王連剛，石蘭香，袁 哲，李秀巒，劉鵬程

(1.中國(guó)石油天然氣股份有限公司 勘探與生產(chǎn)分公司，北京 100007；2.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083；3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)院，北京 100083)

0 引 言

蒸汽輔助重力泄油技術(shù)(Steam-assisted Gravity Drainage)，簡(jiǎn)稱SAGD，是稠油開(kāi)采最重要的方法之一，其開(kāi)采機(jī)理是向油藏注入蒸汽，形成蒸汽腔，加熱油藏內(nèi)流體，受熱流體與冷凝蒸汽在自身重力作用下流向生產(chǎn)井，隨著油藏內(nèi)原油被采出，蒸汽腔體積不斷擴(kuò)大[1]。然而，稠油油藏原油黏度大，尤其是特稠油和超稠油，其地下原油黏度達(dá)10 000 mPa·s以上[2]。加熱原油需要消耗大量蒸汽，進(jìn)而消耗大量天然氣用于生產(chǎn)蒸汽，因此SAGD的經(jīng)濟(jì)效益受到影響。為了減少蒸汽用量，提高SAGD經(jīng)濟(jì)效益，國(guó)內(nèi)外稠油研究者提出了大量改善方法和技術(shù)，例如氣體輔助SAGD技術(shù)，即 SAGP(Steam and Gas Push)技術(shù)[3]，直井輔助SAGD技術(shù)[4]以及溶劑輔助SAGD(Steam Assisted Gravity Drainage)技術(shù)[5-6]等。溶劑輔助SAGD技術(shù)由加拿大阿爾伯塔能源署的Nasr教授提出，并申請(qǐng)了專利。該技術(shù)結(jié)合了蒸汽熱效應(yīng)和溶劑稀釋效應(yīng)，開(kāi)采瀝青/稠油油藏能夠提高能源利用率，減少二氧化碳排放[7]。目前加拿大阿爾伯塔省已經(jīng)開(kāi)展了溶劑輔助SAGD試驗(yàn)，并取得了較好的效果[8-9]。

國(guó)內(nèi)外技術(shù)研究表明[10-22]，溶劑與蒸汽共同注入油藏之后，以氣相或者液相的形式與原油混合，輔助降黏，可有效改善SAGD技術(shù)開(kāi)發(fā)效果。目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)溶劑輔助SAGD開(kāi)發(fā)技術(shù)應(yīng)用的先例，有關(guān)溶劑輔助SAGD開(kāi)發(fā)機(jī)理、溶劑優(yōu)選、注采參數(shù)優(yōu)化、效果評(píng)價(jià)等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題有待深入研究。本次研究以國(guó)內(nèi)某SAGD井區(qū)超稠油油藏原油為基礎(chǔ)，開(kāi)展了純蒸汽SAGD、高濃度多組分溶劑輔助SAGD以及低濃度多組分溶劑輔助SAGD實(shí)驗(yàn)。通過(guò)這些研究，揭示了溶劑輔助SAGD技術(shù)的泄油機(jī)理，不同濃度溶劑對(duì)蒸汽腔發(fā)育規(guī)律、產(chǎn)量及采收率的影響，并分析了溶劑輔助SAGD技術(shù)的能量利用效率，可為優(yōu)化溶劑輔助SAGD技術(shù)的操作策略、提高溶劑輔助SAGD技術(shù)開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)效益提供重要實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料

(1)原油。采用國(guó)內(nèi)某油田SAGD井區(qū)脫水后的超稠油進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。原油密度0.965 g/cm3，原油黏溫曲線如圖1所示。50 ℃條件下原油黏度為31 862.9 mPa·s，當(dāng)溫度達(dá)到160 ℃時(shí)，原油黏度降至59.1 mPa·s。按照劉文章推薦的分類方法[2]，實(shí)驗(yàn)所用原油屬于超稠油(Extra Heavy Oil)。

(2)溶劑。實(shí)驗(yàn)用的溶劑為多組分混合溶劑，該混合溶劑主要以C4-C12以下的烷烴為主，圖2為多組分混合溶劑的組分組成及對(duì)應(yīng)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

圖1 實(shí)驗(yàn)所用超稠油黏—溫關(guān)系曲線Fig.1 Viscosity-temperature curve of the heavy oil sample

2 實(shí)驗(yàn)儀器與實(shí)驗(yàn)流程

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

圖3為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭D。該模型為不銹鋼材料研制而成，長(zhǎng)、寬、高分別為10 cm、80 cm、24 cm。如圖3所示，注入井和生產(chǎn)井垂向相距5 cm，生產(chǎn)井置于距底部1 cm處。橫向上，注入井和生產(chǎn)井都置于模型的中間。圖4為熱電偶平面分布示意圖，模型內(nèi)均勻布置了21個(gè)熱電偶，用于監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中模型內(nèi)部的溫度分布。

A.m+p-二甲苯；B.1,2,4-三甲苯圖2 多組分混合溶劑的組成Fig.2 Mole fraction of the mixed-solvent components

圖3 測(cè)試模型示意圖Fig.3 Schematic diagram of the experimental model

模型用石英砂填充，滲透率約為120 μm2。實(shí)驗(yàn)前，填砂模型先用水飽和，然后用加熱至80 ℃的超稠油進(jìn)行驅(qū)替。表1為所有實(shí)驗(yàn)的孔隙體積、孔隙度、滲透率以及初始含油飽和度。在所有實(shí)驗(yàn)中，模型參數(shù)幾乎一樣，但存在一定程度的實(shí)驗(yàn)誤差。

實(shí)驗(yàn)中，從中央供給系統(tǒng)注入蒸汽或溶劑。用控制閥控制蒸汽注入速率，調(diào)節(jié)器調(diào)整注入壓力。在注溶劑的2個(gè)實(shí)驗(yàn)中，溶劑用泵定體積注入。產(chǎn)出的油、水、溶劑的混合物，被匯集到一個(gè)活塞式的儲(chǔ)存槽中，然后經(jīng)過(guò)冷凝器冷凝。冷凝的液體收集在取樣瓶中進(jìn)行分析。用氣體流量計(jì)計(jì)量排出的氣體體積，每隔10 min取一次樣，用在線色譜分析儀分析產(chǎn)出氣體。另外，每隔1 min記錄溫度、壓力和注入速率。

2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

總共進(jìn)行了3組實(shí)驗(yàn)。3組實(shí)驗(yàn)均在0.5 MPa壓力下操作，注入飽和蒸汽溫度為159 ℃。第1組是純蒸汽SAGD實(shí)驗(yàn)，為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，以3.99 kg/h的速度往生產(chǎn)井和注汽井中注入蒸汽進(jìn)行熱循環(huán)。大約10 min后，生產(chǎn)井與注汽井形成熱聯(lián)通，生產(chǎn)井停止注汽，注汽井繼續(xù)以2.02 kg/h的速率注汽，直到910 min實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

第2、3組實(shí)驗(yàn)均為溶劑輔助SAGD實(shí)驗(yàn)，這兩組實(shí)驗(yàn)與純蒸汽SAGD一樣進(jìn)行熱循環(huán)，注汽速率分別為4.01 kg/h、3.98 kg/h，3組實(shí)驗(yàn)在循環(huán)階段的注汽速度幾乎相同。在生產(chǎn)井和注汽井熱循環(huán)10 min形成熱聯(lián)通后，生產(chǎn)井停止注汽，在注汽井中同時(shí)注入蒸汽和溶劑。低濃度和高濃度混合溶劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.125 2、0.356 5，

圖4 熱電偶平面分布示意圖Fig.4 Schematic diagram of the temperature sensor distribution

項(xiàng)目孔隙體積/cm3孔隙度/%滲透率/μm2初始含油飽和度SAGD5 91031.851200.926低濃度溶劑輔助SAGD6 11032.61200.959高濃度溶劑輔助SAGD5 87931.71200.942

表2 SAGD實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)階段注入?yún)?shù)

3組實(shí)驗(yàn)的注入?yún)?shù)見(jiàn)表2。低濃度溶劑輔助SAGD實(shí)驗(yàn)中，蒸汽和溶劑的注入速率分別為2.06 kg/h和297.6 g/h(標(biāo)況下400.57 cm3/h)。高濃度溶劑輔助SAGD實(shí)驗(yàn)中，蒸汽和溶劑的注入速率分別為2.04 kg/h和1 188.80 g/h(標(biāo)況下1 600 cm3/h)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 組分分析

利用色譜分析儀，對(duì)注入溶劑和產(chǎn)出氣中的C2-C8(鏈烷烴)的各組分的質(zhì)量進(jìn)行了分析，分析結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出，兩組注溶劑實(shí)驗(yàn)中，注入的C3-C8的質(zhì)量均逐漸遞增，但產(chǎn)出物中的組分均以C4-C6為主。由此可以說(shuō)明，這些組分除了以液相存在于油藏之中，還有部分以氣相形式存在，與蒸汽一起運(yùn)移至汽腔邊界降黏，以氣相形式產(chǎn)出。而注入的C7以上組分在氣相產(chǎn)出物中含量少，主要以液相形式與原油混合后發(fā)生降黏效果。

進(jìn)一步對(duì)氣相產(chǎn)出物中C1-C8組分的質(zhì)量隨生產(chǎn)時(shí)間變化規(guī)律進(jìn)行分析。圖6和圖7分別為低濃度、高濃度溶劑輔助SAGD實(shí)驗(yàn)中氣相產(chǎn)出物的C1-C8質(zhì)量隨時(shí)間變化曲線。對(duì)比圖6和圖7可以看出，低濃度溶劑實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)出的C4、C5比高濃度溶劑實(shí)驗(yàn)的低得多。這是因?yàn)榈蜐舛葘?shí)驗(yàn)中C4、C5的注入量相對(duì)于高濃度溶劑實(shí)驗(yàn)低3倍左右，因此其采出量也相對(duì)較低。高濃度溶劑輔助SAGD實(shí)驗(yàn)中，氣相以 C4、C5為主，氣體運(yùn)移速度較快。這些氣相組分容易大量聚集在蒸汽腔與原油的交界面，使熱傳導(dǎo)率降低，阻止了熱交換，導(dǎo)致原油采收率較低。

圖5 低濃度和高濃度溶劑輔助SAGD實(shí)驗(yàn)中，注入和采出的C3-C8的總質(zhì)量Fig.5 Total injection and production amount of C3-C8 under two different concentration conditions

3.2 溫度剖面和蒸汽腔發(fā)育特征

圖6 低濃度溶劑輔助SAGD實(shí)驗(yàn)中氣相產(chǎn)出物C1-C8的質(zhì)量變化曲線Fig.6 Gas phase production amount of C1-C8 in the low-concentration experiment

圖8為3組實(shí)驗(yàn)的上覆巖層溫度隨時(shí)間的變化曲線。溶劑輔助SAGD的上覆巖層溫度明顯低于純蒸汽SAGD的溫度，說(shuō)明溶劑輔助降低了蒸汽在上覆巖層的熱損失。這是因?yàn)槿軇┲械牡吞蓟衔?≤C5)擴(kuò)散到模型頂部，降低了熱傳導(dǎo)，進(jìn)而減少了熱損失。

圖9為模型的溫度分布。根據(jù)溫度分布范圍，可以表征蒸汽腔的發(fā)育情況。從圖9可以看出，在初始階段(≤100 min)，3組實(shí)驗(yàn)的溫度分布幾乎一樣，表明蒸汽腔發(fā)育范圍幾乎一致。在后期(>100 min)，由于溶劑中的氣相低碳化合物(≤C5)擴(kuò)散，降低了蒸汽腔擴(kuò)展速度，相對(duì)于溶劑輔助SAGD，純蒸汽SAGD的蒸汽腔橫向擴(kuò)展速度明顯較快。這也是低濃度溶劑輔助SAGD采收率高于高濃度溶劑輔助SAGD的重要原因。應(yīng)當(dāng)指出的是，溶劑輔助SAGD中的低碳?xì)庀嘟M分在一定程度上減緩了蒸汽超覆，從而使溫度剖面在垂向上分布更均勻，即蒸汽腔在垂向上擴(kuò)展較均勻。因此，即使蒸汽腔在頂部擴(kuò)展范圍較小，但是在底部的擴(kuò)展范圍增大。

圖7 高濃度溶劑輔助SAGD實(shí)驗(yàn)中氣相產(chǎn)出物C1-C8的質(zhì)量變化曲線Fig.7 Gas phase production amount of C1-C8 in high-concentration experiment

圖8 上覆巖層溫度剖面對(duì)比Fig.8 Contrast of the temperature profiles of the overlying rock

圖9 模型溫度剖面隨時(shí)間的變化Fig.9 Change of the temperature profile of the model with time

3.3 生產(chǎn)效果分析

圖10 原油產(chǎn)量曲線Fig.10 Curves of the oil production

圖11 原油采收率的對(duì)比Fig.11 Comparison of the oil recovery

圖10和圖11分別為原油的產(chǎn)量變化曲線和采出程度變化曲線。從圖10可以看出，3組實(shí)驗(yàn)的原油產(chǎn)量均經(jīng)歷了產(chǎn)量上升，穩(wěn)定生產(chǎn)以及產(chǎn)量遞減的階段，符合SAGD生產(chǎn)規(guī)律。但是溶劑輔助SAGD的高峰期產(chǎn)量明顯高于純蒸汽SAGD，并且低濃度溶劑輔助SAGD的高峰期產(chǎn)量高于高濃度溶劑輔助SAGD的高峰期產(chǎn)量。圖11為3組實(shí)驗(yàn)的采出程度變化曲線。由圖11可以看出，在400 min以前，溶劑輔助SAGD的采出程度明顯高于純蒸汽SAGD實(shí)驗(yàn)的采出程度，之后逐漸被純蒸汽SAGD超越。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，純蒸汽SAGD、低濃度溶劑輔助SAGD以及高濃度溶劑輔助SAGD的采收率分別為72.56%、73.17%和69.83%。由此可以說(shuō)明，溶劑輔助有利于提高SAGD早期的采油速度，但對(duì)最終采收率的影響不大。前期采油速度較大時(shí)，必然導(dǎo)致后期可采儲(chǔ)量小，采油速度下降。而對(duì)于純蒸汽SAGD而言，前期產(chǎn)量較低，則更多的原油需要靠后期采出，因此后期采油速度較高。

另外，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，低濃度溶劑輔助SAGD實(shí)驗(yàn)的采出程度一直高于高濃度溶劑輔助SAGD實(shí)驗(yàn)的采出程度。從上述的產(chǎn)出物氣相組成分析結(jié)果可知，高濃度條件下，更多的低碳組分(C4、C5)以氣相形式聚集在蒸汽腔與原油的交界面，使熱傳導(dǎo)率降低，從而導(dǎo)致原油采收率降低。因此，溶劑輔助SAGD存在合理溶劑濃度，在本實(shí)驗(yàn)中，溶劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)以0.125 2為宜。

3.4 能耗分析

由于注入溶劑質(zhì)量不同，消耗的能量也不一樣，原油采收率并不是開(kāi)發(fā)效果的唯一的衡量標(biāo)準(zhǔn)。為了評(píng)價(jià)不同開(kāi)采方式的效果，進(jìn)一步分析和對(duì)比了每采出單位質(zhì)量的原油所消耗的能量。為了分析溶劑輔助SAGD中氣體減少熱損失的效果，對(duì)3組實(shí)驗(yàn)的單位原油產(chǎn)量的耗能量進(jìn)行了計(jì)算和對(duì)比，見(jiàn)表3。

單位質(zhì)量原油所消耗能量為總注入能量與原油累計(jì)產(chǎn)量的比值。計(jì)算過(guò)程中，考慮蒸汽的比熱為4.18 kJ/(kg·℃)，潛熱為2 086 kJ /kg，遺留在巖心中的溶劑的熱值為33 864 kJ/kg(標(biāo)況)。從表3可以看出，純蒸汽SAGD實(shí)驗(yàn)產(chǎn)出單位質(zhì)量原油消耗的能量最高，其次是高濃度溶劑輔助SAGD實(shí)驗(yàn)，消耗能量最低的是低濃度溶劑輔助SAGD實(shí)驗(yàn)。

表3 產(chǎn)出單位質(zhì)量原油消耗能量

顯然，產(chǎn)出單位質(zhì)量原油消耗能量越少，對(duì)采油越有利，表明獲得一定采收率消耗能量越少。但是，上述分析并未考慮在模型頂部和底部及邊部的熱量損失。在油田現(xiàn)場(chǎng)，上覆蓋層和下伏巖層的熱傳導(dǎo)率與巖石基質(zhì)幾乎一樣。因此，在溶劑輔助SAGD過(guò)程中，溶劑中氣相組分的隔熱效果能夠減少熱損失。因此，若考慮熱損失，純蒸汽SAGD的能量消耗將會(huì)更高，那么低濃度溶劑輔助SAGD相對(duì)相同操作壓力下的純蒸汽SAGD將具有更大潛力。

當(dāng)指出的是，受實(shí)驗(yàn)條件限制，本次研究只開(kāi)展了2組不同濃度的溶解輔助SAGD實(shí)驗(yàn)。實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)針對(duì)具體油藏條件，包括原油及儲(chǔ)層物性特征，開(kāi)展溶劑篩選、油藏條件的適應(yīng)性評(píng)價(jià)以及注采參數(shù)優(yōu)化研究，才能獲得最佳的溶劑輔助SAGD開(kāi)發(fā)效果。

4 結(jié) 論

氣相組成分析結(jié)果表明，溶劑輔助SAGD中，溶劑以氣相和液相兩種形式存在于油藏中，與蒸汽一起降低原油黏度；溶劑輔助SAGD可以提高SAGD前期產(chǎn)量和采收率，但溶劑濃度存在一個(gè)合理范圍；本實(shí)驗(yàn)中，以低濃度(質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.125 2)為宜。溶劑濃度越高，低碳組分(≤C5)氣相含量越高，不利于蒸汽與原油熱交換，從而導(dǎo)致原油采收率較低。溶劑輔助SAGD中，溶劑中的低碳(≤C5)氣相組分隨蒸汽運(yùn)移至油層頂部，能夠減少蒸汽在上覆巖層的熱損失，從而減緩蒸汽超覆，提高蒸汽腔垂向擴(kuò)展均勻性。在低濃度溶劑輔助SAGD過(guò)程中，采出單位質(zhì)量原油消耗的能量最低，具有較大的應(yīng)用潛力。在實(shí)際應(yīng)用中，需要針對(duì)具體油藏開(kāi)展溶劑篩選、油藏條件適應(yīng)性評(píng)價(jià)以及注采參數(shù)優(yōu)化，才能獲得最佳的溶劑輔助SAGD技術(shù)開(kāi)發(fā)效果。