超稠油油藏溶劑輔助重力泄油機理物理模擬實驗

吳永彬，劉雪琦，杜宣，周曉義，王麗，李駿，李雁鴻，李秀巒，李陽

（1.中國石油勘探開發研究院，北京 100083；2.新疆油田公司風城油田作業區，新疆克拉瑪依 834000；3.中國石油大學（北京）石油天然氣工程學院，北京 102249；4.山東科瑞集團研究院，山東東營 257000；5.中國地質大學（北京）能源學院，北京 100083）

0 引言

蒸汽輔助重力泄油（SAGD）是超稠油和油砂高效開發的主體技術，截至2018年底，中國新疆FC油區已部署實施了171個雙水平井SAGD井組，年貢獻產量達到100×104t以上。SAGD產油主要依靠重力驅動，高溫下原油動力黏度對蒸汽腔擴展速度和油井產量影響很大[1-6]，新疆FC油區200 ℃條件下原油黏度20～40 mPa·s，遠高于加拿大高溫油砂原油黏度（10～20 mPa·s），相同溫度下，加拿大油砂原油SAGD的泄油速度約為中國稠油的2倍。溶劑輔助SAGD（ES-SAGD）是利用溶劑對原油的降黏作用，在蒸汽高溫降黏的基礎上，進一步降低原油黏度，提高原油的泄油能力。該技術應用于加拿大油砂SAGD項目取得了顯著的增產效果[7-11]。

溶劑類型對ES-SAGD的生產效果有很大影響，國外對此開展過大量的室內研究，證實不同油品、不同溫壓條件對應的最佳溶劑體系不同，需要針對具體的油藏條件，篩選合適的溶劑體系[12]。通過文獻調研發現，目前尚未建立ES-SAGD泄油理論模型，有必要引入輔助溶劑溶油降黏的特征參數，對常規SAGD泄油理論進行修正，分析預測ES-SAGD的泄油動態。對具體的稠油油藏而言，不同溶劑體系對ES-SAGD生產規律的影響需要開展大型物模實驗獲取數據，并在此基礎上系統研究蒸汽中添加溶劑后蒸汽腔的發育規律、生產動態、采收率與油汽比等的改善情況，探討ES-SAGD在國內超稠油油藏中的應用潛力[13]。

本文針對上述問題，主要開展輔助溶劑降黏實驗，分析溶劑降黏規律，優選最佳溶劑體系，在此基礎上對SAGD泄油理論模型進行修正，建立ES-SAGD理論模型。以ES-SAGD理論為指導，開展大型ES-SAGD二維比例物模實驗，探索ES-SAGD的泄油機理。

1 SAGD泄油理論模型修正

開展不同溶劑對稠油的降黏特征實驗，擬合溶劑對原油的降黏特征關系式，代入Butler經典SAGD泄油理論模型中，可準確表征溶劑對稠油的降黏特征及輔助溶劑對SAGD生產動態的影響。

1.1 輔助溶劑降黏實驗

為避免輕烴溶劑的高揮發性給實驗結果帶來誤差，實驗采用帶密閉測試系統的HAAKE MARS III流變儀進行測試，測試步驟依據行業準標（SY/T 7549—2000原油黏溫曲線的確定 旋轉黏度計法）進行設計。具體步驟為：在原油中添加一定體積比例的不同類型輕烴溶劑快速混合均勻；倒入流變儀密閉測試轉筒中，密封端蓋；采用磁力攪拌轉子測量不同溫度下混合油的密閉黏度（測量條件：溫度從20 ℃上升到90 ℃，實驗壓力為常壓，剪切速率從3 s-1提高到20 s-1）。

實驗分別測試了標準原油、95%原油+5%正己烷、95%原油+5%二甲苯、95%原油+5%正戊烷、95%原油+5%柴油、95%原油+5%石腦油、95%原油+5%正庚烷的黏度-溫度關系（見圖1），可以看到，溶劑對原油的降黏率按由大到小依次排序為：正己烷、正庚烷、石腦油、二甲苯、柴油、正戊烷。原油中添加5%正己烷后，50 ℃條件下原油黏度從89 066 mPa·s下降到3 148 mPa·s，降黏率達到96.5%，具有最佳的降黏效果，可優選為溶劑體系的主劑。

圖1 不同類型溶劑對原油的降黏特征曲線

在主劑優選的基礎上，進一步開展不同比例正己烷對原油的降黏特征實驗（見圖2），同樣可見，正己烷溶劑體系可呈指數降低原油黏度，原油中添加5%～10%正己烷溶劑，原油黏度降低90%～98%。盡管進一步增加溶劑比例會進一步降低原油黏度，但考慮輕烴溶劑的高額成本和實際儲集層條件下的回采率，在礦場實施過程中注入過高比例的溶劑將大幅增加經濟風險，因此在綜合考慮技術經濟界限的基礎上，將二維物理模擬實驗的溶劑濃度控制在10%。

圖2 不同含量正己烷對原油的降黏特征擬合曲線

由原油降黏特征擬合曲線可知，輕烴溶劑降黏實驗結果與Arrhenius黏度模型計算結果[14-18]具有很高的擬合率。因此，溶劑與原油混合后黏度可采用指數函數表示：

溶劑與原油混合流體的密度采用體積加權，根據（1）式并通過單位換算，可得到單/多組分溶劑與原油混合流體運動黏度表達式：

1.2 理論模型修正

將（2）式代入純蒸汽SAGD不同階段的泄油理論模型[19-20]中，可修正得到ES-SAGD不同泄油階段的動態預測公式。

蒸汽腔上升階段原油產量為：

理想情況下，蒸汽腔上升至油層頂部后達到高峰穩定產量所需的時間為：

理想情況下，蒸汽腔達到頂部以后橫向擴展時，原油峰值產量為：

當蒸汽腔到達井組邊界或者油藏邊界后，進入蒸汽腔下降階段的原油產量為：

鑒于油藏（物理模型）內溫度、壓力、注入溶劑類型與蒸汽比例等對原油運動黏度、可動油飽和度均有較大影響，因此在應用上述公式時，需要根據不同開發階段油藏（物理模型）的溫度、壓力、注入流體參數等確定原油運動黏度和可動油飽和度。

2 ES-SAGD物理模擬實驗設計

2.1 相似比例?；?/h3>

根據Butler純蒸汽SAGD二維物模相似準則，結合混合流體黏度關系式（（1）式），建立ES-SAGD相似準則基本方程：

根據相似準則對物理模型參數進行比例?；?，建立ES-SAGD大型二維宏觀物理模擬的相似比例模型（見表1）與實驗流程。

表1 ES-SAGD關鍵參數比例?；Y果

ES-SAGD實驗裝置主要包括4個部分（見圖3）：①注入系統，包括蒸汽發生器、高壓驅替泵、中間容器等，在準備過程中為模型飽和地層水和原油，在實驗過程中注入水蒸汽和溶劑；②大型二維可視化模型本體（見圖4），尺寸50 cm×30 cm×4 cm，內部均勻部署測溫熱電偶與測壓點；③數據采集與控制系統，包括壓力/溫度采集與控制單元、監控電腦、數據采集與壓力/溫度場反演軟件；④采出系統，包括高溫背壓閥、產出汽液自動收集器、電子天平等。

2.2 實驗流程

圖3 高溫高壓二維比例物理模擬實驗裝置圖

圖4 模型本體結構圖

實驗共分為9步：①實驗前，模型本體及管路采用丙酮清洗，并吹氮氣干燥。②根據儲集層砂巖粒徑分布，模型本體裝填粒徑80～120目（0.125～0.180 mm）石英砂密封后從補砂孔進行填實，防止實驗過程中砂粒運移。③模型本體抽真空到1.0 kPa。④飽和水：向模型本體中注水（注入水根據地層水礦化度配制），注入速度20 mL/min，注入完畢后老化48 h。⑤飽和油：將超稠油預置入中間容器，放入恒溫箱并升溫至80 ℃，確保超稠油的流動性；模型本體依靠保溫套升溫至80 ℃并保持2 h，然后向模型本體中注入脫水原油，注入速度10～20 mL/min，實時測量產出液體含水率，當含水率為0后繼續驅替1 h停止。⑥飽和油完成以后，模型本體重新降溫至地層溫度20 ℃，老化48 h。⑦預熱：向模型本體中的注汽井、生產井注入蒸汽進行循壞，利用監測軟件實時監測注汽井、生產井之間模型的溫度變化，當溫度達到130 ℃時，確認注汽井、生產井間建立了熱聯通與水動力連通，停止預熱，轉為上部注汽井注汽，下部生產井連續生產，進入SAGD生產階段。⑧SAGD生產：控制蒸汽注入速度，根據監測溫度場判別，進入蒸汽腔上升階段，注汽速度從初始的4 mL/min逐步提高到10 mL/min；進入蒸汽腔橫向擴展階段，保持10 mL/min注汽速度；進入蒸汽腔下降階段，注汽速度逐漸降低到4 mL/min；利用回壓閥控制產出液速度，確保采注比控制在1.1～1.2。⑨產出液處理：產出液采用離心機進行油水分離，并采用旋轉蒸發器分離和計量產出的輕烴溶劑和油。

2.3 實驗方案設計

采用新疆FC油區超稠油開展物模實驗，原油組分為：飽和烴34.2%、芳香烴20.8%、膠質31.3%、瀝青質13.7%。針對該區塊瀝青含量較高的特點，共設計3組大型二維SAGD物模實驗方案：①純蒸汽SAGD；②90%蒸汽+10%正己烷ES-SAGD；③90%蒸汽+9%正己烷+1%二甲苯ES-SAGD。

設計實驗方案①與方案②的目的在于對比蒸汽中添加少量溶劑后的ES-SAGD與純蒸汽SAGD的蒸汽腔發育、生產動態等特征。設計實驗方案③是因二甲苯具有溶解瀝青的優異性能，為防止ES-SAGD過程中瀝青沉淀造成油層堵塞，添加該溶劑評價清除瀝青堵塞的可行性，并對比方案②和方案③的開發效果。

為確保方案對比的一致性與可靠性，3組實驗過程中的飽和水量、飽和油量以及注采參數均相同。

3 實驗結果分析

3.1 蒸汽腔擴展特征

3.1.1 蒸汽腔擴展速度

圖5 SAGD與ES-SAGD蒸汽腔發育形態

對比蒸汽腔不同擴展階段溫度場（見圖5）可知，方案②和③在蒸汽腔上升和橫向擴展階段的溫度場比方案①低10～20 ℃，原因在于注入的冷溶劑降低了蒸汽溫度。然而盡管方案②和③平均溫度略低，但通過溶劑的溶油降黏作用，ES-SAGD溫度場的擴展速度反而更快，證實溶劑與蒸汽的結合，充分發揮了溶劑溶油降黏+蒸汽高溫降黏的雙重作用，原油黏度比常規SAGD更低，泄油能力顯著提高，促進了蒸汽腔的加速擴展[21-22]。

3.1.2 蒸汽腔泄油界面擴展形態

對比3個方案的泄油界面發育情況（見圖6、圖7），發現方案①泄油界面呈凸曲面形態，方案②為斜坡形態，方案③為凹陡坡形態?？梢钥吹綇姆桨涪俚椒桨涪?，蒸汽腔的泄油界面橫向擴展速度逐漸增大，方案①蒸汽腔泄油界面橫向擴展速度最慢，主要是因為單純的蒸汽對原油的降黏效果有限，橫向蒸汽-原油傳質速率低；方案②在蒸汽中添加10%溶劑后，有效提高了降黏效果，降低了橫向傳質阻力，泄油速率隨之提高；方案③添加了溶解瀝青的二甲苯，對原油的降黏速率進一步提高[23]，蒸汽腔橫向擴展速率進一步加快，泄油速率也進一步提高。

圖6 不同溶劑體系的蒸汽腔泄油界面特征

圖7 不同溶劑體系的蒸汽腔泄油界面形態對比

通過泄油界面的進一步對比可以發現，方案②溶劑具有明顯的脫瀝青現象，瀝青大量沉積在蒸汽腔內部石英砂表面（石英砂表面顏色變暗）；實際油藏條件下，沉淀的瀝青將堵塞油層孔隙，降低油層滲流能力。方案③中添加了溶解瀝青的二甲苯，蒸汽腔內部泄油界面處石英砂表面僅出現少量瀝青沉淀（石英砂表面顏色變亮），說明大量瀝青被溶解并被產出，有效降低了發生瀝青堵塞的風險。方案③一方面可大幅降低原油黏度，同時可有效清除瀝青堵塞，為最佳方案。

3.2 生產動態特征對比

圖8為3個方案的產油速率變化曲線，可以看到，方案①上產速度遠低于方案②、方案③，方案①4.3 h后產油速率達到峰值，方案②、方案③產油速率達到峰值的時間分別為2.1 h和1.9 h；3個方案的峰值產油速率也相差較大，方案①為223 g/h，方案②、方案③分別為298，375 g/h，較方案①分別提高了33.6%和68.2%。

圖8 常規SAGD與ES-SAGD產油速率對比

采用本文修正模型，并考慮不同生產階段的實驗溫度、壓力、注入流體參數等對運動黏度、可動油飽和度的影響，對實驗結果進行擬合（見圖8），對比實驗產油速率與采用本文修正模型計算的結果可以看到：方案①的產量上升階段擬合效果較好，但在下降階段擬合較差，原因在于實驗在4～6 h期間背壓閥高溫控壓局部失效，采注比達到了1.2～1.4，未能有效控制在1.1～1.2，導致該階段高產持續；過高的實際采注比引起注采井間發生汽竄，導致實驗6 h后產量快速下降，因此實驗與理論模型計算的結果誤差較大。實際油藏條件下操作控制引起的汽竄是影響生產的主要因素之一。方案②和方案③生產穩定，擬合精度高。

方案②累計溶劑用量為：正己烷230.0 mL；方案③累計溶劑用量為：正己烷177.5 mL，二甲苯19.7 mL。方案②、方案③溶劑回采率分別為82.3%和86.1%，表明在封閉油藏中實施ES-SAGD具有較高的溶劑回采率，可避免溶劑漏失產生的效益損失。

圖9為不同方案采出程度對比，方案①采出程度為58.2%，方案②、方案③分別為67.9%和74.4%，比方案①分別提高了9.7%和16.2%，表明ES-SAGD一方面可以加速降黏，另一方面隨著黏度的降低，部分難動用的邊部與底部原油得到動用，從而提高了原油采出程度。對比方案②與方案③可知，方案③原油采出程度比方案②高6.5%，說明向蒸汽-溶劑體系中添加1.0%二甲苯可以充分發揮其對瀝青的溶解作用，減少瀝青沉淀，有效降低滲流阻力，原油更易采出。

圖9 常規SAGD與ES-SAGD采出程度對比

圖10為不同方案累計油汽比對比，方案①累計油汽比0.32 m3/m3，方案②、方案③分別為0.54，0.69 m3/m3，比方案①分別提高了69%和116%，表明采用ES-SAGD方式開發，利用少量溶劑替代蒸汽，可大幅提高泄油速率。實驗過程中，方案②、方案③的溶劑回采率分別為82.3%和86.1%，經測算，如重復利用溶劑，采用ES-SAGD方式開發，其總體噸油成本分別比方案①增加17.0%和23.0%，但鑒于其縮短生產周期、提高采出程度等方面的優勢，應用潛力巨大。

圖10 常規SAGD與ES-SAGD累計油汽比對比

4 結論

輕烴溶劑對原油的降黏效果從大到小依次排序為：正己烷、正庚烷、石腦油、二甲苯、柴油、正戊烷，50 ℃條件下原油中添加5%正己烷，降黏率可達96.5%。

蒸汽中添加輕烴溶劑后（本文實驗中輕烴溶劑加量為10%），可發揮“溶劑溶油降黏+蒸汽高溫降黏”的雙重作用，加快蒸汽腔橫向擴展速率，加快泄油速率，提高采出程度。

蒸汽-溶劑體系中添加1%二甲苯，可以充分發揮其對瀝青的溶解作用，減少瀝青沉淀，有效降低滲流阻力，進一步提高采出程度。

重復利用溶劑，采用ES-SAGD方式開發，可實現利用少量溶劑替代蒸汽，雖目前成本略有偏高，但其具有提高泄油速度、縮短生產周期、提高采出程度等優勢，應用潛力巨大。

引入輕烴溶劑溶油降黏特征，對常規SAGD進行修正后建立的ES-SAGD泄油理論模型，經實驗數據擬合證實是可靠的，可用于ES-SAGD生產動態預測。

符號注釋：

B3——相似系數，無因次；g——重力加速度，7.323 126×1010m/d2；h——模型或原型油藏厚度，m；i——混合油組分編號；K——絕對滲透率，m2；L——水平井水平段長度，m；m——黏溫曲線指數，無因次；n——混合油中溶劑與原油的組分數量，無因次；q——原油產量，m3/d；t——時間，d；w——模型或原型油藏寬度，m；xi——混合油中各組分摩爾分數，無因次；yi——混合油中各組分體積分數，無因次；α——熱擴散系數，m2/d；ΔSo——可動油飽和度，%；μi——混合油中各組分的動力黏度，mPa·s；μmix——混合油動力黏度，mPa·s；νmix——混合油運動黏度，m2/d；ρi——混合油中各組分密度，g/cm3；ρmix——原始原油與輕烴溶劑混合油的質量密度，g/cm3；φ——孔隙度，%。