赵旭平的毕业论文(1-2)
中国石油大学毕业设计（论文）
稠油油藏蒸汽驱三维物理模拟
实验研究
学生姓名：赵旭平
学号：200809021206
专业班级：应用化工技术
指导教师：王艳丽
2010年10月26日
中国石油大学（华东）本科毕业设计（论文）
摘要
近年来能源供应危机导致各大油田都加大对稠油油藏的开采力度。蒸汽驱是一种较为有效的稠油热采技术，但是由于受诸多条件影响，需要对具体油藏注采参数进行优化。用物理模拟的方法能尽快而且较为全面的认识蒸汽驱这一开发方式。本文利用了高温高压蒸汽驱三维物模装置，以胜利油田稠油油藏为主要原型，建立相应的实验室物理模型，通过蒸汽驱物理模拟方法研究注入压力、蒸汽干度、注汽速度等因素对稠油蒸汽驱的影响，探讨了蒸汽驱化学驱，得出了一些对现场生产有指导作用的结论。
关键词：稠油；蒸汽驱；三维物理模拟；提高采收率
中国石油大学（华东）本科毕业设计（论文）
ABSTRACT
In recent years, because the large supply of energy crisis , heavy oil reservoirs are increasing oil exploitation, steam flooding is a relatively effective thermal technology, however, because many conditions of injection-production parameters optimization reservoir, we need to specific reservoir parameter optimization injection-production .Using the methods of physical simulation can quickly and more comprehensive understanding of the steam flooding development way. Using the high temperature and high pressure steam flooding 3d objects in shengli oilfield, mould device for main archetypes of heavy oil reservoirs, establish corresponding laboratory physical model, through the physical simulation study drives steam injection pressure, steam dryness, steam injection rate of factors such as the heavy steam flooding, discusses the influence of chemical flooding steam flooding, obtained some guidance for field production.
Keywords:Heavy oil;Three-dimensional physical model;Steam flooding; Improved oil recover
中国石油大学（华东）本科毕业设计（论文）
目录
第一章前言 (1)
1.研究的目的和意义 (1)
2.国内外蒸汽驱技术的研究进展 (2)
3.油藏物理模拟的优势 (3)
第二章稠油蒸汽驱物理模拟理论及机理研究 (4)
1.稠油蒸汽驱物理模拟的理论基础 (4)
1.1油藏物理模拟相似理论 (4)
1.2油藏物理模拟相似准则 (5)
1.3室内蒸汽驱实验相似参数的选择 (6)
2.蒸汽驱油机理 (8)
2.1加热降粘作用 (9)
2.2原油受热膨胀机理 (9)
2.3蒸汽的蒸馏作用 (10)
2.4混相驱作用 (10)
2.5乳化驱作用 (10)
第三章蒸汽驱三维物理模拟实验装置和实验步骤 (12)
1.蒸汽驱三维物理模型装置 (12)
2.蒸汽驱三维物模实验的基本步骤 (13)
第四章蒸汽驱影响因素分析 (16)
1.注入压力对驱油效果的影响 (16)
2.蒸汽干度对驱油效果的影响 (18)
3.注汽速度对驱油效果的影响 (21)
4.蒸汽突破及突破后的处理办法 (22)
5.蒸汽化学驱的研究 (25)
中国石油大学（华东）本科毕业设计（论文）
第五章结论 (31)
致谢 (32)
参考文献 (33)
前言
第一章前言
1. 研究的目的和意义
我国稠油资源分布较为广泛，自1978年发现高升稠油油藏以来，先后又在胜利油田、河南油田等地发现稠油油藏。迄今已在20个盆地（或坳陷）中发现了近百个稠油油藏。预计我国稠油资源约为250亿吨，占石油总资源量的20%以上。我国稠油年产量已达1300万吨，约占全国原油产量的10%[1]。可见，稠油开采在我国整个石油工业可持续发展中扮演着十分重要的角色。近年来，由于稠油开发技术的进步、原油供应紧张以及油价走高等因素的影响，稠油逐渐显露出其开采的必要性，我国各大油田逐年加大稠油的开发力度。
稠油的开采以蒸汽吞吐为主，但大部分稠油区块目前已进入高轮次吞吐阶段，受开发方式的限制和边底水的影响，蒸汽吞吐的采收率较低，预测整体采收率只有20.3％。国内外的试验结果表明，适时转蒸汽驱可以显著提高蒸汽吞吐后期稠油油藏的开发效果。蒸汽驱稠油开采已取得初步成效，同时也暴露出很多问题。
胜利油田有丰富的普通稠油（60℃地面脱水原油粘度<10000mpa·s）。孤岛中二北和单家寺单56区块是胜利油田具有代表性的稠油油藏，具有地质条件复杂多变，稠油油藏原油粘度跨度大，地面注采条件不能完全得到保证等特点，国外成功的蒸汽驱经验不能直接被运用，进行蒸汽驱开采有一定的限制条件和风险。而目前对稠油注蒸汽开发技术研究较粗略或者考虑因素不全面，因而必须针对稠油油藏的具体情况确定影响蒸汽驱效果的关键因素，有针对性的对注采参数进行优化，寻找一种蒸汽驱经济合理的开发方式，保持产量稳定，提高蒸汽驱采收率和经济效益。
1
前言
2. 国内外蒸汽驱技术的研究进展
稠油的粘度对温度很敏感，所以热采方法是稠油开采的主要方法。蒸汽驱在热采中占有重要的地位,目前在国外80%是蒸汽驱开发，而在中国却恰恰相反，蒸汽驱只占不到20%。
世界上最早采用注蒸汽采油的是1931年至1932年在美国得克萨斯州Woodson附近的Wilson、Swain进行的。此后，在Yorba Linda油田也进行了试验。在20世纪50年代以前，蒸汽驱还仅仅处于起步阶段。1960年荷兰Schoonebeek油田开始采用蒸汽驱，这是第一批大规模蒸汽驱中的一个。该油田中等粘度的原油（180厘泊）的开采是十分成功的，这无疑加速了蒸汽驱在美国和委内瑞拉的试验开展，可以说，Schoonebeek油田是油藏热采的先驱。美国于1960年在加利福尼亚州的Yorba Linda油田上开始大规模注蒸汽。在美国大约在20世纪70年代，蒸汽驱才成为主要的驱油方法。在1970年加利福尼亚州蒸汽驱产油量约为每天30000桶，而十年之后，蒸汽驱产油量提高到每天150000桶。
目前，一些稠油开采较晚的国家，如我国仍以蒸汽吞吐开采为主,美国等一些稠油开采的国家已由蒸汽吞吐转向了蒸汽驱，1992年美国提高稠油采收率的60%来自于蒸汽驱。大规模地开展蒸汽驱的油田还有South Belridge油田、San Ardo油田和Midway-Sunset油田[2]。委内瑞拉的Lagunillas油田和荷兰的Schoonebeek油田也是成功地使用蒸汽驱开发方式的油田之一。
我国的蒸汽驱开发最早可以追溯到1967年，以王树芝、万仁溥为代表的老一辈石油工作者，在新疆克拉玛依黑油山8042井组开展的蒸汽驱试验。真正工业意义的稠油蒸汽开发是改革开放后二十世纪八十年代开始的。我国自1987年起先后开辟了七个不同类型油藏先导试验区，各先导试验区截止1992年底，共历经五年时间[3]。在实施中，七个试验区在蒸汽吞吐阶段都获得经济效益，油汽比均高于0.300。但在蒸汽驱开采时，除新疆九区和辽河曙光卜7—5块试验区获得经济效益，油汽比分别达0.210和0.360外，其它试验
2
前言
区油汽比低于0.200。各试验区的经济效益差的原因，受多种因素影响，还有待进一步探讨。1998年开展了齐40蒸汽驱先导试验[4]。到2002年底，试验已取得重大成功。试验五年时间，累注汽89.3×104t，累产油16.8×104t，阶段采出程度33.6%，平均年采油速度6.7%，累积油汽比0.19；加上汽驱试验前的蒸汽吞吐采出程度24%，总采收率已达57.6%。
3. 油藏物理模拟的优势
物理模拟、数值模拟和矿场试验是研究提高采收率的三项主要手段。矿场试验最能真实反映油藏内流体的实际流动过程,也是检验试验效果的最终方法。其缺点是不能解决一些机理问题,且需要大量的财力和物力的支持。与矿场试验相比,物理模拟和数值模拟具有费用少、时间短、可重复性和可预见性等优点。随着计算机技术的迅速发展,数值模拟研究方法已广泛应用于油藏开发等研究中。但是,物理模拟试验仍是一种不可缺少的研究手段。三维比例物理模型由于与油藏原型之间在长度比、力比、速度比、温差比以及浓度差之比等方面都具有相同的数值,因而能准确反映整个油藏或部分(单元)油藏中采油过程的动态特征和注入流体的波及效率特征等,被广泛应用于机理研究、采油工艺的比较与优化以及油田开采预测等。
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稠油蒸汽驱物理模拟理论及机理研究
第二章稠油蒸汽驱物理模拟理论及机理研究
1. 稠油蒸汽驱物理模拟的理论基础
1.1 油藏物理模拟相似理论
相似准则是说明自然界和工程科学中各种相似现象、相似原理的学说。它的理论基础是相似三定理，其实用意义在于指导模型的设计及其有关试验数据的处理和推广[7]。
（1）相似第一定理
相似第一定理（相似正定理）是1848年由法国的J. Bertrand建立的。可以表述为“对相似的现象，其相似指标的数值相同”。这是对相似性质的一种概况，也是现象相似的必然结果。
相似指标是一个无量纲的综合数群，它反映出现象相似的数量特征及其过程的内在联系。相似指标表示原型与模型内各基本物理量之间满足的比例关系。对相似的现象，原型与模型的相似指标是相等的。
（2）相似第二定理
相似第二定理（π定理）是1914年由美国的Ebuckingham建立的。可以表述为“约束两相似现象的基本物理方程可以用量纲分析的方法转换成用相似指标方程来表达的新方程，即转换成π方程。两个相似系统的π方程必须相同”。
如果所研究的现象中，还没有找到描述它的方程，但对该现象的物理量是清楚的，则可通过量纲分析运用π定理来确定相似指标。但是模型实验结果能否正确推广，关键又在于是否正确选择了与现象有关的物理量。
（3）相似第三定理
相似第三定理（相似逆定理）1930年由前苏联的M.B.KUPNHYEB建立的，可以表述为“对于同一物理现象，如果单值量相似，而且由单值量组成的相似指标在数值上相等，则现象相似”。
4
稠油蒸汽驱物理模拟理论及机理研究
5
单值量是指单值条件中的物理量，而单值条件又是将一个个现象从同类现象中区分开来，亦即将现象群中的通解转变为特解的具体条件。单值条件包括几何条件（空间条件）、介质条件（物理条件）、边界条件和初始条件（时间条件）。现象的各种物理量，实质都是从单值条件引导出来的[26]。
物理模型是现场采油在实验室中的再现，它是将原型的几何条件、物理条件、定解条件等，按一定的比例转化到模型上，然后又将模型的试验结果按相同比例转回原型。此过程所依据的理论是相似理论。
找出一个过程的相似准则的方法，从本质上就是应用相似理论对于描述过程的数学表达式或者包括这些过程的变量进行相似分析的过程。一般有两种方法，从描述过程的数学表达式（即方程）入手进行分析的方法称为方程分析法；对包括过程所有变量进行分析的方法称为量纲分析法[6]。
1.2 油藏物理模拟相似准则
根据相似三定理，如果说两个物理过程相似，那么它们应该满足下面的三个条件：
（1）几何相似
几何相似是各种物理现象相似的基础，也是实验渗流力学中模型设计的基础。几何相似最直观的例子是三角形相似。设在模型中有一个三角形，边长分别为321,,x x x ， 在原型中对应的三角形边长分别为321,,X X X ，如果模型与原型满足几何相似，那么有：
a X x X x X x ===3
32211 （2-1） 其中，a 为相似比。
（2）运动相似
运动相似是指速度场和加速度场的几何相似。速度相似指在两个运动相似的系统里，对应瞬间和对应点上的速度方向一致，大小成比例。设在模型系统中运动速度、时间和距离分别为111,,L t v ，在原型系统中对应的运动速度、
稠油蒸汽驱物理模拟理论及机理研究
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时间和距离分别为222,,L t v ，并假设运动为匀速直线运动。如果模型与原型满足运动相似，那么有：
Const L t v L t v ==2
22111 （2-2） （3）动力相似 动力相似是指两个系统在四维空间对应点上各种力学量和热学量之间的相似关系。动力相似表现在对应点上的力方向相同，大小成比例。在油藏渗流力学中，动力相似是指诸如压力、重力、粘性力、惯性力、弹性力、毛管力、表面张力以及与之有关的密度、粘度、压缩系数、空隙度和温度等都有相似的比例关系[8]。
除了上述三种相似条件之外，作为模型系统本身，为了更好地模拟原型特征，往往还要求满足单值性条件相似。即模型系统与原型系统具备相似的初始条件和边界条件。这是因为，描述物理现象的微分方程只反映了物理过程变化的内部规律，而单值性条件则确定了物理过程所在系统的几何特征、边界条件、起始条件以及各种物性参数的数值。因此，如果单值性条件不相似，物理现象也就无法相似。模型系统对模拟井的设计、对盖底层的设计、对模拟井网单元边界的设计都要充分考虑单值性条件相似的要求[6]。
1.3 室内蒸汽驱实验相似参数的选择
在进行实验时，我们有如下假设：
① 油藏中有油、水、蒸汽三相流动；
② 考虑蒸汽与油、水之间的热交换；
③ 考虑油藏与顶、低层间的热交换；
④ 不考虑油藏岩石的可压缩性；
⑤ 在油藏中任一小单元体积中达到热平衡和相平衡;
⑥ 忽略由于分子扩散和热扩散引起的传热传质。
通过对假设条件的认真考虑，经过优化确定了一系列相似准则数，如表
稠油蒸汽驱物理模拟理论及机理研究
2-1所示。
表2-1 蒸汽驱及蒸汽泡沫驱阶段主要相似准则表
根据表2-1中选取的相似准则数，由现场生产的参数可以推出室内模型参数。表2-2是一个典型实验的现场参数与模型参数的转换表。
表2-2 油藏原型与比例模型参数转换表
7
稠油蒸汽驱物理模拟理论及机理研究
8 续表2-2
图2-1 蒸汽驱剖面
2. 蒸汽驱油机理
在蒸汽驱开采过程中，由注入井注入蒸汽，加热原油并将它驱向生产井，由于重力分离作用，蒸汽向油层顶部超覆，热水进入油层下部，如图2-1。在
稠油蒸汽驱物理模拟理论及机理研究
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注入井到生产井过程中，会形成几个不同的温度区和饱和区，如图2-2。
蒸汽驱有蒸汽区、凝结水区、油带、冷水带和原始饱和油带。事实上这
些带之间没有太明显的界限，这样的划分有助以描述蒸汽区过程中油藏中的各种变化[1]。
原油饱和度分布主要取决于它的热特性。蒸汽带中的残余油饱和度不取
决于原始含油饱和度，而是取决于温度。在温度高的热凝带，原油粘度大大降低，受蒸汽驱替后的原油饱和度远低于冷水驱[10]。
（A ）温度剖面图 （B ）饱和度剖面图
图2-2 注采井之间的温度和饱和度剖面图
经过前人的研究，对蒸汽驱采油机理的认识越来越深刻。以下几点就是
被大家普遍接受的蒸汽驱驱油机理：
2.1 加热降粘作用
高粘度原油在孔隙中流动困难，主要是由于粘度高、粘滞力大。其渗流
特征和低粘度油不完全一样，不完全符合达西定律。向地层中注入高温高压蒸汽过程中，蒸汽会带入大量的热，提高油层温度，原油粘度会大幅度下降，降低油水粘度比。原油加热降粘是稠油开采的最主要机理[13]。
2.2 原油受热膨胀机理
在油层孔隙中，原油在高温下体积膨胀会产生一定驱油作用。原油的膨
胀系数相当于水的3倍多。热膨胀作用可提高5%-10%
的采收率。对浅层稠油
稠油蒸汽驱物理模拟理论及机理研究
油藏，轻质原油较多的稠油，这一驱油作用则显得更为重要[14]。
2.3 蒸汽的蒸馏作用
蒸汽蒸馏的结果导致油层中形成蒸汽带，这使得后面的剩余油在高温下被部分汽化。蒸汽相中含有烃蒸汽，遇到温度较冷的油层岩石，烃蒸汽与水蒸汽一起凝结，形成轻油带，在推进过程中起到萃取油的作用。由于蒸馏出或脱出的组分不是被驱替，而是被气相所携带，因而它们比稠油运动得更快[15]。
2.4 混相驱作用
水蒸汽蒸馏出的大部分轻质馏分，由蒸汽带和热水带携带至较冷的区域，此时轻质馏分与水蒸汽同时冷凝。当水蒸汽冷凝成热水时，凝析的含烃热水和油一块流动，形成热水驱。同时，凝析的轻质馏分与地层中的原油混合并将其溶解，降低了原油的密度和粘度，当这种像溶剂一样的轻质油带通过地层向前推进时，其尺寸在不断增大，结果则形成了油的混相驱。这是蒸汽前沿热水--油带中的重要采油机理。
2.5 乳化驱作用
当蒸汽驱替稠油时，都能看到产液有乳化的现象。在蒸汽前沿，既有水包油乳状液，也可能有水乳化在油中，形成油包水乳状液。油层中形成乳化的程度取决于蒸汽推进的速度及凝结过程中释放出的能量。这些乳状液粘度均比油或水大，这样则增加了驱动压力，在高渗透的非胶结地层中，这种粘性乳状液将会堵塞蒸汽窜流的通道迫使蒸汽进入低渗层，降低蒸汽的指进强度[13]。
在蒸汽驱中的各个阶段，驱油机理是不相同的。在蒸汽带中，蒸汽驱的主要机理是蒸汽的蒸馏作用及蒸汽的驱替作用；在热水凝结带中，主要是降粘、热膨胀、高温渗透率变化、重力分离及溶剂驱油作用,冷凝区中的混合物的粘度比蒸汽粘性更大，降低了指进作用，且与原油混合并将原油稀释，使原油的密度和粘度降低；在原始油层带中，主要是常规水驱及重力分离作用；
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稠油蒸汽驱物理模拟理论及机理研究
升温降粘这是加热稠油油藏的最显著效果，随着原油粘度的降低，驱替效率得以提高。
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蒸汽驱三维物理模拟实验的组成和实验步骤
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第三章 蒸汽驱三维物理模拟实验装置和实验步骤
1. 蒸汽驱三维物理模型装置
本文所提及的蒸汽驱三维物理模型，属于一套多功能蒸汽热采物理模拟
装置中的一部分，该物模装置由中石化胜利油田采油院稠油开采实验室于2007年研发，其系统流程如图3-1。
整套系统主要由模型本体、注入系统、测控系统、产出系统、辅助系统
等5部分组成。模型本体又包括多管模型、拟三维模型和三维高压比例模型三部分。其中，三维模型最高工作压力5MPa 、最高工作温度250℃，由主体、活塞式上盖层、顶盖3部分构成，通过调节活塞式上盖层可以实现不同油层厚度的模拟，通过调节三维模型主体上的井网排布可以实现五点井网、九点井网、多水平井、水平井与直井等多种井网组合方式。
图3-1 多功能蒸汽热采物理模拟装置系统流程示意图
三维模型本体共设有9口模拟井（空心圆圈），如图3-2所示，可在相应位
置布直井或水平井。三维模型的主要功能是依据油藏原型和相似准则考察稠油油藏蒸汽驱的开发效果以及蒸汽在油层中的渗流规律，研究不同稠油油藏注蒸汽提高采收率的宏观机理。该模型可以实现多种注入方式和井网组合，
蒸汽驱三维物理模拟实验的组成和实验步骤
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还可以通过软件实时观测到模型内部的温度场和压力场变化。
图3-2 三维模型内部井网及温度压力测试点排布示意图
2. 蒸汽驱三维物模实验的基本步骤
（1）实验准备。按照相似准则的要求准备合适粒径的石英砂，用于充填
模型并满足渗透率要求；蒸汽驱三维物理模拟实验一般采用地层实际原油，实验前要测试模拟油的粘度、密度等物性数据；检查温度传感器、差压传感器，保证其处于良好状态，必要时要进行重新标定。
（2）模型装填。把模拟井安装到指定的接口，同时将温度传感器、差压
传感器安装到模型油层的指定位置，然后向模型中装填石英砂（油砂）。对于原油粘度小于2000mPa ·S 的油样，先装填石英砂，待模型封装以后抽真空，然后饱和水测模型孔隙体积、孔隙度，最后用油驱水法造束缚水。对于原油粘度大于2000mPa ·S 的油样，一般采取事先按比例混合油砂再装填的方式。
陶瓷隔热层
内壁
蒸汽驱三维物理模拟实验的组成和实验步骤
在实验中我们使用的是单56的油样。图3-3为单56油样的粘温曲线，由图可以看出我们在装油砂时只能采取第二种方法。
图3-3 单56油样的粘温曲线
（3）封装模型。油层填砂（或油砂）结束后，盖上承压容器上盖进行封装。模型封装好以后，用氮气向模型的上、下盖层和油层打压。实验过程中，将压力稳定在3MPa（或实验要求值）。在模型各个引出端口检测是否有漏气现象。如有泄漏，及时更换密封接头。
（4）建立初始温度场。模型本体连同承压容器都安装在恒温箱中，封装模型完成后，设定恒温箱加热温度（一般在加热刚刚开始时设定加热温度大于等于80℃，到加热的最后阶段再逐步降低恒温箱温度），对模型本体加热。通过测控系统对模型内部各个测温点的温度进行监测。一般加热48小时以上，待模型内部各个测温点温度达到地层温度附近时，将恒温箱的温度也控制在地层温度，直到模型内部各点温度处处相等（一般允许各点温度差在1～2℃）后，可以进行蒸汽驱三维物模实验。
（5）注入流体调试。在向模型注入蒸汽前调试蒸汽发生器，使注汽速度、注汽温度和压力能满足方案设计要求。首先按试验方案要求设置一定质量流速和一定干度的蒸汽，待注汽参数稳定后，接入注汽井。
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蒸汽驱三维物理模拟实验的组成和实验步骤
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（6）采出系统维压设置。模拟生产井出口设有维压装置，考虑到稠油流
动阻力较大，维压装置使用大口径快开阀，通过测控系统设定开启压力，实现开井、关井、恒定压力下生产等油藏管理。
（7）实验运行。实验过程中，计算机启动测控系统对模型本体、蒸汽发
生器出口、恒温箱等处的温度、压力进行实时监测。通过测控软件可以在计算机屏幕上观测到模型内部温度场的变化。采出系统对产出液进行分时段收集。实验中实时计量油水总量，试验结束后，对收集到的产出液进行特殊处理、分离，以计量出油、水的瞬时产量。
下图是实验未装砂、装完砂后和试验完模型顶部的情况
（a ）未装砂 （b ）装完油砂后 （c ）实验做完后
图3-4 模型内部情况