宋志学，郑继龙，陈平，翁大丽，胡雪

中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452

稠油蒸汽驱三维物模实验影响因素分析

宋志学，郑继龙，陈平，翁大丽，胡雪

中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452

蒸汽驱是稠油油藏开采较为有效的技术，由于受诸多条件影响，为了较为全面地认识蒸汽驱这一开发方式，利用三维物模装置，以某油田稠油油藏为主要原型，通过蒸汽驱物理模拟方法研究注入压力、蒸汽干度、注汽速度等因素对稠油蒸汽驱的影响。通过研究发现注入压力大，采收率提高；当蒸汽干度大于50%，在蒸汽驱过程中，蒸汽干度越高，驱油效果就越明显。

稠油；蒸汽驱；三维物模；注入压力；蒸汽干度；注入速度

在蒸汽驱过程中，蒸汽由注入井注入储层，原油被加热后驱向生产井，通过重力分离作用，蒸汽向油层顶部超覆，热水进入油层下部。一般认为，蒸汽驱驱油的主要机理有以下6个方面［13］：1）向地层中注入高温高压蒸汽会提高油层温度，降低原油黏度和油水黏度比；2）原油在高温下体积膨胀会产生一定的驱油作用；3）蒸汽的蒸馏作用使剩余油在高温下被部分汽化，蒸汽相中的烃蒸汽，遇到低温的油层岩石，会形成轻油带，在驱替过程中起到萃取油的作用；4）当水蒸汽冷凝成热水时，凝析的含烃热水和油一块流动，形成热水驱；5）凝析的轻质馏分与地层中的原油混合并将其溶解，降低原油的密度和黏度，当轻质油带通过地层向前推进时，则形成油的混相驱；6）在蒸汽前沿，既有水包油乳状液，也可能有油包水乳状液。这些乳状液黏度均比油或水大，这种黏性乳状液将会堵塞蒸汽窜流的通道迫使蒸汽进入低渗层，降低蒸汽的指进强度。

本文基于三维物模装置，研究稠油蒸汽驱过程中注入压力、蒸汽干度、注汽速度等因素对稠油蒸汽驱的影响。

1 实验部分

1．1 实验材料

实验用水：室内配置某油田地层水和注入水，地层水平均矿化度约7 562 mg／L左右，经0．45 μm微孔滤膜过滤。

实验用油：某油田原油，油藏温度条件下（63℃）黏度为488 mPa·s。

石英砂：80－100目，外观为白色，无可见的机械杂质，二氧化硅的含量大于99．99%。

1．2 实验仪器设备

三维物理模型装置：飞宇石油科技有限公司生产，整套系统主要由模拟系统、注入系统、测控系统、油水计量系统、辅助配套系统等5部分组成；

蒸汽发生器：扬州华宝石油仪器有限公司；

高压恒压恒速泵：美国原装进口 Qiuzix品牌QX5210-HC-A-AH-S型号泵；

气体测量计：德国Ritter公司TG05-3。

1．3 实验步骤

驱替试验流程见图1。其特点是按照相似准则，准备合适粒径的石英砂，用于充填模型并满足渗透率要求，用物理模拟的方法研究注入压力、蒸汽干度、注汽速度等因素对稠油蒸汽驱的影响。

图1 蒸汽热采物模装置流程

实验步骤如下［4-5］：

1）实验前准备。准备合适粒径的石英砂，用于充填模型并满足渗透率要求；测试模拟油的黏度、密度等物性数据；检查温度传感器、差压传感器，保证其处于良好状态。

2）模型填砂。安装模拟井、温度传感器和差压传感器，向模型填石英砂。

3）封装模型。填砂结束后，进行封装。再用氮气向模型的盖层和油层打压。实验过程中，将压力稳定在3 MPa，在模型各端口检测是否漏气，待模型封装后抽真空，然后饱和水测模型孔隙体积、孔隙度，最后用油驱水法造束缚水。

4）建初始温度场。封装模型后，设恒温箱温度，对模型加热。一般加热48 h后，待模型内各测温点温度达到地层温度时，可进行蒸汽驱三维物模实验。

5）注入流体调试。在注入蒸汽前首先调试蒸汽发生器，使注汽速度、注汽温度和压力能满足方案设计要求。

6）进行实验。实验时，计算机测控系统对实验流程中各处温度、压力进行实时监测。实验中实时计量油水总量，实验结束后，对收集到的产出液进行特殊处理、分离，以计量出油、水的瞬时产量。

2 稠油蒸汽驱影响因素分析

2．1 注入压力对驱油效果的影响

在稠油蒸汽驱油实验过程中，水蒸汽饱和温度随注入压力升高而增大。实验过程分别以4．0、2．0和1．0 MPa的注汽压力进行蒸汽驱油实验，其驱油效果曲线见图2～4。

图2显示注汽压力越高蒸汽驱油效果越好。在150 min，压力分别为4．0、2．0、1．0 MPa时，采出程度分别为27%、14．5%、13%。可看出4 MPa时采出程度最高。压力从1．0～2．0 MPa，采出程度变化不大；但从2．0～4．0 MPa，变化比较明显。主要原因是随着注气压力的增加，蒸汽温度也随着升高，气体与原油的界面张力变小，油水流度比降低［6］。

图2 不同注入压力下采出程度与时间关系

由图3可知，不同注入压力条件下，4 MPa的油汽比最高，且油汽比随压力升高而升高。注入压力为4．0 MPa时的油汽比可达到0．13左右；而注入压力为1．0和2．0 MPa时，油汽比为0．8左右。温度越高，原油的黏度越低，越易被驱替，油汽比就越高。

图3 不同注入压力下油汽比曲线

从图4可看出，在1．0 MPa下，含水率最高，最终含水率在92．5%。而注入压力在4．0 MPa下最终含水率才88%。在高温下，稠油和轻质油的特性相近，温度越高，油水同出的比例越大，生产井含水率就越低。

图4 注入压力对含水率的影响

由此可知，注入压力越高，蒸汽驱采出程度也越高。而注入压力并不是越大愈好，因为注入压力大会导致蒸汽注入困难，增加注气成本。

2．2 蒸汽干度对驱油效果的影响

1980年，Gomaa对Kern River典型稠油油藏进行了研究，研究表明存在最优蒸汽干度［7］。注入蒸汽干度越大，蒸汽驱的驱油效果就越好，驱油效率越高［8］。蒸汽驱过程中注入的蒸汽主要是作为驱替介质不断驱替原油，蒸汽驱在油层中形成蒸汽带，并不断保持蒸汽带向前扩展。湿饱和蒸汽中的热能包括水相中的显热与汽相中的潜热，蒸汽干度越高，汽化潜热越大。只有依靠注入油层的蒸汽中大量的、连续补充的汽化潜热能，才能保持形成的蒸汽带不断扩展、驱替原油至生产井中采出。实现有效蒸汽的关键在于能否有足够多的热量补充到地层中。实验中通过保持注汽速度、注入压力不变，研究了蒸汽干度对驱替效果的影响。

由图5可明显看出注入蒸汽干度越大，蒸汽驱的驱油效果就越好，驱油效率越高。在150 min时，干度为75%采出程度为15%左右，干度为50%和 25%的采出程度不到8%。而且干度从25%～50%，驱替效果没有明显改变；而从50%～75%采出程度变化很大。由此可知干度至少应在50%以上，提高蒸汽干度的方法才对驱替效果有影响。通过实验可知，当蒸汽干度小于50%时，注入蒸汽所含的热量少，导致蒸汽带的范围小，汽驱效果不明显，所以驱油效率较低；当蒸汽干度由50%增加到70%时，注入蒸汽内所含热量不断增多，能形成范围比较大的蒸汽带，使原油中的溶解气都分离出来，这种溶解气又由于体积膨胀，产生驱油作用，因而驱油效率大幅度提高。

由于水蒸汽有很高的汽化潜热，高干度的蒸汽所含热量大，注入油层后可以及时补充地层热损失，维持和扩大蒸汽带的范围。汽态分子的能量远比液态分子能量高，汽态分子可以进入液态分子进入不到的“微孔隙”中，使蒸汽带内的残余油饱和度低于热凝带的残余油饱和度。蒸汽干度的提高，导致注入气体含热量高，汽驱效果开始起作用，这样会大大提高驱油效果。这说明在蒸汽驱过程中，蒸汽干度越高，驱油效果越好。

图5 注汽干度对采出程度的影响

2．3 注汽速度对驱油效果的影响

注汽速度越高会导致热损失率越低，井内干度越高；注汽占用的时间少，蒸汽容易沿高渗透部位和边井的方向突进［9］。上述分析是基于注汽干度75%的条件下进行的实验，注入量增加会导致热焓增加，前期是保持井底至少50%以上的干度，蒸汽效果才会好。这是因为蒸汽与地层进行热交换时只要有蒸汽存在，温度会维持在饱和温度不变；若蒸汽干度较低，蒸汽在地层内进行热交换后会导致注热量降低，驱油效果不明显。

由图6可知随着注汽速度增大，采出程度增加。当注汽强度达到40 mL／min时，采出程度可达到70%左右。当以低注汽速度注汽时，由于注汽的热损失，进入地层的热量较低，只能加热蒸汽前缘的热水带，蒸汽腔扩大有限，蒸汽驱变为热水驱，开发效果变差；当注汽速度变大时，模型内热量得到补充，有利于蒸汽带的扩展，开发效果好。

图6 注汽速度对采出程度的影响

由图7可看出，油汽比最高的不是40 mL／min，而是20 mL／min。从而可知稠油蒸汽驱存在最优注汽速度，使油汽比达到最大，经济效益达到最佳。分析原因主要是由于当注汽强度超过最佳注汽速度时，由于蒸汽前缘油墙的存在，油层液体流动速度不能成比例增加，造成采注比失衡，致使油层压力增加，蒸汽带扩展体积反而小于低注汽强度条件下的体积，从而导致汽驱效果变差。同时，蒸汽注入速度过大会引起汽窜，蒸汽会向高渗透层和边井突进，造成油汽比下降［10］。

图7 注汽速度对油汽比的影响

3 结论

1）注入压力对蒸汽驱油效果影响比较大，注入压力大，蒸汽温度就高，采收率就越高。

2）在蒸汽驱过程中，蒸汽干度越高，驱油效果就越好，但蒸汽干度小于50%时，注汽干度的提高对驱油效果不敏感，且驱油效果较差。

3）稠油蒸汽驱开采过程中，都有一个最优的注汽速度，注汽速度太小，地层热量得不到补充；注汽速度太大，容易产生汽窜，油汽比会降低，经济效益会下降。

［1］李献民．单家寺油田蒸汽驱先导试验驱油机理研究［J］．特种油气藏，1996，4（3）：13-16．

［2］张义堂．热力采油提高采收率技术［M］．北京：石油工业出版社，2006：20-36．

［3］孙川生．克拉玛依九区热采稠油油藏［M］．北京：石油工业出版社，1998：12-22．

［4］马骁．稠油油藏蒸汽开采过程中泡沫调剖模拟实验研究［D］．青岛：中国石油大学（华东），2009：10-25．

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［6］BURSELL C G，PITTMAN G M．Performance of steam dis-placement in the Kern River field［J］．Journal of Petrleum Technology，1995（8）：997-1004．

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［8］于海涛．注汽干度对驱油效果的影响研究［J］．科学技术与工程，2012，12（12）：2981-2982．

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Analysis of experimental factors based on the
three-dimensional model of heavy oil steam flooding

SONG Zhixue，ZHENG Jilong，CHEN Ping，WENG Dali，HU Xue
CNOOC Energy Tech-Drilling＆Production Co．，Tianjin 300452，China

Steam flooding is a relatively effective thermal technology for heavy oil reservoirs．The steam flooding is limited by many conditions．In order to understand the steam flooding development way more comprehensively，a three-dimensional model based on a certain oilfield is used in this paper to study the factors that influence heavy steam flooding，such as steam injection pressure，steam dryness，and steam injection rate，through the physical simulation methods of steam flooding．And it turns out that reservoir recovery efficiency can be increased with the increase of injection pressure；when the steam dryness is higher than 50%，the displacement efficiency will in-crease with the increase of steam dryness during the steam flooding．

heavy oil；steam flooding；three-dimensional physical model；injection pressure；steam dryness；injec-tion rate

TE357．44

A

1009-671X（2014）03-0073-05

10．3969／j．issn．1009-671X．201309006

http：／／www．cnki．net／kcms／doi／10．3969／j．issn．1009－671X．201309006．html

2013-09-11．

日期：2014-06-05．

国家重大专项子课题资助项目（2011ZX05024-002-001）．

宋志学（1979-），男，工程师．

郑继龙（1987-），E-mail：zhengjl3＠cnooc．com．cn．