李兆敏，徐亞杰，鹿 騰，楊建平，王宏遠(yuǎn)，尚振驍

(1.中國石油大學(xué)(華東)，山東 青島 266580；2.中國石油遼河油田分公司，遼寧 盤錦 124010)

0 引 言

勝利油田稠油油藏以邊際稠油為主，熱采開發(fā)過程中，普遍存在蒸汽熱利用效率低的問題。蒸汽驅(qū)時(shí)，蒸汽干度隨深度增加而降低，適合埋藏較淺的油藏，由于熱損失，制約了蒸汽驅(qū)的開發(fā)效果，且通過單純提高蒸汽的注入量來提升熱采的增產(chǎn)措施受到經(jīng)濟(jì)油汽比的限制[1-3]。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和礦場(chǎng)應(yīng)用表明，非凝析氣體輔助稠油熱釆技術(shù)能改善稠油油藏的開發(fā)效果。氣體輔助蒸汽驅(qū)應(yīng)用廣泛，氣體隔熱、封堵以及增能助排機(jī)理已得到深入研究[4-14]。礦場(chǎng)研究表明，在氣體輔助蒸汽驅(qū)過程中，蒸汽腔向地層頂部擴(kuò)展，動(dòng)用頂部油藏，該現(xiàn)象難以用氮?dú)飧魺釞C(jī)理進(jìn)行解釋。因此，通過物理模擬實(shí)驗(yàn)，研究了非凝析氣體在蒸汽驅(qū)過程中對(duì)蒸汽強(qiáng)化深部換熱的影響，并通過蒸汽冷凝傳熱實(shí)驗(yàn)，分析非凝析氣體對(duì)蒸汽冷凝的影響。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用模擬油由稠油與煤油復(fù)配而成，50℃下模擬油黏度為 2 010 mPa·s，在注入蒸汽溫度為140 ℃時(shí)的黏度為 33 mPa·s。實(shí)驗(yàn)用非凝析氣體為煙道氣(由氮?dú)馀c二氧化碳按 4∶1 的比例復(fù)配)，實(shí)驗(yàn)用水為蒸餾水。

1.2 一維物理模擬

實(shí)驗(yàn)儀器主要包括一維填砂管模型、高壓氣瓶、多功能驅(qū)替模擬系統(tǒng)、氣體流量計(jì)、ISCO 泵、蒸汽發(fā)生器、電腦及溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

實(shí)驗(yàn)步驟：①將一維模型管填砂，檢測(cè)氣密性，抽真空、飽和水、飽和油，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂紫抖葹?5%，滲透率為4 380 mD，初始含油飽和度為80%；②驅(qū)替實(shí)驗(yàn)蒸汽發(fā)生器溫度設(shè)置為300 ℃，蒸汽注入溫度為110 ℃，實(shí)驗(yàn)溫度為60 ℃，溫度穩(wěn)定后開始實(shí)驗(yàn)；③進(jìn)行一維蒸汽驅(qū)實(shí)驗(yàn)，蒸汽注入速率為5 mL/min，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行160 min后注入煙道氣，再根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)溫點(diǎn)溫度變化情況改變煙道氣注入量，標(biāo)準(zhǔn)狀況下煙道氣注入速率為2、5、10、20、30 mL/min，實(shí)驗(yàn)過程中溫度數(shù)據(jù)由溫度采集系統(tǒng)采集。

1.3 冷凝傳熱實(shí)驗(yàn)

冷凝傳熱設(shè)備主要由冷凝腔、冷凝塊、冷卻循環(huán)水系統(tǒng)組成。冷凝塊為長、寬各為20 mm的黃銅塊，其背部通有冷卻循環(huán)水，側(cè)面均勻分布5個(gè)測(cè)溫探頭。實(shí)驗(yàn)參數(shù)：純蒸汽冷凝實(shí)驗(yàn)蒸汽注入速率為10 mL/min(當(dāng)量水)，溫度為150 ℃，冷卻循環(huán)水溫度分別為30、40、50 ℃；含有非凝析氣體蒸汽冷凝實(shí)驗(yàn)蒸汽注入速率為10 mL/min(當(dāng)量水)，溫度為150 ℃，冷卻循環(huán)水溫度為40 ℃，非凝析氣注入速率分別為2、5、10 mL/min。

實(shí)驗(yàn)方法：向冷凝室通入蒸汽(蒸汽和非凝析氣體)，冷凝塊后表面通入冷卻循環(huán)水，蒸汽在冷凝塊前表面與冷凝塊接觸換熱發(fā)生冷凝現(xiàn)象。當(dāng)蒸汽冷凝達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，即測(cè)溫點(diǎn)溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，用攝像機(jī)記錄蒸汽冷凝液珠在冷凝塊前表面的形態(tài)。通過記錄分析冷凝片上液珠的生成、聚并、脫落的現(xiàn)象，描述蒸汽凝結(jié)過程。記錄冷凝液珠生成脫落所需時(shí)間，記錄冷凝塊測(cè)溫點(diǎn)溫度，計(jì)算蒸汽的冷凝換熱系數(shù)。使用ImageJ統(tǒng)計(jì)軟件統(tǒng)計(jì)冷凝塊上液珠粒徑，分析比較不同蒸汽在冷凝塊上的冷凝過程。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析2.1煙道氣輔助蒸汽驅(qū)

圖1為巖心管不同位置處測(cè)溫點(diǎn)的溫度。由圖1可知：純蒸汽驅(qū)替時(shí)，蒸汽在巖心管前端與多孔介質(zhì)發(fā)生熱交換，模型前端測(cè)溫點(diǎn)1溫度高，同時(shí)由于蒸汽注入熱量有限，高溫蒸汽無法深入巖心管深部，后端測(cè)溫點(diǎn)3溫度較低，蒸汽波及范圍較??；在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到160 min時(shí)，加入煙道氣，氣體流速為2 mL/min時(shí)，前端測(cè)溫點(diǎn)溫度略有降低，中部測(cè)溫點(diǎn)溫度降低，后端測(cè)溫點(diǎn)3溫度上升；190 min時(shí)改變煙道氣流速為5 mL/min，巖心管前端溫度進(jìn)一步降低，后端溫度明顯提升，熱波及范圍有效擴(kuò)大，模型沿程溫差減??；230 min時(shí)煙道氣流速變?yōu)?0 mL/min，發(fā)生汽竄，3個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度均下降，隨著煙道氣流速的繼續(xù)增大(20、30 mL/min)，3個(gè)測(cè)溫點(diǎn)溫度均明顯下降。

圖1 巖心管不同位置處溫度

2.2 不同過冷度對(duì)蒸汽冷凝換熱影響

圖2為不同冷卻循環(huán)水溫度下純蒸汽的冷凝過程及冷凝3.0 s時(shí)的冷凝圖片。由圖2可知，純蒸汽在不同冷卻循環(huán)水溫度下的冷凝現(xiàn)象基本一致，蒸汽注入后與較冷的冷凝塊接觸，迅速液化，形成粒徑極小且數(shù)量較多的液珠。隨著蒸汽的不斷注入，大量蒸汽接觸到冷凝片，小液珠逐漸生長，粒徑變大，當(dāng)相鄰2個(gè)液珠接觸時(shí)，會(huì)聚并成一個(gè)新的大液珠。隨著液珠不斷聚并，當(dāng)液滴足夠大且液珠重力大于其與壁面之間的摩擦力時(shí)，液珠滴落。冷凝液珠的形成、聚并、脫落稱之為一個(gè)完整的冷凝過程。

圖2右側(cè)為冷凝時(shí)間3.0 s時(shí)30、40、50 ℃冷卻水下冷凝液珠圖像，通過ImageJ統(tǒng)計(jì)軟件統(tǒng)計(jì)不同冷卻水溫度下冷凝3.0 s時(shí)刻冷凝塊上的液珠粒徑，得到不同溫度冷卻水下3.0 s時(shí)刻各液珠粒徑占比(表1)。表2為不同冷卻水溫度下蒸汽冷凝參數(shù)。

表1 不同溫度下3.0 s時(shí)各冷凝液珠粒徑占比Table 1 Liquid drop size distribution underdifferent temperatures at 3.0 s

表2 不同冷卻水溫度下蒸汽冷凝參數(shù)Table 2 Steam condensation parameters underdifferent cooling water temperatures

由表1、2可知，冷卻水溫度高，蒸汽與冷凝片的溫差越小，冷凝塊上形成的溫度梯度越小，蒸汽在冷凝塊上冷凝較慢，相對(duì)較少的蒸汽會(huì)在冷凝塊表面冷凝，完成一個(gè)冷凝過程所需時(shí)間變長。在相同的時(shí)刻生成的液珠聚并較慢，生成的液珠直徑較小。冷凝時(shí)間長，表明蒸汽向冷凝塊的傳熱速度變慢，蒸汽對(duì)壁面的傳熱效率降低。

2.3 非凝析氣體對(duì)蒸汽冷凝換熱影響

圖3為不同非凝析氣體流量蒸汽冷凝圖。由圖3可知，氣體加入后，蒸汽完成一個(gè)冷凝過程所需時(shí)間變長，且隨著氣體流量的增加，液珠脫落時(shí)間與冷凝時(shí)間更長。表3為不同氣體流量蒸汽冷凝參數(shù)對(duì)比結(jié)果。由表3可知，蒸汽冷凝換熱系數(shù)隨著非凝析氣體流量的增加而逐漸降低。

圖4為5.5 s時(shí)不同凝析氣流量蒸汽冷凝液滴的變化情況。由圖4可知，5.5 s時(shí)無氣體加入的純蒸汽冷凝液珠已脫落，而加入氣體之后，液珠聚并形成較大的液珠，能形成一層隔熱水膜，增加了蒸汽與冷凝塊之間的傳熱阻礙，凝結(jié)只能在膜的表面進(jìn)行，潛熱則以導(dǎo)熱和對(duì)流方式穿過液膜傳到壁上，液膜的存在減少了蒸汽與冷凝塊之間的熱交換，有效減緩了蒸汽凝結(jié)時(shí)的放熱。

2.4 非凝析氣影響蒸汽強(qiáng)化深部換熱機(jī)理

煙道氣強(qiáng)化油藏深部換熱主要機(jī)理為抑制蒸汽冷凝。純蒸汽驅(qū)時(shí)，蒸汽在油藏前端遇到冷的地層發(fā)生熱交換，蒸汽分子快速發(fā)生冷凝，將大量的熱量釋放在油藏前端，剩余較少的熱量深入巖心管內(nèi)部，加熱深部油藏。加入非凝析氣后，氣體的存在減緩了蒸汽與前端巖石的熱交換速率，阻止了蒸汽冷凝液滴的形成，抑制了蒸汽的冷凝，同時(shí)，冷凝形成的液珠聚并成液膜附著在巖石表面，增加了蒸汽的傳熱阻力，阻礙了蒸汽在油藏前端的放熱，導(dǎo)致更多的蒸汽熱量流向油藏深部。

圖3 不同氣體流量蒸汽冷凝時(shí)間對(duì)比

表3 不同氣體流量蒸汽冷凝參數(shù)對(duì)比Table 3 Steam condensation parameters under different gas flow

圖4 5.5 s時(shí)不同凝析氣流量蒸汽冷凝液滴的變化

非凝析氣體輔助蒸汽驅(qū)過程中由于非凝析氣體阻礙蒸汽冷凝的機(jī)理，能有效地?cái)U(kuò)大蒸汽的熱波及范圍，加熱深部油藏，提高蒸汽的利用效率，減少蒸汽用量，降低生產(chǎn)成本。在實(shí)際生產(chǎn)中可將非凝析氣體與蒸汽混合注入油藏，但要注意控制非凝析氣體的注入比例。一維驅(qū)替實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，非凝析氣體注入量過大時(shí)，形成非凝析氣體刺穿通道，巖心管前后端溫度都降低，熱量從生產(chǎn)井產(chǎn)出，影響開發(fā)效果。

3 結(jié) 論

(1) 純蒸汽驅(qū)替時(shí)，蒸汽冷凝較快，熱波及范圍有限，巖心管前端與中部位置溫度均高于110 ℃，后端溫度為70 ℃，加入少量非凝析氣體后，巖心管前端溫度降低5 ℃，深部溫度升至90 ℃，熱波及范圍得到改善，體現(xiàn)了非凝析氣體對(duì)油藏深部溫度提高的促進(jìn)作用；加入過量非凝析氣體后，巖心管前端、后端溫度均降低，非凝析氣體將熱量攜帶出來，表明注入非凝析氣體應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)。

(2) 非凝析氣體對(duì)蒸汽冷凝具有抑制作用。純蒸汽冷凝時(shí)，蒸汽冷凝迅速，生成的液珠快速脫落，冷凝換熱系數(shù)較大。加入非凝析氣體之后，氣體阻礙蒸汽冷凝，蒸汽冷凝速率減慢，蒸汽冷凝后在凝結(jié)表面形成較大的液珠，形成隔熱液膜，阻礙蒸汽冷凝換熱。