熱采水平井配汽模擬實驗平臺建設與應用

王新偉，林日億，楊德偉，朱傳濤，李 端，尚林明

（1. 中國石油大學（華東） 新能源學院，山東 青島 266580；2. 青島市化石能源高效清潔利用工程研究中心，山東 青島 266580；3. 山東石油天然氣股份有限公司，山東 濟南 250101）

近年來，能源結構的調整步伐不斷加快，對能源動力專業創新性人才的培養提出了新的挑戰和要求[1]。創新性實驗是高等學校教學改革的重要內容，對于學生自主學習、團隊協作、創新實踐能力培養具有至關重要的作用[2-4]。將結合實際工程問題的科研成果轉化為創新性實驗資源，對于激發學生的創新意識、培養創新思維、提升創新能力具有重要的現實意義[5]。

稠油/超稠油是重要的非常規油氣資源，對能源結構、國民經濟發展和國家能源安全戰略具有重要影響[6-7]。稠油/超稠油的高效開發技術一直是國內外研究的熱點和難點[8],出現了蒸汽吞吐、蒸汽驅、蒸汽輔助重力泄油、火燒油層、化學驅、微生物驅、多元復合驅等一系列開發技術[9]。其中，注蒸汽熱采由于其經濟效益好、安全環保等特點而被廣泛應用。然而，隨著注汽時間的延長，熱采水平井普遍存在吸汽不均、汽竄嚴重、注汽效果差、油藏動用程度差異大等問題，導致熱采效率下降，開發成本升高[10-12]。

目前，對于水平井注汽效果的研究主要通過理論分析和CMG 軟件模擬等手段，物模實驗研究相對較少。理論分析和軟件模擬往往存在一些近似處理，且不能直接觀察、親自操作、主動調節注汽模擬過程中的關鍵參數，使學生難以準確理解和客觀分析與水平井配汽相關的科學問題，也不利于學生創新意識和創新能力的培養。

因此，有必要搭建水平井配汽三維模擬實驗平臺，通過研究蒸汽在水平段的流動傳熱問題，探究注汽過程溫度場形成和蒸汽腔擴展的影響因素等，為解決水平井蒸汽均衡分配問題提供理論支持[13-14]。該實驗平臺還可幫助學生加深對熱力采油理論知識的理解，為學生自主設計實驗提供條件，有利于培養學生的理論知識應用能力和實踐動手創新能力。

1 實驗裝置

1.1 實驗平臺總體結構

熱采水平井配汽模擬三維實驗平臺如圖1 所示，由注入系統、油藏模擬系統、背壓系統和數據采集系統四部分組成。

圖1 實驗裝置圖

圖2 模型內部分布

注入系統主要由蒸汽發生器、平流泵、活塞容器等組成，在定壓或定流量工況下提供實驗所需要的蒸汽。 油藏模擬系統本體為三維模型， 內尺寸為400 mm×400 mm×150 mm，共安裝147 個熱電偶和8個壓力傳感器。熱電偶分布如圖2 所示，共分三層，每層49（7×7）個熱電偶，8 個壓力傳感器分別布置在進出口位置和模型內部，可實時監測模型內溫度和壓力的變化。三維模型安裝在360°電控轉軸上，為減少模型散熱，模型內部四周采用云母板隔熱，外部置于恒溫箱內，溫度控制范圍為25～150 ℃。數據采集系統由溫度采集裝置、采出液收集裝置和計算機組成，溫度采集裝置將熱電偶信號轉化為電信號，實時顯示溫度值，由此觀察注汽過程中模型內部溫度變化，并可設置數據采集頻率并儲存。背壓系統由高壓氮氣瓶和調節閥組成，實驗前去除三維模型內的空氣，實驗中維持實驗系統的出口背壓條件。

1.2 實驗步驟

（1）實驗準備。準備不同粒徑的石英砂，混合后填入模型；檢查溫度、壓力傳感器等實驗測試儀器，保證其處于正常工作狀態。

（2）按照生產井和注汽井的實際相對位置，安裝模擬生產井和注汽井，并飽和油。若實驗用油粘度較大，直接用平流泵將其注入模型難度大，易堵塞管路。實驗時常用預先按比例混合的油砂填入模型，保證模型內部油相的波及體積均勻充分。填砂后測孔隙度，并加入蒸餾水，建立油藏初始含油飽和度和束縛水飽和度。上部覆蓋云母板，模擬原始油藏的頂部蓋層，之后蓋上模型蓋密封。

（3）封裝完成后，向模型內部注入高壓氮氣，待內部壓力穩定后，記錄初始壓力值，觀察壓力變化情況，一段時間后若壓力不變，說明模型封裝良好。如果壓力下降嚴重，則要通過涂抹檢漏液來尋找漏氣點，并進行補救。

（4）將三維模型置于恒溫箱內，在設定溫度下老化24 h，該設定溫度通常略高于原始油藏溫度。通過溫度傳感器實時監測模型內部溫度變化，老化結束后調整恒溫箱的設定溫度至原始油藏初始溫度，待溫度穩定后進行水平井配汽模擬實驗。

（5）開啟蒸汽發生器，升溫過程約1～2 h。實驗開始前，先進行蒸汽放空，排出注汽管線內空氣，預熱蒸汽管線及連接件。然后，按設計的注入強度、蒸汽溫度、壓力等通過模擬注汽井進入模型內部，開始實驗。

（6）采出端安裝背壓裝置，保證實驗過程的模擬油藏壓力值。出口管路安裝有伴熱裝置，保證原油的流動性，防止堵塞。

（7）實驗過程中由計算機實時監控顯示油藏溫度、壓力變化，并設置記錄實驗數據的頻率，直至實驗完成。

（8）實驗完成后，待裝置完全冷卻后更換注汽井及其他參數，按上述步驟再次實驗。

1.3 相似準則分析

實驗模擬參數的選擇應與真實油藏開發參數具有相關性，這就需要進行三維物模實驗的相似準則分析。以遼河油田杜-84 區塊為例，以主要相似準則數作為實驗設計依據，進行油藏注汽熱采物理模擬參數計算。

1.3.1 模型滲透率

模型絕對滲透率K、實際油藏滲透率Kf和模型滲透率Km的計算如式（1）、式（2）和式（3）：

式中，π1為重力與黏性力之比；K為模型絕對滲透率，μm2；t為生產時間，d（天）；ρ0為油密度，kg/m3；g 為重力加速度，m/s2；L為生產井與注汽井的間距，m；φ為孔隙度；S為油藏初始含油飽和度；μ0為原油黏度，mPa·s。

式中，f 表示實際油藏，m 表示模型， ( )r SφΔ 取1.55，( )r t取0.000 299，r(L)為0.013， 0( )r μ、 0( )r ρ、 (g)r取1，實際油藏的滲透率為1.86 μm2，則對應比例模型滲透率為：

1.3.2 注汽速率

注汽速率表達式見式（4）、式（5）和式（6）：

式中，2π為注入速率，is為注汽速率，m3/d；ρw為水相密度，kg/m3；其余參數含義同上。

式中，r(ρw)取1，實際油藏開發注汽速率sfi為350 m3/d，由于比例模型管長方向較短，為0.15 m，對應實際油藏長度為11.5 m，此時實際注汽速度折算為8.05 m3/d，對應比例模型注汽速率 smi如式（6），單位為mL/min：

2 實驗結果與分析

2.1 實驗誤差分析

實驗過程中的不確定度主要是由實驗儀器誤差和數據采集誤差造成的，定義為：

式中，u為實驗的不確定度；δins為實驗儀器誤差；δacq為數據采集系統誤差。

溫度為整個三維物理模擬實驗的關鍵參數，誤差主要來源于熱電偶的測量誤差和采集系統的顯示誤差，熱電偶精度為±1 ℃，故最大誤差為1 ℃，數據采集系統精度為±0.1 ℃，故最大誤差為0.1 ℃，因此實驗的不確定度為0.64 ℃，對實驗結果影響較小。

2.2 實驗結果分析

通過改變注汽井的結構，對比分析了配汽過程中油藏溫度場的變化。實驗使用的注汽井結構為割縫管、均勻開孔管柱、趾端射孔加密管柱三種結構，如圖3所示，其他參數保持不變，注汽速率63.7 mL/min，蒸汽溫度264 ℃，壓力5 MPa。

圖3 水平井管柱結構

三種注汽井結構在注汽20 min 和4 h 后所形成的溫度場分別如圖4 和圖5 所示。注汽20 min 后傳統割縫管和均勻開孔管柱的跟端溫度較高，趾端加密管柱的趾端溫度高于跟端溫度。注汽4 h 后，割縫管仍是跟端溫度較高，與趾端溫度相差較大，溫度場不均勻，而均勻開孔管柱形成由跟端向趾端溫度逐漸降低的溫度場，溫度梯度較小，對于整體儲層的動用程度高于割縫管，但不利于開采趾端原油。趾端加密管柱蒸汽已經由趾端向跟端蔓延，形成蒸汽腔，且產生了蒸汽超覆現象。

圖4 注汽20 min 后的溫度場

圖5 注汽4 h 后的溫度場

3 教學實驗設計

針對我校石油工程專業及能源與動力工程專業熱力采油方向對多元化創新性人才的培養要求，所搭建的熱采水平井配汽模擬三維實驗平臺可以進行以下實驗的實驗教學。

3.1 稠油熱采水平井配汽過程認識實驗

通過對實驗系統各部件的組裝，了解水平井配汽模擬三維實驗平臺的結構和功能，熟悉并實際操作蒸汽發生器、三維油藏模型、氮氣瓶等儀器設備和數據采集系統，直觀認識水平井配汽過程，加深對相關理論知識的理解，為后續的學習和工作打下基礎。

3.2 稠油熱采水平井配汽特性實驗

通過觀察水平井配汽過程中模型內部溫度場和壓力場的變化，確定不同條件下的注汽井結構、注汽速率、蒸汽品質、油藏模型參數等因素對配汽效果的影響。包括：

（1）注汽井結構對配汽效果的影響實驗。在相同注汽速率、蒸汽品質、注汽壓力、油藏模型參數下，改變注汽井結構進行水平井配汽模擬實驗。

（2）注汽速率對配汽效果的影響實驗。其他參數不變，改變注汽速率進行水平井配汽模擬實驗。

（3）蒸汽品質對配汽效果的影響實驗。其他參數不變，改變蒸汽品質，如蒸汽壓力和干度，進行水平井配汽模擬實驗。

（4）油藏模型參數對配汽效果的影響實驗。其他參數不變，改變油藏模型參數，如孔隙度、滲透率、含油飽和度和油層壓力，進行水平井配汽模擬實驗。

4 實驗平臺功能的多元化

學生通過稠油熱采水平井配汽模擬實驗，可以了解不同注汽參數和油藏參數對水平井配汽效果的影響，了解實驗設備的使用，提高應用技能。學生還可以自主選擇實驗項目、自主設計實驗方案、自行開展實驗，分析研究水平井配汽過程中各類參數對配汽效果的影響以及進行模擬注汽熱采開發實驗。這樣既能保證理論教學演示性和驗證性實驗的開設，又能滿足創新性、設計性和綜合性實驗的需求，對于學生的實踐能力、創新能力和綜合素質的提高具有重要意義[15-16]。

本實驗平臺既可為我校能源與動力工程專業學生開設實驗課，又可滿足他們畢業設計和創新訓練的需要。結合目前稠油熱采水平井配汽技術在油氣田開采中遇到的問題，并在查閱文獻、資料基礎上，學生可利用本實驗平臺自主選擇或在教師指導下選擇實驗項目，完成課題調研、實驗設計、實驗測試和數據分析等。不僅能培養學生理論聯系實際的能力，還能提高學生的科研能力和創新精神。

本實驗平臺還可以滿足科學研究和科技創新的需要，實現教學與科研的緊密結合。可為其他相關的高溫高壓實驗提供相關材料設備和儀器，鼓勵學生進行稠油熱采水平井配汽等方面的創新性研究，激發學生的科研興趣，培養學生的科研能力，實現實驗室資源的整合和高效利用。

5 結語

本文所搭建的實驗平臺可用于稠油熱采水平井配汽認識實驗及科學研究實驗，研究蒸汽品質、注汽速率、油藏參數和注汽井結構等因素對配汽效果的影響。可以幫助學生加深對熱力采油技術理論知識的理解，并鼓勵學生自主設計實驗方案，培養學生的實踐能力和創新意識。該實驗平臺滿足了本科理論教學、本科生畢業設計和自主創新實驗的需要，實現了科研實驗項目與教學實驗的結合。