煙道氣對蒸汽腔影響可視化研究及機理分析

王壯壯，李兆敏，鹿 騰，楊建平，王宏遠

(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

SAGD作為稠油開發(fā)的重要技術(shù)，在國內(nèi)外均有廣泛應(yīng)用[1-6]，但該技術(shù)蒸汽用量大，油汽比較低，在低油價形勢下經(jīng)濟效益較差[7-9]。煙道氣輔助SAGD作為SAGD技術(shù)的改進，能有效降低蒸汽用量，提高油汽比，延長生產(chǎn)時間，顯著提高經(jīng)濟效益[10-18]。同時，煙道氣輔助SAGD技術(shù)將煙道氣注入地層，減少了溫室氣體排放，在全球變暖大背景下更具有重要意義[19-20]。

近年來，煙道氣輔助SAGD技術(shù)在遼河油田現(xiàn)場應(yīng)用，取得了良好的效果。礦場實踐發(fā)現(xiàn)，注入煙道氣后，SAGD蒸汽腔上部油藏溫度明顯增大，這與煙道氣隔熱、減少蒸汽腔向上傳熱等常規(guī)認識不同。因此，利用二維可視化模型，開展了SAGD物理模擬和煙道氣輔助SAGD物理模擬，研究了煙道氣對蒸汽腔擴展的影響；并通過冷凝傳熱實驗，從熱量傳遞的角度對煙道氣的作用機理進行了分析。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

為使實驗用油在注入蒸汽溫度下(108 ℃)的黏度與地層稠油在實際蒸汽溫度下(220～250 ℃)的黏度基本一致，實驗用模擬油由遼河油田杜84塊興VI組稠油與煤油復(fù)配而來。50 ℃下模擬油黏度為2 010 mPa·s，在注入蒸汽溫度下的黏度為33 mPa·s。實驗用煙道氣由氮氣與二氧化碳按照4∶1的比例復(fù)配而來。實驗用水為蒸餾水。

1.2 SAGD二維可視化物理模擬

實驗設(shè)備主要包括蒸汽發(fā)生器、ISCO泵、高壓氣瓶、氣體流量計、二維可視化模型、油水分離器、天平、溫度傳感器、電腦及數(shù)碼相機等。二維可視化模型的長、寬、高分別為50、40、1 cm，正面由可視的樹脂玻璃組成，背面分布60個測溫點。該模型內(nèi)壁涂有絕熱樹脂，減少散熱，外壁包裹加熱板，用以控制模型溫度。2口井位于模型底部，間距為5 cm，模擬SAGD雙水平井生產(chǎn)。

實驗步驟主要包括：①準(zhǔn)備二維填砂模型，包括檢測氣密性、填砂、抽真空、飽和水，2組實驗的填砂模型孔隙度約為43%，滲透率約為8 780 mD；②飽和油過程中將模型溫度設(shè)定為80 ℃，模擬油加熱至120 ℃，以1 mL/min的速率飽和油至產(chǎn)出液中不再含水，初始含油飽和度約為80%；③將蒸汽發(fā)生器溫度設(shè)定為250 ℃，二維模型溫度設(shè)定為50 ℃，待溫度穩(wěn)定后開始實驗；④模擬SAGD開發(fā)，蒸汽的注入速率為10 mL/min(當(dāng)量水)，注入溫度為108 ℃；⑤實驗過程中由溫度傳感器采集溫度場數(shù)據(jù)，電腦自動記錄，同時采集產(chǎn)油數(shù)據(jù)和產(chǎn)水?dāng)?shù)據(jù)；⑥對于煙道氣輔助SAGD模擬實驗，煙道氣在第120 min加入，標(biāo)準(zhǔn)狀況下注入速率為4 mL/min，注入方式是蒸汽與煙道氣共同注入，其他步驟和參數(shù)與SAGD模擬實驗相同。

1.3 冷凝傳熱實驗

實驗設(shè)備的核心部分是觀察室、冷凝塊和冷卻循環(huán)泵，其他設(shè)備與SAGD二維可視化實驗中設(shè)備相同。觀察室是長、寬、高分別為100、20、300 mm的不銹鋼長方體，正面有觀察窗。冷凝塊由黃銅制成，嵌在冷凝室的后壁內(nèi)，前端面處于冷凝室內(nèi)，后端面被冷卻液沖刷。蒸汽由冷凝室上方注入，部分蒸汽在冷凝塊上冷凝，剩余蒸汽和冷凝液由下方排出。冷凝塊上均勻分布5個熱電偶。觀察室內(nèi)壁涂有絕熱層，外壁由加熱板控制觀察室內(nèi)部溫度。

實驗步驟：①通過適當(dāng)加壓方法，檢查觀察室氣密性；②在氣密性良好的前提下，開始加熱觀察室，并進行冷卻液預(yù)循環(huán)，同時打開蒸汽發(fā)生器，三者溫度分別設(shè)定為100、20、250 ℃；③待觀察室內(nèi)和冷凝塊上溫度穩(wěn)定后，開始向觀察室內(nèi)注入蒸汽和煙道氣，蒸汽注入速率為10 mL/min(當(dāng)量水)，注入溫度為108 ℃，煙道氣注入速率分別為0、5、10、20 mL/min；④實驗過程中觀察冷凝塊上蒸汽冷凝現(xiàn)象，并記錄冷凝塊上各點溫度變化；⑤調(diào)整冷卻循環(huán)系統(tǒng)的溫度，重復(fù)上述步驟③、④。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 煙道氣對蒸汽腔擴展影響

圖1為模擬SAGD開發(fā)的蒸汽腔變化，圖2為模擬煙道氣輔助SAGD開發(fā)的蒸汽腔變化。由圖1、2可知，觀察到的蒸汽波及區(qū)域與監(jiān)測的溫度場在形狀上基本吻合，充分說明實驗結(jié)果的可信性和準(zhǔn)確性。

由圖1可知，SAGD模擬初期(前120 min內(nèi))，蒸汽腔向上發(fā)育較快，橫向擴展較慢。中期蒸汽腔向上發(fā)育速度逐漸減小，到180 min時，蒸汽腔向上發(fā)育至模型2/3處。繼續(xù)模擬開發(fā)60 min，蒸汽腔基本不再向上發(fā)育，橫向上小幅擴展。由于重力超覆的作用，蒸汽腔主要在縱向上發(fā)育，橫向波及效率較低。實驗結(jié)束時，蒸汽腔呈“瘦長形”，模型頂部和兩側(cè)大部分區(qū)域的剩余油難以得到動用。

圖1 SAGD物理模擬不同時期蒸汽腔的變化

由圖2可知，由于前120 min沒有注入煙道氣，蒸汽腔發(fā)育情況與SAGD模擬實驗基本一致。加入煙道氣后，蒸汽腔再次向上發(fā)育，但橫向上依然沒有明顯擴展，蒸汽腔在煙道氣帶動下的向上擴展可稱作“二次發(fā)育”。至240 min時，“二次發(fā)育”使蒸汽腔向上擴展了約7 cm，占原蒸汽腔高度的1/4。240 min之后，蒸汽腔開始橫向擴展，但縱向上逐漸萎縮。這是因為煙道氣在模型頂部聚集形成氣頂，減少了蒸汽向上的熱損失，同時氣頂占據(jù)上部空間，迫使蒸汽向兩側(cè)運移，從而導(dǎo)致蒸汽腔橫向擴展、縱向高度下降。到360 min時，蒸汽腔基本不再擴展，此時蒸汽腔呈現(xiàn)“扇形”，橫向上擴展良好，整體波及效率較高。通過與SAGD模擬實驗對比發(fā)現(xiàn)，煙道氣的加入使蒸汽腔先向上“二次發(fā)育”，后橫向擴展，從而大大提高蒸汽腔面積。在實際SAGD生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，注入煙道氣后，蒸汽腔上方溫度顯著升高。這與該實驗結(jié)果一致，說明煙道氣確實能促進蒸汽腔向上發(fā)育。

圖2 煙道氣輔助SAGD物理模擬不同時期蒸汽腔的變化

2.2 煙道氣對蒸汽冷凝傳熱的影響

高溫蒸汽與低溫物體接觸時，蒸汽會將潛熱傳給壁面而自身冷凝，該過程稱為冷凝傳熱。圖3為不同氣水比時蒸汽在冷凝塊上的冷凝現(xiàn)象。由圖3可知：純蒸汽冷凝時，蒸汽主要以液珠的形式冷凝在銅塊上；隨煙道氣比例增加，冷凝塊上逐漸有液膜鋪展。這種以液珠為主的冷凝方式稱為滴狀冷凝，而以液膜為主的冷凝方式稱為膜狀冷凝。同時研究發(fā)現(xiàn)，在純蒸汽冷凝時冷凝液珠頻繁脫落，而隨著氣水比增大，冷凝液的滴落頻率降低。這說明隨著混合蒸汽中煙道氣比例的增加，蒸汽冷凝方式由滴狀冷凝逐漸過渡為膜狀冷凝，冷凝效率逐漸下降。

圖3 不同氣水比條件下蒸汽冷凝現(xiàn)象

為表征蒸汽冷凝傳熱過程中熱量傳遞強度，通過線性擬合冷凝塊上溫度分布，計算了冷凝傳熱系數(shù)[21-25]。圖4為不同氣水比時冷凝傳熱系數(shù)隨過冷度的變化關(guān)系。由圖4可知，相同過冷度下，純蒸汽的冷凝傳熱系數(shù)最大，隨著氣水比的增加，冷凝傳熱系數(shù)減小，說明煙道氣能抑制蒸汽冷凝傳熱。這是因為氣體聚集在低溫物體表面形成氣膜，增大了高溫蒸汽與低溫物體間的傳熱阻力，使蒸汽傳熱系數(shù)減小，冷凝效率降低。

圖4 不同氣水比條件下冷凝傳熱系數(shù)隨過冷度的變化

2.3 煙道氣影響機理

前人研究認為，煙道氣等非凝析氣體會聚集在蒸汽腔頂部，起到保溫隔熱的作用，減少蒸汽腔向蓋層散熱，從而擴大蒸汽腔橫向波及效率[11-12]。實驗發(fā)現(xiàn)，煙道氣能使SAGD蒸汽腔在縱向上“二次發(fā)育”，促進蒸汽滲流傳熱，其作用機理可從2方面解釋。

(1) 煙道氣指進。在蒸汽和煙道氣共同滲流情況下，由于煙道氣滲流阻力小，流動能力強，煙道氣會發(fā)生指進，甚至氣竄。這能為后續(xù)蒸汽開辟滲流通道，降低滲流阻力，加速滲流，減少滲流過程中的熱損失，從而使熱量快速傳遞至巖心深部。

(2) 煙道氣抑制蒸汽冷凝傳熱。蒸汽在巖心中滲流時，自身熱量一部分與周圍低溫物體發(fā)生熱交換，一部分攜帶至深部。由于多孔介質(zhì)表面積大，高溫蒸汽與低溫巖石骨架會發(fā)生大量的熱交換，蒸汽將熱量傳遞給巖石，而自身在巖石表面冷凝。蒸汽一旦冷凝，滲流速度會顯著降低，無法快速向深部傳熱。因此，在純蒸汽滲流時，由于冷凝傳熱系數(shù)大，蒸汽大量散熱而迅速冷凝，導(dǎo)致熱量波及范圍小。而對于含有煙道氣的混合蒸汽，煙道氣能在巖石表面形成氣膜，減少蒸汽在滲流過程中與巖石傳熱，抑制其冷凝，使更多蒸汽能攜帶熱量向深部巖心滲流。

3 結(jié) 論

(1) SAGD蒸汽腔呈現(xiàn)“瘦長形”，主要在縱向上擴展，橫向波及效率低。煙道氣的加入使SAGD蒸汽腔先向上發(fā)育，后橫向擴展，大大提高波及效率。蒸汽腔在煙道氣加入后的“二次發(fā)育”體現(xiàn)了煙道氣對蒸汽滲流傳熱的促進作用。

(2) 煙道氣對蒸汽冷凝傳熱具有抑制作用，表現(xiàn)為隨煙道氣比例增加，蒸汽冷凝傳熱系數(shù)下降，冷凝方式由滴狀冷凝變?yōu)槟罾淠＿@是因為煙道氣在低溫物體表面聚集形成氣膜，增大了傳熱阻力。

(3) 煙道氣促進蒸汽滲流傳熱的作用機理主要包括：①氣體指進為后續(xù)蒸汽減小滲流阻力，使蒸汽能快速向深部運移，從而促進熱量傳遞；②煙道氣降低了蒸汽與多孔介質(zhì)之間的冷凝傳熱系數(shù)，使?jié)B流過程中蒸汽向周圍介質(zhì)傳熱減少，更多熱量被傳到深部巖心。