒸汽吞吐技術(shù)，原油采收率提高了13%左右，地質(zhì)條件更為復(fù)雜的勝利油田也顯示，該技術(shù)在有效抑制邊底水錐進(jìn)的同時(shí)，增加了原油的生產(chǎn)周期［14］。

氮?dú)鈶?yīng)用于蒸汽吞吐中不僅持續(xù)地補(bǔ)充地層能量，還明顯降低了熱損失，增加了蒸汽在油藏中的波及面積，但氮?dú)夂驼羝M(jìn)入地層過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量的熱損失，現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)發(fā)前根據(jù)油藏的地質(zhì)特點(diǎn)與原油物性，采用適當(dāng)混注比，可提高油藏采出程度。

1.2 CO2輔助蒸汽吞吐

CO2在原油中充分溶解后，能夠有效降低原油黏度，體積分?jǐn)?shù)膨脹明顯，不僅增加了原油能量，也增加了孔隙中流體壓力。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者加強(qiáng)了對(duì)CO2擴(kuò)散機(jī)理的研究，為CO2輔助蒸汽吞稠油油藏提供了良好的理論基礎(chǔ)，該技術(shù)已逐步成為開(kāi)發(fā)稠油油藏的主要手段。

大慶勘探開(kāi)發(fā)研究院研究發(fā)現(xiàn)，原油在45 ℃、12.7 MPa條件下飽和CO2后，其體積擴(kuò)大了17.2%，黏度降低3.4倍。陶磊等的室內(nèi)研究顯示，當(dāng)CO2在超稠油中的溶解度為110 Sm3/m3時(shí)，油氣混合物的膨脹系數(shù)可達(dá)1.311 m3/m3，體積膨脹32%，降黏率達(dá)96%，在一定程度上提高了原油流動(dòng)性［15］。早期的研究發(fā)現(xiàn)，在較低溫度范圍內(nèi)CO2對(duì)原油的降黏效果顯著，當(dāng)壓力低于其泡點(diǎn)壓力時(shí)，稠油中的氣體易形成微氣泡（即泡沫油）［16］。王慧清等在準(zhǔn)東復(fù)雜油氣藏現(xiàn)場(chǎng)CO2輔助蒸汽吞吐開(kāi)發(fā)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，注入液態(tài)CO2不會(huì)對(duì)儲(chǔ)層造成傷害，CO2輔助吞吐?tīng)F井最短時(shí)間應(yīng)不低于其與原油充分接觸的時(shí)間，最長(zhǎng)不應(yīng)超過(guò)CO2達(dá)到邊界的時(shí)間，避免CO2溢出邊界造成浪費(fèi)，但未對(duì)注液態(tài)CO2在稠油油藏中的擴(kuò)散機(jī)理進(jìn)行深層次的研究［17］。D.SANCHEZRIVERA等研究了CO2輔助循環(huán)注氣對(duì)儲(chǔ)層的影響，研究表明，過(guò)早采用CO2輔助蒸汽吞吐會(huì)降低該輪次原油的產(chǎn)量，CO2輔助蒸汽吞吐更適用于傳導(dǎo)能力強(qiáng)的天然裂縫油藏［18］。C.SONG等的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)顯示，CO2輔助蒸汽吞吐工藝的注入壓力應(yīng)為CO2與原油之間的最小混相壓力，此外適宜的燜井時(shí)間更有利于提高油藏的提高油藏的采收率［19］。F.TORABI等研究了CO2輔助蒸汽吞吐的吞吐效果后指出，在多孔隙介質(zhì)中宜采用混相吞吐，當(dāng)CO2以最小混相壓力（MMP）注入時(shí)，采收率可提升至30%左右［20］。D.F.ZHAO等根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)指出，當(dāng)含水率在10%～95%時(shí)，宜采用CO2輔助蒸汽吞吐，當(dāng)含水率接近50%時(shí)，采用CO2輔助蒸汽吞吐效果最佳［21］。鹿騰等模擬了鄭408塊強(qiáng)水敏稠油藏，模擬結(jié)果顯示，當(dāng)增加CO2注入量，增油量增大，但換油率會(huì)減小，CO2輔助吞吐周期的注入量存在最優(yōu)值，當(dāng)超過(guò)該值時(shí)，產(chǎn)油增加效果逐漸減弱［22］。H.LI等應(yīng)用CO2+溶解劑輔助蒸汽吞吐的方法開(kāi)發(fā)稠油油藏取得良好的開(kāi)發(fā)效果，證實(shí)該方法可以進(jìn)一步提升CO2輔助蒸汽吞吐稠油油藏的采收率［23］。

CO2輔助蒸汽吞吐可以提高注入氣體質(zhì)量，增加排水半徑，提高油藏壓力，存在于低滲油藏中的較長(zhǎng)裂縫和更多的異質(zhì)性為CO2輔助蒸汽吞吐提供了良好的條件。研究稠油中的擴(kuò)散機(jī)理、采用物理模擬方法確定單井周期最佳注入量可以為現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)發(fā)提供良好指導(dǎo)意見(jiàn)，該技術(shù)更適用于非勻質(zhì)性嚴(yán)重的普通稠油油藏的開(kāi)發(fā)。

1.3 煙道氣輔助蒸汽吞吐

煙道氣中主要含有CO2和氮?dú)?，因此將煙道氣?yīng)用于蒸汽吞吐可兼具2種氣體輔助蒸汽吞吐的效果，并可以較好地解決稠油油井產(chǎn)能較低的問(wèn)題。研究煙道氣輔助蒸汽吞吐稠油油藏開(kāi)發(fā)效果及優(yōu)化設(shè)計(jì)可降低工藝生產(chǎn)中的污染，對(duì)節(jié)能減排具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)研究都表明，煙道氣是改善純蒸汽吞吐效果的有效方法。Y.P.ZHANG等通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，蒸汽吞吐更適用于低壓儲(chǔ)層，因此采用混相壓力較小的煙道氣可取得較好的吞吐效果，但未對(duì)其具體注入壓力進(jìn)行深入研究［24］。佟琳等利用室內(nèi)單管實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方法發(fā)現(xiàn)，煙道氣輔助蒸汽吞吐對(duì)原油黏度及地層的非均質(zhì)性影響較大，殘余油飽和度明顯降低，與無(wú)助排相比，吞吐效率可提高19%左右［25］。李兆敏等建立了新疆風(fēng)城油藏基礎(chǔ)地質(zhì)模型，對(duì)煙道氣的注入速度及注入量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)果顯示，注入速度越高，原油的降黏效果越好，但速度過(guò)高易發(fā)生汽竄，此外當(dāng)注汽溫度大于100 ℃時(shí)，蒸汽周期注入量應(yīng)為1 000 t左右，煙道氣周期注入量應(yīng)為60 000 m3左右［26］?；魟偰M安樂(lè)稠油油藏發(fā)現(xiàn)，混注煙道氣后周期累積日產(chǎn)油量可達(dá)到常規(guī)蒸汽吞吐的1.7倍以上，隨著混注比的增加，周期累積產(chǎn)油量呈線性遞增關(guān)系［27］。C.ZHANG等研究了注煙道氣孔隙體積與采收率的關(guān)系，研究結(jié)果表明，先采用0.5 PV的煙道氣泡沫注入，后采用0.3 PV的煙道氣和蒸汽繼續(xù)注入，采收率效果最佳［28］。MONTE-MOR L S等研發(fā)了“井下蒸汽發(fā)生器-DHSG煙道氣發(fā)生器”直接產(chǎn)氣技術(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明蒸汽與煙道氣的共同注入提高采收率明顯，且該技術(shù)相對(duì)于普通注汽技術(shù)減少了10%的蒸汽注入量［29］。

煙道氣的注入可明顯增加近井區(qū)域的蒸汽波及體積，提高油井的產(chǎn)液能力以及產(chǎn)出油氣比，但由于其酸性氣體較多，加重了油、套管的腐蝕，將煙道氣通過(guò)脫硫、除塵、干燥等處理后，可減少結(jié)垢、減輕腐蝕，雖然目前對(duì)于煙道氣的脫硫技術(shù)國(guó)內(nèi)已達(dá)到較高的凈化水平，但往往消耗大量的能源，其本身還存在設(shè)備投資昂貴，二次污染的問(wèn)題。

2 泡沫（氮?dú)猓┹o助蒸汽吞吐

蒸汽吞吐過(guò)程中，由于蒸汽與原油的黏度差異及油藏的非均質(zhì)性，易發(fā)生蒸汽竄流或超覆等現(xiàn)象，降低了蒸汽利用率。泡沫可以降低氣相滲透率，抑制蒸汽竄流，此外還能夠起到將水錐壓回到原始油水界面的作用。該技術(shù)的研究進(jìn)一步改善了氣體輔助蒸汽吞吐的開(kāi)發(fā)效果，如何提高氮?dú)馀菽淖⑷胭|(zhì)量及改進(jìn)氮?dú)馀菽膹?fù)合吞吐方式成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

稠油油藏蒸汽吞吐后期表現(xiàn)為“低采油”階段，泡沫輔助蒸汽吞吐可提高油藏開(kāi)發(fā)效果。R.B.ZHAO等對(duì)氮?dú)馀菽姆€(wěn)定性進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)壓力在0～2 MPa間逐漸增加，泡沫的穩(wěn)定性呈線性上升，但當(dāng)壓力大于2 MPa時(shí)泡沫穩(wěn)定性作者未做研究［30］。S.Y.LI等研究了高溫氮?dú)馀菽姆舛滦Ч?，?shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，隨泡沫質(zhì)量的增加，阻力因子逐漸降低，泡沫質(zhì)量最佳為0.50［31］。唐麗等通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，最佳燜井時(shí)間應(yīng)為5 d左右，此外氮?dú)馀菽瓭舛却笮≈苯佑绊懪菽瓪庀酀B透率，但對(duì)于氮?dú)馀菽瓭舛热绾斡绊憵庀酀B透率還不夠明確［32］。盧川等在模擬不同段塞停注時(shí)間下采收效果發(fā)現(xiàn)，隨著段塞停注時(shí)間的增加，氮?dú)馀菽稳{(diào)驅(qū)效果逐漸變差［33］。J.X.WANG等研究認(rèn)為，氮?dú)馀菽o助蒸汽吞吐更適合于水淹層嚴(yán)重、周期含水率大于80%的普通稠油油藏［34］。王杰祥等通過(guò)室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)邊水能量為4 MPa時(shí)，氮?dú)馀菽种七吽Ч罴眩捎玫獨(dú)?氮?dú)馀菽?氮?dú)庹羝淖⑷敕绞?，?duì)抑制邊水更有利［35］。范治成等對(duì)ABS（AOS、BS-12、SAS）復(fù)合發(fā)泡劑的氮?dú)庹{(diào)剖技術(shù)進(jìn)行了室內(nèi)評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，當(dāng)發(fā)泡劑質(zhì)量在0.4%～0.5%，氣液比為1～2時(shí)，調(diào)剖性能最佳，但氮?dú)馀菽哂杏鲇拖葑饔?，?dāng)剩余油飽和度大于30%時(shí)，該技術(shù)并不適用［36］。新疆稠油油藏吞吐后期開(kāi)采效果較差，采用注蒸汽+復(fù)合降黏劑（SLP-2 、SLS-2水溶性復(fù)合降黏劑）+氮?dú)獾膹?fù)合吞吐方式后，取得了良好的吞吐效果，月增油量達(dá)1 000 t［37］。針對(duì)哥倫比亞Girasoi 油田吞吐中的汽竄問(wèn)題，朱明等通過(guò)室內(nèi)研究發(fā)現(xiàn)，采用氮?dú)狻l(fā)泡劑、蒸汽連續(xù)混注方式可取得較好的吞吐效果，現(xiàn)場(chǎng)注入氮?dú)?～2 d，伴注發(fā)泡劑3 d后再持續(xù)注入蒸汽，不僅增加了泡沫穩(wěn)定性，而且減少了氮?dú)庥昧浚?8］。

應(yīng)用氮?dú)馀菽{(diào)剖工藝可有效改善吸汽剖面，在后續(xù)開(kāi)發(fā)過(guò)程中根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件優(yōu)先采用氮?dú)庹{(diào)剖工藝，防止汽竄現(xiàn)象產(chǎn)生。乳化降黏劑應(yīng)用于氮?dú)馀菽o助蒸汽吞吐是多數(shù)油田開(kāi)發(fā)提高采收率的有效方法，但目前油田用乳化降黏劑仍存在較多問(wèn)題，如：用于耐高溫高礦化度的乳化降黏劑較少，稠油組成的差異性導(dǎo)致乳化降黏劑對(duì)稠油油藏的選擇性較強(qiáng)，采出污水處理難度較大等問(wèn)題，因此還需要科研工作者投入該方面的研究。

綜上所述，我國(guó)氣體輔助蒸汽吞吐技術(shù)已經(jīng)趨近成熟，但該技術(shù)的改進(jìn)對(duì)于稠油油藏的開(kāi)發(fā)仍有較大潛力，水平井應(yīng)用于稠油油藏氣體輔助吞吐能夠較好地解決蒸汽吞吐后期存在油藏動(dòng)用不均等一系列問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)發(fā)中應(yīng)根據(jù)實(shí)際條件選擇合適的吞吐方式，以取得最佳的經(jīng)濟(jì)效益，見(jiàn)表1。

表1 不同輔助氣體適用條件對(duì)比Table1 Contrast of the application conditions of different auxiliary gases

3 技術(shù)挑戰(zhàn)及展望

輔助蒸汽吞吐是用于開(kāi)發(fā)稠油油藏重要的熱采技術(shù)，對(duì)提高稠油油藏的采收率仍具有較大潛力，但目前國(guó)內(nèi)的稠油油藏應(yīng)用氣體輔助蒸汽吞吐還存在一系列亟待解決的問(wèn)題。輔助氣體和蒸汽在注入地層的過(guò)程中存在大量的熱損失，常規(guī)減少井筒熱損失采用真空隔熱油管技術(shù)，但該技術(shù)工藝復(fù)雜，隨著蒸汽吞吐輪次和時(shí)間的增加，隔熱效果急劇下降，遼河、河南油田等研制出了一種真空隔熱套管（VIC），該技術(shù)不僅增加了蒸汽的利用率，還節(jié)省了大量的修井費(fèi)用，隔熱管＋伸縮補(bǔ)償器＋封隔器＋氣柱或環(huán)空水柱是目前的井筒隔熱較為有效的方式之一，但隔熱管、伸縮補(bǔ)償器、封隔器仍具有較大的改進(jìn)空間。對(duì)于天然氣資源充足的地區(qū)，遼河、大慶等油田研制出了蒸汽鍋爐與配套的煙道氣回收技術(shù)，有選擇性地向井中注入煙道氣，獲得了較好的開(kāi)發(fā)效果，這對(duì)于我國(guó)經(jīng)濟(jì)、環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。乳化降黏劑的改進(jìn)可以提高氮?dú)馀菽o助蒸汽吞吐的開(kāi)發(fā)效果，但筆者認(rèn)為，未來(lái)對(duì)于稠油降黏技術(shù)可由化學(xué)降黏轉(zhuǎn)向物理降黏，物理黏技術(shù)有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，其具有對(duì)油藏的傷害更小、降黏效率更高等優(yōu)點(diǎn)，微波、超聲波對(duì)于稠油的降黏效果明顯，因此研發(fā)微波、超生波等井下降黏設(shè)備，并與氮?dú)獾葰怏w有機(jī)結(jié)合輔助蒸汽吞吐，是一種提高稠油油藏采收率的有效方法

4 結(jié)論

（1）輔助蒸汽吞吐是有效解決目前我國(guó)稠油油藏經(jīng)高輪次吞吐后期存在的油藏壓力降低、儲(chǔ)層動(dòng)用不均、汽竄等問(wèn)題的技術(shù)手段。

（2）對(duì)于CO2與氮?dú)鈴?fù)合吞吐技術(shù)，輔助氣體在稠油中擴(kuò)散機(jī)理還不明確，需要進(jìn)一步研究。

（3）基于井下蒸汽發(fā)生器、井下降黏設(shè)備、氮?dú)獾任锢砘瘜W(xué)復(fù)合吞吐技術(shù)是提高稠油采收率、提高經(jīng)濟(jì)效益的發(fā)展方向。

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