辅助溶剂对SAGD开采效率影响的数值研究.pdf

收稿日期20140504;改回日期20140715 基金项目国家自然基金项目“非均匀多孔介质中多相流动大尺度平均方法的理论和数值研究”11172295 作者简介贾江涛1982-,男,2006 年毕业于中国科学技术大学热能与动力工程专业,现为该校热科学和能源工程专业在读博士研究生,主要从事油藏数 值模拟方面的研究。 DOI10． 3969/ j． issn． 1006-6535． 2014． 05． 024 辅助溶剂对 SAGD 开采效率影响的 数值研究 贾江涛,施安峰,王晓宏 中国科学技术大学,安徽 合肥 230026 摘要针对不同辅助溶剂对蒸汽辅助重力泄油SAGD开采效率的不同影响,利用数值模拟方 法研究辅助注入不同轻质溶剂 SAGD 过程中不同分子质量的轻质溶剂对 SAGD 过程的作用机 制。 分析结果表明,C2H6虽然可以保持蒸汽腔的压力,但是总体不利于稠油开采;C9H20能够 在蒸汽锋面处充分溶解到稠油中,大幅度降低稠油黏度,增强锋面处稠油流动能力,从而有效 地提高稠油的开采速度。 SAGD 辅助注入 C9H20有一定的经济价值,而且对于稠油快采具有重 要的意义。 关键词稠油;SAGD;轻质溶剂;经济效益;采油速度;数值模拟;SAGD 中图分类号TE345 文献标识码A 文章编号 1006-6535201405-0099-04 引 言 在 SAGD 过程中,通常采用辅助注入非凝析气 SAGP和辅助注入轻质油溶剂ES-SAGD等方 式对 SAGD 工艺进行改进。 Butler[1]提出了 SAGP 开采方式并进行了理论研究和物理相似模拟实验, 对比传统的 SAGD,SAGP 的优势为保持压力、减少 顶部热损和降低汽油比等[2-9];Nasr 等[10]发展了 ES-SAGD,并通过实验研究 ES-SAGD 在提高采油 效率和降低汽油比等方面作用;北美冷湖地区的多 个 ES-SAGD 现场试验[11]证实 ES-SAGD 在加速 开采和减少蒸汽注入量方面的作用,但上述研究并 没有对 2 种注采方式的不同作用机理作出详细的 分析。 鉴于此,利用稠油热采模型,研究 SAGP 和 ES-SAGD2 种辅助开采方式的作用机理,并分析其 经济效益和开采效率。 1 数学模型 采用经典的稠油热采模型,为了使模型简化, 对于油藏中的碳氢化合物,只考虑辅助注入的可挥 发轻质组分和油藏自身的不挥发重质组分[12],模 型简化为非等温的三相三组分模型 Ys p s satT / p 1 Y1 X 1K1p,T X1ξ1/ pexp ξ4 T-ξ5[] 2 式中Ys为气相中水蒸气的物质的量分数;Y1为气 相中可挥发轻质组分的物质的量分数;p 为压力, Pa;T 为温度,℃;X1为油相中可挥发轻质组分的 物质的量分数;ps sat为气相中水蒸气饱和蒸汽压, Pa;K1为可挥发轻质组分的相平衡常数;ξ1、ξ4和 ξ5分别为轻质组分平衡比系数,Pa、℃、℃。 采用强非线性偏微分方程组作为模型的控制 方程,利用有限体积法构造全隐式差分格式,通过 Newton-Raphson 迭代对有限差分非线性方程组求 解。 2 数值算例 某均质稠油油藏埋深为 300 m,油层厚度为 32 m;孔隙度为 0． 35,水平和垂直方向上的渗透率分 别为 0． 197 μm2和 0． 0987 μm2;油藏初始温度为 70 ℃,油藏初始压力为 2． 0 MPa;稠油初始黏度为 5 800 mPas,初始油和水饱和度分别为 0． 7 和 0． 3。 注汽井和生产井均为水平段长 200 m 的水平 100 特 种 油 气 藏第 21 卷 井,注汽井位于油藏底部上方 9 m 处,生产井在注 汽井正下方 5 m 处;注汽流量为 976 m3/ d,注入蒸 汽的温度和压力分别为 250℃和 4． 0 MPa,干度为 98,生产井井底压力固定为 2． 0 MPa;轻质溶剂 的注入量为 1． 6 t/ d,油藏模拟计算区域为 80 m 32 m,计算边界选取绝流、绝热边界条件,计算网 格划分为 8032。 分别对直接注入蒸汽,注蒸汽辅 助注入 C2H6和注蒸汽辅助注入 C9H203 种情况进 行计算。 3 算例结果及分析 3． 1 算例结果 图 1 为 3 种注采条件下计算所得的累计稠油 产量对比。 由图 1 可知,辅助注入 C9H20可以有效 地提高稠油产量,而辅助注入 C2H6则会降低稠油 产量。 对于 SAGD 过程而言,注入易挥发的 C2H6并 不利于稠油的开采; 而注入相对不易挥发 的 C9H20,能够大幅度增加稠油的累计产量。 由此可 见,对于超黏的稠油油藏 SAGD 开采过程而言,掺 轻质油开采是一个经济有效的开发方案。 图 1 累计稠油产量对比 3． 2 轻质组分分布分析 开采 3 000 d 后油藏中轻质组分的分布如图 2 和图 3 所示。 由图 2b 可知,分子质量较小的 C2H6在温度 相对较低的蒸汽腔壁处仍然维持气相。 C2H6以气 相聚集于蒸汽腔顶部形成“气垫”,因此它的作用 主要为增加蒸汽腔的压力,并在一定程度上降低蒸 汽与油藏顶部岩石的接触,减少蒸汽热损。 由图 3a 可知,分子质量较大的 C9H20,在相对 于蒸汽腔内部温度较低的蒸汽锋面处几乎全部以 液相存在。 C9H20以液相聚集在蒸汽锋面处,充分 溶解到稠油中,能够大幅度降低稠油黏度,增加蒸 汽锋面处油相流动能力,从而加快稠油开采速度并 提高采收率。 32 30 20 0 /m 32 30 10 20 10 0 /m 20406080 /m b 20406080 /m a So 0.20 0.18 0.16 0.14 0.12 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 S 0.55 0.50 0.45 0.40 0.12 0.35 0.30 0.25 0.20 0.10 0.05 g X X Y Y 图 2 辅助注入 C2H6轻质组分分布 32 30 20 10 0 /m /m 32 30 20 10 020406080 20406080 X b X a So 0.30 0.26 0.22 0.18 0.14 0.10 0.06 0.02 0.045 0.040 0.035 0.030 0.025 0.020 0.015 0.005 Sg Y Y /m /m 图 3 辅助注入 C9H20轻质组分分布 3． 3 轻质组分具体作用分析 为了具体分析各因素对产油量的影响,分析比 较 3 种注采方式生产井口的油相黏度、油相相对渗 透率和生产压差。 由式1可知,K1是轻质组分的相平衡常数, 与轻质组分本身的挥发性有关,越容易挥发的组分 K1越大。 由于 C2H6的相平衡常数远大于 C9H20, 因此 C9H20挥发性差,主要以液相存在油相中,显 第 5 期贾江涛等辅助溶剂对 SAGD 开采效率影响的数值研究101 著降低油相黏度;而 C2H6挥发性强,油相中含量 少,降黏作用不明显,并且注入 C2H6后蒸汽腔的 温度略有降低,反而造成生产井附近的油相黏度略 有增加图 4。 图 4 生产井井口附近油相黏度变化趋势 油相相对渗透率的大小与其饱和度有关。 辅 助注入 C2H6的开采过程由于生产井见气早,使得 生产井附近气相饱和度增加,堵塞了油相的流动通 道,导致油相饱和度降低,从而使得油相相对渗透 率降低;而辅助注入 C9H20后油相相对渗透率与直 接注采相比基本没有变化图 5。 图 5 生产井井口附近油相相对渗透率变化趋势 气相压力是水蒸气和气态轻质组分的压力之 和,C2H6易挥发致使气相压力增加,生产压差增 大。 公式为 pY1 Y sppY1 p s sat 3 pps sat/ 1-Y1 4 即轻质组分气相物质的量分数越大,总压力越 高。 生产初期,辅助注入 C2H6的生产井附近 Y1为 0． 10,辅助注入 C9H20的生产井附近 Y1为 0． 06,因 此辅助注入 C2H6的生产压差大于辅助注入 C9H20 的生产压差。 随着开采过程的进行,气相的 C2H6 开始向蒸汽腔顶部聚集,生产井口附近的 Y1下降, 生产压差与辅助注入 C9H20基本一致图 6。 图 6 生产井生产压差变化趋势 综上所述,与蒸汽直接注采相比,辅助注入 C2H6后油相黏度变化不大,油相相对渗透率降低, 生产压差初期增大,后期与蒸汽直接注采相当,因 此总体而言不利于稠油开采;辅助注入 C9H20后油 相黏度显著降低,油相相对渗透率和生产压差基本 不变,有利于稠油的开采。 4 经济效益和开采效率分析 为了简单起见,只计算注入的蒸汽和轻质油的 成本。 蒸汽的价值以生产蒸汽所用的煤的价值来 代替,轻质油 C9H20以石脑油的价格来计算。 蒸汽价值蒸汽价格蒸汽注入量蒸汽的比 焓/ 煤的热值锅炉效率煤价蒸汽注入量,当 煤的价格为 560 元/ t、生产蒸汽的锅炉热效率为 80时,注入蒸汽价值约为 6 681 元/ d;成品石脑 油价格为 7 000 元/ t,注入的轻质油价值为 11 200 元/ d,其中 56． 54被采出,折算实际成本为 4 868 元/ d,为注入蒸汽价值的 72． 8,稠油产出增加 72,投入产出基本相当。 在实际生产中注入的是 比成品石脑油更便宜的炼厂粗汽油、气井凝析油 等,所以投入小于产出。 以蒸汽价值作为基准来衡 量注入轻质油后成本增加的比率,蒸汽价格越高, 注入的轻质油占总成本的比例就越低。 因此,煤价 高的地区或者使用高成本燃油锅炉生产蒸汽的油 田,辅助注入轻质油开采方式经济效益更高。 辅助 102 特 种 油 气 藏第 21 卷 注入轻质油 C9H20相比传统 SAGD,单位时间内采 出的稠油更多。 开采 3 000 d 时,平均开采速度提 高了大约 71． 5,大幅度提高了开采效率。 综上所述,辅助注入轻质油开采的单位材料成 本不变,但由于开采效率的大幅提高,单位人工成 本和设备成本大幅降低,总体经济效益增加。 对更少量的 C9H20进行数值实验,轻质油的注 入量为0． 8 t/ d,那么其价值为5 600 元。 其中52 被采出,折算增加成本 2 688 元,为注入蒸汽价值 的 40． 2,稠油采出率为 34． 0,稠油产出增加 46． 2,经济上更为划算。 5 结 论 1 SAGD 过程中注入 C2H6的主要作用是保 持蒸汽腔压力,但能够造成油相黏度增加和生产井 附近油相饱和度降低,反而不利于稠油开采。 2 SAGD 过程中注入 C9H20的主要作用是降 黏,轻质油能够充分溶解于蒸汽腔边缘的稠油中, 降低蒸汽锋面的稠油黏度,大幅度增加油相流动 性,从而有效地提高稠油开采速度。 3 SAGD 过程中注入轻质溶剂 C9H20开采稠 油可以降低汽油比,减少蒸汽用量,有利于节能减 排,并且能够增加利润,提高经济效益,适合于稠油 快采。 参考文献 [1] Butler R M． The steam and gas push SAGP[J]． Jour- nal of Canadian Petroleum Technology,1997,38354- 61． [2] 刘振宇,张明波,周大胜,等 ． 曙光油田杜 84 块馆陶超 稠油油藏 SAGP 开发研究[J]． 特种油气藏,2013,20 696-98． [3] 刘志波,程林松,纪佑军,等 ． 蒸汽与天然气驱SAGP 开采特征 与蒸汽辅助重力泄油SAGD对比分析 [J]． 石油勘探与开发,2011,38179-83． [4] 汪国文,孟巍 ． 蒸汽与天然气驱SAGP[J]． 特种油 气藏,2000,7248-49． [5] 吴克柳,李相方,王星,等 ． 注气辅助重力泄油开发油 藏采收率预测方法[J]． 油气地质与采收率,2012,19 661-65． [6] 孙建芳 ． 氮气及降粘剂辅助水平井热采开发浅薄层超 稠油油藏[J]． 油气地质与采收率,2012,19247- 49,53． [7] 李兆敏,王勇,高永荣,等 ． 烟道气辅助 SAGD 数值模 拟研究[J]． 特种油气藏,2011,18158-60． [8] 魏浩光,马坤,岳湘安 ． 特低渗透油藏水驱后氮气驱油 实验[J]． 大庆石油地质与开发,2013,322118- 121． [9] 陈维余,黄波,周济永,等 ． 秦皇岛 32-6 油田强化氮气 泡沫驱实验[J]． 大庆石油地质与开发,2011,305 139-143． [10] Nasr T N,Beaulieu G,Golbeck H,et al． Novel expan- ding solvent-SAGD process ES-SAGD[J]． Journal of Canadian Petroleum Technology,2003,42113-16． [11] Orr B．ES - SAGD past, present and future [ C] ． SPE129518-STU,20091-16． [12] 孔祥言 ． 高等渗流力学[M]． 合肥中国科学技术大 学出版社,1999339-347． 编辑 刘 巍 辅助溶剂对SAGD开采效率影响的数值研究辅助溶剂对SAGD开采效率影响的数值研究 作者贾江涛， 施安峰， 王晓宏 作者单位中国科学技术大学,安徽 合肥,230026 刊名 特种油气藏 英文刊名Special Oil Gas Reservoirs 年，卷期20145 本文链接