非凝析气体强化蒸汽深部换热机理研究

李兆敏，徐亚杰，鹿 腾，杨建平，王宏远，尚振骁

(1.中国石油大学(华东)，山东 青岛 266580；2.中国石油辽河油田分公司，辽宁 盘锦 124010)

0 引 言

胜利油田稠油油藏以边际稠油为主，热采开发过程中，普遍存在蒸汽热利用效率低的问题。蒸汽驱时，蒸汽干度随深度增加而降低，适合埋藏较浅的油藏，由于热损失，制约了蒸汽驱的开发效果，且通过单纯提高蒸汽的注入量来提升热采的增产措施受到经济油汽比的限制[1-3]。室内实验和矿场应用表明，非凝析气体辅助稠油热釆技术能改善稠油油藏的开发效果。气体辅助蒸汽驱应用广泛，气体隔热、封堵以及增能助排机理已得到深入研究[4-14]。矿场研究表明，在气体辅助蒸汽驱过程中，蒸汽腔向地层顶部扩展，动用顶部油藏，该现象难以用氮气隔热机理进行解释。因此，通过物理模拟实验，研究了非凝析气体在蒸汽驱过程中对蒸汽强化深部换热的影响，并通过蒸汽冷凝传热实验，分析非凝析气体对蒸汽冷凝的影响。

1 实验系统与实验方法

1.1 实验材料

实验用模拟油由稠油与煤油复配而成，50℃下模拟油黏度为 2 010 mPa·s，在注入蒸汽温度为140 ℃时的黏度为 33 mPa·s。实验用非凝析气体为烟道气(由氮气与二氧化碳按 4∶1 的比例复配)，实验用水为蒸馏水。

1.2 一维物理模拟

实验仪器主要包括一维填砂管模型、高压气瓶、多功能驱替模拟系统、气体流量计、ISCO 泵、蒸汽发生器、电脑及温度数据采集系统。

实验步骤：①将一维模型管填砂，检测气密性，抽真空、饱和水、饱和油，实验模型孔隙度为35%，渗透率为4 380 mD，初始含油饱和度为80%；②驱替实验蒸汽发生器温度设置为300 ℃，蒸汽注入温度为110 ℃，实验温度为60 ℃，温度稳定后开始实验；③进行一维蒸汽驱实验，蒸汽注入速率为5 mL/min，实验进行160 min后注入烟道气，再根据实验测温点温度变化情况改变烟道气注入量，标准状况下烟道气注入速率为2、5、10、20、30 mL/min，实验过程中温度数据由温度采集系统采集。

1.3 冷凝传热实验

冷凝传热设备主要由冷凝腔、冷凝块、冷却循环水系统组成。冷凝块为长、宽各为20 mm的黄铜块，其背部通有冷却循环水，侧面均匀分布5个测温探头。实验参数：纯蒸汽冷凝实验蒸汽注入速率为10 mL/min(当量水)，温度为150 ℃，冷却循环水温度分别为30、40、50 ℃；含有非凝析气体蒸汽冷凝实验蒸汽注入速率为10 mL/min(当量水)，温度为150 ℃，冷却循环水温度为40 ℃，非凝析气注入速率分别为2、5、10 mL/min。

实验方法：向冷凝室通入蒸汽(蒸汽和非凝析气体)，冷凝块后表面通入冷却循环水，蒸汽在冷凝块前表面与冷凝块接触换热发生冷凝现象。当蒸汽冷凝达到稳定状态，即测温点温度达到稳定状态时，用摄像机记录蒸汽冷凝液珠在冷凝块前表面的形态。通过记录分析冷凝片上液珠的生成、聚并、脱落的现象，描述蒸汽凝结过程。记录冷凝液珠生成脱落所需时间，记录冷凝块测温点温度，计算蒸汽的冷凝换热系数。使用ImageJ统计软件统计冷凝块上液珠粒径，分析比较不同蒸汽在冷凝块上的冷凝过程。

2实验结果与分析2.1烟道气辅助蒸汽驱

图1为岩心管不同位置处测温点的温度。由图1可知：纯蒸汽驱替时，蒸汽在岩心管前端与多孔介质发生热交换，模型前端测温点1温度高，同时由于蒸汽注入热量有限，高温蒸汽无法深入岩心管深部，后端测温点3温度较低，蒸汽波及范围较小；在实验进行到160 min时，加入烟道气，气体流速为2 mL/min时，前端测温点温度略有降低，中部测温点温度降低，后端测温点3温度上升；190 min时改变烟道气流速为5 mL/min，岩心管前端温度进一步降低，后端温度明显提升，热波及范围有效扩大，模型沿程温差减小；230 min时烟道气流速变为10 mL/min，发生汽窜，3个测温点的温度均下降，随着烟道气流速的继续增大(20、30 mL/min)，3个测温点温度均明显下降。

图1 岩心管不同位置处温度

2.2 不同过冷度对蒸汽冷凝换热影响

图2为不同冷却循环水温度下纯蒸汽的冷凝过程及冷凝3.0 s时的冷凝图片。由图2可知，纯蒸汽在不同冷却循环水温度下的冷凝现象基本一致，蒸汽注入后与较冷的冷凝块接触，迅速液化，形成粒径极小且数量较多的液珠。随着蒸汽的不断注入，大量蒸汽接触到冷凝片，小液珠逐渐生长，粒径变大，当相邻2个液珠接触时，会聚并成一个新的大液珠。随着液珠不断聚并，当液滴足够大且液珠重力大于其与壁面之间的摩擦力时，液珠滴落。冷凝液珠的形成、聚并、脱落称之为一个完整的冷凝过程。

图2右侧为冷凝时间3.0 s时30、40、50 ℃冷却水下冷凝液珠图像，通过ImageJ统计软件统计不同冷却水温度下冷凝3.0 s时刻冷凝块上的液珠粒径，得到不同温度冷却水下3.0 s时刻各液珠粒径占比(表1)。表2为不同冷却水温度下蒸汽冷凝参数。

表1 不同温度下3.0 s时各冷凝液珠粒径占比Table 1 Liquid drop size distribution underdifferent temperatures at 3.0 s

表2 不同冷却水温度下蒸汽冷凝参数Table 2 Steam condensation parameters underdifferent cooling water temperatures

由表1、2可知，冷却水温度高，蒸汽与冷凝片的温差越小，冷凝块上形成的温度梯度越小，蒸汽在冷凝块上冷凝较慢，相对较少的蒸汽会在冷凝块表面冷凝，完成一个冷凝过程所需时间变长。在相同的时刻生成的液珠聚并较慢，生成的液珠直径较小。冷凝时间长，表明蒸汽向冷凝块的传热速度变慢，蒸汽对壁面的传热效率降低。

2.3 非凝析气体对蒸汽冷凝换热影响

图3为不同非凝析气体流量蒸汽冷凝图。由图3可知，气体加入后，蒸汽完成一个冷凝过程所需时间变长，且随着气体流量的增加，液珠脱落时间与冷凝时间更长。表3为不同气体流量蒸汽冷凝参数对比结果。由表3可知，蒸汽冷凝换热系数随着非凝析气体流量的增加而逐渐降低。

图4为5.5 s时不同凝析气流量蒸汽冷凝液滴的变化情况。由图4可知，5.5 s时无气体加入的纯蒸汽冷凝液珠已脱落，而加入气体之后，液珠聚并形成较大的液珠，能形成一层隔热水膜，增加了蒸汽与冷凝块之间的传热阻碍，凝结只能在膜的表面进行，潜热则以导热和对流方式穿过液膜传到壁上，液膜的存在减少了蒸汽与冷凝块之间的热交换，有效减缓了蒸汽凝结时的放热。

2.4 非凝析气影响蒸汽强化深部换热机理

烟道气强化油藏深部换热主要机理为抑制蒸汽冷凝。纯蒸汽驱时，蒸汽在油藏前端遇到冷的地层发生热交换，蒸汽分子快速发生冷凝，将大量的热量释放在油藏前端，剩余较少的热量深入岩心管内部，加热深部油藏。加入非凝析气后，气体的存在减缓了蒸汽与前端岩石的热交换速率，阻止了蒸汽冷凝液滴的形成，抑制了蒸汽的冷凝，同时，冷凝形成的液珠聚并成液膜附着在岩石表面，增加了蒸汽的传热阻力，阻碍了蒸汽在油藏前端的放热，导致更多的蒸汽热量流向油藏深部。

图3 不同气体流量蒸汽冷凝时间对比

表3 不同气体流量蒸汽冷凝参数对比Table 3 Steam condensation parameters under different gas flow

图4 5.5 s时不同凝析气流量蒸汽冷凝液滴的变化

非凝析气体辅助蒸汽驱过程中由于非凝析气体阻碍蒸汽冷凝的机理，能有效地扩大蒸汽的热波及范围，加热深部油藏，提高蒸汽的利用效率，减少蒸汽用量，降低生产成本。在实际生产中可将非凝析气体与蒸汽混合注入油藏，但要注意控制非凝析气体的注入比例。一维驱替实验发现，非凝析气体注入量过大时，形成非凝析气体刺穿通道，岩心管前后端温度都降低，热量从生产井产出，影响开发效果。

3 结 论

(1) 纯蒸汽驱替时，蒸汽冷凝较快，热波及范围有限，岩心管前端与中部位置温度均高于110 ℃，后端温度为70 ℃，加入少量非凝析气体后，岩心管前端温度降低5 ℃，深部温度升至90 ℃，热波及范围得到改善，体现了非凝析气体对油藏深部温度提高的促进作用；加入过量非凝析气体后，岩心管前端、后端温度均降低，非凝析气体将热量携带出来，表明注入非凝析气体应控制在一定范围内。

(2) 非凝析气体对蒸汽冷凝具有抑制作用。纯蒸汽冷凝时，蒸汽冷凝迅速，生成的液珠快速脱落，冷凝换热系数较大。加入非凝析气体之后，气体阻碍蒸汽冷凝，蒸汽冷凝速率减慢，蒸汽冷凝后在凝结表面形成较大的液珠，形成隔热液膜，阻碍蒸汽冷凝换热。