稠油油藏蒸汽吞吐注入能力影響因素研究

劉義剛，鐘立國，劉建斌，鄒 劍，張 華

(1.中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300452； 2.中國石油大學(北京)，北京 102249)

隨著開發技術的發展和對能源的需求，油氣藏的開發越來越趨向于非常規油氣藏。稠油油藏的開發作為非常規油氣藏開發的一個重要組成部分，也得到了廣泛的研究[1-2]。稠油油藏的開發主要是利用熱采[3]，熱采是目前較為成熟、應用較為廣泛的稠油開發技術。據統計，2008年熱采產量占世界稠油總產量的一半以上[4-5]。

蒸汽吞吐是稠油熱采的主要方式之一，增產效果非常顯著[6-8]。但在注入蒸汽過程中，由于原油黏度大，注氣量也較大，而加熱降黏需要一定時間，所以在注入初期或過程中注入壓力高，而影響注入能力，使得注汽速度受到影響，造成較大的熱量損失，嚴重影響蒸汽吞吐開發效果[9]。另外，在蒸汽吞吐過程中，由于地層的非均質性、流度比差異及蒸汽超覆等因素造成的吸汽不均，甚至形成汽竄。汽竄既影響注汽井的蒸汽吞吐效果，又影響竄通井的正常生產，而且熱能利用率低，嚴重影響熱采效果。蒸汽竄流是注蒸汽熱采過程中最棘手的難題之一[10-11]。為防止汽竄、 超覆等，提高蒸汽的熱利用率，本文通過室內實驗，在考慮油藏滲透率、注汽速度、注汽溫度以及原油黏度的情況下，研究了蒸汽吞吐稠油油藏的吸汽規律，通過均一化研究分析了上述影響因素對吸汽能力的影響程度，從而對蒸汽吞吐稠油油藏開發時注汽參數的確定提供一定的指導。

1 實驗部分

1.1 主要材料與儀器

實驗用3種油樣(1號、2號和3號)取自于渤海油田稠油油藏，它們的黏度—溫度曲線如圖1所示。實驗中使用的水都為去離子水，凈化設備為Millipore1 Elix-10凈化裝置。稠油黏度由HAAKE MARSIII流變儀測量。填砂管填砂所用的砂樣取自于出砂井砂樣(目數分別為40～60、60～90和90～120目)。通過控制不同目數砂樣的比例，可以得到不同滲透率填砂管。實驗中還用到ISCO恒流泵、蒸汽發生器、油水容器、壓力傳感器、恒溫箱、填砂管等。

圖1 渤海油田稠油黏度—溫度曲線Fig.1 Viscosity-temperature curve of heavy oil in Bohai Oilfield

1.2 實驗方法

在實驗室模擬研究蒸汽注入能力主要通過圖2所示實驗裝置進行，裝置主要分為蒸汽生成模塊、蒸汽注入模塊和出口流體收集模塊。在填砂模型的入口和出口裝有壓力傳感器，實時收集記錄壓力數據。通過平流泵可以控制蒸汽的注入速度；蒸汽發生器可以控制蒸汽的溫度；根據不同目數砂子的配比，可以得到不同滲透率填砂模型；液體收集裝置可以收集填砂模型出口處的液體，可以實時監控驅油效率。

圖2 蒸汽注入實驗裝置流程Fig.2 Steam injection experiment device process

2 結果與討論

2.1 滲透率對注入能力的影響

滲透率是稠油油藏的主要因素之一，該部分選取1號油為實驗用油，實驗溫度100 ℃，選取500×10-3、1 000×10-3、3 000×10-3μm2三個水平的填砂管，研究滲透率對蒸汽的注入能力的影響。實驗結果見表1，如圖3和圖4所示。

表1 不同滲透率級別時注入能力實驗研究結果Tab.1 Experimental research results of injection capacity at different permeability levels

圖3 不同滲透率級別砂管的注入壓力變化Fig.3 Variation of injection pressure of sand pipe with different permeability levels

圖4 不同滲透率級別填砂管的驅油效率Fig.4 Oil displacement efficiency of sand-packed pipes with different permeability levels

可以看出，隨著滲透率的升高，平均注入壓力降低，吸汽指數升高。且從圖3可以看出，滲透率越高，整個注入過程中壓力越低；滲透率越高，蒸汽的注入能力就越強。另外，從圖4可以看出，滲透率越高，蒸汽的驅油效率就越高。滲透率為500×10-3μm2時，驅油效率只有48%；滲透率為3 000×10-3μm2時，驅油效率高達56.67%，提高了8.67%。

2.2 注汽速度對注入能力的影響

不同的注汽速度會對開發具有一定的影響，設計實驗研究注汽速度對蒸汽注入能力的影響。所用的1號油樣，滲透率級別為3 000×10-3μm2，蒸汽溫度為200 ℃。實驗結果見表2，如圖5和圖6所示。可見，注汽壓力隨著注汽速度的增大而增大，而平均吸汽指數隨著注汽速度增大而減小。注汽速度為0.5 mL/min時，驅替時最高壓力1.534 MPa，平均壓力0.285 MPa，吸汽指數為1.75；注汽速度為2.0 mL/min時，驅替時最高壓力6.015 MPa，平均壓力1.242 MPa，吸汽指數為1.61。另外，隨著注汽速度的升高，驅油效率降低。注汽速度為0.5 mL/min時，驅油效率為75.24%；注汽速度為2.0 mL/min時，驅油效率降為46.98%，降低了28.26%。

表2 不同注汽速度時注入能力實驗研究結果Tab.2 Experimental research results of injection capacity at different steam injection speeds

圖5 不同注汽速度驅替時注入壓力變化Fig.5 Variation of injection pressure during displacement with different steam injection speeds

圖6 不同注汽速度驅油的驅油效率Fig.6 Oil displacement efficiency of different steam injection speeds

2.3 注汽溫度對注入能力的影響

稠油對溫度是非常敏感的，溫度升高，稠油黏度會大幅度降低。為了研究注汽(熱水)溫度對注入能力的影響，實驗研究了1號油樣，在滲透率級別為1 000×10-3μm2、注汽速度為1 mL/min時吸汽指數與溫度的關系。實驗結果見表3，如圖7和圖8所示。可以看出，隨著注汽溫度的升高，吸汽指數升高。說明溫度越高，越有利于蒸汽的注入。注汽溫度越高，驅油效率越高，溫度為52 ℃時，驅油效率為41.73%；注汽溫度為300 ℃時，驅油效率為83.48%，驅油效率提高了41.75%。

表3 不同注汽溫度時注入能力實驗研究結果Tab.3 Experimental research results of injection capacity at different steam injection temperatures

圖7 不同注汽(熱水)溫度下的注入壓力變化Fig.7 Variation of injection pressure under different steam(hot water)temperature

圖8 不同注汽溫度下的驅油效率Fig.8 Oil displacement efficiency under different steam injection temperatures

2.4 原油黏度對注入能力的影響

實驗采用的填砂管滲透率級別為1 000×10-3μm2，在1 mL/min的注汽速度下研究了不同黏度稠油的蒸汽注入能力，實驗溫度為300 ℃。實驗結果見表4，如圖9和圖10所示。可以看出，稠油的黏度越高，平均壓力越高，平均吸汽指數越低。另外，稠油黏度越高，驅油效率越低。1號稠油驅油效率為57.16%；3號稠油的驅油效率僅為46.18%。

表4 不同注汽溫度時注入能力實驗研究結果Tab.4 Experimental research results of injection capacity at different steam injection temperatures

圖9 不同黏度稠油300 ℃蒸汽驅替的注入壓力變化Fig.9 Variation of injection pressure of 300 ℃ steam flooding for heavy oil with different viscosity

圖10 不同黏度稠油300 ℃蒸汽驅替的驅油效率Fig.10 Oil displacement efficiency of 300 ℃ steam flooding for heavy oil with different viscosity

2.5 注汽壓力的因素敏感性分析

基于驅替實驗所得的不同因素對注汽壓力的影響情況見表5。

表5 基于驅替實驗所得的不同因素對 注汽壓力的影響情況Tab.5 Influence of different factors on steam injection pressure based on displacement experiment

通過上述研究發現，滲透率、注汽速度、注汽溫度、稠油黏度對蒸汽注入能力都有一定的影響。為了明確不同因素對吸汽能力的敏感性，在基于上述研究的基礎上，將所有影響因素做均一化研究。均一化因素水平是以因素水平最大值為基準，平均注汽壓力級差為相應因素水平最大注汽壓力與最小注汽壓力的比值，注汽壓力的因素敏感性是平均注汽壓力級差與相應因素級差的比值。由表5可以看出，注汽壓力對所考察4個因素的敏感性由大到小依次為注汽速度、注汽溫度、稠油黏度和滲透率。

3 結論

通過實驗模擬對稠油油藏蒸汽吞吐注入能力的研究，得到了以下結論。

(1)滲透率越高，整個注入過程中壓力越低，蒸汽的注入能力就越強。滲透率越高，蒸汽的驅油效率就越高。滲透率為457×10-3μm2時，驅油效率只有48%；滲透率為2 851×10-3μm2時，驅油效率高達56.67%，提高了8.67%。

(2)注汽壓力隨著注汽速度的增大而增大，而平均吸汽指數隨著注汽速度的增大而減小。隨著注汽速度的升高，驅油效率降低，當注汽速度為0.5 mL/min時，驅油效率為75.24%；當注汽速度為2 mL/min時，驅油效率降為46.98%，降低了28.26%。

(3)隨著注汽溫度的升高，吸汽指數升高，越有利于蒸汽的注入。注汽溫度越高，驅油效率越高。溫度為52 ℃時，驅油效率為41.73%；注汽溫度為300 ℃時，驅油效率為83.48%，驅油效率提高了41.75%。

(4)稠油的黏度越高平均壓力越高，平均吸汽指數越低，驅油效率越低。1號稠油驅油效率為57.16%；3號稠油的驅油效率僅為46.18%。

(5)所研究的各個因素對蒸汽吞吐稠油油藏吸汽能力的敏感性由大到小依次為注汽速度、注汽溫度、稠油黏度和滲透率。