注空氣改善稠油油藏蒸汽吞吐開采效果的實(shí)驗(yàn)研究

趙慶輝，冷光耀，彭 旭

(1.遼河油田公司 勘探開發(fā)研究院，遼寧 盤錦 124010； 2.國家能源稠(重)油開采研發(fā)中心，遼寧 盤錦 124010)

引 言

遼河油田普通稠油資源豐富，蒸汽吞吐方式雖然取得了較好的開發(fā)效果，但是經(jīng)過多年的開發(fā)，目前多數(shù)主力區(qū)塊已經(jīng)進(jìn)入吞吐中后期，面臨吞吐輪次高、地層壓力低、油汽比低、產(chǎn)量遞減加快等問題，蒸汽吞吐開發(fā)經(jīng)濟(jì)效益明顯變差，已接近開發(fā)經(jīng)濟(jì)技術(shù)界限，常規(guī)的蒸汽吞吐技術(shù)已經(jīng)不能滿足油田高效經(jīng)濟(jì)開發(fā)，如何改善蒸汽吞吐開發(fā)效果是目前亟需解決的關(guān)鍵問題[1-8]?？諝廨o助蒸汽吞吐是改善蒸汽吞吐開發(fā)效果的一項(xiàng)新技術(shù)，具有氣源廣闊、無污染、成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)，在蒸汽注入過程中，由于空氣的加入，使得空氣輔助蒸汽吞吐方式比常規(guī)蒸汽吞吐作用機(jī)理更加復(fù)雜[9-17]。在室內(nèi)利用物理模擬等實(shí)驗(yàn)手段對比分析了空氣輔助蒸汽吞吐和常規(guī)蒸汽吞吐的開采效果，研究了二種生產(chǎn)方式的作用機(jī)理、生產(chǎn)特征和產(chǎn)出流體變化規(guī)律，為遼河油田普通稠油油藏改善蒸汽吞吐開發(fā)效果提供了新的思路。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

物理模型的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足幾何相似、運(yùn)動相似和動力相似。但從相似理論設(shè)計(jì)角度分析，在同一物理模擬中難以同時實(shí)現(xiàn)多個相似準(zhǔn)則，只能側(cè)重局部模擬?？諝廨o助蒸汽吞吐過程中由于增加了空氣，其驅(qū)油機(jī)理及數(shù)學(xué)模型比如空氣與蒸汽、原油之間的相互作用，體系壓力-溫度變化規(guī)律比單一注蒸汽更加復(fù)雜。本文建立模型的相似設(shè)計(jì)主要有氣汽比(60:1)，悶井時間(原型5 d，模型10 min)。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料和設(shè)備

實(shí)驗(yàn)用油采用遼河油田某區(qū)塊脫水原油，50 ℃時原油黏度2 463 mPa·s；實(shí)驗(yàn)用砂采用60～100目復(fù)配的石英砂，空氣是由空氣壓縮機(jī)制得的高壓空氣。

(1)溶氣原油物性分析實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要包括高溫高壓PVT筒和落球黏度計(jì)。高溫高壓PVT筒用于將空氣與原油充分溶解，落球黏度計(jì)用于測量高溫高壓油樣黏度。

(2)低溫氧化反應(yīng)熱效應(yīng)分析實(shí)驗(yàn)設(shè)備為NETZSCH DSC 204 HP分析儀，主要由流量、壓力控制器，電子測量單元，TASC414/4控制器，基本測量單元，壓力、流量控制系統(tǒng)組成。

(3)蒸汽吞吐實(shí)驗(yàn)設(shè)備由注入系統(tǒng)、模型本體、測控單元、產(chǎn)出液體分離與計(jì)量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集與處理軟件五部分組成。注入系統(tǒng)包括高壓恒速泵、蒸汽發(fā)生器、氣體增壓泵和氣體流量計(jì)；模型本體為圓柱體，直徑10 cm，長度40 cm，采用隔熱材料保溫，在模型內(nèi)部沿長度方向均勻布設(shè)4排5層共20個測溫點(diǎn)，測溫點(diǎn)在模型內(nèi)部的長度為2.5 cm，同層相鄰兩個測溫點(diǎn)之間夾角為90°；測控單元采用先進(jìn)的測控技術(shù)對系統(tǒng)不同位置溫度、壓力進(jìn)行監(jiān)控；產(chǎn)出液體分離與計(jì)量系統(tǒng)由高溫高壓大流量回壓控制器、油水分離裝置組成；數(shù)據(jù)采集與處理軟件能夠根據(jù)模型特點(diǎn)建立網(wǎng)格模型，通過數(shù)據(jù)采集板卡將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過計(jì)算機(jī)記錄。實(shí)驗(yàn)流程見圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程Fig.1 Experimental process

1.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

(1)溶氣原油物性分析實(shí)驗(yàn)。在高溫高壓PVT筒中裝入一定質(zhì)量的原油，將空氣注入PVT筒中后通過泵驅(qū)替筒中活塞控制混合體積，攪拌均勻，測定不同壓力下的原油物性參數(shù)。

(2)低溫氧化反應(yīng)熱效應(yīng)分析實(shí)驗(yàn)。用DSC分析儀測定，實(shí)驗(yàn)反應(yīng)氣為空氣，保護(hù)氣N2，升溫速率為2 K/min，試樣質(zhì)量約5 mg，在不同壓力下開展平行實(shí)驗(yàn)。

(3)蒸汽吞吐實(shí)驗(yàn)方法：①模型填砂2 967.3 g，抽真空飽和水，計(jì)算孔隙度37%，建立初始溫壓系統(tǒng)。②通過油驅(qū)水建立束縛水飽和度，得到飽和油836.5 mL，含油飽和度為72%，束縛水飽和度28%。③從生產(chǎn)井以恒定速度注入高溫蒸汽，至實(shí)驗(yàn)壓力11 MPa停止，關(guān)閉所有閥門，燜井10 min。④調(diào)整回壓閥，在回壓2 MPa下進(jìn)行開采，直到模型內(nèi)壓力降低到回壓且沒有流體流出為止。⑤常規(guī)蒸汽吞吐過程是重復(fù)③、④步驟，直到11周期。空氣輔助蒸汽吞吐實(shí)驗(yàn)是在常規(guī)蒸汽吞吐到第7周期開始，按照一定的氣汽比先注入空氣再注蒸汽到壓力為11 MPa，其他步驟與常規(guī)生產(chǎn)相同，直至吞吐到11周期結(jié)束。

2 結(jié)果與討論

2.1 空氣對稠油物性的影響

表1列出了不同壓力條件下溶解氣體后原油物性分析數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，原油溶解空氣后，體積膨脹，密度減小，黏度大幅度下降。溶氣后原油的黏度和密度隨壓力的增大而降低，當(dāng)壓力為15 MPa時，原油黏度為841.6 mPa·s，下降幅度最大，降黏率16.69%。原油黏度下降有利于降低流動過程中黏滯阻力，提高滲流能力；原油的氣油比隨壓力的增大而增加，飽和壓力下氣油比最大，為7.7m3/t；體積系數(shù)隨壓力的增加也增大，體積系數(shù)越大，原油體積膨脹越大，彈性能量增加越多，有利于提高地層壓力和流動壓差，提高驅(qū)油效率。

表1 溶解氣體后的原油物性實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Physical properties of dissolved gas crude oil

2.2 低溫氧化反應(yīng)熱效應(yīng)分析

通過DSC實(shí)驗(yàn)測得不同壓力下原油放熱量與溫度的關(guān)系曲線，如圖2所示。不同壓力下的放熱曲線整體變化趨勢是相同的，隨著溫度的升高放熱量增加，同一溫度下壓力越大放熱量越多，說明氧氣與原油低溫氧化反應(yīng)越劇烈，放出的熱量可以使原油黏度降低，并提高蒸汽的熱焓。6 MPa下270 ℃時原油低溫氧化反應(yīng)放熱量為474 J/g，1 kg原油低溫氧化反應(yīng)放出的總熱量相當(dāng)于2.4 kg、100 ℃飽和蒸汽具有的熱焓值，具有一定的加熱降黏作用。

圖2 放熱量與溫度的關(guān)系Fig.2 Relationship between heat release and temperature

2.3 不同吞吐方式波及特征

開展了常規(guī)蒸汽吞吐和空氣輔助蒸汽吞吐二組物理模擬實(shí)驗(yàn)，共吞吐11個周期，空氣輔助蒸汽吞吐實(shí)驗(yàn)是從第7個周期開始注空氣。7～11周期的蒸汽用量分別為91.4 mL、112.6 mL、120.5 mL、131.7 mL、137.4 mL，空氣用量分別為5 484 cm3、6 756 cm3、7 230 cm3、7 902 cm3、8 244 cm3。根據(jù)采集的溫度數(shù)據(jù)得到7～11周期的溫度場(圖3)。以原油拐點(diǎn)溫度為界限，高于拐點(diǎn)溫度區(qū)域定義為蒸汽波及區(qū)，由此計(jì)算出蒸汽波及系數(shù)。

圖3 二種吞吐方式的溫度場對比Fig.3 Comparison of temperature fields of conventional steam stimulation and air assisted steam stimulation

通過圖3計(jì)算得出二種吞吐方式的蒸汽波及系數(shù)隨著吞吐周期的增加而增大，7周期后，同周期內(nèi)空氣輔助蒸汽吞吐的波及系數(shù)比常規(guī)蒸汽吞吐的大。第7周期時，與常規(guī)蒸汽吞吐相比空氣輔助方式蒸汽波及系數(shù)相對小一些，分析認(rèn)為，可能是此周期首次注入空氣，短時間內(nèi)氣體的各種作用機(jī)理沒有完全反應(yīng)出來，同時高溫蒸汽注入量相對減少，導(dǎo)致高溫區(qū)范圍減小，波及體積隨之減小。第7周期以后，空氣輔助蒸汽吞吐的波及系數(shù)比常規(guī)蒸汽吞吐的大，因?yàn)樽⑷肟諝庵醒鯕馀c原油發(fā)生低溫氧化反應(yīng)產(chǎn)生熱量，氣體溶解于原油中降低原油黏度，提高了高溫區(qū)范圍，同時空氣中的氮?dú)鉃榉悄鰵怏w，它不會像蒸汽一樣凝結(jié)，減少了熱損失，提高了蒸汽熱利用率，促使蒸汽可動用未波及區(qū)域，并且空氣注入油層后，原油膨脹作用增強(qiáng)，提高了油層壓力，進(jìn)一步擴(kuò)大了蒸汽波及系數(shù)。

2.4 生產(chǎn)特征分析

圖4是常規(guī)蒸汽吞吐和空氣輔助蒸汽吞吐二種方式油汽比和回采水率曲線(回采水率即為采出水量與注入蒸汽量之比)。從中可以看到，未注空氣的前6個吞吐周期內(nèi)，二種方式的油汽比先升后降，在第3周期達(dá)到峰值，回采水率呈上升趨勢。當(dāng)注空氣后(第6周期以后)，曲線變化出現(xiàn)明顯差別，空氣輔助蒸汽吞吐方式的油汽比明顯比常規(guī)蒸汽吞吐的大，在油汽比遞減區(qū)仍能出現(xiàn)油汽比小高峰，第8周期油汽比達(dá)到峰值0.32，比常規(guī)蒸汽吞吐提高了0.2。空氣輔助蒸汽吞吐的回采水率始終高于常規(guī)蒸汽吞吐的，提高回采水率能夠減少地層存水，提高注入蒸汽的熱利用率。第11周期的回采水率提高了7.65%。

圖4 二種吞吐方式的油汽比和回采水率曲線Fig.4 Oil/steam ratio and water recovery rate curves under two huff and puff ways

圖5是常規(guī)蒸汽吞吐和空氣輔助蒸汽吞吐二種方式周期采出程度和累積采出程度曲線。由圖5可知，常規(guī)蒸汽吞吐的周期采出程度曲線隨吞吐周期的增加呈先增大而后下降的變化規(guī)律。在第1周期，由于原始地層壓力較高，注入的蒸汽量較少，通過熱量交換，使近井地帶部分原油黏度降低，同時，蒸汽在油井附近冷凝，蒸汽波及范圍小，采出程度低。隨著吞吐周期的增加，地層壓力不斷下降，蒸汽向油層深部運(yùn)移，波及體積增大，波及范圍內(nèi)的油層溫度升高，原油黏度降低幅度加大，在第3周期出現(xiàn)采出程度高峰值，產(chǎn)油主要階段集中在第2～5周期，這4個周期的采出程度占累積采出程度的62.76%。過了產(chǎn)油高峰期后產(chǎn)量遞減很快，多周期吞吐致使油井附近區(qū)域被大量蒸汽占據(jù)，含油飽和度低，排液時無效水量增加，采油量減少。與常規(guī)吞吐相比，空氣輔助蒸汽吞吐方式周期采出程度曲線出現(xiàn)了二次峰值，第二次峰值出現(xiàn)在第8周期。注入空氣以后，空氣中的O2與原油低溫氧化反應(yīng)放出熱量，生成的CO2溶解在原油中降低了原油黏度，提高了滲流能力，空氣與原油接觸并溶解，使其體積膨脹，可顯著增加地層的彈性能量。當(dāng)油井生產(chǎn)時，CO2形成混相或非混相驅(qū)，未反應(yīng)的O2和剩余的N2形成溶解氣驅(qū)和氣驅(qū)，并且被壓縮的空氣體積迅速膨脹，反向推動原油流入井內(nèi)，起到助排作用，從而增加油井產(chǎn)能，提高了采出程度?？諝廨o助蒸汽吞吐的累積采出程度始終高于常規(guī)蒸汽吞吐的，并且隨著吞吐周期的增加，其差距越來越大，最終，空氣輔助蒸汽吞吐的累積采出程度比常規(guī)蒸汽吞吐提高了6.44%。

圖5 二種吞吐方式的采出程度和累積采出程度曲線Fig.5 Recovery degree and cumulative recovery degree curves under two huff and puff ways

2.5 產(chǎn)出流體分析

表2是二種吞吐方式第11周期產(chǎn)出油、氣以及原始樣品的組分分析數(shù)據(jù)。常規(guī)蒸汽吞吐產(chǎn)出油與原始樣品的黏度和族組成分析結(jié)果相近。將空氣輔助蒸汽吞吐產(chǎn)出油與原始樣品分析結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，空氣與原油發(fā)生低溫氧化反應(yīng)后組分發(fā)生變化，飽和烴、芳烴相對含量減少，膠質(zhì)、瀝青質(zhì)相對含量增加，原油黏度增大。50 ℃時，黏度由2 462.7 mPa·s增加到3 211.6 mPa·s，增黏率30.41%，但170 ℃高溫條件下，原油黏度幾乎無差別，即低溫氧化反應(yīng)對黏度的影響不如溫度敏感，所以低溫氧化反應(yīng)造成的原油黏度增大對空氣輔助蒸汽吞吐開采效果影響不大。從反應(yīng)后氣體組分看，反應(yīng)主要生成CO2、CO，CO2溶解于原油后，一方面降低了原油黏度，提高了其流動能力；另一方面增加了原油體積系數(shù)，原油體積膨脹提高了彈性驅(qū)動能量，增大了地層壓力，有助于改善吞吐開采效果。

表2 產(chǎn)出流體和原始樣品組分分析數(shù)據(jù)Tab.2 Composition analysis of produced fluid and original fluid

3 結(jié) 論

(1)空氣輔助蒸汽吞吐可以作為改善常規(guī)蒸汽吞吐中后期開發(fā)效果的一項(xiàng)新技術(shù)，能夠有效提高原油采收率。

(2)空氣輔助蒸汽吞吐具有補(bǔ)充地層能量、擴(kuò)大波及體積、低溫氧化放熱、提高蒸汽利用率、增壓助排等作用，而且低溫氧化反應(yīng)生成的氣體可以形成混相或非混相驅(qū)，是集多種驅(qū)油機(jī)理于一體的提高采收率技術(shù)。

(3)在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，與常規(guī)蒸汽吞吐相比，空氣輔助蒸汽吞吐方式油汽比增加0.2，回采水率提高7.65%，累積采出程度提高6.44%。