溶劑輔助蒸汽重力泄油室內(nèi)實驗研究

王連剛

(中國石油股份公司勘探與生產(chǎn)分公司，北京 100007)

0 引 言

蒸汽輔助重力泄油技術(shù)(steam assisted gravity drainage)，簡稱SAGD，是稠油開采最重要的方法之一，其開采機理是向油藏注入蒸汽，形成蒸汽腔，加熱油藏內(nèi)流體，受熱流體與冷凝蒸汽在自身重力作用下流向生產(chǎn)井，隨著油藏內(nèi)原油被采出，蒸汽腔體積不斷擴大[1]。稠油油藏原油黏度大，尤其是特稠油和超稠油，其地下原油黏度達10 000 mPa·s以上[2]。加熱原油需要消耗大量蒸汽，進而消耗大量天然氣用于生產(chǎn)蒸汽，從而導(dǎo)致SAGD的經(jīng)濟效益受到影響[3]。為了減少蒸汽用量，提高SAGD經(jīng)濟效益，國內(nèi)外稠油研究者提出了大量改善方法和技術(shù)，例如氣體輔助SAGD技術(shù)，即 SAGP(Steam And Gas Push)技術(shù)[4]，直井輔助SAGD技術(shù)[5]以及溶劑輔助SAGD技術(shù)[6]等。溶劑輔助SAGD技術(shù)由加拿大阿爾伯塔能源署的Nasr教授提出，并申請了專利。該技術(shù)結(jié)合了蒸汽熱效應(yīng)和溶劑稀釋效應(yīng)，用以開采瀝青、稠油油藏，可提高能源利用率，減少二氧化碳排放。目前加拿大阿爾伯塔省已開展了溶劑輔助SAGD試驗，并取得了較好的效果[7-8]。

國內(nèi)外技術(shù)研究表明[9-15]，溶劑與蒸汽共同注入油藏之后，以氣相或液相的形式與原油混合，輔助降黏，可有效改善SAGD開發(fā)效果。目前國內(nèi)在溶劑輔助SAGD開發(fā)機理、溶劑優(yōu)選、注采參數(shù)優(yōu)化、效果評價等關(guān)鍵技術(shù)問題有待研究[16-18]。以國內(nèi)某SAGD井區(qū)超稠油油藏原油為基礎(chǔ)，用二維實驗設(shè)備開展了純蒸汽SAGD、高濃度多組分溶劑輔助SAGD、低濃度多組分溶劑輔助SAGD實驗。通過這些研究，揭示了溶劑輔助SAGD泄油機理，不同濃度溶劑對蒸汽腔發(fā)育規(guī)律、產(chǎn)量及采收率的影響，并分析了溶劑輔助SAGD的能量利用效率，可為優(yōu)化溶劑輔助SAGD操作策略，提高溶劑輔助SAGD技術(shù)開發(fā)經(jīng)濟效益提供重要實驗依據(jù)。

1 實驗材料

(1) 原油。采用國內(nèi)某油田SAGD井區(qū)超稠油脫水后進行實驗，密度為0.965 g/cm3，50 ℃條件下地面脫氣原油黏度為31 862.9 mPa·s，當(dāng)溫度達到160 ℃時，原油黏度降至59.1 mPa·s。按照劉文章推薦的分類方法[2]，實驗用原油屬于超稠油。

(2) 溶劑。實驗用的溶劑為多組分混合溶劑，該混合溶劑主要以C4—C12的烷烴為主。

2 實驗儀器與實驗流程

2.1 實驗設(shè)備

實驗?zāi)Ｐ蜑椴讳P鋼材料研制而成，長、寬、高分別為10、80、24 cm。注入井和生產(chǎn)井垂向相距為5 cm，生產(chǎn)井置于距底部1 cm處；橫向上，注入井和生產(chǎn)井都置于模型的中間。模型內(nèi)均勻布置了21個熱電偶，用于監(jiān)測實驗過程中模型內(nèi)部的溫度分布。

模型用石英砂填充，滲透率約為120×10-3μm2。實驗前填砂模型先用水飽和，然后用加熱至80 ℃的超稠油進行驅(qū)替。表1為實驗?zāi)Ｐ偷奈镄詤?shù)。在所有實驗中，模型參數(shù)幾乎一樣，但存在一定程度的實驗誤差。

表1 模型物性參數(shù)

實驗從中央供給系統(tǒng)注入蒸汽或溶劑，用控制閥控制蒸汽注入速率，調(diào)節(jié)器調(diào)整注入壓力。在注溶劑的2個實驗中，溶劑用泵定體積注入。產(chǎn)出的油、水、溶劑的混合物，被匯集到一個活塞式的儲存槽中，然后經(jīng)過冷凝器冷凝，冷凝的液體收集在取樣瓶中進行分析。用氣體流量計計量排出的氣體體積，每隔10 min取一次樣，用在線色譜分析儀分析產(chǎn)出氣體。另外，通過自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，每隔1 min記錄溫度、壓力和注入速率。

2.2 實驗過程

共進行了3組實驗。3組實驗均在500 kPa壓力下操作，注入飽和蒸汽溫度為159 ℃。第1組是純蒸汽SAGD實驗，為基礎(chǔ)實驗。實驗開始時以3.990 0 kg/h的速率向生產(chǎn)井和注汽井中注入蒸汽進行熱循環(huán)；大約10 min后，生產(chǎn)井與注汽井形成熱連通，停止向生產(chǎn)井注汽，注汽井繼續(xù)以2.020 0 kg/h的速率注汽，直到910 min，實驗結(jié)束。

第2、3組實驗均為溶劑輔助SAGD實驗，這2組實驗與純蒸汽SAGD一樣進行熱循環(huán)，注汽速率分別為4.010 0、3.980 0 kg/h，3組實驗在循環(huán)階段的注汽速度幾乎相同。在生產(chǎn)井和注汽井熱循環(huán)10 min形成熱連通后，生產(chǎn)井停止注汽，在注汽井中同時注入蒸汽和溶劑。低濃度和高濃度混合溶劑的質(zhì)量濃度分別為0.125 2、0.356 5，3組實驗的注入?yún)?shù)見表2。低濃度溶劑輔助SAGD實驗中，蒸汽和溶劑的注入速率分別為2.060 0、0.297 6 kg/h(標準狀況下400.57 cm3/h)。高濃度溶劑輔助SAGD實驗中，蒸汽和溶劑的注入速率分別為2.040 0、1.188 8 kg/h(標準狀況下為1 600.00 cm3/h)。

表2 實驗SAGD生產(chǎn)階段注入?yún)?shù)

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 組分分析

利用色譜分析儀，對注入溶劑和產(chǎn)出氣中的C2—C8(鏈烷烴)的各組分質(zhì)量進行了分析。分析表明，2組注溶劑實驗中，注入的C3—C8的質(zhì)量均逐漸遞增，但產(chǎn)出物中的組分均以C4—C6為主。由此說明，這些組分除了以液相存在于油藏之中，還有部分以氣相形式存在，與蒸汽一起運移至汽腔邊界降黏，以氣相形式產(chǎn)出；而注入的C7以上組分在氣相產(chǎn)出物中含量少，主要以液相形式與原油混合后發(fā)生降黏效果。進一步對氣相產(chǎn)出物中C1—C8的組分質(zhì)量隨生產(chǎn)時間變化規(guī)律進行分析。圖1、2分別為低濃度、高濃度溶劑輔助SAGD實驗中氣相產(chǎn)出物的C1—C8質(zhì)量隨時間變化曲線。對比圖1、2可知，低濃度溶劑實驗比高濃度溶劑實驗中產(chǎn)出的C4、C5低得多。說明高濃度溶劑輔助SAGD實驗中， C4、C5多以氣相存在，這些低碳組分易大量聚集在蒸汽腔與原油的交界面，使熱傳導(dǎo)率降低，阻止了熱交換，導(dǎo)致原油采收率較低。

圖1低濃度溶劑輔助SAGD實驗中氣相產(chǎn)出物C1—C8的質(zhì)量變化

圖2高濃度溶劑輔助SAGD實驗中氣相產(chǎn)出物C1—C8的質(zhì)量變化

3.2 溫度剖面和蒸汽腔發(fā)育特征

圖3為3組實驗的上覆巖層溫度隨時間的變化曲線。由圖3可知，溶劑輔助SAGD的上覆巖層溫度明顯低于純蒸汽SAGD的溫度，說明溶劑輔助降低了蒸汽在上覆巖層的熱損失。這是因為溶劑中的低碳化合物(低于C5)擴散到模型頂部，降低了熱傳導(dǎo)，進而減少了熱損失。

根據(jù)模型的溫度分布范圍，可表征蒸汽腔的發(fā)育情況。在初始階段(100 min以內(nèi))，3組實驗的溫度分布幾乎一樣，表明蒸汽腔發(fā)育范圍幾乎一致。在后期(大于100 min)，由于溶劑中的氣相低碳化合物(低于C5)擴散，降低了蒸汽腔擴展速度，相對于溶劑輔助SAGD，純蒸汽SAGD的蒸汽腔橫向擴展速度明顯較快。這也是低濃度溶劑輔助SAGD采收率高于高濃度溶劑輔助SAGD的重要原因。溶劑輔助SAGD中的低碳氣相組分在一定程度上減緩了蒸汽超覆，從而使溫度剖面在垂向上分布更均勻，即蒸汽腔在垂向上擴展較均勻。因此，即使蒸汽腔在頂部擴展范圍較小，但在底部的擴展范圍增大。

3.3 生產(chǎn)效果分析

圖4、5分別為原油產(chǎn)量、原油采出程度隨時間變化曲線。由圖4可知，3組實驗的原油產(chǎn)量均經(jīng)歷了產(chǎn)量上升、穩(wěn)定生產(chǎn)以及產(chǎn)量遞減的階段，符合SAGD生產(chǎn)規(guī)律，但溶劑輔助SAGD的高峰期產(chǎn)量明顯高于純蒸汽SAGD的高峰期產(chǎn)量，且低濃度溶劑輔助SAGD的高峰期產(chǎn)量高于高濃度溶劑輔助SAGD的高峰期產(chǎn)量。由圖5可知，在400 min以前，溶劑輔助SAGD的采出程度明顯高于純蒸汽SAGD實驗的采出程度，之后逐漸被純蒸汽SAGD超越。實驗結(jié)束后，純蒸汽SAGD、低濃度溶劑輔助SAGD以及高濃度溶劑輔助SAGD的采收率分別為72.56%、73.17%、69.83%?？梢姡軇┹o助有利于提高SAGD早期的采油速度，但對最終采收率的影響不大。前期采油速度較大時，必然導(dǎo)致后期可采儲量小，采油速度下降。對于純蒸汽SAGD，前期產(chǎn)量較低，則更多的原油需要靠后期采出，因此，后期采油速度較高。

圖3上覆巖層溫度剖面對比

圖4原油產(chǎn)量隨時間變化情況

圖5原油采出程度隨時間變化情況

整個實驗過程中，低濃度溶劑輔助SAGD實驗的采出程度一直高于高濃度溶劑輔助SAGD實驗的采出程度。從上述的產(chǎn)出物氣相組成分析結(jié)果可知，這是因為高濃度條件下，更多的低碳組分(C4、C5)以氣相形式聚集在蒸汽腔與原油的交界面，使熱傳導(dǎo)率降低，從而導(dǎo)致原油采收率降低。因此，溶劑輔助SAGD存在合理溶劑濃度，在該實驗中，溶劑的質(zhì)量濃度以0.125 2為宜。

3.4 能耗分析

由于注入溶劑質(zhì)量不同，消耗的能量也不一樣，原油采收率并不是唯一的衡量標準。為了評價不同開采方式的效果，進一步分析和對比了每采出單位質(zhì)量的原油所消耗能量。為了分析溶劑輔助SAGD中氣體減少熱損失的效果，對3組實驗的單位原油產(chǎn)量的耗能量進行了計算和對比(表3)。單位質(zhì)量原油所消耗能量為總注入能量與原油累計產(chǎn)量的比值。計算過程中，考慮蒸汽的比熱容為4.18 kJ/(kg·℃-1)，潛熱為2 086 kJ/kg，遺留在巖心中的溶劑的熱值為33 864 kJ/kg(標況)。由表3可知，純蒸汽SAGD實驗產(chǎn)出單位質(zhì)量原油消耗的能量最高，其次是高濃度溶劑輔助SAGD實驗，消耗能量最低的是低濃度溶劑輔助SAGD。

表 3 產(chǎn)出單位質(zhì)量原油消耗能量

產(chǎn)出單位質(zhì)量原油消耗能量越少，對采油越有利，獲得一定采收率消耗能量越少。但上述分析并未考慮在模型頂部和底部及邊部的熱量損失。在油田現(xiàn)場，上覆蓋層和下伏巖層的熱傳導(dǎo)率與巖石基質(zhì)幾乎一樣。因此，在溶劑輔助SAGD過程中，溶劑中氣相組分的隔熱效果能減少熱損失。因此，考慮熱損失，純蒸汽SAGD的能量消耗將會更高，低濃度溶劑輔助SAGD相對相同操作壓力下的純蒸汽SAGD將具有更大潛力。

受實驗條件限制，只開展了2組不同濃度的溶劑輔助SAGD實驗。實際應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)針對具體油藏條件，包括原油及儲層物性特征，開展溶劑篩選、油藏條件的適應(yīng)性評價以及注采參數(shù)優(yōu)化研究，才能獲得最佳的溶劑輔助SAGD開發(fā)效果。

4 結(jié)論與建議

(1) 氣相組成分析結(jié)果表明，溶劑輔助SAGD中，溶劑以氣相和液相2種形式存在于油藏中，與蒸汽一起降低原油黏度。

(2) 溶劑輔助SAGD可提高SAGD前期產(chǎn)量和采收率，但溶劑濃度存在一個合理范圍，實驗中以低濃度(質(zhì)量分數(shù)0.125 2)為宜。溶劑濃度越高，低碳組分(低于C5)氣相含量越高，不利于蒸汽與原油熱交換，從而原油采收率較低。

(3) 溶劑輔助SAGD中，溶劑中的低碳(低于C5)氣相組分隨蒸汽運移至油層頂部，能減少蒸汽在上覆巖層的熱損失，從而減緩蒸汽超覆，提高蒸汽腔垂向擴展均勻性。

(4) 在低濃度溶劑輔助SAGD過程中，采出單位質(zhì)量原油消耗的能量最低，具有較大的應(yīng)用潛力。

(5) 在實際應(yīng)用中，需要針對具體油藏開展溶劑篩選、油藏條件適應(yīng)性評價及注采參數(shù)優(yōu)化，才能獲得最佳的溶劑輔助SAGD技術(shù)開發(fā)效果。