王新伟，林日亿，杨德伟，朱传涛，李 端，尚林明

（1. 中国石油大学（华东） 新能源学院，山东 青岛 266580；2. 青岛市化石能源高效清洁利用工程研究中心，山东 青岛 266580；3. 山东石油天然气股份有限公司，山东 济南 250101）

近年来，能源结构的调整步伐不断加快，对能源动力专业创新性人才的培养提出了新的挑战和要求[1]。创新性实验是高等学校教学改革的重要内容，对于学生自主学习、团队协作、创新实践能力培养具有至关重要的作用[2-4]。将结合实际工程问题的科研成果转化为创新性实验资源，对于激发学生的创新意识、培养创新思维、提升创新能力具有重要的现实意义[5]。

稠油/超稠油是重要的非常规油气资源，对能源结构、国民经济发展和国家能源安全战略具有重要影响[6-7]。稠油/超稠油的高效开发技术一直是国内外研究的热点和难点[8],出现了蒸汽吞吐、蒸汽驱、蒸汽辅助重力泄油、火烧油层、化学驱、微生物驱、多元复合驱等一系列开发技术[9]。其中，注蒸汽热采由于其经济效益好、安全环保等特点而被广泛应用。然而，随着注汽时间的延长，热采水平井普遍存在吸汽不均、汽窜严重、注汽效果差、油藏动用程度差异大等问题，导致热采效率下降，开发成本升高[10-12]。

目前，对于水平井注汽效果的研究主要通过理论分析和CMG 软件模拟等手段，物模实验研究相对较少。理论分析和软件模拟往往存在一些近似处理，且不能直接观察、亲自操作、主动调节注汽模拟过程中的关键参数，使学生难以准确理解和客观分析与水平井配汽相关的科学问题，也不利于学生创新意识和创新能力的培养。

因此，有必要搭建水平井配汽三维模拟实验平台，通过研究蒸汽在水平段的流动传热问题，探究注汽过程温度场形成和蒸汽腔扩展的影响因素等，为解决水平井蒸汽均衡分配问题提供理论支持[13-14]。该实验平台还可帮助学生加深对热力采油理论知识的理解，为学生自主设计实验提供条件，有利于培养学生的理论知识应用能力和实践动手创新能力。

1 实验装置

1.1 实验平台总体结构

热采水平井配汽模拟三维实验平台如图1 所示，由注入系统、油藏模拟系统、背压系统和数据采集系统四部分组成。

图1 实验装置图

图2 模型内部分布

注入系统主要由蒸汽发生器、平流泵、活塞容器等组成，在定压或定流量工况下提供实验所需要的蒸汽。 油藏模拟系统本体为三维模型， 内尺寸为400 mm×400 mm×150 mm，共安装147 个热电偶和8个压力传感器。热电偶分布如图2 所示，共分三层，每层49（7×7）个热电偶，8 个压力传感器分别布置在进出口位置和模型内部，可实时监测模型内温度和压力的变化。三维模型安装在360°电控转轴上，为减少模型散热，模型内部四周采用云母板隔热，外部置于恒温箱内，温度控制范围为25～150 ℃。数据采集系统由温度采集装置、采出液收集装置和计算机组成，温度采集装置将热电偶信号转化为电信号，实时显示温度值，由此观察注汽过程中模型内部温度变化，并可设置数据采集频率并储存。背压系统由高压氮气瓶和调节阀组成，实验前去除三维模型内的空气，实验中维持实验系统的出口背压条件。

1.2 实验步骤

（1）实验准备。准备不同粒径的石英砂，混合后填入模型；检查温度、压力传感器等实验测试仪器，保证其处于正常工作状态。

（2）按照生产井和注汽井的实际相对位置，安装模拟生产井和注汽井，并饱和油。若实验用油粘度较大，直接用平流泵将其注入模型难度大，易堵塞管路。实验时常用预先按比例混合的油砂填入模型，保证模型内部油相的波及体积均匀充分。填砂后测孔隙度，并加入蒸馏水，建立油藏初始含油饱和度和束缚水饱和度。上部覆盖云母板，模拟原始油藏的顶部盖层，之后盖上模型盖密封。

（3）封装完成后，向模型内部注入高压氮气，待内部压力稳定后，记录初始压力值，观察压力变化情况，一段时间后若压力不变，说明模型封装良好。如果压力下降严重，则要通过涂抹检漏液来寻找漏气点，并进行补救。

（4）将三维模型置于恒温箱内，在设定温度下老化24 h，该设定温度通常略高于原始油藏温度。通过温度传感器实时监测模型内部温度变化，老化结束后调整恒温箱的设定温度至原始油藏初始温度，待温度稳定后进行水平井配汽模拟实验。

（5）开启蒸汽发生器，升温过程约1～2 h。实验开始前，先进行蒸汽放空，排出注汽管线内空气，预热蒸汽管线及连接件。然后，按设计的注入强度、蒸汽温度、压力等通过模拟注汽井进入模型内部，开始实验。

（6）采出端安装背压装置，保证实验过程的模拟油藏压力值。出口管路安装有伴热装置，保证原油的流动性，防止堵塞。

（7）实验过程中由计算机实时监控显示油藏温度、压力变化，并设置记录实验数据的频率，直至实验完成。

（8）实验完成后，待装置完全冷却后更换注汽井及其他参数，按上述步骤再次实验。

1.3 相似准则分析

实验模拟参数的选择应与真实油藏开发参数具有相关性，这就需要进行三维物模实验的相似准则分析。以辽河油田杜-84 区块为例，以主要相似准则数作为实验设计依据，进行油藏注汽热采物理模拟参数计算。

1.3.1 模型渗透率

模型绝对渗透率K、实际油藏渗透率Kf和模型渗透率Km的计算如式（1）、式（2）和式（3）：

式中，π1为重力与黏性力之比；K为模型绝对渗透率，μm2；t为生产时间，d（天）；ρ0为油密度，kg/m3；g 为重力加速度，m/s2；L为生产井与注汽井的间距，m；φ为孔隙度；S为油藏初始含油饱和度；μ0为原油黏度，mPa·s。

式中，f 表示实际油藏，m 表示模型， ( )r SφΔ 取1.55，( )r t取0.000 299，r(L)为0.013， 0( )r μ、 0( )r ρ、 (g)r取1，实际油藏的渗透率为1.86 μm2，则对应比例模型渗透率为：

1.3.2 注汽速率

注汽速率表达式见式（4）、式（5）和式（6）：

式中，2π为注入速率，is为注汽速率，m3/d；ρw为水相密度，kg/m3；其余参数含义同上。

式中，r(ρw)取1，实际油藏开发注汽速率sfi为350 m3/d，由于比例模型管长方向较短，为0.15 m，对应实际油藏长度为11.5 m，此时实际注汽速度折算为8.05 m3/d，对应比例模型注汽速率 smi如式（6），单位为mL/min：

2 实验结果与分析

2.1 实验误差分析

实验过程中的不确定度主要是由实验仪器误差和数据采集误差造成的，定义为：

式中，u为实验的不确定度；δins为实验仪器误差；δacq为数据采集系统误差。

温度为整个三维物理模拟实验的关键参数，误差主要来源于热电偶的测量误差和采集系统的显示误差，热电偶精度为±1 ℃，故最大误差为1 ℃，数据采集系统精度为±0.1 ℃，故最大误差为0.1 ℃，因此实验的不确定度为0.64 ℃，对实验结果影响较小。

2.2 实验结果分析

通过改变注汽井的结构，对比分析了配汽过程中油藏温度场的变化。实验使用的注汽井结构为割缝管、均匀开孔管柱、趾端射孔加密管柱三种结构，如图3所示，其他参数保持不变，注汽速率63.7 mL/min，蒸汽温度264 ℃，压力5 MPa。

图3 水平井管柱结构

三种注汽井结构在注汽20 min 和4 h 后所形成的温度场分别如图4 和图5 所示。注汽20 min 后传统割缝管和均匀开孔管柱的跟端温度较高，趾端加密管柱的趾端温度高于跟端温度。注汽4 h 后，割缝管仍是跟端温度较高，与趾端温度相差较大，温度场不均匀，而均匀开孔管柱形成由跟端向趾端温度逐渐降低的温度场，温度梯度较小，对于整体储层的动用程度高于割缝管，但不利于开采趾端原油。趾端加密管柱蒸汽已经由趾端向跟端蔓延，形成蒸汽腔，且产生了蒸汽超覆现象。

图4 注汽20 min 后的温度场

图5 注汽4 h 后的温度场

3 教学实验设计

针对我校石油工程专业及能源与动力工程专业热力采油方向对多元化创新性人才的培养要求，所搭建的热采水平井配汽模拟三维实验平台可以进行以下实验的实验教学。

3.1 稠油热采水平井配汽过程认识实验

通过对实验系统各部件的组装，了解水平井配汽模拟三维实验平台的结构和功能，熟悉并实际操作蒸汽发生器、三维油藏模型、氮气瓶等仪器设备和数据采集系统，直观认识水平井配汽过程，加深对相关理论知识的理解，为后续的学习和工作打下基础。

3.2 稠油热采水平井配汽特性实验

通过观察水平井配汽过程中模型内部温度场和压力场的变化，确定不同条件下的注汽井结构、注汽速率、蒸汽品质、油藏模型参数等因素对配汽效果的影响。包括：

（1）注汽井结构对配汽效果的影响实验。在相同注汽速率、蒸汽品质、注汽压力、油藏模型参数下，改变注汽井结构进行水平井配汽模拟实验。

（2）注汽速率对配汽效果的影响实验。其他参数不变，改变注汽速率进行水平井配汽模拟实验。

（3）蒸汽品质对配汽效果的影响实验。其他参数不变，改变蒸汽品质，如蒸汽压力和干度，进行水平井配汽模拟实验。

（4）油藏模型参数对配汽效果的影响实验。其他参数不变，改变油藏模型参数，如孔隙度、渗透率、含油饱和度和油层压力，进行水平井配汽模拟实验。

4 实验平台功能的多元化

学生通过稠油热采水平井配汽模拟实验，可以了解不同注汽参数和油藏参数对水平井配汽效果的影响，了解实验设备的使用，提高应用技能。学生还可以自主选择实验项目、自主设计实验方案、自行开展实验，分析研究水平井配汽过程中各类参数对配汽效果的影响以及进行模拟注汽热采开发实验。这样既能保证理论教学演示性和验证性实验的开设，又能满足创新性、设计性和综合性实验的需求，对于学生的实践能力、创新能力和综合素质的提高具有重要意义[15-16]。

本实验平台既可为我校能源与动力工程专业学生开设实验课，又可满足他们毕业设计和创新训练的需要。结合目前稠油热采水平井配汽技术在油气田开采中遇到的问题，并在查阅文献、资料基础上，学生可利用本实验平台自主选择或在教师指导下选择实验项目，完成课题调研、实验设计、实验测试和数据分析等。不仅能培养学生理论联系实际的能力，还能提高学生的科研能力和创新精神。

本实验平台还可以满足科学研究和科技创新的需要，实现教学与科研的紧密结合。可为其他相关的高温高压实验提供相关材料设备和仪器，鼓励学生进行稠油热采水平井配汽等方面的创新性研究，激发学生的科研兴趣，培养学生的科研能力，实现实验室资源的整合和高效利用。

5 结语

本文所搭建的实验平台可用于稠油热采水平井配汽认识实验及科学研究实验，研究蒸汽品质、注汽速率、油藏参数和注汽井结构等因素对配汽效果的影响。可以帮助学生加深对热力采油技术理论知识的理解，并鼓励学生自主设计实验方案，培养学生的实践能力和创新意识。该实验平台满足了本科理论教学、本科生毕业设计和自主创新实验的需要，实现了科研实验项目与教学实验的结合。