过热蒸汽驱的模拟

中国地质大学（北京）能源学院

过热蒸汽驱的模拟

田一鸣中国地质大学（北京）能源学院

近年河南油田采用更高的蒸汽温度（370℃）进行过热蒸汽驱室内物理模拟实验。选用的是CRZF—02型蒸汽发生器，该蒸汽发生器可满足320～370℃的高温、高压要求。温度的检测和控制是该实验中至关重要的因素与环节。井楼三区Ⅲ6层原油属特稠油，数模研究结果表明，过热蒸汽开采能明显地提高蒸汽的波及体积。从井楼油田特超稠油高温驱油实验结果可知，纯蒸汽残余油饱和度低（12.5%～17.3%），驱油效率高（73.1%～80.8%）；蒸汽干度提高10%，残余油饱和度降低1.5%，驱油效率提高2.3%。

过热蒸汽驱；模拟实验；实验设计；实验模块；特稠油层

1 实验要点

（1）实验设备的选型。近年河南油田采用更高的蒸汽温度（370℃）进行过热蒸汽驱室内物理模拟实验。选用的是CRZF—02型蒸汽发生器，该蒸汽发生器可满足320～370℃的高温、高压要求。

（2）压力检测与控制系统的设计。测压采用串联阶梯式测量方式，选用3支不同量程的压力传感器并联连接，中间有气动阀控制，实验中由计算机检测并通过开关电磁阀来控制气动阀自动选择传感器，这样可保证测量的精确性和稳定性。该压力检测系统的压力传感器及气动阀均选用美国进口器件。在模型测压口与压力传感器之间增加缓冲容器，这样可有效防止驱替介质进入压力传感器，从而影响精度和损坏传感器。

（3）温度检测与控制系统的设计。温度的检测和控制是该实验中至关重要的因素与环节。由于温度过高，为防止岩心出口汽化影响产出液计量，特在岩心出口处加入自动循环冷却装置，这样可保证产出液的稳定计量，也可保障进口回压控制阀不因温度过高而损坏。

2 实验模块功能与特点

驱替动力源模块的组件包括：①蒸汽发生器（蒸汽温度320℃、压力≤25 MPa、蒸汽产出量2 kg/h）；②驱替泵（2×500mL，25MPa）；③高压水容器（容积2 L，耐压40 MPa）；④高压油容器（容积2 L，耐压40MPa）；⑤阀门管线（耐压40MPa）。该模块的功能：①生成驱替介质（高温、高压水蒸气）；②提供驱替动力；③存储实验液体。实验装置流程示意图（单管的）见图1。

图1 高温、高压自动蒸汽驱岩心驱替流程（单管）

储层模拟模块的组件包括：①1.2m和0.6m高温、高压填砂模型各2个（设计耐压35MPa，设计耐温400℃），压力传感器组（12组）；②温度传感器组（2×5+5个）；③恒温控制箱（200℃，±1℃）；④模型支架。该模块的功能是模拟实际稠油油藏环境。模块特点包括：①单管每个填砂模型上设有5支温度传感器、5支压力传感器，双管每个填砂模型上设有3支温度传感器、3支压力传感器。用于实时检测模型中各点的温度及压力；②填砂模型长度为1.2 m，设有保温套；③并联填砂模型长度0.6m，设有保温套。

冷凝及回压控制模块的组件包括：①冷凝器；②回压控制器；③精密压力表；④流程控制阀门、管线。该模块的功能是冷却蒸汽驱替产出油水混合物并模拟井底流压。

温度、压力采集及自动控制模块的组件包括：①隔离容器（13个）；②压力传感器（13个）；③温度传感器（13个）；④电磁阀（24个）；⑤数据采集、处理计算机；⑥数据采集控制板卡；⑦控制电路；⑧空气压缩机。该模块的功能是采集、传输、存储实验过程中的压力数据。该模块特点有两个：一是压力传感器组前串接冷却隔离容器，避免由于高温而损坏传感器；二是测压采用串联阶梯式计量方式，3支不同量程的压力传感器串联连接，中间由电磁阀隔开。

出口计量模块的组件包括电子天平。

3 效果验证

过热蒸汽驱效果较好的案例之一是井楼三区南部主力层Ⅲ6层。该层原油属特超稠油，油区位于高庄南鼻状构造南部沿楼3107—楼3600井一线，目的层Ⅲ6物源来自于西南和东南方向。井楼三区南部主力层Ⅲ6小层地面原油密度0.959 8 g/cm3，胶质沥青质含量为42%，含蜡量9.96%，含硫0.39%，凝固点21℃。油层温度下脱气原油黏度为18 749.0mPa·s，按国内稠油分类标准，Ⅲ6层原油属特稠油。该井组转驱前蒸汽吞吐采出程度为19.3%，在蒸汽吞吐历史拟合的基础上进行了过热蒸汽驱现场试验及数模研究。结果表明，过热蒸汽开采能明显地提高蒸汽的波及体积。湿蒸汽驱L3513井组蒸汽的波及面积为5 577m2，占井组控制面积的6.1%，绝大多数为热水驱控制；过热蒸汽驱L3513井组蒸汽的波及面积为22 834.8m2，占井组控制面积的24.9%，为湿蒸汽驱的4.1倍。

4 结论

（1）上述实验过程中，由玻璃纤维做成的加热带和保温带易损坏，应防止玻璃纤维飘浮对身体造成伤害。建议制造一个保温小烘箱和两个保温套，过热蒸汽管线加热高温小烘箱，将过热蒸汽管线及相连的三通等置于高温小烘箱中，使蒸汽沿管线流动过程中温度稳定、受控。模拟岩心入口加热保温套，控制保温套内温度与实验所要求的蒸汽温度一致，以保证进入模拟岩心的蒸汽温度符合实验要求。首先应分别对保温烘箱和保温帽进行单独保温、控温试验，两者在370℃温度下稳定运行10 h以上，相应的温度控制仪控制、显示稳定。然后再连接流程进行模拟岩心过热蒸汽驱验证实验。从验证实验结果可以看出，过热蒸汽管线内的蒸汽温度、模拟岩心入口的蒸汽温度能够与实验要求保持一致，进入模拟岩心的蒸汽温度可测、可控、可信。这样就可保证实验能够连续平稳运行。河南油田研发的稠油油藏过热蒸汽驱高温物理模型实验流程和装置实验温度可达370℃，并可制造长岩心（岩心长度1.2m）的物理模拟。开展该实验研究工作，不仅能促进注汽锅炉“以煤代油”的燃料结构调整，有效降低稠油开发注汽系统运行成本，而且还能改善特超稠油高周期蒸汽吞吐开发效果，有效动用低品位超稠油储量，实现特超稠油蒸汽吞吐开发方式的合理转换。

（2）温度控制及温度检测系统是全套装置的重点部分，它的测试精度和稳定性直接影响到试验结果的可靠性及试验数据精度。选用直径1.5mm的K型热电偶，通过紫铜压垫密封将热电偶直接插入岩心的中部进行测温，以使测试的温度更加真实、可靠。应选用技术成熟的温度巡检仪进行模型各测温点的温度测试。

（3）河南油田近年在井楼油田三区薄层特稠油油藏中开展了4个反九点井组的过热蒸汽驱现场试验并取得了较好效果。三口井平均过热度达到8.4℃，有三分之二的井在井底能达到过热蒸汽，井底蒸汽干度达到100%，浅薄层特稠油油藏蒸汽驱井底注汽干度也得到大幅度提高。过热蒸汽开采与湿蒸汽相比，由于注入蒸汽温度高、蒸汽干度高，对储层结构、润湿性、相对渗透率、过热蒸汽驱后残余油成分、驱油效率和蒸汽的波及体积均有较大影响，对稠油热采有较好的改善作用。河南井楼油田三区Ⅲ6层的特超稠油采用过热蒸汽驱取得较好效果就是案例之一。过热蒸汽较湿蒸汽注入蒸汽热焓增加27.5%～33.0%，相当增加湿蒸汽234 t，周期产油量增加268 t，含水下降6个百分点。从井楼油田特超稠油高温驱油实验结果可知，纯蒸汽残余油饱和度低（12.5%～17.3%），驱油效率高（73.1%～80.8%）；蒸汽干度提高10%，残余油饱和度降低1.5%，驱油效率提高2.3%。

（4）过热蒸汽驱的模拟实验对于原油蒸汽蒸馏率的实验研究也很重要。随着近几年过热蒸汽驱技术的发展，充分认识蒸汽蒸馏率的作用机理、测定不同原油在饱和条件和过热条件下的蒸汽蒸馏率数据显得尤为必要。这是因为，原油蒸汽蒸馏率与Vw/Voi的关系曲线可以用于估算蒸汽驱过程中地下产生溶剂带的大小。通过室内蒸汽蒸馏实验和数值模拟计算，可以估计蒸汽驱过程中油藏可用于蒸馏的原油量（Voi）和所需要的蒸汽量。当估算出这些数据后，蒸汽驱过程中溶剂带的大小将很容易确定，以辅助蒸汽驱的设计及操作。对于河南油田来说，注蒸汽开发已近30年，而关于原油的蒸汽蒸馏率还缺乏定量数据，不同原油注饱和蒸汽和过热蒸汽时的蒸汽蒸馏率及蒸馏机理对注过热蒸汽驱提高采收率的贡献率的研究尚属空白，所以此课题应当引起该油田的关注和重视。

（栏目主持 杨军）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.1.009