溶剂-蒸汽辅助重力泄油数值模拟研究

王大为，刘小鸿，张风义，杜春晓，耿志刚

(中海石油(中国)有限公司天津分公司 渤海石油研究院，天津 300459)

王大为,刘小鸿,张风义,等.溶剂-蒸汽辅助重力泄油数值模拟研究[J].西安石油大学学报(自然科学版),2018,33(2):65-71.

WANG Dawei,LIU Xiaohong,ZHANG Fengyi,et al.Study on numerical simulation of expanding solvent-steam assisted gravity drainage[J].Journal of Xi'an Shiyou University (Natural Science Edition),2018,33(2):65-71.

引　言

蒸汽辅助重力泄油(SAGD)是目前应用较为成功的一项稠油热采技术，对于特超稠油能够取得较好的开发效果。该技术目前已经实现了商业化应用，国外加拿大应用最为广泛，国内的辽河油田杜84块和新疆风城油田也开展了现场试验，取得了较好的效果。2003年，Nasr等[1]人在SAGD技术的基础上提出了溶剂-蒸汽辅助重力泄油(Expanding Solvent-Steam Assisted Gravity Drainage)，简称ES-SAGD技术，认为在SAGD生产中注入少量烃类溶剂能够减少能量消耗，进一步降低蒸汽腔边缘稠油黏度，改善热采开发效果。

目前，国外对ES-SAGD的研究主要集中在物理模拟和数值模拟两个方面[2-11]，研究内容包括溶剂的增产机理、溶剂-原油体系的相行为、溶剂注入参数优选及注入策略、油藏适用性等方面，并且在EnCana公司的Senlac和Christina Lake油田、Suncor公司的Firebag和Burnt Lake油田、Nexen公司的Long Lake油田进行了先导试验，部分试验取得了较好的效果[12]。国内对ES-SAGD的理论研究较少[13-15]，基本还处于起步阶段，辽河油田和新疆风城油田在SAGD开发的基础上开展了溶剂辅助开发的室内实验研究及部分先导试验，认为溶剂辅助SAGD开发能够调整蒸汽腔发育，增加产油量[16-17]。本文应用数值模拟对比了SAGD和ES-SAGD的开发效果，阐述了溶剂的作用机理，并分析了溶剂类型、溶剂注入量、溶剂注入时机等重要参数对ES-SAGD生产的影响。

1　ES-SAGD生产机理

ES-SAGD技术不需要改变SAGD注采井的管柱结构和增加过多的现场设备，仅需要将溶剂和蒸汽在井口处混合注入，合适的溶剂应该在注入井和蒸汽腔内充分汽化，随蒸汽运移至汽腔边缘。如果溶剂在到达油汽界面之前冷凝，则直接被采出，没有起到溶解稀释降黏的作用；溶剂到达油汽界面以后冷凝，与热传导作用相结合，能够更有效地降低重油和沥青的黏度，增加产油量，降低汽油比。产出的溶剂经过分离后还可以循环利用，提高了该技术的经济性。

ES-SAGD中蒸汽的加热作用仍是降黏的主要机理，因此，存在于气相和液相中的溶剂应尽可能减小对热传导的影响。根据油藏不同区域油、汽饱和度的差异，可以将ES-SAGD生产过程分为4个不同的流动区域[18](图1)：

蒸汽区A：区域内充满蒸汽、剩余油和原生水，温度和压力均匀分布。蒸汽区还包含蒸发溶剂，较轻的溶剂在蒸汽腔内可以完全汽化，较重的溶剂则可能部分汽化。

蒸汽冷凝区B：当蒸汽与低温沥青和储层岩石接触后，由于温差的存在，蒸汽的潜热被传导到冷油区域，溶剂和蒸汽依据相行为冷凝，气相饱和度急剧减小，水相饱和度增大，汽液界面处含气饱和度降为零。

移动油区C：区域内溶剂溶解稀释和蒸汽传热共同作用降低油相黏度，使之可以通过重力作用泄流至生产井。

不动油区D：区域内温度仍然很低，沥青吸收的热量不足以使之泄流至生产井。

图1　ES-SAGD生产剖面Fig.1　Production profile of ES-SAGD

2　数值模型

2.1　模型选取

本文采用不考虑气顶或底水的均质机理模型研究ES-SAGD的生产规律，模型中将沥青作为一项拟组分赋值，不考虑溶解气的影响。模型尺寸150 m×300 m×30 m，油层下部部署2口平行的水平井，2口井垂向距离为10 m，下部生产井距离油层底部1 m，井长300 m。应用CMG-STARS软件进行计算，生产初期预热3个月，再转入ES-SAGD生产。蒸汽干度0.95，温度217 ℃，注汽压力2.1 MPa，生产时间10 a。为了限制蒸汽被采出，设置生产井最大产汽量1 m3/d。其他油藏基础参数见表1和图2。

表1　油藏基础参数Tab.1　Reservoir basic parameters

图2　原油黏温曲线Fig.2　Viscosity-temperature curve of crude oil

2.2　重要参数取值

ES-SAGD数值模拟中，溶剂相平衡常数、溶剂-原油混合物黏度、溶剂在原油中的扩散系数是反映溶剂作用机理的3个重要参数。

2.2.1溶剂相平衡常数溶剂在沥青中溶解降黏是注溶剂增产的主要机理，溶剂的相平衡常数体现了溶剂在沥青中的溶解度，相平衡常数是温度和压力的函数，CMG-STARS中应用修正的安托因(Antoine)方程计算得到，即

(1)

其中：K为一定温度、压力下溶剂的相平衡常数；K1、K4、K5为对应溶剂的相平衡系数，可以通过查表得到(表2)；p为体系压力，MPa；T为体系温度，K。

表2　溶剂相平衡系数取值Tab.2　Phase equilibrium coefficients of solvents

2.2.2溶剂-原油混合物黏度CMG-STARS中，应用对数混合规则计算混合溶剂后油相的黏度，即

ln(μo)=∑i[xi·ln(μi)]。

(2)

其中：μo为混合溶剂后油相的黏度，mPa·s；xi为组分i的摩尔分数；μi为组分i的黏度，mPa·s。

CMG-STARS中，烃类溶剂的黏度可以由式

μoi=a·exp(b/Tabs)

(3)

得到。其中：Tabs为绝对温度，K；μoi为温度Tabs对应溶剂黏度，mPa·s；a和b为溶剂i的黏度系数，可以通过查表得到。

分析表明，通过式(3)计算的溶剂黏度偏低(表3)，不能真实地反应蒸汽降黏的效果，理想的方法是采用实验值。如果知道某一温度下溶剂黏度的实验值，可以应用沃尔特(Walther)方程计算不同温度条件下的溶剂黏度[19]，即

(4)

其中：υ和υ0分别为温度T和T0对应的运动黏度，mPa·s；a2=-3.7。

表3　不同烃类溶剂的液相黏度Tab.3　Liquid phase viscosity of different hydrocarbon solvents

2.2.3溶剂在原油中的扩散系数ES-SAGD技术的应用效果与溶剂在原油中的扩散系数相关，研究表明，对于C5—C7，扩散系数可以取4.32×10-5m2/d[20]。扩散系数同时也是温度和黏度的函数[21]，即

(5)

其中：D为一定温度和黏度时的溶剂扩散系数；Dref为参考温度和黏度下的溶剂扩散系数；T为温度，K；Tref为参考温度，K；μ为黏度，mPa·s；μref为参考黏度，mPa·s；β=0.545。

3　数值算例分析

本节对比了SAGD和ES-SAGD的开发效果，分析了ES-SAGD的生产机理以及影响溶剂增产效果的几个重要因素。除特殊说明外，基础模型均采用摩尔分数2%的正己烷溶剂。

3.1　SAGD和ES-SAGD开发效果对比

如图3所示，注入正己烷溶剂能够明显加快汽腔发育，这是因为高温溶剂在油汽界面凝结，溶解于被加热的原油区域，通过稀释作用降低了原油黏度，增加了泄油速度。此外，由于正己烷的沸点和密度比水低，溶剂注入后分布在蒸汽外围，形成高浓度的气体薄层，会影响蒸汽向油藏的热传导。溶剂碳原子数越少，油汽界面的溶剂气层越厚，阻热越明显；同时，由于其密度更低，也更容易随蒸汽扩散至冷油区域，冷凝溶解后降低残余油饱和度。相反，溶剂碳原子数越多，溶剂越重，更多以液相存在，移动油区域油相中的溶剂层越厚，更利于降低近井地带残余油饱和度。

图3　SAGD和ES-SAGD不同生产阶段水蒸汽和溶剂分布剖面Fig.3　Distribution profiles of steam and solvent in different production stages of SAGD and ES-SAGD

SAGD和ES-SAGD都能大幅度提高热采开发效果，但是从采收率、日产油量和累积汽油比(图4)可以看出，ES-SAGD开发效果更好。

如图4所示，SAGD和ES-SAGD采收率分别为65.2%和77.3%，ES-SAGD采收率增加12.1%，采收率计算时去除了注入溶剂的量。SAGD和ES-SAGD稳产期平均产油量分别为88 m3/d和127 m3/d，注入溶剂增产作用明显。ES-SAGD生产特征与SAGD类似，随着泄油高度的变化，分为产量上升、平稳和衰竭3个阶段。在前2个阶段，由于溶剂的降黏作用，ES-SAGD产油量较SAGD明显增大，衰竭产油期ES-SAGD产油量快速下降，后期低于SAGD生产，是由于ES-SAGD前期采油速度快，后期蒸汽腔先到达油藏边界，油藏中剩余油减少所致。注入溶剂后SAGD累积汽油比下降32.9%，降低了能量消耗。

图4　SAGD和ES-SAGD采收率、日产油量、累积汽油比对比Fig.4　Comparison of recovery factor,daily oil production and cumulative steam-to-oil ratio of SAGD and ES-SAGD

3.2　溶剂对ES-SAGD开发效果的影响

ES-SAGD生产中，注入溶剂的类型、溶剂的注入量、溶剂的注入时机等因素对开发效果有着重要的影响，了解这些因素的影响规律，对开发方案优化设计具有重要意义。

3.2.1 溶剂类型的影响为了研究溶剂类型对ES-SAGD的影响，选择了正戊烷、正己烷、正庚烷3种溶剂及它们之间的混合物(各占50%)进行对比，注入量均为摩尔分数2%。图5显示了不同溶剂的开发效果，可见注入碳原子数越大的溶剂采收率越高，但是由于碳原子数越大沸点也越高，产出液中溶剂回收利用也越困难。

图5　ES-SAGD不同溶剂类型采收率对比Fig.5　Comparison of recovery factor of different types of solvent

不同溶剂增产效果的区别来自其挥发和凝结温度的差异。溶剂的挥发性与挥发温度密切相关，主要影响蒸汽腔边缘温度。溶剂的溶解稀释作用降低了原油黏度，但是溶剂的挥发也影响了汽腔边缘的温度分布，降低了蒸汽加热降黏效果，只有当二者影响相互抵消后才能通过注入溶剂提高SAGD产油量。溶剂的凝结温度决定了其凝结的时机，并进一步影响溶剂在原油中的溶解度。如果蒸汽先于溶剂冷凝，沿着油汽界面形成的水膜层会稀释溶剂，降低溶剂的溶解度。溶剂碳原子数越小，气相中溶剂含量越高，降低了蒸汽分压，蒸汽腔温度降低，水膜层形成也早于纯蒸汽注入。

ES-SAGD采用低浓度烃类溶剂与蒸汽共同注入，溶剂和水应该在相似的条件下蒸发或凝结，应具有相近的饱和蒸汽温度。烃类溶剂的饱和蒸汽温度随着碳原子数的增加而增加，正烷烃溶剂中，水的饱和蒸汽温度(2.1 MPa，215 ℃)更接近正己烷(2.1 MPa，203 ℃)和正庚烷(2.1 MPa，275 ℃)。因此，注入正己烷、正庚烷或者二者的混合物增产效果更好。

3.2.2溶剂注入量的影响对比了正己烷摩尔分数为0.1%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%时ES-SAGD的开发效果。如图6所示，随着溶剂注入量的增加，ES-SAGD采收率明显增加，但是增幅逐渐减小；累积汽油比随着溶剂浓度的增加逐渐减小。

图6　ES-SAGD不同溶剂注入量采收率、累积汽油比对比Fig.6　Comparison of oil recovery factor and cumulative steam-to-oil ratio of ES-SAGD under the solvent injection of different molar fraction

溶剂注入过少，溶解降黏作用降低，增产效果不明显。高浓度溶剂能够更快地在蒸汽腔边缘溶解，更有效地稀释降黏稠油，并且由于注入溶剂后汽腔中蒸汽温度降低，减少了向岩层的热损失，增大了蒸汽热效率；同时，由于汽腔温度降低，蒸汽腔向周围油藏的传热能力下降，加热降黏作用减弱。合适的溶剂注入量需要平衡溶剂溶解降黏作用和蒸汽加热降黏作用。

注入溶剂大部分能够被采出再利用，以注入2%摩尔分数正己烷为例，累积注入溶剂40 221 m3，最终采出29 823 m3，回收率为74.1%。未采出的溶剂分为两部分，一部分通过气液相平衡溶解在残余油中，另一部分留在气相中[22]。随着溶剂注入量的增加，溶解在残余油中和留存在气相中的溶剂也随之增多(图7)。

图7　ES-SAGD溶剂损失量随注入量变化关系Fig.7　Variation of solvent loss in ES-SAGD with mole fraction of injected solvent

在ES-SAGD生产中，蒸汽在稠油降黏中仍起主要作用，与溶剂相比，蒸汽加热降黏的速度更快，并且溶剂成本更高，再考虑到溶剂损失量随注入量的增加而增加，因此，对于特定的油藏条件，有必要优化溶剂注入量，满足经济性。为简单起见，假设蒸汽注入量不变，溶剂价格7 000 元/t，对比不同溶剂注入量时相比SAGD的累积增油量以及溶剂损失量，便可以优选出不同油价下溶剂注入量。例如，油价50美元/桶时，注入1%摩尔分数正己烷可以得到最大收益3084万元(图8)。

图8　ES-SAGD净利润随溶剂注入量变化关系Fig.8　Variation of ES-SAGD net profit with mole fraction of injected solvent

3.2.3溶剂注入时机的影响溶剂注入时机包括起始时机和结束时机2个方面，应用1%摩尔分数正己烷溶剂进行了注入时机研究。

ES-SAGD生产初期，汽腔处于上升阶段，在到达油层顶部之前，蒸汽尚未接触盖层岩石，热量能够完全保存在油层中；当汽腔到达油层顶部后，溶剂能够减少蒸汽对盖层的热损失，并且此时油相和溶剂接触面积增大，更利于充分溶解稀释稠油。如图9所示，在初期注入溶剂，气相饱和度稍有增大，但是由于溶剂的注入，汽腔温度也有所降低，此时溶剂增产效果不明显。分析认为，应该在蒸汽腔扩散到油层顶部后再注入溶剂。

图9　SAGD和ES-SAGD生产初期气相饱和度和温度场分布Fig.9　Gas saturation and temperature distributions in the initial stage of SAGD and ES-SAGD production

ES-SAGD生产后期产油量迅速下降，提前停注溶剂，累产油量稍有降低，但是可以大幅提高回收溶剂量。如图10所示，方案一持续注入溶剂，方案二5 a后停止注入溶剂，采收率由75.0%降到73.0%，溶剂回收率则由74.1%上升到87.4%；方案一比方案二累计多产油15 524 m3，多消耗溶剂7 436 m3，当溶剂价格7 000 元/t、油价50美元/桶时，方案二比方案一节约287万元。由此可见，生产后期停注或少注溶剂能够提高经济效益，需要根据产油量和溶剂回收量综合判定溶剂注入策略。

图10　ES-SAGD残留溶剂量、累产油量对比Fig.10　Comparison of residual solvent and accumulated oil production of different solvent injection schemes

4　结　论

(1)ES-SAGD通过注入烃类溶剂，将溶剂溶解降黏作用与蒸汽加热降黏作用相结合，增大了泄油速度，蒸汽腔发育明显加快，改善了SAGD开发效果，能够实现增产和降低能耗。

(2)不同溶剂挥发和凝结温度的差异是影响增产效果的内在因素。选择饱和温度与蒸汽相近的烷烃溶剂与蒸汽混合注入，增产效果更为明显。

(3)合适的溶剂注入量能够充分利用溶剂溶解降黏的优势，并且不会损失过多的蒸汽热量。增大溶剂注入量虽然能够提高采收率，但是注入过多会降低蒸汽加热降黏作用，经济成本和溶剂损失量也增大。

(4)蒸汽腔扩散到油层顶部后再注入溶剂能够减少蒸汽对盖层的热散失，增大油相和溶剂接触面积，更利于溶解稀释稠油。生产后期根据产油量和溶剂回收量综合判定溶剂停注时机，能够提高经济效益。

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