井楼油田氮气辅助蒸汽吞吐机理实验研究

2013-09-20王洋蒋平葛际江张贵才刘清华

断块油气田 2013年5期

王洋，蒋平，葛际江，张贵才，刘清华

（中国石油大学（华东）石油工程学院，山东青岛 266580）

0 引言

蒸汽吞吐是目前国内开采稠油的主要方法，约有80%的稠油产量依靠该工艺获得［1-3］，其在美国、委内瑞拉、加拿大亦得到广泛应用。井楼油田是河南油田的主力油田，经过多轮次蒸汽吞吐开采后，面临地层能量不足、产量递减逐年增大、加热半径达到经济极限等问题，亟需转换生产方式。井楼油田高浅三区总含油面积为1.06 km2，地质储量96×104t，油层温度下脱气原油黏度为25 905 mPa·s，属特稠油油藏。氮气导热系数低，且具有很大的压缩系数，因此在普通稠油油藏蒸汽吞吐开发后，可以注入一定量的氮气以改善蒸汽吞吐开发效果［3-15］。本文通过实验研究了氮气辅助蒸汽吞吐开发特稠油油藏的机理，为此类油藏的开发提供了一定的理论依据。

1 实验装置及流程

1.1 实验装置

恒温箱、平流泵（北京卫星泵厂）、蒸汽发生器、岩心夹持器、回压阀、中间容器罐、ISCO恒压恒流泵、多点测温填砂管。

1.2 实验流程

1）测定不同温度下井楼油田高浅三区的原油混合氮气前后在岩心（直径2.5 cm，长度10～16 cm）中的渗流能力。实验温度为120℃和160℃，设置回压为地层压力，分别将不饱和氮气的原油和饱和氮气的原油注入岩心中，记录入口压力的变化以及出第1滴油时的压差。

2）填制2根渗透率2 μm2的填砂管，依次饱和地层水、原油后，分别使用氮气和蒸汽在恒压下驱替填砂管，记录出口端产出的原油体积。

3）填制2 μm2的填砂管，恒流速注入蒸汽，记录各测温点的温度；向该填砂管中注入氮气至没有水产出时，再次恒速注入蒸汽，并记录各测温点的温度。

4）填制2 μm2的填砂管，依次饱和地层水、原油后，地层温度条件下，先注入蒸汽驱替至不出油后注入氮气，同样驱替至不出油后再注入蒸汽；填制渗透率相当的填砂管，同时注入氮气和蒸汽驱替。实验过程中均计量产出液体积及驱替压差。

5）填制2 μm2的填砂管，依次饱和地层水、原油后，地层温度条件下，先注入蒸汽驱替至不出油后，再注入氮气驱替，同样驱替至不出油后再注入蒸汽驱替。实验过程中计量产出液体积及驱替压差。

2 实验结果及讨论

2.1 氮气改善稠油流动性实验

图1为不同温度下岩心驱替压差随时间的变化关系曲线。可以看出，在相同温度条件下，与饱和氮气的稠油相比，未饱和氮气的稠油在岩心中流动的启动压差较大，说明氮气对稠油流动性具有一定的影响。

图1 饱和氮气前后原油流动能力变化曲线

从饱和氮气前后的压差、黏度比值（见表1）可以看出：

1）混入氮气后，稠油的流动压差减小。

2）在120℃时，混入氮气后启动压差及平衡压差的比值大于160℃时启动压差及平衡压差的比值，而峰值压差的比值结果相反。

3）对于高浅三区原油，混入氮气后黏度的降低幅度略小于启动压差、峰值压差及平衡压差的降低幅度。

表1 饱和氮气前后的压差、黏度比值

2.2 氮气驱替实验

分别使用氮气和蒸汽驱替时的采收率曲线如图2所示。

图2 恒压条件下氮气、蒸汽驱提高采收率曲线

实验发现：氮气突破时间为9 min，蒸汽突破时间为16 min，这是由于注入的蒸汽在填砂管中流动时，随温度降低逐渐变为水，故其突破时间要长于氮气。相同压差下，当氮气突破后，其驱油效果明显比水差。这是由于相同压差下，氮气的流动速度高于水，而黏度远小于水，故其与原油的流度比大于水与原油的流度比，突破后氮气无法起到很好的驱油效果。实验也表明，蒸汽吞吐过程中宜采取先注入氮气再注入蒸汽的方式，以使氮气进入到地层深处，一定程度上延迟开井生产时氮气的突破时间。由于氮气的压缩性较好，所以使地层压力在较长时间内保持在一个较高的水平，从而提高采收率。

2.3 氮气对热量传播的影响

各测温点温度数据如图3所示。从图3中2—4号测温点的数据可以看出：

1）2种情况下，3个测温点的最终稳定温度大致相当，这表明注入大量蒸汽后，各测温点的极限加热温度相同。

2）向饱和氮气的填砂管中注入蒸汽时，各测温点温度开始大幅上升的时间要早于饱和蒸汽的填砂管，而温度上升速率则是前者略小于后者。这是由于在相同蒸汽注入量下，当存在氮气时，近井地带（近注入端

处）由于氮气隔热的作用消耗的热量较少，此时氮气由于饱和度较高，不会被完全驱出，所以蒸汽的线速度较高，可以较早地加热到远井地带（远离注入端处），蒸汽热量可以传播到更远的地层；当填砂管的整个孔隙被水饱和后，由于要加热近井地带的水，部分蒸汽热量被损耗，且此时蒸汽的纵向波及系数要高于管内为氮气时，因而在相同的注入流量下，蒸汽线速度较低，所以测温点测试到的温度上升速率会更快。蒸汽吞吐开发过程中，当进行了一定轮次的吞吐开采后，加热半径达到了一定的极限，此时注入氮气，其隔热效果可以使蒸汽的热量波及到更远的地层，扩大了后续蒸汽的加热半径，从而提高采收率。

图3 不同测温点数据采集曲线

2.4 氮气改善蒸汽吞吐开发效果

交替注入和同时注入蒸汽氮气以驱替原油的采收率曲线分别如图4和图5所示。从图中可以看出：

1）二者最终采收率大致相当，均约52%。

2）蒸汽驱后进行氮气驱替，仍有约10%的原油可以驱出，再进行蒸汽驱仍有油被驱出，而单纯氮气驱的采收率小于单纯蒸汽驱，即氮气驱油效率比蒸汽差，说明蒸汽和氮气的驱油通道并不完全相同。

3）注蒸汽后再注入氮气，氮气的采收率小于图6中直接注入氮气时的采收率，所以先前注入的蒸汽也采出了部分氮气通道内的油，即二者通道有部分是重叠的。

4）蒸汽和氮气同时注入的采收率，较单独注入蒸汽或氮气的采收率都要高。这是由于填砂管（油藏）多为水湿，注入蒸汽后，蒸汽主要沿岩石表面流动驱替原油；氮气为非润湿相，注入后主要沿孔道中心驱替原油；同时注入氮气和蒸汽，可以起到提高驱油效率的效果。

5）吞吐开采过程中，在注入氮气和蒸汽量一定的条件下，应选择先注入氮气再注入蒸汽。这是由于2种情况下，氮气起到的隔热作用大致相同，因而在相同的蒸汽注入量下，其热利用率大致相当。由于蒸汽与氮气混注时的驱油效果要好于先注入氮气再注入蒸汽，混注会将更多的原油驱至远井地带，而生产过程是氮气和蒸汽在相同压差下同时向井底流动，相当于实验过程中氮气跟蒸汽同时注入的过程，因此可以最大限度地提高采收率。

图4 蒸汽氮气交替注入驱油曲线

图5 氮气蒸汽同时注入驱油曲线

图6 氮气—蒸汽驱油曲线

2.5 氮气调剖实验

在蒸汽—氮气—蒸汽驱替实验中，注入氮气驱替出约7 cm3液体（油+水），即此时氮气占据孔道的体积为7 cm3，关闭填砂管两端的阀门，称量填砂管质量为2 218.6 g，再进行蒸汽驱，驱替结束后填砂管的质量为2 222.0 g，该过程中产油约4 cm3，增加质量4×（1-0.995 2）=0.179 2 g（该区块原油密度为 0.955 2 g/cm3），即第2次蒸汽驱后由氮气占据的7 cm3孔隙体积由水占据了2 222.0-2 218.6-0.179 2=3.220 8 cm3，氮气此时仍占有3.8 cm3左右的孔隙体积，氮气已不是连续相，多数以微气泡的形式存在，对蒸汽/水的流动产生一定的阻力。