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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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第3010年疆石油地质 X 1. 0章编号:1001—3873(2010)05油高温气体辅助蒸汽驱的可行性研究 范耀。,刘易j} ,茹婷 ,李彬目4 ,黄海 (1.煤炭科学研究总院西安研究院,西安710054;2.西安石油大学石油工程学院,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: 文献标识码:A 我国稠油资源比较丰富,陆上稠油、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、流变特性人手,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)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 ,当温度 时,稠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: 丁= (1) 当温度T<油流变行为表现为宾汉型非 牛顿流体的流变特陛,此时,本构方程可用下式表示: 7-= +'7 , (2) 式中丁——剪切应力,’ 丁 一屈服应力,a·s; ——剪切速率,S~. 屈服应力的大小直接反映原油在一定温度下由 变形到流动时的一个条件。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。 表1不同温度下的本构关系式 温度f℃) 关系式 R 温度(℃) 关系式 R 40 r=3.195 2+10.0533'O.999 7 80 =0.38243'O.999 50 1.899 3+3.653 13'0.999 8 90 r=0.331 21,0.999 E 60 r=1.277 7+1.532 53'0.999 7 100 f:0.206 33'1.000 0 70 r=O.321 5+0.728 13"0.999 8 120 f=0.0909"r 1.000 0 2蒸汽驱开采稠油的主要增产机理及其 仔_仕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 大幅度下降。使 油层能极大改善流度比_31,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 收稿日期:2010—03—10 作者简介:范耀(1983一),男,陕西成阳人,硕士,油气田开发,(3709256467(E—26.第3耀,等:稠油高温气体辅助蒸汽驱的可行性研究 ·531· 原油及水,因而在蒸汽驱过程中,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14]。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%一30%;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1/315~。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人,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[61,原油中充分溶解可使原油体积膨胀 10%一40%,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室内模拟实验 4.1实验方法 参照中华人民共和国石油天然气行业标准中的 《3 15—1997稠油油藏驱油效率的测定》和《6384—1999稠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++驱;S+N+ 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0.42 kg,h. 表2不同驱替方式下基本实验参数和无水采收期数据 l 蔫 (n'静 4.2实验结果分析 (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 图1 200~鹏∞傩 弘 枷 伽啪 珊瑚抛 B 佗 加 .J.酹蝌艇莨罂 新疆石油地质 动,油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14.0%、5.4%和 6.8%,相对于蒸汽驱的19.O%的残余油饱和度而言, 分别下降了26.3%、71.6%和64.2%. (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95.58%,二氧化碳辅助蒸汽驱提高了 33.43%,而氮气和二氧化碳辅助蒸汽驱提高幅度最 大,达到了3 图2 200℃时各驱替方式下的含水率曲线 (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 (I)注入更高温度、更高干度的蒸汽,对稠油的 开采至关重要。 图3 200~2)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]油油藏评价与开发[J]. 油田新技术(中文版),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,2):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 ].9883,1998. A in—1.Xi"i'10054.2.i i' 10065,at f of is of of il by to il of by 2,is in .1.2 O2 is 2;}.哥 要薛
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