高温复合气驱开采稠油室内实验研究

刘春艳,王佩文,孟宪伟,张　浩

(1．中海石油(中国)天津分公司渤海石油研究院，天津 300452；2．中海石油(中国)天津分公司蓬勃作业公司)



高温复合气驱开采稠油室内实验研究

刘春艳1,王佩文2,孟宪伟2,张浩2

(1．中海石油(中国)天津分公司渤海石油研究院，天津 300452；2．中海石油(中国)天津分公司蓬勃作业公司)

利用国内某油田的稠油样品，根据储层的物性制作填砂管模型，在研究稠油黏温特性和流变特性的基础上，进行稠油蒸汽驱和高温复合气驱的实验研究，其中，复合气驱的伴注气体为氮气和二氧化碳。实验结果显示，在注入PV数相同的情况下，驱油效率从高到低的驱油方案依次为：蒸汽+氮气+二氧化碳复合气驱、蒸汽+氮气复合气驱、蒸汽+二氧化碳复合气驱、蒸汽驱。降黏、改善油相渗透率和油水流度比是二氧化碳的主要作用机理，维持或恢复地层压力、提高波及效率、使稠油膨胀等是氮气的主要作用机理，二者结合驱油效果最佳。

稠油开发；蒸汽驱；复合气驱；驱油效率

目前，关于利用二氧化碳开采稠油的室内实验研究[1-6]以及现场应用的研究[7-11]已开展很多，归结起来，二氧化碳气体对稠油的作用机理主要有以下几点：①二氧化碳溶于原油时，油水界面上的张力降低，原油黏度降低，减小原油渗流阻力。②当二氧化碳溶于原油及水时，原油的体积膨胀(体积效应)，聚集了大量的弹性能，剩余油被进一步洗出。③二氧化碳溶于原油中，形成溶解气驱，当压力较小时，二氧化碳将会从原油中逸出，形成气驱。

氮气具有导热系数、黏度、密度较低，不助燃、不易爆、易压缩、膨胀快，不易与地层岩石矿物及地下流体发生反应，可防止乳化、沉淀、堵塞地层等优良特性；氮气具有很强的携热能力，对于注热流体开发的稠油油田，氮气能够将热量携带到地层较深部位；氮气弹性能量大，能够改善原油体系的容胀特性，具有增加地层能量、增加驱替效率等效果[12-15]。

本文以国内某油田的稠油为研究对象，从研究稠油黏温特性、流变特性入手，以氮气、二氧化碳作为伴注气体，进行了稠油蒸汽驱和高温复合气驱的实验研究，力求对高温复合气驱开采稠油技术的驱油机理有较清晰的认识，为该技术的现场应用提供理论依据。

1　稠油性质分析

1.1稠油性质参数

本文所研究稠油的基本物性参数见表1。

1.2稠油黏温特性

图1为实验所用稠油在不同剪切速率下的全黏温曲线，由图1可知，稠油黏度对温度有很强的敏感性，随着温度升高，稠油黏度显著降低。这是由于稠油黏度与其内聚力有密切关系,稠油含胶质、沥青质越多，内聚力越大，稠油黏度越高。而在升温过程中，粒子的布朗运动加剧，胶质、沥青质逐步溶解，使稠油内部结构变得松散，稠油内聚力降低，黏度随之减小。

表1　稠油样品的基本物性参数

图1　稠油全黏温曲线

1.3稠油流变特性

在不同温度下对实验所用稠油进行流变性测试，得到了剪切应力(τ)与剪切速率(γ)之间的关系式(表2)。

表2　不同温度下稠油流变关系式

从表2所示的关系式可以看出，存在着一个临界温度Tc，当温度T

τ=τ0+ηγ

(1)

式中：τ——剪切应力，Pa；τ0——屈服值，Pa；η——黏度， Pa·s；γ——剪切速率，s-1。

当温度T>Tc时，稠油流变行为表现为牛顿流体的流变特性，可用下式表示其流变模式：

τ=ηγ

(2)

稠油在不同温度段表现出不同的流变模式，这与沥青质、胶质和蜡的含量相关，当温度小于Tc时，以上物质不能完全溶解在稠油中间，此时只有当剪切应力达到一定值(τ0)，稠油才会流动，当温度大于Tc以后，τ0值降为零，稠油表现出牛顿流体的流变特性。

2　高温复合气驱实验

2.1实验方法

参照中华人民共和国石油天然气行业标准[16-17]。

2.2实验设计

在注入蒸汽的同时，加注氮气、二氧化碳或两者组成的混合气体。为表述清晰，在下文中，用S代表蒸汽；S+C代表蒸汽+二氧化碳；S+N代表蒸汽+氮气；S+N+C代表蒸汽+氮气+二氧化碳。

根据储层的地质参数，按照一定的粒度分布，制作人工填砂岩心，实验所用岩心的主要物性参数及实验条件参见表3。模拟地层条件，注入不同的混合气体进行实验。本实验采用7.0 mL/min的排量进行驱替。

2.3实验结果及分析

2.3.1 高温复合气驱对相对渗透率的影响

在驱替稠油过程中，岩心内部的孔隙结构发生变化，伴随出现堵塞现象和压力波动，给实验后的数据分析带来了困难。采用驱油动态的历史拟合法[18]进行计算，能够取得较好的结果。

表3　高温复合气驱基本实验参数

历史拟合法的基本思路是先给出一条相对渗透率曲线，利用这条曲线计算出对应于试验过程中每一累计时间的累积产油量。根据计算值与实际值之差，不断修改这条曲线，直到目标函数满足设定值。

相对渗透率表达式为:

(3)

(4)

(5)

式中：kro(Sw)——油相相对渗透率，小数；krw(Sw)——水相相对渗透率，小数；Sw——含水饱和度，小数；Swe——出口端含水饱和度，小数；εo、εw——给定的小数，一般取0.001；krocw(T)——油相相对渗透率端点值，小数；krwco——水相相对渗透率端点值，小数；Sor(T)——残余油饱和度，小数；Swc(T)——束缚水饱和度，小数；now——油相相对渗透率曲线拟合指数；nw——水相相对渗透率曲线拟合指数。

各驱替方式下的相对渗透率曲线见图2。从图2可以看出，在蒸汽中加注其它气体之后，油水两相共渗区增大，相渗曲线向右移动，等渗点随之向右移动，这些特点有助于减缓含水上升速度，改善油相相对渗透率，降低残余油饱和度，使驱油效果变好[19-20]。当驱替14 PV时，蒸汽复合二氧化碳驱、蒸汽复合氮气驱和蒸汽复合氮气+二氧化碳驱对应的残余油饱和度分别为24.38%，20.75%和15.42%，相对于蒸汽驱的28.98%的残余油饱和度而言，下降明显。

由于氮气导热系数小，具有较强的携热能力，所以高温复合氮气驱能够快速有效地提高储层温度，而温度升高，稠油黏度则会快速下降(图1)，同时，二氧化碳的溶解也有助于稠油黏度的降低。水相的黏度在高温复合气驱的过程中虽然也有所降低，但相对于油相而言，其降低程度要小得多。另外，图2也显示，采用高温复合气驱时，水相的相对渗透率变化不大，而油相相对渗透率明显增加。参考流度比的定义式(3)：

图2　200℃下各驱替方式下的相对渗透率曲线

(6)

式中：kw、ko——水和油的有效渗透率，10-3μm2；μw、μo、——水和油的黏度，mPa·s；krw、kro——水和油的相对渗透率，小数。

可以判断出，采用高温复合气驱之后，油水流度比会有所减小，即流动性得到改善。

2.3.2 高温复合气驱对含水率的影响

各驱替方式下的无水采收期、无水采收率和见水时刻含水饱和度数据见表4，含水率曲线见图3。

从表4可以看出，相对于蒸汽驱而言，采用高温复合气驱之后，无水采收期均明显延长，无水采收率也有明显提高。产生这种现象，与高温复合气驱中的气体性质密切相关。氮气是非凝结性气体，受温度的影响很小，它能够减缓水蒸汽凝结成水的速度。同样，未溶解的二氧化碳气体也有此作用。因此，在采取高温复合气驱之后，向出口端移动的水被部分抑制，无水生产期相应延长。另外，氮气和二氧化碳均能够改善油水流度比，从而有助于延长无水采收期和提高无水采收率。混合气体(氮气+二氧化碳)综合了两种气体的作用，所以无水采收期和无水采收率的值最大。

表4　各驱替方式下的无水采收期数据

图3　200℃时各驱替方式下的含水率曲线

从图3可以看出，在无水采收期之后，随着含水饱和度的增加，含水率均快速增加。相比较而言，蒸汽+二氧化碳复合气驱含水率增加最快，远远高于其他三种驱替方式。

无水采收期结束之后，形成了水的连续通道，在蒸汽与二氧化碳气体混注条件下，二氧化碳的部分溶解使油、水的黏度都有所降低，导致水的突进变得更为容易，因此，含水率快速增加。另外，由上面的分析可知，未溶解的部分二氧化碳能够减缓蒸汽的冷凝速度，从而抑制含水率的上升，但是从实验结果来看，此时前者起主要作用。在相同含水饱和度条件下，蒸汽+氮气复合气驱的含水率要低于蒸汽驱的含水率，这说明加注氮气有助于降低含水率的上升速度。在蒸汽+氮气+二氧化碳复合气体中，二氧化碳所占比例比蒸汽+二氧化碳复合气体中的低，其溶解在原油中的比例降低，此时同时存在的氮气和部分未溶解的二氧化碳，进一步强化了延缓蒸汽凝结成水的能力，从而抑制了产水量的快速增加，使含水率增加的速度变缓。

2.3.3 高温复合气驱对驱油效率的影响

蒸汽驱和加注不同气体驱时的驱油效率曲线见图4。从驱替实验结果可以看出，相对蒸汽驱而言，采用高温复合气驱时的驱油效率有了明显的增加。

采用蒸汽复合氮气驱时，驱油效率显著增加。一般情况下，氮气在稠油中的溶解度很低。Svrcele和Mehrotra[21]的实验结果显示，在6.02 MPa、33.9 ℃条件下，氮气在Athabasca稠油中的溶解度仅为3.28 cm3/cm3；温度对氮气在稠油中的溶解度影响较小，而压力的影响较大，因此氮气对稠油黏度和膨胀率的影响较小。随着压力增加，饱和氮气对稠油黏度降低程度并不显著。在油藏条件下，稠油饱和氮气后的膨胀率小于2%。

图4　200℃时各驱替方式下的驱油效率曲线

氮气与蒸汽混合注入，氮气在储层中产生贾敏效应，堵塞狭窄的孔隙喉道，从而调整注气剖面，使气体向周围均匀波及，可以达到调节气窜的作用，扩大波及范围；另外，热蒸汽与氮气混注充分利用了氮气驱油时弹性能量大的特性，能够弥补蒸汽冷凝时减小的压力，从而保持地层压力，起到动力驱动的作用。同时氮气还可增强蒸汽的携热能力，强化蒸汽与纵深地层稠油的热交换过程，进而达到改善稠油热采效果的目的。

与蒸汽驱相比，蒸汽复合二氧化碳驱的驱油效率有所增加，但是增长的幅度比蒸汽复合氮气驱小。稠油油藏大多埋藏较浅，地层压力低，且稠油组成以重质组分为主，注入二氧化碳后难以达到混相驱替。根据研究，最小的混相压力范围是：轻质油在低温时是8.27 MPa，重油在高温时是31.03 MPa[22]。非混相驱替为其主要作用机理。在室内实验过程中，压力远没有达到二氧化碳与实验所用稠油的最小混相压力，因此，驱替过程是典型的非混相驱替。注入的二氧化碳在稠油中发生溶解作用，当二氧化碳溶于稠油中后，由于羧化作用，油分子间的引力降低，减少了流体间流动时的内摩擦力，因而稠油的黏度得到有效降低，同时形成溶解气驱，这也是驱油效率提高的原因之一。另外，二氧化碳溶于稠油之后，会使稠油体积膨胀，增加了弹性能量，从而有利于稠油的采出。

由于蒸汽复合混合气(氮气+二氧化碳)综合了氮气和二氧化碳气体的优点，所以，其驱油效果比其他驱替方式更好。

3　结论

(1)随着温度升高，稠油黏度显著降低。其机理是：在升温过程中，粒子的布朗运动加剧，胶质、沥青质逐步溶解，使稠油内部结构变得松散，稠油内聚力降低，所以黏度随之减小。

(2)在研究稠油流变行为的过程中，存在一临界温度Tc，当温度TTc时，稠油流变行为表现为牛顿流体的流变特性。

(3)氮气和二氧化碳均有助于改善油相渗透率、油水流度比。氮气是利用其携热能力强的特点，提高了热利用率，从而使原油黏度降低；二氧化碳是利用其溶解作用，使原油黏度降低。

(4)高温复合气驱与蒸汽驱相比，无水采收期和无水采收率均有所提高，提高幅度从大到小依次是：蒸汽+氮气+二氧化碳复合气驱、蒸汽+氮气复合气驱、蒸汽+二氧化碳复合气驱。

(5)高温复合气驱与蒸汽驱相比，含水上升速度从大到小依次是：蒸汽+二氧化碳复合气驱、蒸汽驱、蒸汽+氮气复合气驱、蒸汽+氮气+二氧化碳复合气驱。

(6)高温复合气驱的各种驱替方式的驱油效率从高到低依次为：蒸汽+氮气+二氧化碳复合气驱、蒸汽+氮气复合气驱、蒸汽+二氧化碳复合气驱、蒸汽驱。

(7)高温复合氮气驱的主要作用机理：弥补蒸汽冷凝的能量亏空，保持地层压力封堵狭窄孔隙喉道，调整注气剖面，增加波及效率；增加蒸汽的携热能力，加强蒸汽与稠油的热交换过程，降低稠油黏度。

(8)高温复合二氧化碳驱的主要作用机理：二氧化碳溶解在稠油中，降低了稠油黏度，同时形成溶解气驱； 二氧化碳溶解在稠油中，使稠油体积膨胀，增加了弹性能量。

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编辑：李金华

1673-8217(2016)05-0108-05

2016-01-20

刘春艳，油藏工程师，1984年生，2007年毕业于长江大学石油工程专业，现主要从事油气田开发的研究工作。

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