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稠油高温气体辅助蒸汽驱的可行性研究

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高温 气体 辅助 蒸汽 可行性研究
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2010 年新 疆 石 油 地 质收稿日期: 2010-03-10作者简介:范 耀( 1983-),男,陕西咸阳人,硕士,油气田开发,( 13709256467( 1,刘易非2,茹 婷2,李彬刚1,黄 海2( 安研究院,西安 710054; 油工程学院,西安 710065)摘 要: 针对目前稠油油藏开发效益差 、产量低的现状,开展了适用稠油油藏的注气方式研究 。从稠油粘温特性和流变特性入手,分析了蒸汽驱开采稠油的驱油机理以及目前开发中所存在的问题,并通过理论分析和室内实验,对利用氮气 、二氧化碳气体的性质,辅助蒸汽高效开采稠油的可行性进行了深入研究 。结果表明,加入氮气 、二氧化碳的高温气体辅助蒸汽驱相比单纯蒸汽驱具有明显优势,原油采收率显著提高 。关键词: 稠油;非牛顿流体;蒸汽驱;氮气;二氧化碳中图分类号: 献标识码: 上稠油 、沥青资源约占石油资源总量的 20%以上[1]。稠油的开采具有很大的潜力,稠油资源将成为中国重要的战略接替能源之一 。笔者以辽河油田的常规稠油为研究对象,从稠油粘温特性 、流变特性入手,在分析稠油蒸汽驱驱油机理以及制约因素的基础上,进行了利用氮气 、二氧化碳辅助蒸汽高效开采稠油油藏研究 。1 稠油性质分析( 1)粘温特性 稠油粘度对温度有很强的敏感性,随着温度升高,稠油粘度显著降低 。稠油含胶质 、沥青质越多,内聚力越大,稠油粘度越高 。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,粘度随之减小 。( 2)流变特性 在不同温度下对实验所用稠油进行流变性测试,可得到如表 1 所示的关系式 。从表 1 可看出,存在着一个临界温度 温度T>油流变行为表现牛顿流体的流变特性,可用下式表示其流变模式:τ = ηγ . ( 1)当温度 T<油流变行为表现为宾汉型非牛顿流体的流变特性,此时,本构方程可用下式表示:τ = τ0+ ηγ, ( 2)式中 τ———剪切应力, 0———屈服应力, ———宾汉粘度, Pa·s;γ———剪切速率, 对于稠油,只有当驱动压力大于屈服应力时才开始流动,这表明稠油开始流动需要一个启动压力,要减小启动压力,关键是减小稠油流动的屈服应力,通过不断减小其流动屈服应力,达到有利于开采的目的 。从表 1 可知,稠油的屈服应力随温度的增加而急剧下降;反之,温度的降低将导致稠油屈服应力的急剧增加,使初始启动压力也急剧增加,致使稠油在地下无法流动,不能正常生产 。因此,从稠油的粘温关系以及屈服应力与温度的关系考虑,注入更高温度 、更高干度的蒸汽,对稠油的开采至关重要 。2 蒸汽驱开采稠油的主要增产机理及其存在问题( 1)原油加热降粘作用 向油层注入蒸汽的过程中,随着油层温度增加,原油粘度 μ使油层能极大改善流度比[3],这是主要的增产机理 。( 2)蒸汽的蒸馏作用 油层中形成的蒸汽带,其温度和井底蒸汽温度相同,使热凝结带后面剩余油在高温下部分汽化,并推向前缘 。蒸馏出的石油气和蒸汽的混合物向前推进,遇到温度较低的油层时,油和水的蒸汽就凝结成液体,形成轻油带 。( 3)重力分离作用 由于蒸汽的相对密度远小于文章编号: 1001-3873( 2010) 05-0530-03第 31 卷 第 5 期 新 疆 石 油 地 质 31, 52010 年 10 月 201040 τ=+50 τ=+γ 60 τ=+γ 70 τ=+γ 表 1 不同温度下的本构关系式温度 (℃) 关系式 = γ 90 τ= γ 100 τ= γ 120 τ= γ 温度 (℃) 关系式 ,等:稠油高温气体辅助蒸汽驱的可行性研究第 31 卷 第 5 期图 1 200℃S)S)S+N)S+N)S+C)S+C)S+N+C)S+N+C)无水采收率(%)00表 2 不同驱替方式下基本实验参数和无水采收期数据驱替方式绝对渗透率(10隙度( %)原始含油饱和度( %)蒸汽温度( ℃)S++水时刻含水饱和度(%)而在蒸汽驱过程中,必然发生汽水分离,进入油层的蒸汽超覆于油层顶部,并向平面方向扩展,而蒸汽凝结水则从油层下部向前推进 。( 4)存在问题 在开发中,当蒸汽与低于其饱和温度的冷壁面接触时,就会发生凝结换热现象,蒸汽凝结成为液体[4]。因此,在注蒸汽的过程中,蒸汽由锅炉出口到达加热油层,热损失大;蒸汽在注入过程易形成指进窜流,从而导致蒸汽驱有效期短,垂向及平面上的汽驱波及系数不高 。如何有效减少蒸汽从锅炉出口到达加热油层过程中的热量损失,确保注入更高温度 、更高干度的蒸汽,以及更好地抑制蒸汽窜流 、提高垂向及平面上的汽驱波及效率,是高效开发稠油油藏,提高蒸汽驱开采效果的关键因素 。3 高温气体辅助蒸汽驱开采稠油的主要增产机理蒸汽中如果存在微量的不凝性气体,将会对凝结换热产生极大的影响 。例如,在一般的冷凝温差下,当不凝性气体体积分数为 2‰时,表面传热系数将下降20%~30%;体积分数为 5‰时,降低 50%;而当体积分数达到 10%时,表面传热系数将仅达到纯净蒸汽的 1/3[5]。因此,考虑利用不凝性气体 ———氮气来辅助蒸汽驱开采,降低混注汽化压力,则会起到减少热损失 、保持蒸汽温度 、减慢蒸汽干度降低速度的作用,有利于蒸汽与纵深地层稠油的热交换过程,进而强化对原油中轻质组分的蒸馏效应 。在蒸汽驱中加入二氧化碳,可利用二氧化碳在原油中的溶解性以及弱酸性等性质,来提高开发效果 。因此,除了上述的驱油机理之外,对于氮气 、二氧化碳辅助蒸汽驱提高采收率机理还包括如下 5 个方面 。( 1)利用贾敏效应,提高波及效率,降低残余油饱和度 氮气与蒸汽混合注入,氮气在储集层中产生贾敏效应,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,使原来呈束缚状态的原油成为可动油,从而降低残余油饱和度 。( 2)增强岩石的渗流能力 二氧化碳溶于地层水中可形成碳酸,使岩石中方解石 、白云石等矿物成分被溶蚀,使得矿物颗粒间孔隙变大,增强岩石的渗流能力 。( 3)降低稠油粘度 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,因而稠油的粘度得到有效的降低;而氮气能在地层中形成微气泡,从而油 、气 、水三相形成似乳状液的流体,降低原油粘度,提高驱油效率 。( 4)使稠油体积膨胀,提高驱油效率 二氧化碳溶于稠油之后,会使稠油体积膨胀,大量室内和现场试验表明[6],原油中充分溶解 使原油体积膨胀10%~40%,其结果不仅增加了原油的内动能,而且也可大幅度降低原油流动过程中的毛管阻力和流动阻力,从而提高原油的流动能力 。( 5)维持或恢复地层压力 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,可弥补由蒸汽冷凝所减小的压力,从而保持地层压力 。4 验方法参照中华人民共和国石油天然气行业标准中的《 6315油油藏驱油效率的测定 》和 《6384油油藏高温相对渗透率测定 》进行实验 。实验的基本原理是在注入蒸汽的同时,加注氮气 、二氧化碳或二者组成的混合气体( S 代表蒸汽驱;S+N 代表氮气辅助蒸汽驱; S+C 代表二氧化碳辅助蒸汽驱; S+N+C 代表氮气和二氧化碳辅助蒸汽驱) 。根据储集层参数,按照一定的粒度分布,制作人工填砂岩心模型,实验模拟储集层条件,所用岩心的主要物性参数及实验条件参见表 2,实验采用的蒸汽流量为 kg/验结果分析( 1)油水两相渗流规律 各驱替方式下的相对渗透率曲线见图 1. 从图 1 可以看出,在蒸汽中加注其他气体之后,油水两相共渗区增大,相渗曲线向右移531· ·2010 年新 疆 石 油 地 质A . Xi'Xi'10054, . Xi'Xi'10065, at of of is of of by to on of by 2, is in 2 200℃ 8 10 12驱油效率,+S+ 200℃+S+相相对渗透率显著增加,等渗点随之向右移动,残余油饱和度减小 。到驱替实验结束时,二氧化碳辅助蒸汽驱 、氮气辅助蒸汽驱 、氮气和二氧化碳辅助蒸汽驱对应的残余油饱和度分别为 相对于蒸汽驱的 残余油饱和度而言,分别下降了 ( 2)含水率变化 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 2. 含水率曲线见图 2. 从表 2 可看出,相对于蒸汽驱而言,采用高温气体辅助蒸汽驱之后,无水采收期均有所延长,无水采收率也有所提高 。氮气辅助蒸汽驱的无水采收率提高了 而氮气和二氧化碳辅助蒸汽驱提高幅度最大,达到了 314%.( 3)驱油效率 从驱替实验结果可看出(图 3),相对蒸汽驱而言,采用高温气体辅助蒸汽驱时的驱油效率有了明显的增加 。各种驱替方式的驱替效果从强到弱依次为:氮气和二氧化碳辅助蒸汽驱,氮气辅助蒸汽驱,二氧化碳辅助蒸汽驱,蒸汽驱 。5 结 论( 1)注入更高温度 、更高干度的蒸汽,对稠油的开采至关重要 。( 2)注蒸汽过程中,蒸汽热损失大,且易形成指进窜流,垂向及平面上的汽驱波及系数不高是影响蒸汽驱开采效果的主要因素 。( 3)利用氮气和二氧化碳辅助蒸汽开采稠油,可在一定程度上解决蒸汽热损失大 、汽驱波及系数不高的问题,而且还可提高岩石的渗流能力,降低稠油粘度,使稠油体积膨胀,维持或恢复地层压力 。( 4)高温气体辅助蒸汽驱的各种驱替方式的驱替效果从强到弱依次为:氮气和二氧化碳辅助蒸汽驱,氮气辅助蒸汽驱,二氧化碳辅助蒸汽驱 。( 5)建议在高温气体辅助蒸汽驱中,加入发泡剂,利用不凝性气体 ———氮气起到发泡充填介质的作用,从而更好地改善注汽层面吸汽不均 、汽窜等问题 。参考文献:[ 1] 稠油油藏评价与开发[ J] 文版), 2006,(夏季刊): 34.[ 2] 张庆茹 . 中国陆上稠油资源潜力及分布特征[ J] . 中外科技情报, 2007( 1): 2.[ 3] 何更生 . 油层物理[ M] . 北京:石油工业出版社, 1995.[ 4] 王厚华 . 传热学[ M] . 重庆:重庆大学出版社, 2006.[ 5] 章熙民 . 传热学[ M] . 北京:中国建筑工业出版社, 2001.[ 6] R, H, . of a A] . 9883, ·
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