注空气改善稠油油藏蒸汽吞吐开采效果的实验研究
2018-11-30赵庆辉冷光耀
赵庆辉,冷光耀,彭 旭
(1.辽河油田公司 勘探开发研究院,辽宁 盘锦 124010; 2.国家能源稠(重)油开采研发中心,辽宁 盘锦 124010)
引 言
辽河油田普通稠油资源丰富,蒸汽吞吐方式虽然取得了较好的开发效果,但是经过多年的开发,目前多数主力区块已经进入吞吐中后期,面临吞吐轮次高、地层压力低、油汽比低、产量递减加快等问题,蒸汽吞吐开发经济效益明显变差,已接近开发经济技术界限,常规的蒸汽吞吐技术已经不能满足油田高效经济开发,如何改善蒸汽吞吐开发效果是目前亟需解决的关键问题[1-8]。空气辅助蒸汽吞吐是改善蒸汽吞吐开发效果的一项新技术,具有气源广阔、无污染、成本低等诸多优点,在蒸汽注入过程中,由于空气的加入,使得空气辅助蒸汽吞吐方式比常规蒸汽吞吐作用机理更加复杂[9-17]。在室内利用物理模拟等实验手段对比分析了空气辅助蒸汽吞吐和常规蒸汽吞吐的开采效果,研究了二种生产方式的作用机理、生产特征和产出流体变化规律,为辽河油田普通稠油油藏改善蒸汽吞吐开发效果提供了新的思路。
1 实验部分
1.1 实验设计
物理模型的设计应满足几何相似、运动相似和动力相似。但从相似理论设计角度分析,在同一物理模拟中难以同时实现多个相似准则,只能侧重局部模拟。空气辅助蒸汽吞吐过程中由于增加了空气,其驱油机理及数学模型比如空气与蒸汽、原油之间的相互作用,体系压力-温度变化规律比单一注蒸汽更加复杂。本文建立模型的相似设计主要有气汽比(60:1),闷井时间(原型5 d,模型10 min)。
1.2 实验材料和设备
实验用油采用辽河油田某区块脱水原油,50 ℃时原油黏度2 463 mPa·s;实验用砂采用60~100目复配的石英砂,空气是由空气压缩机制得的高压空气。
(1)溶气原油物性分析实验设备主要包括高温高压PVT筒和落球黏度计。高温高压PVT筒用于将空气与原油充分溶解,落球黏度计用于测量高温高压油样黏度。
(2)低温氧化反应热效应分析实验设备为NETZSCH DSC 204 HP分析仪,主要由流量、压力控制器,电子测量单元,TASC414/4控制器,基本测量单元,压力、流量控制系统组成。
(3)蒸汽吞吐实验设备由注入系统、模型本体、测控单元、产出液体分离与计量系统和数据采集与处理软件五部分组成。注入系统包括高压恒速泵、蒸汽发生器、气体增压泵和气体流量计;模型本体为圆柱体,直径10 cm,长度40 cm,采用隔热材料保温,在模型内部沿长度方向均匀布设4排5层共20个测温点,测温点在模型内部的长度为2.5 cm,同层相邻两个测温点之间夹角为90°;测控单元采用先进的测控技术对系统不同位置温度、压力进行监控;产出液体分离与计量系统由高温高压大流量回压控制器、油水分离装置组成;数据采集与处理软件能够根据模型特点建立网格模型,通过数据采集板卡将模拟信号转换成数字信号,通过计算机记录。实验流程见图1。
图1 实验流程Fig.1 Experimental process
1.3 实验内容
(1)溶气原油物性分析实验。在高温高压PVT筒中装入一定质量的原油,将空气注入PVT筒中后通过泵驱替筒中活塞控制混合体积,搅拌均匀,测定不同压力下的原油物性参数。
(2)低温氧化反应热效应分析实验。用DSC分析仪测定,实验反应气为空气,保护气N2,升温速率为2 K/min,试样质量约5 mg,在不同压力下开展平行实验。
(3)蒸汽吞吐实验方法:①模型填砂2 967.3 g,抽真空饱和水,计算孔隙度37%,建立初始温压系统。②通过油驱水建立束缚水饱和度,得到饱和油836.5 mL,含油饱和度为72%,束缚水饱和度28%。③从生产井以恒定速度注入高温蒸汽,至实验压力11 MPa停止,关闭所有阀门,焖井10 min。④调整回压阀,在回压2 MPa下进行开采,直到模型内压力降低到回压且没有流体流出为止。⑤常规蒸汽吞吐过程是重复③、④步骤,直到11周期。空气辅助蒸汽吞吐实验是在常规蒸汽吞吐到第7周期开始,按照一定的气汽比先注入空气再注蒸汽到压力为11 MPa,其他步骤与常规生产相同,直至吞吐到11周期结束。
2 结果与讨论
2.1 空气对稠油物性的影响
表1列出了不同压力条件下溶解气体后原油物性分析数据。实验结果表明,原油溶解空气后,体积膨胀,密度减小,黏度大幅度下降。溶气后原油的黏度和密度随压力的增大而降低,当压力为15 MPa时,原油黏度为841.6 mPa·s,下降幅度最大,降黏率16.69%。原油黏度下降有利于降低流动过程中黏滞阻力,提高渗流能力;原油的气油比随压力的增大而增加,饱和压力下气油比最大,为7.7m3/t;体积系数随压力的增加也增大,体积系数越大,原油体积膨胀越大,弹性能量增加越多,有利于提高地层压力和流动压差,提高驱油效率。
表1 溶解气体后的原油物性实验结果Tab.1 Physical properties of dissolved gas crude oil
2.2 低温氧化反应热效应分析
通过DSC实验测得不同压力下原油放热量与温度的关系曲线,如图2所示。不同压力下的放热曲线整体变化趋势是相同的,随着温度的升高放热量增加,同一温度下压力越大放热量越多,说明氧气与原油低温氧化反应越剧烈,放出的热量可以使原油黏度降低,并提高蒸汽的热焓。6 MPa下270 ℃时原油低温氧化反应放热量为474 J/g,1 kg原油低温氧化反应放出的总热量相当于2.4 kg、100 ℃饱和蒸汽具有的热焓值,具有一定的加热降黏作用。
图2 放热量与温度的关系Fig.2 Relationship between heat release and temperature
2.3 不同吞吐方式波及特征
开展了常规蒸汽吞吐和空气辅助蒸汽吞吐二组物理模拟实验,共吞吐11个周期,空气辅助蒸汽吞吐实验是从第7个周期开始注空气。7~11周期的蒸汽用量分别为91.4 mL、112.6 mL、120.5 mL、131.7 mL、137.4 mL,空气用量分别为5 484 cm3、6 756 cm3、7 230 cm3、7 902 cm3、8 244 cm3。根据采集的温度数据得到7~11周期的温度场(图3)。以原油拐点温度为界限,高于拐点温度区域定义为蒸汽波及区,由此计算出蒸汽波及系数。
图3 二种吞吐方式的温度场对比Fig.3 Comparison of temperature fields of conventional steam stimulation and air assisted steam stimulation
通过图3计算得出二种吞吐方式的蒸汽波及系数随着吞吐周期的增加而增大,7周期后,同周期内空气辅助蒸汽吞吐的波及系数比常规蒸汽吞吐的大。第7周期时,与常规蒸汽吞吐相比空气辅助方式蒸汽波及系数相对小一些,分析认为,可能是此周期首次注入空气,短时间内气体的各种作用机理没有完全反应出来,同时高温蒸汽注入量相对减少,导致高温区范围减小,波及体积随之减小。第7周期以后,空气辅助蒸汽吞吐的波及系数比常规蒸汽吞吐的大,因为注入空气中氧气与原油发生低温氧化反应产生热量,气体溶解于原油中降低原油黏度,提高了高温区范围,同时空气中的氮气为非凝析气体,它不会像蒸汽一样凝结,减少了热损失,提高了蒸汽热利用率,促使蒸汽可动用未波及区域,并且空气注入油层后,原油膨胀作用增强,提高了油层压力,进一步扩大了蒸汽波及系数。
2.4 生产特征分析
图4是常规蒸汽吞吐和空气辅助蒸汽吞吐二种方式油汽比和回采水率曲线(回采水率即为采出水量与注入蒸汽量之比)。从中可以看到,未注空气的前6个吞吐周期内,二种方式的油汽比先升后降,在第3周期达到峰值,回采水率呈上升趋势。当注空气后(第6周期以后),曲线变化出现明显差别,空气辅助蒸汽吞吐方式的油汽比明显比常规蒸汽吞吐的大,在油汽比递减区仍能出现油汽比小高峰,第8周期油汽比达到峰值0.32,比常规蒸汽吞吐提高了0.2。空气辅助蒸汽吞吐的回采水率始终高于常规蒸汽吞吐的,提高回采水率能够减少地层存水,提高注入蒸汽的热利用率。第11周期的回采水率提高了7.65%。
图4 二种吞吐方式的油汽比和回采水率曲线Fig.4 Oil/steam ratio and water recovery rate curves under two huff and puff ways
图5是常规蒸汽吞吐和空气辅助蒸汽吞吐二种方式周期采出程度和累积采出程度曲线。由图5可知,常规蒸汽吞吐的周期采出程度曲线随吞吐周期的增加呈先增大而后下降的变化规律。在第1周期,由于原始地层压力较高,注入的蒸汽量较少,通过热量交换,使近井地带部分原油黏度降低,同时,蒸汽在油井附近冷凝,蒸汽波及范围小,采出程度低。随着吞吐周期的增加,地层压力不断下降,蒸汽向油层深部运移,波及体积增大,波及范围内的油层温度升高,原油黏度降低幅度加大,在第3周期出现采出程度高峰值,产油主要阶段集中在第2~5周期,这4个周期的采出程度占累积采出程度的62.76%。过了产油高峰期后产量递减很快,多周期吞吐致使油井附近区域被大量蒸汽占据,含油饱和度低,排液时无效水量增加,采油量减少。与常规吞吐相比,空气辅助蒸汽吞吐方式周期采出程度曲线出现了二次峰值,第二次峰值出现在第8周期。注入空气以后,空气中的O2与原油低温氧化反应放出热量,生成的CO2溶解在原油中降低了原油黏度,提高了渗流能力,空气与原油接触并溶解,使其体积膨胀,可显著增加地层的弹性能量。当油井生产时,CO2形成混相或非混相驱,未反应的O2和剩余的N2形成溶解气驱和气驱,并且被压缩的空气体积迅速膨胀,反向推动原油流入井内,起到助排作用,从而增加油井产能,提高了采出程度。空气辅助蒸汽吞吐的累积采出程度始终高于常规蒸汽吞吐的,并且随着吞吐周期的增加,其差距越来越大,最终,空气辅助蒸汽吞吐的累积采出程度比常规蒸汽吞吐提高了6.44%。
图5 二种吞吐方式的采出程度和累积采出程度曲线Fig.5 Recovery degree and cumulative recovery degree curves under two huff and puff ways
2.5 产出流体分析
表2是二种吞吐方式第11周期产出油、气以及原始样品的组分分析数据。常规蒸汽吞吐产出油与原始样品的黏度和族组成分析结果相近。将空气辅助蒸汽吞吐产出油与原始样品分析结果对比发现,空气与原油发生低温氧化反应后组分发生变化,饱和烃、芳烃相对含量减少,胶质、沥青质相对含量增加,原油黏度增大。50 ℃时,黏度由2 462.7 mPa·s增加到3 211.6 mPa·s,增黏率30.41%,但170 ℃高温条件下,原油黏度几乎无差别,即低温氧化反应对黏度的影响不如温度敏感,所以低温氧化反应造成的原油黏度增大对空气辅助蒸汽吞吐开采效果影响不大。从反应后气体组分看,反应主要生成CO2、CO,CO2溶解于原油后,一方面降低了原油黏度,提高了其流动能力;另一方面增加了原油体积系数,原油体积膨胀提高了弹性驱动能量,增大了地层压力,有助于改善吞吐开采效果。
表2 产出流体和原始样品组分分析数据Tab.2 Composition analysis of produced fluid and original fluid
3 结 论
(1)空气辅助蒸汽吞吐可以作为改善常规蒸汽吞吐中后期开发效果的一项新技术,能够有效提高原油采收率。
(2)空气辅助蒸汽吞吐具有补充地层能量、扩大波及体积、低温氧化放热、提高蒸汽利用率、增压助排等作用,而且低温氧化反应生成的气体可以形成混相或非混相驱,是集多种驱油机理于一体的提高采收率技术。
(3)在实验范围内,与常规蒸汽吞吐相比,空气辅助蒸汽吞吐方式油汽比增加0.2,回采水率提高7.65%,累积采出程度提高6.44%。