煙道氣對(duì)蒸汽腔影響可視化研究及機(jī)理分析

王壯壯，李兆敏，鹿 騰，楊建平，王宏遠(yuǎn)

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)，山東 青島 266580；2.中國(guó)石油遼河油田分公司，遼寧 盤錦 124010)

0 引 言

SAGD作為稠油開(kāi)發(fā)的重要技術(shù)，在國(guó)內(nèi)外均有廣泛應(yīng)用[1-6]，但該技術(shù)蒸汽用量大，油汽比較低，在低油價(jià)形勢(shì)下經(jīng)濟(jì)效益較差[7-9]。煙道氣輔助SAGD作為SAGD技術(shù)的改進(jìn)，能有效降低蒸汽用量，提高油汽比，延長(zhǎng)生產(chǎn)時(shí)間，顯著提高經(jīng)濟(jì)效益[10-18]。同時(shí)，煙道氣輔助SAGD技術(shù)將煙道氣注入地層，減少了溫室氣體排放，在全球變暖大背景下更具有重要意義[19-20]。

近年來(lái)，煙道氣輔助SAGD技術(shù)在遼河油田現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，取得了良好的效果。礦場(chǎng)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，注入煙道氣后，SAGD蒸汽腔上部油藏溫度明顯增大，這與煙道氣隔熱、減少蒸汽腔向上傳熱等常規(guī)認(rèn)識(shí)不同。因此，利用二維可視化模型，開(kāi)展了SAGD物理模擬和煙道氣輔助SAGD物理模擬，研究了煙道氣對(duì)蒸汽腔擴(kuò)展的影響；并通過(guò)冷凝傳熱實(shí)驗(yàn)，從熱量傳遞的角度對(duì)煙道氣的作用機(jī)理進(jìn)行了分析。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

為使實(shí)驗(yàn)用油在注入蒸汽溫度下(108 ℃)的黏度與地層稠油在實(shí)際蒸汽溫度下(220～250 ℃)的黏度基本一致，實(shí)驗(yàn)用模擬油由遼河油田杜84塊興VI組稠油與煤油復(fù)配而來(lái)。50 ℃下模擬油黏度為2 010 mPa·s，在注入蒸汽溫度下的黏度為33 mPa·s。實(shí)驗(yàn)用煙道氣由氮?dú)馀c二氧化碳按照4∶1的比例復(fù)配而來(lái)。實(shí)驗(yàn)用水為蒸餾水。

1.2 SAGD二維可視化物理模擬

實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要包括蒸汽發(fā)生器、ISCO泵、高壓氣瓶、氣體流量計(jì)、二維可視化模型、油水分離器、天平、溫度傳感器、電腦及數(shù)碼相機(jī)等。二維可視化模型的長(zhǎng)、寬、高分別為50、40、1 cm，正面由可視的樹(shù)脂玻璃組成，背面分布60個(gè)測(cè)溫點(diǎn)。該模型內(nèi)壁涂有絕熱樹(shù)脂，減少散熱，外壁包裹加熱板，用以控制模型溫度。2口井位于模型底部，間距為5 cm，模擬SAGD雙水平井生產(chǎn)。

實(shí)驗(yàn)步驟主要包括：①準(zhǔn)備二維填砂模型，包括檢測(cè)氣密性、填砂、抽真空、飽和水，2組實(shí)驗(yàn)的填砂模型孔隙度約為43%，滲透率約為8 780 mD；②飽和油過(guò)程中將模型溫度設(shè)定為80 ℃，模擬油加熱至120 ℃，以1 mL/min的速率飽和油至產(chǎn)出液中不再含水，初始含油飽和度約為80%；③將蒸汽發(fā)生器溫度設(shè)定為250 ℃，二維模型溫度設(shè)定為50 ℃，待溫度穩(wěn)定后開(kāi)始實(shí)驗(yàn)；④模擬SAGD開(kāi)發(fā)，蒸汽的注入速率為10 mL/min(當(dāng)量水)，注入溫度為108 ℃；⑤實(shí)驗(yàn)過(guò)程中由溫度傳感器采集溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)，電腦自動(dòng)記錄，同時(shí)采集產(chǎn)油數(shù)據(jù)和產(chǎn)水?dāng)?shù)據(jù)；⑥對(duì)于煙道氣輔助SAGD模擬實(shí)驗(yàn)，煙道氣在第120 min加入，標(biāo)準(zhǔn)狀況下注入速率為4 mL/min，注入方式是蒸汽與煙道氣共同注入，其他步驟和參數(shù)與SAGD模擬實(shí)驗(yàn)相同。

1.3 冷凝傳熱實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)設(shè)備的核心部分是觀察室、冷凝塊和冷卻循環(huán)泵，其他設(shè)備與SAGD二維可視化實(shí)驗(yàn)中設(shè)備相同。觀察室是長(zhǎng)、寬、高分別為100、20、300 mm的不銹鋼長(zhǎng)方體，正面有觀察窗。冷凝塊由黃銅制成，嵌在冷凝室的后壁內(nèi)，前端面處于冷凝室內(nèi)，后端面被冷卻液沖刷。蒸汽由冷凝室上方注入，部分蒸汽在冷凝塊上冷凝，剩余蒸汽和冷凝液由下方排出。冷凝塊上均勻分布5個(gè)熱電偶。觀察室內(nèi)壁涂有絕熱層，外壁由加熱板控制觀察室內(nèi)部溫度。

實(shí)驗(yàn)步驟：①通過(guò)適當(dāng)加壓方法，檢查觀察室氣密性；②在氣密性良好的前提下，開(kāi)始加熱觀察室，并進(jìn)行冷卻液預(yù)循環(huán)，同時(shí)打開(kāi)蒸汽發(fā)生器，三者溫度分別設(shè)定為100、20、250 ℃；③待觀察室內(nèi)和冷凝塊上溫度穩(wěn)定后，開(kāi)始向觀察室內(nèi)注入蒸汽和煙道氣，蒸汽注入速率為10 mL/min(當(dāng)量水)，注入溫度為108 ℃，煙道氣注入速率分別為0、5、10、20 mL/min；④實(shí)驗(yàn)過(guò)程中觀察冷凝塊上蒸汽冷凝現(xiàn)象，并記錄冷凝塊上各點(diǎn)溫度變化；⑤調(diào)整冷卻循環(huán)系統(tǒng)的溫度，重復(fù)上述步驟③、④。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 煙道氣對(duì)蒸汽腔擴(kuò)展影響

圖1為模擬SAGD開(kāi)發(fā)的蒸汽腔變化，圖2為模擬煙道氣輔助SAGD開(kāi)發(fā)的蒸汽腔變化。由圖1、2可知，觀察到的蒸汽波及區(qū)域與監(jiān)測(cè)的溫度場(chǎng)在形狀上基本吻合，充分說(shuō)明實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信性和準(zhǔn)確性。

由圖1可知，SAGD模擬初期(前120 min內(nèi))，蒸汽腔向上發(fā)育較快，橫向擴(kuò)展較慢。中期蒸汽腔向上發(fā)育速度逐漸減小，到180 min時(shí)，蒸汽腔向上發(fā)育至模型2/3處。繼續(xù)模擬開(kāi)發(fā)60 min，蒸汽腔基本不再向上發(fā)育，橫向上小幅擴(kuò)展。由于重力超覆的作用，蒸汽腔主要在縱向上發(fā)育，橫向波及效率較低。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，蒸汽腔呈“瘦長(zhǎng)形”，模型頂部和兩側(cè)大部分區(qū)域的剩余油難以得到動(dòng)用。

圖1 SAGD物理模擬不同時(shí)期蒸汽腔的變化

由圖2可知，由于前120 min沒(méi)有注入煙道氣，蒸汽腔發(fā)育情況與SAGD模擬實(shí)驗(yàn)基本一致。加入煙道氣后，蒸汽腔再次向上發(fā)育，但橫向上依然沒(méi)有明顯擴(kuò)展，蒸汽腔在煙道氣帶動(dòng)下的向上擴(kuò)展可稱作“二次發(fā)育”。至240 min時(shí)，“二次發(fā)育”使蒸汽腔向上擴(kuò)展了約7 cm，占原蒸汽腔高度的1/4。240 min之后，蒸汽腔開(kāi)始橫向擴(kuò)展，但縱向上逐漸萎縮。這是因?yàn)闊煹罋庠谀Ｐ晚敳烤奂纬蓺忭?，減少了蒸汽向上的熱損失，同時(shí)氣頂占據(jù)上部空間，迫使蒸汽向兩側(cè)運(yùn)移，從而導(dǎo)致蒸汽腔橫向擴(kuò)展、縱向高度下降。到360 min時(shí)，蒸汽腔基本不再擴(kuò)展，此時(shí)蒸汽腔呈現(xiàn)“扇形”，橫向上擴(kuò)展良好，整體波及效率較高。通過(guò)與SAGD模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，煙道氣的加入使蒸汽腔先向上“二次發(fā)育”，后橫向擴(kuò)展，從而大大提高蒸汽腔面積。在實(shí)際SAGD生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，注入煙道氣后，蒸汽腔上方溫度顯著升高。這與該實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，說(shuō)明煙道氣確實(shí)能促進(jìn)蒸汽腔向上發(fā)育。

圖2 煙道氣輔助SAGD物理模擬不同時(shí)期蒸汽腔的變化

2.2 煙道氣對(duì)蒸汽冷凝傳熱的影響

高溫蒸汽與低溫物體接觸時(shí)，蒸汽會(huì)將潛熱傳給壁面而自身冷凝，該過(guò)程稱為冷凝傳熱。圖3為不同氣水比時(shí)蒸汽在冷凝塊上的冷凝現(xiàn)象。由圖3可知：純蒸汽冷凝時(shí)，蒸汽主要以液珠的形式冷凝在銅塊上；隨煙道氣比例增加，冷凝塊上逐漸有液膜鋪展。這種以液珠為主的冷凝方式稱為滴狀冷凝，而以液膜為主的冷凝方式稱為膜狀冷凝。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)，在純蒸汽冷凝時(shí)冷凝液珠頻繁脫落，而隨著氣水比增大，冷凝液的滴落頻率降低。這說(shuō)明隨著混合蒸汽中煙道氣比例的增加，蒸汽冷凝方式由滴狀冷凝逐漸過(guò)渡為膜狀冷凝，冷凝效率逐漸下降。

圖3 不同氣水比條件下蒸汽冷凝現(xiàn)象

為表征蒸汽冷凝傳熱過(guò)程中熱量傳遞強(qiáng)度，通過(guò)線性擬合冷凝塊上溫度分布，計(jì)算了冷凝傳熱系數(shù)[21-25]。圖4為不同氣水比時(shí)冷凝傳熱系數(shù)隨過(guò)冷度的變化關(guān)系。由圖4可知，相同過(guò)冷度下，純蒸汽的冷凝傳熱系數(shù)最大，隨著氣水比的增加，冷凝傳熱系數(shù)減小，說(shuō)明煙道氣能抑制蒸汽冷凝傳熱。這是因?yàn)闅怏w聚集在低溫物體表面形成氣膜，增大了高溫蒸汽與低溫物體間的傳熱阻力，使蒸汽傳熱系數(shù)減小，冷凝效率降低。

圖4 不同氣水比條件下冷凝傳熱系數(shù)隨過(guò)冷度的變化

2.3 煙道氣影響機(jī)理

前人研究認(rèn)為，煙道氣等非凝析氣體會(huì)聚集在蒸汽腔頂部，起到保溫隔熱的作用，減少蒸汽腔向蓋層散熱，從而擴(kuò)大蒸汽腔橫向波及效率[11-12]。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，煙道氣能使SAGD蒸汽腔在縱向上“二次發(fā)育”，促進(jìn)蒸汽滲流傳熱，其作用機(jī)理可從2方面解釋。

(1) 煙道氣指進(jìn)。在蒸汽和煙道氣共同滲流情況下，由于煙道氣滲流阻力小，流動(dòng)能力強(qiáng)，煙道氣會(huì)發(fā)生指進(jìn)，甚至氣竄。這能為后續(xù)蒸汽開(kāi)辟滲流通道，降低滲流阻力，加速滲流，減少滲流過(guò)程中的熱損失，從而使熱量快速傳遞至巖心深部。

(2) 煙道氣抑制蒸汽冷凝傳熱。蒸汽在巖心中滲流時(shí)，自身熱量一部分與周圍低溫物體發(fā)生熱交換，一部分?jǐn)y帶至深部。由于多孔介質(zhì)表面積大，高溫蒸汽與低溫巖石骨架會(huì)發(fā)生大量的熱交換，蒸汽將熱量傳遞給巖石，而自身在巖石表面冷凝。蒸汽一旦冷凝，滲流速度會(huì)顯著降低，無(wú)法快速向深部傳熱。因此，在純蒸汽滲流時(shí)，由于冷凝傳熱系數(shù)大，蒸汽大量散熱而迅速冷凝，導(dǎo)致熱量波及范圍小。而對(duì)于含有煙道氣的混合蒸汽，煙道氣能在巖石表面形成氣膜，減少蒸汽在滲流過(guò)程中與巖石傳熱，抑制其冷凝，使更多蒸汽能攜帶熱量向深部巖心滲流。

3 結(jié) 論

(1) SAGD蒸汽腔呈現(xiàn)“瘦長(zhǎng)形”，主要在縱向上擴(kuò)展，橫向波及效率低。煙道氣的加入使SAGD蒸汽腔先向上發(fā)育，后橫向擴(kuò)展，大大提高波及效率。蒸汽腔在煙道氣加入后的“二次發(fā)育”體現(xiàn)了煙道氣對(duì)蒸汽滲流傳熱的促進(jìn)作用。

(2) 煙道氣對(duì)蒸汽冷凝傳熱具有抑制作用，表現(xiàn)為隨煙道氣比例增加，蒸汽冷凝傳熱系數(shù)下降，冷凝方式由滴狀冷凝變?yōu)槟罾淠?。這是因?yàn)闊煹罋庠诘蜏匚矬w表面聚集形成氣膜，增大了傳熱阻力。

(3) 煙道氣促進(jìn)蒸汽滲流傳熱的作用機(jī)理主要包括：①氣體指進(jìn)為后續(xù)蒸汽減小滲流阻力，使蒸汽能快速向深部運(yùn)移，從而促進(jìn)熱量傳遞；②煙道氣降低了蒸汽與多孔介質(zhì)之間的冷凝傳熱系數(shù)，使?jié)B流過(guò)程中蒸汽向周圍介質(zhì)傳熱減少，更多熱量被傳到深部巖心。