2017, Vol. 39
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2. 中国特种设备安全与节能促进会, 北京 朝阳 100013;
3. 中海油深圳分公司, 广东 深圳 510240
2. China Promotion Association for Special Equipment Safety and Energy Saving, Chaoyang, Beijing 100013, China;
3. Shenzhen Branch, CNOOC, Shenzhen, Guangdong 510240, China
目前稠油油藏主要是通过热力采油[1-4]对油藏进行开发。由于蒸汽和原油的密度与黏度差异，开发时易发生蒸汽超覆与汽窜[5]，导致蒸汽驱的波及系数降低，热利用率降低，开发效果变差。
为了改善蒸汽驱的开发效果，国内外科研人员对蒸汽与其他辅助气体的复合驱替及吞吐进行了大量研究。其中对蒸汽泡沫复合驱替研究较多[6-14]。对于非泡沫驱的蒸汽复合驱的研究少于泡沫驱，张虎贲[15]对蒸汽-CO2复合驱进行过研究，研究表明，相比蒸汽驱，蒸汽-CO2复合驱可以降低含水率30%，提高采收率30%。CO2溶解对稠油水体系有一定的破乳作用，能有效降低稠油黏度，提高蒸汽利用率，增大波及体积，提高采收率。CO2气体辅助SAGD[16]同样能够抑制蒸汽的超覆作用，孙国明、刘永建等[17]对复合烟道气驱进行研究，研究表明高温复合驱中当蒸汽与空气的质量比为1：1时，最有利于油田的开发生产。李峰，张凤山[18]等对烟道气辅助蒸汽吞吐进行了研究，矿场试验表明该方法提高原油产量，节省作业材料费，但是存在腐蚀与污染。卢川，刘慧卿等[19]对水平井混合气与助排剂辅助蒸汽吞吐进行了研究，发现助排剂能够降低界面张力，提高驱油效率。由于上述气体的气源有限，因而开发成本高，开发的经济性不足。为了改善蒸汽驱的开发效果，国内外科研人员对蒸汽与其他辅助气体的复合驱替及吞吐进行了大量研究。其中对蒸汽泡沫复合驱替研究较多[6-14]。对于非泡沫驱的蒸汽复合驱的研究少于泡沫驱，张虎贲[15]对蒸汽CO2复合驱进行过研究，研究表明，相比蒸汽驱，蒸汽CO2复合驱可以降低含水率30%，提高采收率30%。CO2溶解对稠油水体系有一定的破乳作用，能有效降低稠油黏度，提高蒸汽利用率，增大波及体积，提高采收率。CO2气体辅助SAGD[16]同样能够抑制蒸汽的超覆作用，孙国明、刘永建等[17]对复合烟道气驱进行研究，研究表明高温复合驱中当蒸汽与空气的质量比为1：1时，最有利于油田的开发生产。李峰，张凤山[18]等对烟道气辅助蒸汽吞吐进行了研究，矿场试验表明该方法提高原油产量，节省作业材料费，但是存在腐蚀与污染。卢川，刘慧卿等[19]对水平井混合气与助排剂辅助蒸汽吞吐进行了研究，发现助排剂能够降低界面张力，提高驱油效率。由于上述气体的气源有限，因而开发成本高，开发的经济性不足。
空气是最常见的气体，气源充足，采集成本低廉。本文利用空气驱油的特殊机理，对蒸汽空气复合驱进行了室内实验及数值模拟研究。研究表明，空气与蒸汽存在一个优化比例范围，空气的含量过低将抑制原油采出程度的提高，空气的辅助作用无法最大化地发挥；而空气含量过高会降低温度，从而破坏蒸汽腔，降低蒸汽对原油的开发效果。
1 蒸汽空气复合驱的驱替机理 1.1 空气能够提高驱油能量相对于其他常见气体例如CO2、天然气、烟道气等气体，空气的压缩系数大得多。即使在较高的温度下，空气的压缩系数仍然较大，因此空气储存的能量高，当降压后空气易于膨胀，因此能够驱出更多的原油。
1.2 空气辅助蒸汽驱替能够提高热利用率空气的导热系数低，仅有0.0288 W/（m·K），因此能够有效地隔热保温，降低注蒸汽时由于蒸汽对顶底盖层的散热而造成的损失。
注入蒸汽时，由于蒸汽与原油的密度差异会导致重力分异作用[20]。空气由于密度小于蒸汽，因此会优先占据地层上部位，从而使蒸汽加热下部位地层的冷油区域，从而使得热利用提高。
由于蒸汽与原油的黏度差异，从而形成蒸汽驱替的黏性指进现象，即蒸汽沿着地层大孔隙驱替，进而蒸汽突破。空气容易在地层原油中形成黏稠的泡沫，从而能够封堵蒸汽突破的大孔道，从而缓解汽窜，提高热利用率。
2 蒸汽空气复合驱实验研究为了研究空气在蒸汽驱中所发挥的作用，本文利用辽河油田齐40块的脱水原油，并且根据齐40块的地层水分析资料，模拟配制了地层水，从而对蒸汽空气复合驱进行了实验研究。
2.1 实验装置驱替实验装置主要由蒸汽发生器、注入泵、充满空气的空气瓶、质量流量控制器、ϕ25×600 mm填砂管，恒温箱、六通阀、精密压力表及10至100 mL量筒若干。实验使用的是填砂模型，平均渗透率约为2 D，填砂模型的孔隙度约为30%。实验装置图见图 1。
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| 图1 蒸汽驱（蒸汽-空气复合驱）实验装置流程图 Fig. 1 Experimental apparatus of steamflooding (steam-air flooding) |
（1）将蒸汽发生器阀门打开放空，加入硅油；再将蒸发管接口与平流泵接上，把水注满螺旋蒸发管内。
（2）打开恒温箱与蒸汽发生器的加热开关，进行加热，保持恒温箱温度50 ℃。
（3）向蒸汽发生器中泵入水，泵入速度2 mL/min，液体在炉内随着温度的升高产生蒸汽，使得蒸汽的温度达到预设温度240 ℃后，打开出汽阀输出，输出的蒸汽经过管线进入六通阀（见图 1），开始驱替原油，在出口端用量筒计量产液量。此时六通阀连接空气瓶的一端保持关闭状态，即为纯蒸汽驱替的过程。计量不同时刻的产液量、产油量、产水量，直至某个时刻下的含水饱和度达到98%为止。静置，分离油和水。在实验结束时，测量填砂管出口端的温度值。如果进行蒸汽驱实验，到这一步便可终止。
（4）如果进行蒸汽空气复合驱，在注入蒸汽的同时打开空气瓶，注入空气，利用质量流量控制器控制恒定流速。分别进行蒸汽与空气的质量比32：1至32：6的6组实验，此时打开连通空气瓶一端的六通阀门，使空气经过中间容器进入六通阀（图 1）。打开通往填砂模型的阀门进行复合驱替。同理计量出口处试管的产液量、产水量、产油量，直至某个时刻下含水饱和度达到98%为止，静置，分离油和水。在实验结束时，分别测量6组实验填砂管出口端的温度值。
2.2.2 实验方法该实验是对比蒸汽驱与不同质量比的蒸汽空气驱的产油量、产水量、采出程度，基础实验加上述6组实验分别为（注水速度均为2 mL/min）：
（1）实验1：纯蒸汽驱基础实验；
（2）实验2：蒸汽空气质量比32：1（注空气速度50 mL/min）；
（3）实验3：蒸汽空气质量比32：2（注空气速度100 mL/min）；
（4）实验4：蒸汽空气质量比32：3（注空气速度150 mL/min）；
（5）实验5：蒸汽空气质量比32：4（注空气速度200 mL/min）；
（6）实验6：蒸汽空气质量比32：5（注空气速度250 mL/min）；
（7）实验7：蒸汽空气质量比32：6（注空气速度250 mL/min）；
7组长填砂模型的参数见表 1。
| 表1 填砂模型参数表 Table 1 Parameters of sand pack model |
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从表 1可以看出，填砂模型的7组实验孔渗相似，孔隙度一般分布在30.0%左右，渗透率为2.0~2.5 D，与齐40块的孔渗基本吻合。7组实验的初始含油饱和度都在70%左右，饱和油体积相差不大且与实际油藏的初始含油饱和度相当，因此该7组实验具有可对比性与实际应用性。
2.3 实验结果与分析 2.3.1 采出程度分析实验通过对蒸汽驱与6组不同比例的复合驱替的对比，得到在驱替过程中，蒸汽驱的采出程度为62.11%。蒸汽空气复合驱的采出程度先增加，后降低。当空气与蒸汽的质量比达到2：32时，采出程度最高，为68.67%；而当空气与蒸汽的质量比高于3：32时，蒸汽空气复合驱的采出程度低于蒸汽驱，如图 2所示。
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| 图2 蒸汽-空气复合驱与纯蒸汽驱采出程度对比 Fig. 2 Comparison of oil recovery factor of steam flooding and steam-air flooding |
根据实验结果分析，当空气与蒸汽的质量比小于等于2：32时，蒸汽为主要的驱替介质，填砂管中主要为蒸汽驱替，空气是辅助气体，起到降低原油黏度、增加原油流动性、低温氧化等作用。因此在此情况下，蒸汽空气复合驱能够有效地提高采出程度。当空气与蒸汽的质量比高于3：32时，由于空气温度低，因此会影响蒸汽驱替的效果，空气的含量越高，越有可能成为热水驱。因此空气的存在反而对采出程度有负面的影响，采出程度较蒸汽驱下降。
将含水率达到98%为实验的终点。从图 2可以看出，蒸汽驱注入孔隙体积为4.06 PV时含水率已经突破98%，而所有的蒸汽空气复合驱的实验，注入孔隙体积达到4.50 PV后含水率才突破98%，因此，蒸汽空气复合驱能够在开发的过程中降低含水率的上升速率。
2.3.2 温度分析图 3为空气蒸汽组成和温度的关系图。
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| 图3 蒸汽-空气复合驱与纯蒸汽驱实验后温度对比 Fig. 3 Temperature comparison of steam flooding and steam-air flooding |
由图 3可以看出，当空气与蒸汽的质量比为2：32以下时，其出口端的温度与纯蒸汽驱的温度相差不大，低温的空气对蒸汽影响不大。当空气与蒸汽的质量比高于3：32时，可以看到其出口端温度明显低于纯蒸汽驱的出口端温度，此时由于空气对蒸汽的冷凝作用，蒸汽腔被破坏，此时填砂管中已不再是蒸汽驱，而是热水驱。因此通过温度对比可以看出，当空气与蒸汽的质量比高于3：32时，空气对蒸汽驱起到负面影响。
2.3.3 蒸汽与空气的质量比评价通过对室内实验中原油采出程度与填砂管出口端温度的研究，可以得到在蒸汽空气复合驱中，蒸汽是发挥驱替作用的主要气体，而空气是辅助性气体。当空气与蒸汽的质量比高于3：32，空气会破坏蒸汽腔，因此导致热水驱为主要的驱替方式，此时空气对蒸汽驱替有负面作用。当空气与蒸汽的质量比小于等于2：32时，空气为辅助气体，能够在不破坏蒸汽腔的前提下，发挥其提高地层能量，提高热利用率的效果。
3 数值模拟研究 3.1 数值模型为研究蒸汽空气复合驱的增产效果，以辽河油田X区块的地质特征为基础，对蒸汽驱及蒸汽空气复合驱的效果进行了数模研究。该区块平均孔隙度约为30%，平均渗透率为2.1 D，模型见图 4。
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| 图4 辽河油田X区块数值模型 Fig. 4 Numerical model of X Block of Liaohe Oilfield |
根据数值模拟结果（图 5）可以看出，驱替3 000 d后，空气蒸汽质量比为1：32时，采出程度最高，能够达到44%左右。当空气蒸汽质量比大于等于3：32时，采出程度低于蒸汽驱的采出程度，并且随着空气量的增加，采出程度降低。
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| 图5 蒸汽—空气复合驱与纯蒸汽驱采出程度对比 Fig. 5 Comparison of oil recovery factor of steam flooding and steam-air flooding |
根据图 6可以看出，该研究的室内实验与数值模拟具有相似的趋势，即随着蒸汽中空气比例的增加，蒸汽空气复合驱的采出程度先增加，后降低，因此能够二者能够互相验证。由于室内实验与数值模拟条件的差异性，其采出程度的数值及最优的空气蒸汽质量比有所不同，但是原油采出程度随着空气蒸汽质量比的变化趋势一致。
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| 图6 蒸汽驱与蒸汽-空气复合驱室内实验与数值模拟对比 Fig. 6 Comparison of indoor experiment results and numerical simulation results |
图 6中的箭头表示室内实验与数值模拟的采出程度变化趋势，室内实验与数值模拟的采出程度变化趋势都是先上升，然后急剧下降，最后采出程度下降幅度近乎平稳。
4 现场试验2010年，辽河油田X区块进行了蒸汽空气复合驱的现场试验。注入蒸汽245 ℃，油藏压力为3 MPa。因此在该条件下，蒸汽的密度为14.67 kg/m3，空气的密度为1.29 kg/m3。由生产曲线（图 7，2010-04-27开始注空气）可见，注空气的速率为85 m3/d，注蒸汽速率为120 m3/d。计算得到该试验区块的蒸汽空气复合驱的空气与蒸汽的质量比为1：16.1，介于1：32与2：32之间。
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| 图7 蒸汽驱与蒸汽-空气复合驱室内实验与数值模拟对比 Fig. 7 Comparison of indoor experiment results and numerical simulation results |
蒸汽空气复合驱后，产油量从17 m3/d增加到25 m3/d，但是产液量从90 m3/d降低到65 m3/d。含水率从81.1%降至61.5%。因此在该比例下，蒸汽空气复合驱能够有效地增加原油的采出程度，与实验及数模的结论一致。
5 结语（1）物理模拟实验表明，当空气与蒸汽的质量比小于等于3：32时，采出程度高于纯蒸汽驱。空气与蒸汽的质量比到达2：32前，随着空气含量的增加，采出程度增加，而温度变化幅度小；当空气与蒸汽的质量比达到2：32后，空气含量增加，采出程度降低，温度明显降低。因此通过室内实验可以看出，当空气与蒸汽的质量比为2：32时，蒸汽腔未被破坏，空气能充分发挥其作用，驱替效果最好。
（2）数值模拟表明，蒸汽空气复合驱的采出程度高于蒸汽驱的采出程度。当空气与蒸汽的质量比小于2：32时，采出程度高于蒸汽驱。当空气与蒸汽的质量比为1：32左右时，采出程度最高。由于实验的理想性与现场情况的复杂性，其最优的空气与蒸汽的质量比及对应的采出程度数值有所不同，但是总体趋势一致。
（3）对辽河X区块蒸汽空气复合驱的现场情况分析表明，在空气与蒸汽质量比为1：16.1的前提下，蒸汽空气复合驱能够有效地提高原油的采出程度，该试验效果与实验及数模结论一致。
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