稠油高压吞吐模拟实验装置开发与应用

2013-09-03胡绍彬曹广胜殷代印

实验室研究与探索 2013年8期

胡绍彬，曹广胜，殷代印

(东北石油大学石油工程学院，黑龙江大庆163318)

0 引言

蒸汽吞吐是开采稠油油藏的重要方法［1］，气体及化学剂辅助蒸汽吞吐是强化稠油蒸汽吞吐效果的有效方法［2-4］。蒸汽吞吐室内模拟实验是研究蒸汽吞吐或气体及化学剂辅助蒸汽吞吐开采机理、评价气体与化学剂辅助蒸汽吞吐效果、优化蒸汽吞吐操作参数的有效方法和手段。稠油吞吐室内模拟实验有助于石油工程专业学生加深对石油工程、提高原油采收率、特种油气藏开发等课程中所学理论知识的理解，是石油工程实验教学的重要组成部分。

蒸汽吞吐又叫周期性注蒸汽、蒸汽浸泡、蒸汽激产等。所谓蒸汽吞吐就是先向油井注入一定量的蒸汽，关井一段时间，待蒸汽的热能向油层扩散后，再开井生产的一种稠油增产方法。蒸汽吞吐的主要机理是加热降黏作用。稠油黏度高，难于流动，但其突出特征是对温度非常敏感。向油层注入250～350℃高温高压蒸汽和热水后，近井地带相当距离内的油层和原油被加热。形成的加热带中的原油黏度将由几千甚至几万mPa降低到几mPa，原油流向井底的阻力大大减小，流动系数成几十倍地增加，油井产量必然大增。

在室内开展稠油蒸汽吞吐模拟实验时，存在两个问题:①储能空间问题，在向填砂模型注入蒸汽、气体或化学剂进行模拟吞吐实验时，一方面因填砂模型为不锈钢材质做成，是刚性的，几乎不能发生膨胀与收缩变形;另一方面，填砂模型中填充模拟地层岩石的石英砂，石英砂粒间的孔隙空间在饱和水和油之后也已充满。这样，在向填砂模型注入流体时，填砂模型内没有空间容纳注入的流体，填砂模型本身也不能膨胀，结果导致流体无法注入，模拟吞吐实验的第一步“吞”无法实现。因此，开展室内模拟吞吐实验的实验装置需要具有模拟地层在实际蒸汽吞吐过程中所具有“吞”的能力，即提供空间，以容纳注入介质、存储能量。②保温问题，蒸汽吞吐开采稠油的主要原理之一是通过蒸汽将热量传递给稠油，使其黏度降低而容易流动和采出，因此蒸汽吞吐室内模拟实验装置必须具有保持注入热量的能力，使蒸汽吞吐实验能够顺利开展。

本文在分析稠油蒸汽吞吐工艺基本原理和室内模拟实验难题的基础上，自主设计并建造了一种稠油蒸汽吞吐、气体及化学剂辅助稠油高压吞吐室内模拟实验装置［5-7］，并将其用于实验教学。

1 实验装置设计开发

1．1 实验装置流程

为解决稠油蒸汽吞吐实验中填砂模型“吞”与“吐”的能力问题，采用在填砂模型的非注采端连接一个活塞容器作为流体暂存储能器。为解决蒸汽吞吐模拟实验所需的保温问题，填砂模型和储能器均设置可恒定温度的加热保温层，蒸汽发生器与填砂模型之间、填砂模型与储能活塞容器之间均采用保温管线进行连接。稠油高压吞吐模拟实验装置流程见图1。

1．2 实验装置构成及设计特点

稠油高压吞吐室内模拟实验装置主要包括注采系统、模拟地层的填砂模型、流体暂存储能系统三部分。

注采系统包括计量泵、气体容器、化学剂容器、蒸汽发生器、回压阀等，其中气体容器和化学剂容器均为耐腐蚀高压活塞容器，计量泵可满足具体实验的压力与排量要求。

填砂模型由缸体、端盖、支撑、加热保温层、填砂体等构成。缸体由耐腐蚀不锈钢材料制成，其内表面经过粗糙化处理，防止流体沿此表面发生窜流。填砂模型采用实验优选的合适粒径的石英砂进行填装。填砂模型的接口前装有过滤芯防止吞吐实验过程中石英砂流出堵塞阀门与管线。两端设置有测压点，以观测填砂模型中的压力变化。支撑可转动，以调节填砂模型的角度。

流体暂存储能系统包括活塞容器、加热保温层、计量泵、回压阀等。流体暂存储能器的体积与工作压力可满足具体实验要求，其工作介质可以是氮气或水。

填砂模型及储能活塞容器的加热保温层可以设置模拟实验的初始温度，蒸汽发生器与填砂模型之间以及填砂模型与储能器之间均采用保温管线连接。实验过程中可以保持注入的热量。

1．3 吞吐原理

进行稠油吞吐实验时，通过计量泵驱动注入体系完成“吞”的过程，即注入蒸汽、气体等流体。在“吞”过程中，与填砂模型非注采端相连的活塞容器的上部作为储能器，暂存“吞”过程中填砂模型中“多”出的流体。活塞容器下部注入高压(地层压力)N2或水作为储能工作介质。若以高压N2作为工作介质，由于填砂模型中压力因注入而持续升高，当高于N2压力时，N2被压缩，能量被存储起来，活塞下行，填砂模型中的流体进入暂存空间，注入可继续进行;若以水作为工作介质，则配合使用一回压阀，其压力可人为控制，当注入流体使填砂模型中流体压力高于回压阀的压力时，活塞下行，水排出并被计量，填砂模型中的流体进入暂存空间，注入可继续进行，直至“吞”结束。

在“吞”入流体并焖井后，开始“吐”的过程，即生产。此时，通过调节出口端回压阀的压力来控制生产压力或速度。在“吐”过程中，若采用N2作为工作介质，当填砂容器中的流体压力因产出而降低时，N2自动膨胀，释放暂存的能量，使“吐”继续进行，直至活塞上行至顶;若以水作为暂存工作介质，则采用计量泵往储能活塞容器下部注水来完成“吐”的过程。

2 实验装置应用

所研制的稠油高压吞吐实验装置可以开展冷采［8］、油藏加热、注蒸汽、注、注 CO、注烟道气［13］、注多元热流体(蒸汽 +N2+CO2)、注化学剂［14］等不同吞吐激励方式的模拟实验，还可开展汽窜调剖［15］等实验，具有多种用途。

2．1 实验材料

实验用水为模拟地层水;砂为实际油层砂;油为普通稠油，其物性参数如下:密度0．986 4 g/cm3(20℃);运动黏度1 572．6 mPa·s(脱气原油，56℃);凝固点38．5 ℃;含硫0．25%;平均相对分子质量 575 g/mol，馏程 0．7(＜250 ℃);8．2(250 ～350 ℃)，族组成:饱和烃26．62%;芳烃17．30%;非烃27．19%;沥青质28．71%。

2．2 实验方法

(1)清洗油砂并进行模型填装。在模拟地层温度(56℃)下以驱替的方式给填砂模型饱和水、油。填砂模型体积5．1 L，孔隙体积 1．179 L，束缚水量 0．536 L，饱和油量1．25 L。

(2)冷采实验。①储能活塞容器装满原油，使活塞置底，按照图1连接好实验装置，设置填砂模型和储能器的初始温度(56℃);②通过储能活塞容器定压注油驱替，采出端控制回压稳定开采，记录采油速度和采水速度，并记录压力变化，至采油速度稳定。

(3)单纯加热激励实验。① 储能活塞容器装满原油，使活塞置底，按照图1连接好实验装置，储能器恒温在56℃，填砂模型恒温在80℃，保持12 h;②通过储能活塞容器定压注油驱替，采出端控制回压稳定，记录采油速度和采水速度，直至采油速度与冷采相当。

(4)注蒸汽吞吐实验。① 储能活塞容器下部注入水作为工作介质使活塞置顶，按照图1连接好实验装置，设置好填砂模型和储能器的初始温度(56℃);②从注采端注入设计量的高温蒸汽，当填砂模型中的流体压力超过储能器回压阀的压力(地层压力)时，流体进入储能空间，活塞下行，储能器下部的水通过回压阀流出，记录放出水量V;③ 完成注入量后，按照设计时间焖井;④通过储能活塞容器定压回注驱替，采出端控制回压稳定，记录采油速度和采水速度，直至回注体积达到V。

2．3 实验结果与分析

以采油指数作为指标比较不同压力下不同激励方式的开采效果。采油指数的定义为单位生产压差下的采油速度，其定义式为

式中:J为采油指数;q为采油速度;Δp为生产压差。实验注入参数及根据实验结果计算的J见表2。

从表2可以看出，温度和压力对稠油的采油指数影响非常明显，在56℃(模拟油藏温度)下仅为28．0 mL/(min·MPa)(10 MPa)和 26．9 mL/(min·MPa)(6 MPa);加热至80℃时，平均采油指数增至80．4 mL/(min·MPa)(10 MPa)和 56．0 mL/(min·MPa)(6 MPa)。

注蒸汽吞吐激励后稠油的采油指数较冷采有明显提高，且采油指数随着蒸汽温度提高而增大，蒸汽温度从120℃提高至240℃时，平均采油指数由36．0 mL/(min·MPa)增至 66．7 mL/(min·MPa)，增加了0．85倍。注蒸汽吞吐激励后采油指数可达冷采的1．3～2．5倍。

3 结语

实际应用表明，设计并建造的稠油高压吞吐模拟实验装置具有良好的实验应用效果，是研究蒸汽吞吐或气体及化学剂辅助蒸汽吞吐开采机理、评价气体及化学剂辅助蒸汽吞吐效果、优化蒸汽吞吐操作参数的有效手段。该实验装置具有实验结果明确、可操作性强、可开展实验多种多样等特点，适合学生通过改变注入介质类型，调整注采参数等方法自行设计和开展综合性、设计性、创新性实验，可使学生对理论知识有更深刻的理解，激发其创造兴趣，提高学生的创新能力、科研能力及动手能力。