溶剂辅助蒸汽重力泄油室内实验研究

2018-12-04王连刚

特种油气藏 2018年5期

王连刚

(中国石油股份公司勘探与生产分公司，北京 100007)

0 引言

蒸汽辅助重力泄油技术(steam assisted gravity drainage)，简称SAGD，是稠油开采最重要的方法之一，其开采机理是向油藏注入蒸汽，形成蒸汽腔，加热油藏内流体，受热流体与冷凝蒸汽在自身重力作用下流向生产井，随着油藏内原油被采出，蒸汽腔体积不断扩大[1]。稠油油藏原油黏度大，尤其是特稠油和超稠油，其地下原油黏度达10 000 mPa·s以上[2]。加热原油需要消耗大量蒸汽，进而消耗大量天然气用于生产蒸汽，从而导致SAGD的经济效益受到影响[3]。为了减少蒸汽用量，提高SAGD经济效益，国内外稠油研究者提出了大量改善方法和技术，例如气体辅助SAGD技术，即 SAGP(Steam And Gas Push)技术[4]，直井辅助SAGD技术[5]以及溶剂辅助SAGD技术[6]等。溶剂辅助SAGD技术由加拿大阿尔伯塔能源署的Nasr教授提出，并申请了专利。该技术结合了蒸汽热效应和溶剂稀释效应，用以开采沥青、稠油油藏，可提高能源利用率，减少二氧化碳排放。目前加拿大阿尔伯塔省已开展了溶剂辅助SAGD试验，并取得了较好的效果[7-8]。

国内外技术研究表明[9-15]，溶剂与蒸汽共同注入油藏之后，以气相或液相的形式与原油混合，辅助降黏，可有效改善SAGD开发效果。目前国内在溶剂辅助SAGD开发机理、溶剂优选、注采参数优化、效果评价等关键技术问题有待研究[16-18]。以国内某SAGD井区超稠油油藏原油为基础，用二维实验设备开展了纯蒸汽SAGD、高浓度多组分溶剂辅助SAGD、低浓度多组分溶剂辅助SAGD实验。通过这些研究，揭示了溶剂辅助SAGD泄油机理，不同浓度溶剂对蒸汽腔发育规律、产量及采收率的影响，并分析了溶剂辅助SAGD的能量利用效率，可为优化溶剂辅助SAGD操作策略，提高溶剂辅助SAGD技术开发经济效益提供重要实验依据。

1 实验材料

(1) 原油。采用国内某油田SAGD井区超稠油脱水后进行实验，密度为0.965 g/cm3，50 ℃条件下地面脱气原油黏度为31 862.9 mPa·s，当温度达到160 ℃时，原油黏度降至59.1 mPa·s。按照刘文章推荐的分类方法[2]，实验用原油属于超稠油。

(2) 溶剂。实验用的溶剂为多组分混合溶剂，该混合溶剂主要以C4—C12的烷烃为主。

2 实验仪器与实验流程

2.1 实验设备

实验模型为不锈钢材料研制而成，长、宽、高分别为10、80、24 cm。注入井和生产井垂向相距为5 cm，生产井置于距底部1 cm处；横向上，注入井和生产井都置于模型的中间。模型内均匀布置了21个热电偶，用于监测实验过程中模型内部的温度分布。

模型用石英砂填充，渗透率约为120×10-3μm2。实验前填砂模型先用水饱和，然后用加热至80 ℃的超稠油进行驱替。表1为实验模型的物性参数。在所有实验中，模型参数几乎一样，但存在一定程度的实验误差。

表1 模型物性参数

实验从中央供给系统注入蒸汽或溶剂，用控制阀控制蒸汽注入速率，调节器调整注入压力。在注溶剂的2个实验中，溶剂用泵定体积注入。产出的油、水、溶剂的混合物，被汇集到一个活塞式的储存槽中，然后经过冷凝器冷凝，冷凝的液体收集在取样瓶中进行分析。用气体流量计计量排出的气体体积，每隔10 min取一次样，用在线色谱分析仪分析产出气体。另外，通过自动数据采集系统，每隔1 min记录温度、压力和注入速率。

2.2 实验过程

共进行了3组实验。3组实验均在500 kPa压力下操作，注入饱和蒸汽温度为159 ℃。第1组是纯蒸汽SAGD实验，为基础实验。实验开始时以3.990 0 kg/h的速率向生产井和注汽井中注入蒸汽进行热循环；大约10 min后，生产井与注汽井形成热连通，停止向生产井注汽，注汽井继续以2.020 0 kg/h的速率注汽，直到910 min，实验结束。

第2、3组实验均为溶剂辅助SAGD实验，这2组实验与纯蒸汽SAGD一样进行热循环，注汽速率分别为4.010 0、3.980 0 kg/h，3组实验在循环阶段的注汽速度几乎相同。在生产井和注汽井热循环10 min形成热连通后，生产井停止注汽，在注汽井中同时注入蒸汽和溶剂。低浓度和高浓度混合溶剂的质量浓度分别为0.125 2、0.356 5，3组实验的注入参数见表2。低浓度溶剂辅助SAGD实验中，蒸汽和溶剂的注入速率分别为2.060 0、0.297 6 kg/h(标准状况下400.57 cm3/h)。高浓度溶剂辅助SAGD实验中，蒸汽和溶剂的注入速率分别为2.040 0、1.188 8 kg/h(标准状况下为1 600.00 cm3/h)。

表2 实验SAGD生产阶段注入参数

3 实验结果与讨论

3.1 组分分析

利用色谱分析仪，对注入溶剂和产出气中的C2—C8(链烷烃)的各组分质量进行了分析。分析表明，2组注溶剂实验中，注入的C3—C8的质量均逐渐递增，但产出物中的组分均以C4—C6为主。由此说明，这些组分除了以液相存在于油藏之中，还有部分以气相形式存在，与蒸汽一起运移至汽腔边界降黏，以气相形式产出；而注入的C7以上组分在气相产出物中含量少，主要以液相形式与原油混合后发生降黏效果。进一步对气相产出物中C1—C8的组分质量随生产时间变化规律进行分析。图1、2分别为低浓度、高浓度溶剂辅助SAGD实验中气相产出物的C1—C8质量随时间变化曲线。对比图1、2可知，低浓度溶剂实验比高浓度溶剂实验中产出的C4、C5低得多。说明高浓度溶剂辅助SAGD实验中， C4、C5多以气相存在，这些低碳组分易大量聚集在蒸汽腔与原油的交界面，使热传导率降低，阻止了热交换，导致原油采收率较低。

图1低浓度溶剂辅助SAGD实验中气相产出物C1—C8的质量变化

图2高浓度溶剂辅助SAGD实验中气相产出物C1—C8的质量变化

3.2 温度剖面和蒸汽腔发育特征

图3为3组实验的上覆岩层温度随时间的变化曲线。由图3可知，溶剂辅助SAGD的上覆岩层温度明显低于纯蒸汽SAGD的温度，说明溶剂辅助降低了蒸汽在上覆岩层的热损失。这是因为溶剂中的低碳化合物(低于C5)扩散到模型顶部，降低了热传导，进而减少了热损失。

根据模型的温度分布范围，可表征蒸汽腔的发育情况。在初始阶段(100 min以内)，3组实验的温度分布几乎一样，表明蒸汽腔发育范围几乎一致。在后期(大于100 min)，由于溶剂中的气相低碳化合物(低于C5)扩散，降低了蒸汽腔扩展速度，相对于溶剂辅助SAGD，纯蒸汽SAGD的蒸汽腔横向扩展速度明显较快。这也是低浓度溶剂辅助SAGD采收率高于高浓度溶剂辅助SAGD的重要原因。溶剂辅助SAGD中的低碳气相组分在一定程度上减缓了蒸汽超覆，从而使温度剖面在垂向上分布更均匀，即蒸汽腔在垂向上扩展较均匀。因此，即使蒸汽腔在顶部扩展范围较小，但在底部的扩展范围增大。

3.3 生产效果分析

图4、5分别为原油产量、原油采出程度随时间变化曲线。由图4可知，3组实验的原油产量均经历了产量上升、稳定生产以及产量递减的阶段，符合SAGD生产规律，但溶剂辅助SAGD的高峰期产量明显高于纯蒸汽SAGD的高峰期产量，且低浓度溶剂辅助SAGD的高峰期产量高于高浓度溶剂辅助SAGD的高峰期产量。由图5可知，在400 min以前，溶剂辅助SAGD的采出程度明显高于纯蒸汽SAGD实验的采出程度，之后逐渐被纯蒸汽SAGD超越。实验结束后，纯蒸汽SAGD、低浓度溶剂辅助SAGD以及高浓度溶剂辅助SAGD的采收率分别为72.56%、73.17%、69.83%。可见，溶剂辅助有利于提高SAGD早期的采油速度，但对最终采收率的影响不大。前期采油速度较大时，必然导致后期可采储量小，采油速度下降。对于纯蒸汽SAGD，前期产量较低，则更多的原油需要靠后期采出，因此，后期采油速度较高。

图3上覆岩层温度剖面对比

图4原油产量随时间变化情况

图5原油采出程度随时间变化情况

整个实验过程中，低浓度溶剂辅助SAGD实验的采出程度一直高于高浓度溶剂辅助SAGD实验的采出程度。从上述的产出物气相组成分析结果可知，这是因为高浓度条件下，更多的低碳组分(C4、C5)以气相形式聚集在蒸汽腔与原油的交界面，使热传导率降低，从而导致原油采收率降低。因此，溶剂辅助SAGD存在合理溶剂浓度，在该实验中，溶剂的质量浓度以0.125 2为宜。

3.4 能耗分析

由于注入溶剂质量不同，消耗的能量也不一样，原油采收率并不是唯一的衡量标准。为了评价不同开采方式的效果，进一步分析和对比了每采出单位质量的原油所消耗能量。为了分析溶剂辅助SAGD中气体减少热损失的效果，对3组实验的单位原油产量的耗能量进行了计算和对比(表3)。单位质量原油所消耗能量为总注入能量与原油累计产量的比值。计算过程中，考虑蒸汽的比热容为4.18 kJ/(kg·℃-1)，潜热为2 086 kJ/kg，遗留在岩心中的溶剂的热值为33 864 kJ/kg(标况)。由表3可知，纯蒸汽SAGD实验产出单位质量原油消耗的能量最高，其次是高浓度溶剂辅助SAGD实验，消耗能量最低的是低浓度溶剂辅助SAGD。

表 3 产出单位质量原油消耗能量

产出单位质量原油消耗能量越少，对采油越有利，获得一定采收率消耗能量越少。但上述分析并未考虑在模型顶部和底部及边部的热量损失。在油田现场，上覆盖层和下伏岩层的热传导率与岩石基质几乎一样。因此，在溶剂辅助SAGD过程中，溶剂中气相组分的隔热效果能减少热损失。因此，考虑热损失，纯蒸汽SAGD的能量消耗将会更高，低浓度溶剂辅助SAGD相对相同操作压力下的纯蒸汽SAGD将具有更大潜力。

受实验条件限制，只开展了2组不同浓度的溶剂辅助SAGD实验。实际应用中，应当针对具体油藏条件，包括原油及储层物性特征，开展溶剂筛选、油藏条件的适应性评价以及注采参数优化研究，才能获得最佳的溶剂辅助SAGD开发效果。