轻质溶剂辅助蒸汽驱蒸汽腔扩展特征

黄世军 陈肖 刘昊 刘会胜 杨李杰 夏赟

1.中国石油大学（北京）石油工程学院； 2.石油工程教育部重点实验室

蒸汽驱作为稠油油藏提高采收率的主要手段已在国内外进行了大规模的应用，增产效果显著［1-2］。但大量的室内实验和矿场实践都表明薄层稠油油藏蒸汽驱存在热损失严重和蒸汽波及范围有限等问题，严重限制了蒸汽的热利用率，制约了薄层稠油油藏的经济开采年限及最终经济效益［3-4］。Ali首次提出利用烃类溶剂辅助热力开采稠油的开发方式，并进行了室内实验和数值模拟研究，研究认为溶剂能够大幅度降低蒸汽使用量和提高蒸汽的垂向波及系数，提高开发效果［5］。开采稠油油藏时溶剂可作为降黏剂，在伴随蒸汽注入过程中，溶剂呈气态，在靠近蒸汽腔壁时，溶剂溶解于原油中极大地降低了原油黏度，并有少部分溶剂会通过扩散作用深入油层降低原油黏度，研究表明100 ℃时黏度为200 mPa·s的原油，添加摩尔分数超过0.48的正己烷溶剂，相同温度下溶剂与原油的混合黏度低至10 mPa·s［6］。近几年，国内外在生产实践中运用溶剂辅助SAGD技术（ES-SAGD）取得了良好的开发效果，该技术主要利用轻质溶剂可随蒸汽腔扩展并在腔壁凝结起降黏作用的性质，有效地提高了蒸汽腔的波及面积，提高了采收率［7-10］。薄层稠油油藏广泛存在于世界各地［11-12］，但添加溶剂辅助开采薄层稠油油藏的实验研究还很少［13-14］，导致目前的理论分析和矿场实验缺少依据，鉴于此，提出利用添加溶剂改善薄层超稠油水平井蒸汽驱的开发效果［15］，并采用室内物理模拟和数值模拟方法研究了添加轻质溶剂后蒸汽腔的发育特征、溶剂在蒸汽腔中的运移规律和生产动态特征及其原因，可供矿场生产实践参考。

1 实验流程与条件

1.1 实验参数

相似比例实验的相似原理主要包括几何相似、物理性质相似以及时间相似［16］。相似准则是指两个相似现象的无量纲形式的方程组和单值条件，并存在相同的无量纲形式解。因此本实验主要通过相似准则原理，将某油田的矿场尺度参数转化为实验室尺度的参数并确定实验过程中的相关操作参数，并通过平衡常数K的相似原理选择正己烷作为模拟实验室条件下的轻质溶剂（表1）。选择以下主要的相似准则数：π1=Δp/（ρogL），驱动力与重力之比；π2=xLv/（CwΔT），注入油层热量与盖层吸热之比；π3=λot/（ρoCoL2），油层热量传播时间与加热时间之比；π4=kρogt/（φΔSμoL），达西公式修正项；π5=qgt/（φΔSρwL3），注入量与存储量之比；π6=Ks，平衡常数相似。

表1 溶剂辅助蒸汽驱相似准则对比表Table 1 Comparison of similarity criteria of solvent assisted steam flooding

1.2 实验系统

溶剂辅助蒸汽驱热采物理模拟系统如图1所示，主要由注入系统、驱替模型、加热保温系统和采集系统4部分组成。其中驱替模型和加热保温系统是该实验的主体部分，采用课题组自主研制的二维热采物理模型装置；采集系统主要包括采出液收集和温度测量2部分。选取驱替模型的一个横切面作为研究对象，驱替模型的内部是一个长方体的填砂模型，尺寸为580 mm×200 mm×50 mm，共设置48个温度传感器，通过数据采集器连接，可以实现温度的实时采集、存储和显示。驱替模型外侧包有可加热的保温套，可以实时地调节模型温度。注入系统包括蒸汽发生器和ISCO高精度气压泵，可以实现定量或定压注入。

图1 溶剂辅助蒸汽驱物理模拟实验系统Fig. 1 Physical simulation experiment system for solvent assisted steam flooding

1.3 实验方案

基于某油田区块的薄层稠油油藏特性，设计了2组室内物理模拟方案。其中，方案1为水平井普通蒸汽驱的基础方案，用以模拟水平井蒸汽驱开发阶段和分析不同开发阶段的生产特征；方案2为水平井溶剂辅助蒸汽驱实验，其在方案1的基础上，在注入蒸汽中添加了摩尔比为0.1的正己烷，其他注入参数与方案1基本一致。

1.4 实验步骤

（1）根据实验设计准备好120目的玻璃珠、原油（80 ℃黏度为 500 mPa·s）。（2）检查各项设备与装置都处于良好状态。（3）模型装填：先将模型四周贴上1 cm厚的耐热橡胶（图2），以实现绝热与压实效果；再将模型井安装在指定端口；装填120目的玻璃珠，并密封模型；检测气密性。（4）模型装填完毕后，用氮气瓶向模型加压，将压力稳定在1.5 MPa并保持48 h，记录氮气瓶压力是否下降；饱和水及饱和油。（5）气密性检测完毕后，将模型旋转为垂直状态，由下部水平井注水，并从上部水平井流出，待流出液达1 L时可饱和油，模型饱和油时先将模型及装油的中间容器温度升至90 ℃，然后用泵以低流速沿上部水平井向模型内注入原油，待下部水平井出油量达1 L时，饱和油结束，此时可将恒温箱温度降至油藏温度，待模型温度降至原始油藏温度时即可开始实验。（6）驱替实验。实验过程中，实时监测蒸汽发生器出口、模型内部及井端、回压阀、恒温箱等处的温度、压力；采出系统对产出液进行分时段收集，直至发生汽窜，结束实验。（7）实验结束后对产出液进行破乳、分离，以计量出油和水的瞬时产量。

图2 测温点及井的位置Fig. 2 Temperature measurement point and well location

2 实验结果及分析

2.1 轻质溶剂对蒸汽腔扩展的影响

本次实验主要通过温度场图反映蒸汽腔剖面的移动，从而探索添加轻质溶剂对蒸汽腔扩展的影响。此外，为了说明使用温度场来反映蒸汽腔这个方法的合理性，本实验将剩余油分布场与温度场进行了对比验证。

由图3可见：轻质溶剂辅助蒸汽驱早期（a），模型内温度较低，温度沿注汽井开始抬升，温度场较为均匀，在普通蒸汽驱早期（d），温度场扩展范围沿注汽井跟端朝趾端递减；轻质溶剂辅助蒸汽驱中期（b），蒸汽腔波及模型大部分区域，前缘抵达生产井，在普通蒸汽驱中期（e），温度场呈三角形，注汽井跟端大部分区域被蒸汽腔波及，注汽井趾端被蒸汽腔波及范围较小；轻质溶剂辅助蒸汽驱后期（c），温度场覆盖整个模型，注汽井与生产井间区域皆被蒸汽腔波及，在普通蒸汽驱后期（f），温度场呈梯形，注汽井跟端与生产井之间区域全部被蒸汽腔波及，注汽井趾端与生产井之间区域被蒸汽腔波及面积小。

由图4a可见，注汽井与生产井间油砂呈灰色，表明含油饱和度较低，证明整个模型被蒸汽腔波及了，并且驱替效率高；由图4b可见，注汽井与生产井间油砂呈黑色，且注汽井跟端与生产井间颜色较浅，表明注汽井跟端与生产井间含油饱和度较低，注汽井趾端颜色较深，表明含油饱和度较高，其形状恰恰与普通蒸汽驱温度场呈梯形分布的形状对应。研究表明通过温度场表征蒸汽腔是合理的。

图3 溶剂辅助蒸汽驱与普通蒸汽驱二维温度场图Fig. 3 2D temperature field of solvent assisted steam flooding and conventional steam flooding

图4 溶剂辅助蒸汽驱与普通蒸汽驱剩余油分布图Fig. 4 Distribution of remaining oil after solvent assisted steam flooding and conventional steam flooding

2.2 轻质溶剂对蒸汽驱开发效果的影响

图5 生产动态曲线Fig. 5 Production performance curve

由图5可以看出，添加轻质溶剂改善了蒸汽腔前缘扩展，提高了蒸汽腔波及面积，并最终提高了采出程度；生产过程中，出现了低含水高产油阶段，高产油且含水递增阶段以及高含水低产油阶段。故将溶剂辅助蒸汽驱生产动态分为蒸汽腔发育、蒸汽前缘抵达生产井及蒸汽前缘突破后的高含水阶段。

（1）蒸汽腔发育阶段。溶剂辅助蒸汽驱在低含水阶段产油量大于普通蒸汽驱，因为添加溶剂后，沿注汽井方向原油黏度低，提高了注汽井沿程吸汽能力，增大了蒸汽腔波及面积，导致了见水时间晚且低含水期产油量高；而普通蒸汽驱由于沿注汽井方向黏度梯度大，造成了沿程吸汽不均匀，造成了蒸汽腔波及面积小，导致了见水时间早且低含水期产油量低。

（2）蒸汽前缘抵达生产井阶段。溶剂辅助蒸汽驱在高产油、含水递增阶段的产油量大于普通蒸汽驱，因为添加溶剂后，模型内被蒸汽腔波及区域原油黏度低且该区域面积大，因此伴随着含水率的上升，大量低黏度原油在该阶段被采出；而普通蒸汽驱几乎没有出现含水率递增的阶段，直接进入了高含水阶段，因为沿程吸汽不均匀，造成了蒸汽腔扩展范围小，导致了含水率急剧上升时产油量低。

（3）高含水阶段。蒸汽前缘突破，低含油饱和度区域形成汽窜通道，与蒸汽发生热交换的原油量少，热利用率低。蒸汽前缘突破后，轻质溶剂辅助蒸汽驱和普通蒸汽驱都表现为瞬时产油量急剧降低且含水率增加，发生汽窜。

3 数值模型的建立

黏度场、含油饱和度场以及溶剂在地层中的分布对分析溶剂辅助蒸汽驱的蒸汽腔扩展特征以及开发效果非常关键。但是通过目前的实验设备和技术难以实现，因此为进一步研究溶剂在蒸汽腔中的运移规律和对温度场、黏度场以及含油饱和度场的影响规律，这里主要采用了基于物理模拟的数值模拟技术作为研究手段，根据实验模型、具体资料确定了合适的建模方法，建立了以实验参数为基础的理论模型，尽可能地描述了模型内实际情况［17］。

3.1 网格化模型

在划分网格时采用了均质网格系统，建立了60×20×5 的网格，共 6 000 个网格，i、j、k方向网格皆为1 cm，在理论上网格数可以满足此次模拟要求。注采水平井长度为58 cm，生产井距离油层底部1 cm，注入井与生产井垂向距离18 cm。

3.2 模型参数

所建立的实验模型的油藏岩石及流体物性参数均来自实际模型。原油黏温曲线见图6，数值模型地质及热物性参数见表2。

图6 原油黏温曲线Fig. 6 Viscosity and temperature of crude oil

表2 模型参数Table 2 Model parameters

3.3 数值模型验证

由图7可以看出，数值模型可以拟合实验生产动态的趋势，这证明以实验室室内物理模型参数为基础建立的数值模型可以描述实验模型内的动态，基于此，通过正己烷的Kv1、Kv4和Kv5系数定义了平衡常数，计算了不同温度、压力条件下的平衡常数，并用数值模拟方法研究溶剂对蒸汽腔剖面的影响。

图7 室内实验和数值模拟普通蒸汽驱的生产动态拟合Fig. 7 Production performance fitting of conventional steam flooding in laboratory experiment and numerical simulation

4 数值模拟

本文主要运用验证了的数值模型，分析对比了常规蒸汽驱与溶剂辅助蒸汽驱这两种开发方式在相同注入时间条件下，油藏含油饱和度、油藏温度场扩展以及油藏黏度场的分布特征。

4.1 蒸汽腔中的溶剂分布

图8为溶剂辅助蒸汽驱蒸汽腔发育（16 min）、前缘抵达生产井（264 min）和发生汽窜（700 min）时，轻质溶剂在蒸汽腔中的油相摩尔分数（a）和轻质溶剂在蒸汽腔中的气相摩尔分数（b）。由图8可见，蒸汽腔发育过程中，溶剂在注汽井周围富集；前缘抵达生产井后，由于大量溶剂伴随稠油被采出，溶剂含量迅速降低；发生汽窜后溶剂含量极低。

图8 不同生产阶段溶剂的油相摩尔分数（a）和气相摩尔分数（b）Fig. 8 Oil mole fraction （a） and gas mole fraction （b） of solvent in different production stages

4.2 蒸汽腔中的含油饱和度场

图9为模拟生产16、264、700 min后溶剂辅助蒸汽驱（a）和普通蒸汽驱（b）的油藏含油饱和度变化。由图9可见，蒸汽腔发育阶段，溶剂辅助蒸汽驱由于注汽井附近富集溶剂，原油黏度低，顶替效率高，因此沿注汽井方向含油饱和度低，沿生产井方向含油饱和度极差大，蒸汽驱由于注汽井附近黏度仅受温度影响，原油黏度高，顶替效率低，因此沿注汽井方向含油饱和度较高，沿生产井方向含油饱和度极差较小；前缘抵达生产井阶段，溶剂辅助蒸汽驱的蒸汽腔波及范围广，低黏度原油区域大，大量原油在该阶段被采出，低含油饱和度面积大，而蒸汽驱的蒸汽腔波及范围小，低黏度原油区域小，该阶段原油采出程度低，低含油饱和度区域小；发生汽窜时，采用溶剂辅助蒸汽驱的残余油饱和度低，驱油效率高，采用蒸汽驱的残余油饱和度高，驱油效率低。

图9 不同生产阶段的含油饱和度对比Fig. 9 Comparison of oil saturation in different production stages

4.3 蒸汽腔中的温度场

图10为模拟生产16、264、700 min后溶剂辅助蒸汽驱（a）和普通蒸汽驱（b）的油藏温度场分布。由图10可见，蒸汽腔发育阶段，溶剂辅助蒸汽驱沿注汽井方向温度波及范围大且温度梯度小，蒸汽驱沿注汽井方向温度波及范围小且温度梯度大；前缘抵达生产井阶段，溶剂辅助蒸汽驱沿生产井方向温度波及范围大且蒸汽腔前缘扩展均匀，蒸汽驱沿生产井方向温度波及范围小且蒸汽腔前缘扩展不均匀；发生汽窜时，采用溶剂辅助蒸汽驱的温度波及面积大，热利用率高，采用蒸汽驱的温度波及面积小，热利用率低。

图10 不同生产阶段的温度场对比Fig. 10 Comparison of temperature field in different production stages

4.4 蒸汽腔中的黏度场

图11为模拟生产16、264、700 min后溶剂辅助蒸汽驱（a）和普通蒸汽驱（b）的油藏黏度分布。由图11可见，蒸汽腔发育阶段，溶剂辅助蒸汽驱沿注汽井方向黏度极低，蒸汽驱沿注汽井方向黏度高；前缘抵达生产井阶段，溶剂辅助蒸汽驱的低黏区域面积大，蒸汽驱的低黏区域面积小；发生汽窜时，采用溶剂辅助蒸汽驱的注采井间皆为低黏区，采用蒸汽驱的注采井间仍有大面积高黏区。

图11 不同生产阶段的黏度场对比Fig. 11 Comparison of viscosity field in different production stages

通过分析溶剂辅助蒸汽驱的溶剂分布和对比添加溶剂后含油饱和度场、温度场和黏度场的变化特征可见，添加溶剂后沿注汽井原油黏度低，提高了沿注汽井沿程的吸汽能力，沿注汽井温度扩散更均匀且温度波及面积更大，由于溶剂向生产井扩散的过程中，注汽井与生产井间大部分区域黏度急剧降低，这大幅提高了沿注汽井的吸汽能力，提高了温度的波及面积，提高了热利用率，表明溶剂辅助水平井蒸汽驱是开发薄层稠油油藏的有效手段。

5 结论

（1）进行了溶剂辅助蒸汽驱实验，并且通过温度场与饱和度场的对比，说明可以用温度场来表征蒸汽波及范围。

（2）室内实验结果表明：轻质溶剂辅助蒸汽驱相对于普通蒸汽驱，蒸汽腔形成更早，扩展更均匀，波及范围更广，最终采收率更高。

（3）基于室内实验基本参数建立了数值模型，并验证了其准确性。数值模拟结果表明：相对于常规水平井蒸汽驱，水平井溶剂辅助蒸汽驱的黏度场发育特征为，蒸汽腔内黏度更低，低黏区范围更广；蒸汽腔沿注汽井方向扩展更快，沿生产井方向扩展更均匀，蒸汽前缘突破更快，最终的波及范围更大。因此，溶剂辅助水平井蒸汽驱作为开发薄层稠油油藏的有效手段可以在油田进行矿场试验。

（4）轻质溶剂辅助蒸汽驱存在着溶剂沿注汽井跟端和趾端朝生产井扩散较快等问题，导致了模型受溶剂波及区域受限，溶剂利用率较低。因此，有必要开展中质和重质溶剂改善蒸汽腔扩展效果的相关室内实验，从而为实际油田开发提供最优参数。