超稠油油藏溶劑輔助重力泄油機(jī)理物理模擬實(shí)驗(yàn)

吳永彬，劉雪琦，杜宣，周曉義，王麗，李駿，李雁鴻，李秀巒，李陽

（1.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；2.新疆油田公司風(fēng)城油田作業(yè)區(qū)，新疆克拉瑪依 834000；3.中國石油大學(xué)（北京）石油天然氣工程學(xué)院，北京 102249；4.山東科瑞集團(tuán)研究院，山東東營 257000；5.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）能源學(xué)院，北京 100083）

0 引言

蒸汽輔助重力泄油（SAGD）是超稠油和油砂高效開發(fā)的主體技術(shù)，截至2018年底，中國新疆FC油區(qū)已部署實(shí)施了171個(gè)雙水平井SAGD井組，年貢獻(xiàn)產(chǎn)量達(dá)到100×104t以上。SAGD產(chǎn)油主要依靠重力驅(qū)動(dòng)，高溫下原油動(dòng)力黏度對(duì)蒸汽腔擴(kuò)展速度和油井產(chǎn)量影響很大[1-6]，新疆FC油區(qū)200 ℃條件下原油黏度20～40 mPa·s，遠(yuǎn)高于加拿大高溫油砂原油黏度（10～20 mPa·s），相同溫度下，加拿大油砂原油SAGD的泄油速度約為中國稠油的2倍。溶劑輔助SAGD（ES-SAGD）是利用溶劑對(duì)原油的降黏作用，在蒸汽高溫降黏的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步降低原油黏度，提高原油的泄油能力。該技術(shù)應(yīng)用于加拿大油砂SAGD項(xiàng)目取得了顯著的增產(chǎn)效果[7-11]。

溶劑類型對(duì)ES-SAGD的生產(chǎn)效果有很大影響，國外對(duì)此開展過大量的室內(nèi)研究，證實(shí)不同油品、不同溫壓條件對(duì)應(yīng)的最佳溶劑體系不同，需要針對(duì)具體的油藏條件，篩選合適的溶劑體系[12]。通過文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前尚未建立ES-SAGD泄油理論模型，有必要引入輔助溶劑溶油降黏的特征參數(shù)，對(duì)常規(guī)SAGD泄油理論進(jìn)行修正，分析預(yù)測ES-SAGD的泄油動(dòng)態(tài)。對(duì)具體的稠油油藏而言，不同溶劑體系對(duì)ES-SAGD生產(chǎn)規(guī)律的影響需要開展大型物模實(shí)驗(yàn)獲取數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)研究蒸汽中添加溶劑后蒸汽腔的發(fā)育規(guī)律、生產(chǎn)動(dòng)態(tài)、采收率與油汽比等的改善情況，探討ES-SAGD在國內(nèi)超稠油油藏中的應(yīng)用潛力[13]。

本文針對(duì)上述問題，主要開展輔助溶劑降黏實(shí)驗(yàn)，分析溶劑降黏規(guī)律，優(yōu)選最佳溶劑體系，在此基礎(chǔ)上對(duì)SAGD泄油理論模型進(jìn)行修正，建立ES-SAGD理論模型。以ES-SAGD理論為指導(dǎo)，開展大型ES-SAGD二維比例物模實(shí)驗(yàn)，探索ES-SAGD的泄油機(jī)理。

1 SAGD泄油理論模型修正

開展不同溶劑對(duì)稠油的降黏特征實(shí)驗(yàn)，擬合溶劑對(duì)原油的降黏特征關(guān)系式，代入Butler經(jīng)典SAGD泄油理論模型中，可準(zhǔn)確表征溶劑對(duì)稠油的降黏特征及輔助溶劑對(duì)SAGD生產(chǎn)動(dòng)態(tài)的影響。

1.1 輔助溶劑降黏實(shí)驗(yàn)

為避免輕烴溶劑的高揮發(fā)性給實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來誤差，實(shí)驗(yàn)采用帶密閉測試系統(tǒng)的HAAKE MARS III流變儀進(jìn)行測試，測試步驟依據(jù)行業(yè)準(zhǔn)標(biāo)（SY/T 7549—2000原油黏溫曲線的確定 旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)法）進(jìn)行設(shè)計(jì)。具體步驟為：在原油中添加一定體積比例的不同類型輕烴溶劑快速混合均勻；倒入流變儀密閉測試轉(zhuǎn)筒中，密封端蓋；采用磁力攪拌轉(zhuǎn)子測量不同溫度下混合油的密閉黏度（測量條件：溫度從20 ℃上升到90 ℃，實(shí)驗(yàn)壓力為常壓，剪切速率從3 s-1提高到20 s-1）。

實(shí)驗(yàn)分別測試了標(biāo)準(zhǔn)原油、95%原油+5%正己烷、95%原油+5%二甲苯、95%原油+5%正戊烷、95%原油+5%柴油、95%原油+5%石腦油、95%原油+5%正庚烷的黏度-溫度關(guān)系（見圖1），可以看到，溶劑對(duì)原油的降黏率按由大到小依次排序?yàn)椋赫和?、正庚烷、石腦油、二甲苯、柴油、正戊烷。原油中添加5%正己烷后，50 ℃條件下原油黏度從89 066 mPa·s下降到3 148 mPa·s，降黏率達(dá)到96.5%，具有最佳的降黏效果，可優(yōu)選為溶劑體系的主劑。

圖1 不同類型溶劑對(duì)原油的降黏特征曲線

在主劑優(yōu)選的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開展不同比例正己烷對(duì)原油的降黏特征實(shí)驗(yàn)（見圖2），同樣可見，正己烷溶劑體系可呈指數(shù)降低原油黏度，原油中添加5%～10%正己烷溶劑，原油黏度降低90%～98%。盡管進(jìn)一步增加溶劑比例會(huì)進(jìn)一步降低原油黏度，但考慮輕烴溶劑的高額成本和實(shí)際儲(chǔ)集層條件下的回采率，在礦場實(shí)施過程中注入過高比例的溶劑將大幅增加經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)，因此在綜合考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)界限的基礎(chǔ)上，將二維物理模擬實(shí)驗(yàn)的溶劑濃度控制在10%。

圖2 不同含量正己烷對(duì)原油的降黏特征擬合曲線

由原油降黏特征擬合曲線可知，輕烴溶劑降黏實(shí)驗(yàn)結(jié)果與Arrhenius黏度模型計(jì)算結(jié)果[14-18]具有很高的擬合率。因此，溶劑與原油混合后黏度可采用指數(shù)函數(shù)表示：

溶劑與原油混合流體的密度采用體積加權(quán)，根據(jù)（1）式并通過單位換算，可得到單/多組分溶劑與原油混合流體運(yùn)動(dòng)黏度表達(dá)式：

1.2 理論模型修正

將（2）式代入純蒸汽SAGD不同階段的泄油理論模型[19-20]中，可修正得到ES-SAGD不同泄油階段的動(dòng)態(tài)預(yù)測公式。

蒸汽腔上升階段原油產(chǎn)量為：

理想情況下，蒸汽腔上升至油層頂部后達(dá)到高峰穩(wěn)定產(chǎn)量所需的時(shí)間為：

理想情況下，蒸汽腔達(dá)到頂部以后橫向擴(kuò)展時(shí)，原油峰值產(chǎn)量為：

當(dāng)蒸汽腔到達(dá)井組邊界或者油藏邊界后，進(jìn)入蒸汽腔下降階段的原油產(chǎn)量為：

鑒于油藏（物理模型）內(nèi)溫度、壓力、注入溶劑類型與蒸汽比例等對(duì)原油運(yùn)動(dòng)黏度、可動(dòng)油飽和度均有較大影響，因此在應(yīng)用上述公式時(shí)，需要根據(jù)不同開發(fā)階段油藏（物理模型）的溫度、壓力、注入流體參數(shù)等確定原油運(yùn)動(dòng)黏度和可動(dòng)油飽和度。

2 ES-SAGD物理模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 相似比例模化

根據(jù)Butler純蒸汽SAGD二維物模相似準(zhǔn)則，結(jié)合混合流體黏度關(guān)系式（（1）式），建立ES-SAGD相似準(zhǔn)則基本方程：

根據(jù)相似準(zhǔn)則對(duì)物理模型參數(shù)進(jìn)行比例?；?，建立ES-SAGD大型二維宏觀物理模擬的相似比例模型（見表1）與實(shí)驗(yàn)流程。

表1 ES-SAGD關(guān)鍵參數(shù)比例?；Y(jié)果

ES-SAGD實(shí)驗(yàn)裝置主要包括4個(gè)部分（見圖3）：①注入系統(tǒng)，包括蒸汽發(fā)生器、高壓驅(qū)替泵、中間容器等，在準(zhǔn)備過程中為模型飽和地層水和原油，在實(shí)驗(yàn)過程中注入水蒸汽和溶劑；②大型二維可視化模型本體（見圖4），尺寸50 cm×30 cm×4 cm，內(nèi)部均勻部署測溫?zé)犭娕寂c測壓點(diǎn)；③數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)，包括壓力/溫度采集與控制單元、監(jiān)控電腦、數(shù)據(jù)采集與壓力/溫度場反演軟件；④采出系統(tǒng)，包括高溫背壓閥、產(chǎn)出汽液自動(dòng)收集器、電子天平等。

2.2 實(shí)驗(yàn)流程

圖3 高溫高壓二維比例物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖4 模型本體結(jié)構(gòu)圖

實(shí)驗(yàn)共分為9步：①實(shí)驗(yàn)前，模型本體及管路采用丙酮清洗，并吹氮?dú)飧稍铩＂诟鶕?jù)儲(chǔ)集層砂巖粒徑分布，模型本體裝填粒徑80～120目（0.125～0.180 mm）石英砂密封后從補(bǔ)砂孔進(jìn)行填實(shí)，防止實(shí)驗(yàn)過程中砂粒運(yùn)移。③模型本體抽真空到1.0 kPa。④飽和水：向模型本體中注水（注入水根據(jù)地層水礦化度配制），注入速度20 mL/min，注入完畢后老化48 h。⑤飽和油：將超稠油預(yù)置入中間容器，放入恒溫箱并升溫至80 ℃，確保超稠油的流動(dòng)性；模型本體依靠保溫套升溫至80 ℃并保持2 h，然后向模型本體中注入脫水原油，注入速度10～20 mL/min，實(shí)時(shí)測量產(chǎn)出液體含水率，當(dāng)含水率為0后繼續(xù)驅(qū)替1 h停止。⑥飽和油完成以后，模型本體重新降溫至地層溫度20 ℃，老化48 h。⑦預(yù)熱：向模型本體中的注汽井、生產(chǎn)井注入蒸汽進(jìn)行循壞，利用監(jiān)測軟件實(shí)時(shí)監(jiān)測注汽井、生產(chǎn)井之間模型的溫度變化，當(dāng)溫度達(dá)到130 ℃時(shí)，確認(rèn)注汽井、生產(chǎn)井間建立了熱聯(lián)通與水動(dòng)力連通，停止預(yù)熱，轉(zhuǎn)為上部注汽井注汽，下部生產(chǎn)井連續(xù)生產(chǎn)，進(jìn)入SAGD生產(chǎn)階段。⑧SAGD生產(chǎn)：控制蒸汽注入速度，根據(jù)監(jiān)測溫度場判別，進(jìn)入蒸汽腔上升階段，注汽速度從初始的4 mL/min逐步提高到10 mL/min；進(jìn)入蒸汽腔橫向擴(kuò)展階段，保持10 mL/min注汽速度；進(jìn)入蒸汽腔下降階段，注汽速度逐漸降低到4 mL/min；利用回壓閥控制產(chǎn)出液速度，確保采注比控制在1.1～1.2。⑨產(chǎn)出液處理：產(chǎn)出液采用離心機(jī)進(jìn)行油水分離，并采用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器分離和計(jì)量產(chǎn)出的輕烴溶劑和油。

2.3 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

采用新疆FC油區(qū)超稠油開展物模實(shí)驗(yàn)，原油組分為：飽和烴34.2%、芳香烴20.8%、膠質(zhì)31.3%、瀝青質(zhì)13.7%。針對(duì)該區(qū)塊瀝青含量較高的特點(diǎn)，共設(shè)計(jì)3組大型二維SAGD物模實(shí)驗(yàn)方案：①純蒸汽SAGD；②90%蒸汽+10%正己烷ES-SAGD；③90%蒸汽+9%正己烷+1%二甲苯ES-SAGD。

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案①與方案②的目的在于對(duì)比蒸汽中添加少量溶劑后的ES-SAGD與純蒸汽SAGD的蒸汽腔發(fā)育、生產(chǎn)動(dòng)態(tài)等特征。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案③是因二甲苯具有溶解瀝青的優(yōu)異性能，為防止ES-SAGD過程中瀝青沉淀造成油層堵塞，添加該溶劑評(píng)價(jià)清除瀝青堵塞的可行性，并對(duì)比方案②和方案③的開發(fā)效果。

為確保方案對(duì)比的一致性與可靠性，3組實(shí)驗(yàn)過程中的飽和水量、飽和油量以及注采參數(shù)均相同。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 蒸汽腔擴(kuò)展特征

3.1.1 蒸汽腔擴(kuò)展速度

圖5 SAGD與ES-SAGD蒸汽腔發(fā)育形態(tài)

對(duì)比蒸汽腔不同擴(kuò)展階段溫度場（見圖5）可知，方案②和③在蒸汽腔上升和橫向擴(kuò)展階段的溫度場比方案①低10～20 ℃，原因在于注入的冷溶劑降低了蒸汽溫度。然而盡管方案②和③平均溫度略低，但通過溶劑的溶油降黏作用，ES-SAGD溫度場的擴(kuò)展速度反而更快，證實(shí)溶劑與蒸汽的結(jié)合，充分發(fā)揮了溶劑溶油降黏+蒸汽高溫降黏的雙重作用，原油黏度比常規(guī)SAGD更低，泄油能力顯著提高，促進(jìn)了蒸汽腔的加速擴(kuò)展[21-22]。

3.1.2 蒸汽腔泄油界面擴(kuò)展形態(tài)

對(duì)比3個(gè)方案的泄油界面發(fā)育情況（見圖6、圖7），發(fā)現(xiàn)方案①泄油界面呈凸曲面形態(tài)，方案②為斜坡形態(tài)，方案③為凹陡坡形態(tài)。可以看到從方案①到方案③，蒸汽腔的泄油界面橫向擴(kuò)展速度逐漸增大，方案①蒸汽腔泄油界面橫向擴(kuò)展速度最慢，主要是因?yàn)閱渭兊恼羝麑?duì)原油的降黏效果有限，橫向蒸汽-原油傳質(zhì)速率低；方案②在蒸汽中添加10%溶劑后，有效提高了降黏效果，降低了橫向傳質(zhì)阻力，泄油速率隨之提高；方案③添加了溶解瀝青的二甲苯，對(duì)原油的降黏速率進(jìn)一步提高[23]，蒸汽腔橫向擴(kuò)展速率進(jìn)一步加快，泄油速率也進(jìn)一步提高。

圖6 不同溶劑體系的蒸汽腔泄油界面特征

圖7 不同溶劑體系的蒸汽腔泄油界面形態(tài)對(duì)比

通過泄油界面的進(jìn)一步對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，方案②溶劑具有明顯的脫瀝青現(xiàn)象，瀝青大量沉積在蒸汽腔內(nèi)部石英砂表面（石英砂表面顏色變暗）；實(shí)際油藏條件下，沉淀的瀝青將堵塞油層孔隙，降低油層滲流能力。方案③中添加了溶解瀝青的二甲苯，蒸汽腔內(nèi)部泄油界面處石英砂表面僅出現(xiàn)少量瀝青沉淀（石英砂表面顏色變亮），說明大量瀝青被溶解并被產(chǎn)出，有效降低了發(fā)生瀝青堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。方案③一方面可大幅降低原油黏度，同時(shí)可有效清除瀝青堵塞，為最佳方案。

3.2 生產(chǎn)動(dòng)態(tài)特征對(duì)比

圖8為3個(gè)方案的產(chǎn)油速率變化曲線，可以看到，方案①上產(chǎn)速度遠(yuǎn)低于方案②、方案③，方案①4.3 h后產(chǎn)油速率達(dá)到峰值，方案②、方案③產(chǎn)油速率達(dá)到峰值的時(shí)間分別為2.1 h和1.9 h；3個(gè)方案的峰值產(chǎn)油速率也相差較大，方案①為223 g/h，方案②、方案③分別為298，375 g/h，較方案①分別提高了33.6%和68.2%。

圖8 常規(guī)SAGD與ES-SAGD產(chǎn)油速率對(duì)比

采用本文修正模型，并考慮不同生產(chǎn)階段的實(shí)驗(yàn)溫度、壓力、注入流體參數(shù)等對(duì)運(yùn)動(dòng)黏度、可動(dòng)油飽和度的影響，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合（見圖8），對(duì)比實(shí)驗(yàn)產(chǎn)油速率與采用本文修正模型計(jì)算的結(jié)果可以看到：方案①的產(chǎn)量上升階段擬合效果較好，但在下降階段擬合較差，原因在于實(shí)驗(yàn)在4～6 h期間背壓閥高溫控壓局部失效，采注比達(dá)到了1.2～1.4，未能有效控制在1.1～1.2，導(dǎo)致該階段高產(chǎn)持續(xù)；過高的實(shí)際采注比引起注采井間發(fā)生汽竄，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)6 h后產(chǎn)量快速下降，因此實(shí)驗(yàn)與理論模型計(jì)算的結(jié)果誤差較大。實(shí)際油藏條件下操作控制引起的汽竄是影響生產(chǎn)的主要因素之一。方案②和方案③生產(chǎn)穩(wěn)定，擬合精度高。

方案②累計(jì)溶劑用量為：正己烷230.0 mL；方案③累計(jì)溶劑用量為：正己烷177.5 mL，二甲苯19.7 mL。方案②、方案③溶劑回采率分別為82.3%和86.1%，表明在封閉油藏中實(shí)施ES-SAGD具有較高的溶劑回采率，可避免溶劑漏失產(chǎn)生的效益損失。

圖9為不同方案采出程度對(duì)比，方案①采出程度為58.2%，方案②、方案③分別為67.9%和74.4%，比方案①分別提高了9.7%和16.2%，表明ES-SAGD一方面可以加速降黏，另一方面隨著黏度的降低，部分難動(dòng)用的邊部與底部原油得到動(dòng)用，從而提高了原油采出程度。對(duì)比方案②與方案③可知，方案③原油采出程度比方案②高6.5%，說明向蒸汽-溶劑體系中添加1.0%二甲苯可以充分發(fā)揮其對(duì)瀝青的溶解作用，減少瀝青沉淀，有效降低滲流阻力，原油更易采出。

圖9 常規(guī)SAGD與ES-SAGD采出程度對(duì)比

圖10為不同方案累計(jì)油汽比對(duì)比，方案①累計(jì)油汽比0.32 m3/m3，方案②、方案③分別為0.54，0.69 m3/m3，比方案①分別提高了69%和116%，表明采用ES-SAGD方式開發(fā)，利用少量溶劑替代蒸汽，可大幅提高泄油速率。實(shí)驗(yàn)過程中，方案②、方案③的溶劑回采率分別為82.3%和86.1%，經(jīng)測算，如重復(fù)利用溶劑，采用ES-SAGD方式開發(fā)，其總體噸油成本分別比方案①增加17.0%和23.0%，但鑒于其縮短生產(chǎn)周期、提高采出程度等方面的優(yōu)勢，應(yīng)用潛力巨大。

圖10 常規(guī)SAGD與ES-SAGD累計(jì)油汽比對(duì)比

4 結(jié)論

輕烴溶劑對(duì)原油的降黏效果從大到小依次排序?yàn)椋赫和椤⒄?、石腦油、二甲苯、柴油、正戊烷，50 ℃條件下原油中添加5%正己烷，降黏率可達(dá)96.5%。

蒸汽中添加輕烴溶劑后（本文實(shí)驗(yàn)中輕烴溶劑加量為10%），可發(fā)揮“溶劑溶油降黏+蒸汽高溫降黏”的雙重作用，加快蒸汽腔橫向擴(kuò)展速率，加快泄油速率，提高采出程度。

蒸汽-溶劑體系中添加1%二甲苯，可以充分發(fā)揮其對(duì)瀝青的溶解作用，減少瀝青沉淀，有效降低滲流阻力，進(jìn)一步提高采出程度。

重復(fù)利用溶劑，采用ES-SAGD方式開發(fā)，可實(shí)現(xiàn)利用少量溶劑替代蒸汽，雖目前成本略有偏高，但其具有提高泄油速度、縮短生產(chǎn)周期、提高采出程度等優(yōu)勢，應(yīng)用潛力巨大。

引入輕烴溶劑溶油降黏特征，對(duì)常規(guī)SAGD進(jìn)行修正后建立的ES-SAGD泄油理論模型，經(jīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合證實(shí)是可靠的，可用于ES-SAGD生產(chǎn)動(dòng)態(tài)預(yù)測。

符號(hào)注釋：

B3——相似系數(shù)，無因次；g——重力加速度，7.323 126×1010m/d2；h——模型或原型油藏厚度，m；i——混合油組分編號(hào)；K——絕對(duì)滲透率，m2；L——水平井水平段長度，m；m——黏溫曲線指數(shù)，無因次；n——混合油中溶劑與原油的組分?jǐn)?shù)量，無因次；q——原油產(chǎn)量，m3/d；t——時(shí)間，d；w——模型或原型油藏寬度，m；xi——混合油中各組分摩爾分?jǐn)?shù)，無因次；yi——混合油中各組分體積分?jǐn)?shù)，無因次；α——熱擴(kuò)散系數(shù)，m2/d；ΔSo——可動(dòng)油飽和度，%；μi——混合油中各組分的動(dòng)力黏度，mPa·s；μmix——混合油動(dòng)力黏度，mPa·s；νmix——混合油運(yùn)動(dòng)黏度，m2/d；ρi——混合油中各組分密度，g/cm3；ρmix——原始原油與輕烴溶劑混合油的質(zhì)量密度，g/cm3；φ——孔隙度，%。