稠油油藏CO2與化學(xué)劑協(xié)同強(qiáng)化蒸汽驅(qū)機(jī)制

倫增珉 王海濤 張超 李賓飛 劉雅莉 李兆敏

摘要：為解決單一注蒸汽開發(fā)技術(shù)難以突破在稠油深部的攜熱運(yùn)移問(wèn)題，提出加入CO2與化學(xué)劑協(xié)同輔助注蒸汽開發(fā)技術(shù)。該技術(shù)不僅可降低蒸汽無(wú)效散熱，還能擴(kuò)大蒸汽攜熱運(yùn)移距離。同時(shí)，以CO2輔助蒸汽熱采并用于稠油開發(fā)的方式可有效捕獲和封存CO2，有助于控制溫室氣體排放。結(jié)果表明：CO2與化學(xué)劑注入后能夠吸附在蒸汽冷凝介質(zhì)表面形成隔熱膜，阻礙蒸汽與傳熱介質(zhì)間的熱交換，“緩釋”蒸汽熱量，增加蒸汽攜熱運(yùn)移距離，從而起到動(dòng)用深部地層原油的目的；CO2與化學(xué)劑協(xié)同作用下，蒸汽熱損降低了5.48%，采收率提高了14.5%；研究結(jié)果可為氣體與化學(xué)劑輔助蒸汽驅(qū)開發(fā)方式的優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：蒸汽驅(qū)； 稠油； 二氧化碳； 化學(xué)劑； 深部攜熱

中圖分類號(hào)：TE 355 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

引用格式：倫增珉，王海濤，張超，等.稠油油藏CO2與化學(xué)劑協(xié)同強(qiáng)化蒸汽驅(qū)機(jī)制［J］.中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2023，47（6）：72-79.

LUN Zengmin， WANG Haitao， ZHANG Chao， et al. Mechanisms of synergistic enhancement of steam flooding by CO2 and chemical agents in heavy oil reservoirs［J］.Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Science），2023，47（6）：72-79.

Mechanisms of synergistic enhancement of steam flooding by

CO2 and chemical agents in heavy oil reservoirs

LUN Zengmin1， WANG Haitao1， ZHANG Chao2，3， LI Binfei2，3， LIU Yali2，3， LI Zhaomin2，3

（1.SINOPEC Petroleum Exploration & Production Research Institute， Beijing 100083， China;

2.Key Laboratory of Unconventional Oil & Gas Development （China University of Petroleum （East China）），

Ministry of Education， Qingdao 266580， China;

3.School of Petroleum Engineering in China University of Petroleum（East China）， Qingdao 266580， China）

Abstract： In order to solve the problem that steam injection alone is difficult for heat transport into the deep layers of heavy oil reservoir， a steam injection technique assisted by adding carbon dioxide （CO2） and chemical agents was proposed and investigated in this study. This technique can not only reduce the ineffective heat dissipation of steam， but also can expand the heat transport distance of steam. At the same time， CO2 can be effectively captured and sequestered in the heavy oil reservoir， which is beneficial for greenhouse gas emission reduction. The results show that CO2 and chemical agents can adsorb on the surface of steam condensing medium to form a heat insulation film， which can hinder the heat exchange between steam and heat transfer medium， slow down the heat release process， increase the heat transport distance of the steam， and thus mobilize the heavy oil from the deep formation. The experimental results show that the steam heat loss can be reduced by 5.48% with oil recovery rate increased by 14.5% under the synergistic effect of CO2 and chemical agents. The results can provide theoretical guidance for the optimization of the gas and chemical-assisted steam flooding technique.

Keywords： steam flooding; heavy oil; carbon dioxide; chemical agent; deep heat transfer

稠油資源的開發(fā)和利用在石油工業(yè)中具有重要的地位，但稠油在其開采過(guò)程中具有很大的困難。在開采過(guò)程中，深部油藏稠油的高黏度和高密度為開采帶來(lái)了很大的困難［1-2］。蒸汽驅(qū)作為一種熱采形式，在稠油油藏生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用。然而對(duì)于埋藏深、黏度大、地層壓力高的深層稠油油藏，常規(guī)蒸汽驅(qū)注汽困難［3］。且在蒸汽驅(qū)中后期，易發(fā)生蒸汽超覆和竄流等現(xiàn)象，導(dǎo)致油層吸氣剖面不均勻、注入的蒸汽無(wú)效循環(huán)［4-6］。面對(duì)以上問(wèn)題，提出了CO2及化學(xué)劑協(xié)同輔助蒸汽熱采技術(shù)［7］。該技術(shù)的基本原理是通過(guò)CO2發(fā)揮溶解降黏、膨脹原油、補(bǔ)充地層能量、攜帶熱蒸汽等作用，并結(jié)合化學(xué)劑進(jìn)一步降低稠油黏度，增強(qiáng)其流動(dòng)性［8-11］。在注氣輔助稠油蒸汽驅(qū)的研究中，也包含采用注氮?dú)?、空氣輔助蒸汽驅(qū)技術(shù)，但是使用CO2更符合能源行業(yè)減碳目標(biāo)［12］。同時(shí)，在高溫影響下CO2熱導(dǎo)率較低，上浮至油藏頂部可形成氣體隔熱層，也可有效減少熱損。另外，當(dāng)蒸汽前緣隨著溫度降低出現(xiàn)冷凝水時(shí)，CO2、化學(xué)劑、油、冷凝水混合而成的乳狀液等多相流體可封堵高滲通道，降低流體驅(qū)動(dòng)能量的損耗，最終提高稠油采收率［13］。綜上所述，相較于常規(guī)蒸汽驅(qū)，CO2與化學(xué)劑輔助蒸汽驅(qū)技術(shù)的注入性更強(qiáng)，對(duì)稠油具有多重降黏作用，更適應(yīng)深層超稠油的開采。筆者開展純蒸汽冷凝傳熱以及CO2與化學(xué)劑協(xié)同輔助蒸汽驅(qū)油試驗(yàn)。以三相相互作用改變蒸汽冷凝傳熱性質(zhì)的全新研究角度，對(duì)比探究不同因素對(duì)稠油熱采傳熱過(guò)程的影響機(jī)制。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)儀器和材料

試驗(yàn)所用蒸汽由蒸汽發(fā)生器注水預(yù)熱生產(chǎn)，超純水由UPT-I-10T凈水器（四川優(yōu)普超純科技有限公司）生產(chǎn)。超純水的電阻率為18.2 MΩ·cm。試驗(yàn)所用CO2由青島天源氣體制造有限公司（中國(guó)）提供，純度（物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)）為99.9%。試驗(yàn)所用化學(xué)劑為十二烷基硫酸鈉（SDS），質(zhì)量分?jǐn)?shù)設(shè)定為0.5%，由Sigma（美國(guó)）提供。在CO2與化學(xué)劑輔助裝蒸汽驅(qū)油試驗(yàn)中所用模擬油由勝利油田提供，黏溫曲線如圖1所示。

模擬油中飽和分、芳香分、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為39.40%、32.81 %、22.76%和3.356%，模擬油在50 ℃下的黏度為2100 mPa·s。

在蒸汽滲流傳熱試驗(yàn)中，所用試驗(yàn)裝置如圖2所示。該裝置包含蒸汽注入系統(tǒng)、蒸汽傳熱系統(tǒng)、冷凝循環(huán)系統(tǒng)以及采出液分離系統(tǒng)。

蒸汽發(fā)生器為GL-01型，最高溫度為350 ℃；柱塞泵選用美國(guó)Teledyne ISCO柱塞泵，最高壓力20 MPa，流速精度為0.1 mL/min；氣體流量計(jì)選用SLA5850S型，測(cè)量精度為0.01 mL/min；量筒精度為0.1 mL；冷凝室尺寸為140 mm×20 mm×300 mm，由不銹鋼框架制成，正面具有可視窗，背面與冷凝循環(huán)系統(tǒng)相連，提供過(guò)冷度。冷凝塊安裝在冷凝室內(nèi)，結(jié)構(gòu)尺寸如圖3所示。

冷凝塊凝結(jié)表面經(jīng)過(guò)打磨、清洗及烘干氧化等處理，側(cè)面采用聚四氟乙烯進(jìn)行絕熱處理，冷凝塊鑲嵌5個(gè)K型熱電偶， K型熱電偶的測(cè)量精度為0.01 ℃。

利用帶測(cè)溫裝置和絕熱層的一維填砂管模型，首先進(jìn)行純蒸汽熱采時(shí)采收率的研究。在此基礎(chǔ)上開展CO2-化學(xué)劑協(xié)同提高蒸汽熱采采收率研究。通過(guò)對(duì)比溫度變化、產(chǎn)油規(guī)律差異等進(jìn)一步分析并驗(yàn)證CO2及化學(xué)劑協(xié)同影響蒸汽傳熱，進(jìn)而提高蒸汽驅(qū)采收率的機(jī)制。

CO2與化學(xué)劑輔助蒸汽驅(qū)熱采的試驗(yàn)設(shè)備如圖4所示?；貕洪y為海安石油科研儀器公司生產(chǎn)，精度為0.1 MPa。燒杯量程為1～100 mL，精度為0.1 mL。

一維填砂管由海安石油科研儀器公司生產(chǎn)，規(guī)格為Ф2.54 cm×60 cm；填砂管上均勻分布5個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，中間3個(gè)測(cè)溫點(diǎn)分別位于距離入口5、30 和55 cm的位置處；為減小填砂管散熱，其內(nèi)壁裝有樹脂隔熱層，填砂管實(shí)物如圖5所示。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 CO2-化學(xué)劑促進(jìn)蒸汽滲流傳熱試驗(yàn)

（1） 檢測(cè)冷凝室氣密性，開始冷卻液預(yù)循環(huán)和冷凝室預(yù)熱，設(shè)定蒸汽發(fā)生器溫度為250 ℃，蒸汽注入速度設(shè)定為5 mL/min當(dāng)量水，冷卻液溫度設(shè)定為20 ℃，進(jìn)行純蒸汽冷凝傳熱試驗(yàn)。

（2）在冷凝塊表面涂抹一層制備好的質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%的SDS。然后組裝冷凝室并檢測(cè)氣密性。從冷凝室上端入口以10 mL/min（常溫常壓下）速度注入CO2與蒸汽，進(jìn)行CO2與化學(xué)劑協(xié)同促進(jìn)蒸汽冷凝傳熱試驗(yàn)。

（3） 試驗(yàn)過(guò)程中觀察冷凝塊表面蒸汽凝結(jié)現(xiàn)象，記錄冷凝塊溫度變化，并測(cè)量冷凝水析出效率。

（4）當(dāng)冷凝塊表面溫度達(dá)到穩(wěn)定后，認(rèn)為蒸汽傳熱過(guò)程達(dá)到穩(wěn)定。改變非凝析氣體注入速度并通過(guò)調(diào)節(jié)冷卻液溫度改變過(guò)冷度［14］，重復(fù)試驗(yàn)步驟（2）～（3）。

1.2.2 CO2-化學(xué)劑輔助蒸汽熱采提高稠油采收率試驗(yàn)

（1）采用0.0125和 0.0178 cm的石英砂混合填充填砂管，檢查填砂管氣密性。抽真空4 h，并以1 mL/min的速度飽和水測(cè)量填砂管水測(cè)滲透率。

（2）將飽和水后的填砂管置于恒溫箱中，設(shè)置溫度80 ℃，以0.5 mL/min的速度飽和油，直至填砂管出口端產(chǎn)出油，飽和油過(guò)程完成后進(jìn)行純蒸汽驅(qū)油及CO2與化學(xué)劑輔助蒸汽驅(qū)油試驗(yàn)。

（3）將蒸汽發(fā)生器溫度設(shè)置為250 ℃，首先在填砂管中注入1VP（VP為孔隙體積）化學(xué)劑段塞，再以1.5 mL/min當(dāng)量水注入蒸汽，以10 mL/min（常溫常壓下）注入CO2，記錄驅(qū)油過(guò)程中填砂管上各測(cè)溫點(diǎn)的溫度變化，同時(shí)監(jiān)測(cè)產(chǎn)油產(chǎn)氣數(shù)據(jù)。

（4）當(dāng)產(chǎn)出液中含水率超過(guò)98 %且填砂管上溫度達(dá)到穩(wěn)定后，停止試驗(yàn)。改變蒸汽、CO2注入速度及化學(xué)劑用量、注入方式等參數(shù)，重復(fù)步驟（1）～（3）。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 蒸汽滲流傳熱試驗(yàn)

2.1.1 CO2及化學(xué)劑影響蒸汽傳熱機(jī)制

在純蒸汽注入狀態(tài)下，分別研究蒸汽注入速度、注入溫度以及過(guò)冷度對(duì)冷凝塊表面溫度的影響，如圖6所示。

如圖6（a）所示，以250 ℃的蒸汽注入，隨著蒸汽注入速度的升高，蒸汽傳熱最終穩(wěn)定溫度逐漸攀升，但整體傳熱規(guī)律保持一致線性增長(zhǎng)。隨著過(guò)冷度增加，熱蒸汽與冷凝塊間的傳導(dǎo)熱及對(duì)流換熱過(guò)程增強(qiáng)，促進(jìn)冷凝換熱。最終，當(dāng)過(guò)冷度為60 ℃、蒸汽注入速度為20 mL/min時(shí)的蒸汽穩(wěn)定溫度最高，為87.81 ℃。

由圖6（b）可以看出，蒸汽注入速度為20 mL/min時(shí)蒸汽注入溫度對(duì)最終蒸汽穩(wěn)定傳熱后的溫度影響較大。純蒸汽注入過(guò)程中熱損較大，高達(dá)64.9%。因此需要考慮通過(guò)添加非凝析氣體或化學(xué)劑降低蒸汽熱損，提高蒸汽熱利用率［15-18］。

將CO2與熱蒸汽混合，在過(guò)冷度60 ℃、蒸汽注入溫度250 ℃條件下，以10 mL/min的速度注入冷凝室，通過(guò)測(cè)量帶有化學(xué)劑涂層的冷凝塊上的溫度分布驗(yàn)證CO2及化學(xué)劑對(duì)蒸汽無(wú)效熱損的抑制作用，結(jié)果如圖7所示。

通過(guò)對(duì)比圖7與圖6（a）可以看出，同樣的蒸汽注入溫度（250 ℃）、注入速度（10 mL/min）、過(guò)冷度（60 ℃）下，當(dāng)純蒸汽注入時(shí)，冷凝塊表面蒸汽傳熱穩(wěn)定溫度平均為87.81 ℃。而當(dāng)加入CO2以及化學(xué)劑涂層（SDS）后，蒸汽最終穩(wěn)定溫度在測(cè)溫點(diǎn)1處升高至101.5 ℃，蒸汽熱損從純蒸汽注入時(shí)期的64.9 %降低至59.4 %。在實(shí)際開發(fā)環(huán)境中，冷凝塊所模擬的巖石骨架會(huì)在溫差驅(qū)動(dòng)下增加注入蒸汽的無(wú)效散熱，使蒸汽熱量大量流失在近井地帶，而無(wú)法驅(qū)動(dòng)遠(yuǎn)端稠油。試驗(yàn)結(jié)果證明，通過(guò)加入CO2及化學(xué)劑可有效降低蒸汽在冷凝塊表面的熱損失。

2.1.2 CO2與化學(xué)劑對(duì)蒸汽冷凝形式的影響

當(dāng)蒸汽與冷凝塊表面接觸時(shí)呈現(xiàn)兩種不同的凝結(jié)方式。如果凝結(jié)液能夠很好地潤(rùn)濕壁面，在壁面上鋪展成膜，這種凝結(jié)形式稱為膜狀凝結(jié)，此時(shí)凝結(jié)放出的相變潛熱必須穿過(guò)液膜才能傳遞到冷卻壁面上，因此液膜構(gòu)成了換熱的主要熱阻［19-20］。當(dāng)凝結(jié)液不能很好地潤(rùn)濕壁面而是在上面形成一個(gè)個(gè)小液珠時(shí)稱為珠狀凝結(jié)，受重力作用，液珠長(zhǎng)大到一定尺寸后沿壁面滾下，清掃了沿途的液珠，使壁面裸露進(jìn)而重復(fù)液珠的形成和成長(zhǎng)過(guò)程，在此形式下，由于接觸面積增加，會(huì)加劇蒸汽與凝結(jié)表面的換熱［21］。

純蒸汽注入過(guò)程中冷凝塊表面的凝結(jié)現(xiàn)象如圖8所示。可以看出，純蒸汽注入下在冷凝塊表面呈現(xiàn)明顯的珠狀凝結(jié)，且冷凝水珠快速形成、頻繁脫落，冷凝周期較短。

加入CO2及化學(xué)劑后的冷凝塊表面注蒸汽凝結(jié)現(xiàn)象如圖9所示?？梢钥闯?，在加入CO2及化學(xué)劑后，冷凝塊表面的蒸汽凝結(jié)現(xiàn)象為膜狀凝結(jié)，此時(shí)冷凝水滴形成、脫落較慢，冷凝周期明顯長(zhǎng)于純蒸汽時(shí)，達(dá)到3.2 min。

在對(duì)比有、無(wú)CO2及化學(xué)劑條件下的蒸汽冷凝傳熱試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，CO2及化學(xué)劑會(huì)在蒸汽與冷凝塊中產(chǎn)生一層“阻膜”，使蒸汽與冷凝塊的接觸量降低，熱傳遞減少。該“阻膜”的形成一方面是由于涂抹的SDS涂層，另一方面是由于加入CO2后在流動(dòng)過(guò)程中氣體分子和蒸汽分子都向著冷凝塊表面運(yùn)動(dòng)。蒸汽分子由于冷凝后聚集下落而在冷凝塊表面減少，但氣體分子不會(huì)凝結(jié)而聚集在冷凝塊表面上，而是在冷凝塊表面形成一層相對(duì)高濃度的氣體富集層，該富集層就是氣膜［22-24］。

2.2 強(qiáng)化蒸汽熱采提高稠油采收率試驗(yàn)

2.2.1 填砂管溫度壓力分布特征

在純蒸汽驅(qū)油及CO2-化學(xué)劑輔助蒸汽驅(qū)油過(guò)程中，根據(jù)溫度探針測(cè)量結(jié)果描述蒸汽溫度傳遞結(jié)果，如圖10所示。

保持試驗(yàn)環(huán)境溫度為65 ℃，蒸汽注入溫度250 ℃。在純蒸汽注入階段，溫度探針最高溫度為179.3 ℃，而加入CO2及化學(xué)劑后，最高溫度提升至192.3 ℃。且加入CO2與化學(xué)劑后，測(cè)溫點(diǎn)3、4、5的溫度都有明顯提升，充分說(shuō)明蒸汽的熱傳遞距離得到了提升，實(shí)現(xiàn)了蒸汽與填砂管深部位置的熱交換。從升溫時(shí)間上看，對(duì)比測(cè)溫點(diǎn)3的溫度提高時(shí)間，當(dāng)純蒸汽注入時(shí)，在約150 min后測(cè)溫點(diǎn)3的溫度才開始攀升，而加入CO2與化學(xué)劑后，從98 min測(cè)溫點(diǎn)3的溫度開始增加，這說(shuō)明在CO2的攜帶作用下蒸汽傳輸速度增加，且蒸汽在注入端的熱損減少，更多的蒸汽熱量用于稠油降黏。

化學(xué)劑用量對(duì)蒸汽熱傳遞的影響如圖11所示?；瘜W(xué)劑注入量對(duì)蒸汽在模型內(nèi)的熱量傳遞影響較大：一方面，由于化學(xué)劑注入溫度較蒸汽低，注入量越大，導(dǎo)致的降溫過(guò)程就越長(zhǎng)；另一方面，化學(xué)劑的注入能夠有效封堵大孔道，避免蒸汽的竄流與過(guò)度散熱。當(dāng)化學(xué)劑注入量為0.1VP與0.2VP時(shí)，雖然化學(xué)劑注入后的升溫過(guò)程略有不同，但溫度探針最終穩(wěn)定溫度變化不大。當(dāng)化學(xué)劑注入量增加至0.3VP時(shí)，溫探1的最終穩(wěn)定溫度有較大提升，說(shuō)明此時(shí)注入的化學(xué)劑起到了封堵蒸汽高滲通道的作用，使得較多的蒸汽熱量滯留在注入端，蒸汽傳熱效果增強(qiáng)。

純蒸汽驅(qū)替及CO2-化學(xué)劑輔助蒸汽驅(qū)替過(guò)程中填砂管壓力的變化如圖12所示。

由圖12可以看出：當(dāng)純蒸汽注入時(shí)，初期壓力上升，壓力最高達(dá)2.418 MPa；當(dāng)驅(qū)替試驗(yàn)進(jìn)行到210 min時(shí)，稠油開始被驅(qū)出，同時(shí)氣竄通道出現(xiàn)，壓力急速下降。而對(duì)比加入CO2及化學(xué)劑后，注入的化學(xué)劑段塞與氣體和蒸汽前緣的冷凝水混合后，受滲流作用能夠形成油水乳狀液或泡沫，有效封堵了蒸汽竄流形成的高滲透率大孔道，因此壓力最高達(dá)2.539 MPa，且壓力曲線在約295 min時(shí)才開始下降，對(duì)比純蒸汽注入時(shí)期下降較緩。

2.2.2 產(chǎn)液特征

不同驅(qū)替方式下的產(chǎn)油速度如圖13所示。從圖13中可以看出：蒸汽驅(qū)油時(shí)原油產(chǎn)出較為平穩(wěn)；加入二氧化碳與化學(xué)劑后驅(qū)油速度持續(xù)提高，最高驅(qū)油速度從2.5 mL/min增加至3.0 mL/min；加入化學(xué)劑后，雖然產(chǎn)油速度有一定提升，但后期產(chǎn)油速度較低，且當(dāng)氣竄發(fā)生后產(chǎn)油速度波動(dòng)較大。

純蒸汽驅(qū)油與CO2及化學(xué)劑輔助蒸汽驅(qū)油的采出程度如圖14所示。

觀察圖14采收率曲線可知，當(dāng)進(jìn)行純蒸汽吞吐時(shí)最終采收率為17.6%，注入CO2的最終采收率為32.1 %。對(duì)比純蒸汽，注入化學(xué)劑及CO2后最終采收率增長(zhǎng)了14.5 %。在蒸汽驅(qū)過(guò)程中注入化學(xué)劑和CO2都有能夠提高采收率的因素，CO2在原油中的溶解度較高，原油溶解CO2后黏度的降幅大［25-26］；其次，CO2的注入會(huì)降低油水界面的張力，使原油和水在流度方面非常相近，因而油水流度比得到改善；同時(shí)隨著CO2溶解量的上升，原油體積膨脹起到溶解氣驅(qū)的作用，從而提高原油采收率。

3 結(jié) 論

（1）純蒸汽的冷凝模式接近于珠狀凝結(jié)，在加入CO2與化學(xué)劑后變?yōu)槟钅Y(jié)。CO2會(huì)在蒸汽與冷凝塊凝結(jié)表面中產(chǎn)生一層氣膜，使蒸汽與冷凝塊的接觸量降低。于是蒸汽冷凝周期變長(zhǎng)，冷凝效率下降。

（2）在CO2與化學(xué)劑輔助蒸汽滲流傳熱過(guò)程中，隨著CO2注入流量增大，CO2攜帶蒸汽，能夠更快地將更多熱量攜帶至模型深部，所以模型深部溫度對(duì)比純蒸汽注入時(shí)期從179.3 ℃升高至192.3 ℃。

（3）與純蒸汽驅(qū)相比，CO2與化學(xué)劑輔助蒸汽驅(qū)將采收率提高了14.5 %。CO2的加入可以起到稠油降黏、擴(kuò)大蒸汽熱波及范圍、膨脹原油、增能助排等作用?；瘜W(xué)劑可與氣體、蒸汽前緣冷凝水混合后形成乳狀液及泡沫，封堵高滲大孔道，避免蒸汽氣竄，使更多的蒸汽傳遞至油藏深部。

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