稠油开采中多元热复合流体相态的研究进展.pdf
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1、第31卷第1期2024年1月Vol.31,No.1Jan.2024油 气 地 质 与 采 收 率Petroleum Geology and Recovery Efficiency稠油开采中多元热复合流体相态的研究进展李洪毅1,黄致新2,唐 亮3,魏超平3,4,吴光焕3,尹小梅3(1.中国石化胜利油田分公司 石油开发中心,山东 东营 257000;2.中低温热能高效利用教育部重点实验室,天津 300350;3.中国石化胜利油田分公司 勘探开发研究院,山东 东营 257015;4.中国石油大学(北京)非常规油气科学技术研究院,北京 100089)摘要:稠油的储量远超常规石油的储量,但因稠油黏度大和
2、密度大的特点而难以开采,高效经济开发稠油已成为石油领域的研究重点。热复合开采技术是目前高效开发稠油油藏的关键技术,其中多元热复合流体的相态特征是稠油油藏开采流程设计与评价的关键。为此,从热复合开采技术中的混合气体系和稠油-气体系2个方面,系统地阐述了多元热复合流体相态的实验和理论研究现状。对于混合气体系相态,多采用静态法进行实验测试,使用状态方程结合混合规则进行理论预测,CO2,N2,H2O和CH4等常见气体分子组成的二元体系的相态测试趋于成熟,但缺少多元体系的测试数据与预测模型;对于稠油-气体系相态,总结了一般性实验流程与近年实验结果,提出一种加速油气相平衡的新型实验装置构想,指出目前理论预
3、测在气体种类、注气量、气体扩散模型、二元相互作用系数等方面的不足。进而对多元热复合流体相态研究提出展望,以期促进热复合开采技术进一步的机理研究与参数优化。关键词:热复合开采;混合流体;稠油开采;相态特征;热力学性质文章编号:1009-9603(2024)01-0087-16DOI:10.13673/j.pgre.202303005中图分类号:TE345文献标识码:AResearch advances in phase behavior of multi-component thermal fluids in heavy oil productionLI Hongyi1,HUANG Zhixin
4、2,TANG Liang3,WEI Chaoping3,4,WU Guanghuan3,YIN Xiaomei3(1.Petroleum Development Center,Shengli Oilfield Company,SINOPEC,Dongying City,Shandong Province,257000,China;2.Key Laboratory of Ministry of Education on Efficient Use of Medium and Low Temperature Thermal Energy,Tianjin City,300350,China;3.Ex
5、ploration and Development Research Institute,Shengli Oilfield Company,SINOPEC,Dongying City,Shandong Province,257015,China;4.Unconventional Petroleum Research Institute,China University of Petroleum(Beijing),Beijing City,100089,China)Abstract:The reserves of heavy oil far exceed those of conventiona
6、l oil,but heavy oil is difficult to exploit due to its high viscosity and density.Thus,the efficient and economical development of heavy oil has become a research focus in the petroleum field.Hybrid thermal recovery are critical for efficiently developing heavy oil reservoirs,and phase behavior of m
7、ulti-component thermal fluids are the key to designing and evaluating the development processes of heavy oil reservoirs.Therefore,this paper systematically reviewed the current experimental and theoretical research on phase behavior in multi-component thermal fluids of mixed gas systems and heavy oi
8、l-gas systems in hybrid thermal recovery.For phase behavior of mixed gas systems,static methods were employed for experimental tests,and state equations and mixing rules were for theoretical prediction.Meanwhile,the phase test of the 收稿日期:2023-03-10。作者简介:李洪毅(1983),男,山东滨州人,高级工程师,硕士,从事稠油开发科研生产与管理工作。E-
9、mail:。基金项目:国家自然科学基金企业创新发展联合基金项目“难采稠油多元热复合高效开发机理与关键技术基础研究”(U20B6003),中国石化股份公司科研项目“深层稠油多元热复合提高采收率技术研究与应用”(P21037-3)。引用格式:李洪毅,黄致新,唐亮,等.稠油开采中多元热复合流体相态的研究进展 J.油气地质与采收率,2024,31(1):87-102.LI Hongyi,HUANG Zhixin,TANG Liang,et al.Research advances in phase behavior of multi-component thermal fluids in heavy
10、oil production J.Petroleum Geology and Recovery Efficiency,2024,31(1):87-102.2024年1月油 气 地 质 与 采 收 率binary system composed of common gas molecules such as CO2,N2,H2O,and CH4 tends to be mature,while there is a lack of test data and prediction models related to multivariate systems.For heavy oil-gas s
11、ystems,general experimental processes and recent experimental results were summarized to propose a new experimental device concept for accelerating oil-gas phase equilibrium.Additionally,the disadvantages of current theoretical prediction in gas types,gas injection rates,gas diffusion models,and bin
12、ary interaction coefficients were pointed out.Furthermore,a prospect was presented for studying the phase behavior of multi-component thermal fluids to promote further mechanism research and parameter optimization of hybrid thermal recovery.Key words:hybrid thermal recovery;mixed fluid;heavy oil pro
13、duction;phase behavior;thermodynamic properties加大油气资源勘探开发和增储上产力度是稳妥推进碳达峰碳中和的重要举措之一。中国稠油和超稠油储量丰富,约为19.64 Gt,其中技术可采储量约为2.24 Gt1,是中国摆脱国际能源封锁的重要资源。但稠油中的胶质、沥青含量较高,密度、黏度较大,致使其流动性差,开采十分困难2-3。因此,如何高效经济地开采稠油成为一项重要的研究课题。蒸汽热采是开发稠油油藏的常规工艺,但在注蒸汽热采后期,单一的蒸汽注入方式或因严重地层压力损失、井间窜流通道发育等问题而不适用,需要转换开发方式以进一步提高采收率4-5。因此,有专家
14、学者基于大量的室内研究和先导试验提出了稠油油藏的热复合开采技术,利用 CO2,N2,CH4以及空气、烟道气等气体辅助蒸汽热采4。这些气体与蒸汽混合,形成多元热复合流体,通过热降黏、溶解降黏等复合机制来提高稠油采收率。热复合开采是稠油开采技术的重要发展方向6,已在胜利油田7-9、新疆油田10-11、辽河油田12-15以及渤海油田16-19等开展现场试验,结果表明热复合开采具有良好的增产效果20-21。学者们采用数值模拟22-24和室内实验25的方法探究了注气种类、注气比例、注入量、注入温度等注采参数对增产效果的影响,优化注采参数并指导现场试验,证明热复合开采相比单一蒸汽开采可有效提高采收率,具有
15、广阔的应用前景。注采参数优化虽然能直观地指导稠油开采,但缺乏对采收率提升机理的深入认识,无法普适性地指导不同条件下的热复合开采以及相关的理论研究。稠油被注入多元热复合流体后,其相态特征发生明显变化26,而相态对于热复合开采机理研究以及注采参数的优化等具有重要意义(图1)。因此,要制定科学、高效的油田开发方案,配置经济、合适的开发装置,正确地评价油藏,必须要明确开采过程中多元热复合流体的相态变化规律27-28。近年针对多元热复合流体的相态,众多学者开展了一系列研究29-31,包括热复合开采过程中混合气体系的相态与稠油-气体系的相态,但尚缺乏对多元热复合流体相态研究的系统总结,导致研究现状不明、相
16、态研究滞后于热复合开采实践,无法有效辅助工程实际。为此,针对多元热复合流体相态的研究现状进行综述,包括相关的实验研究与理论研究成果。首先,简述热复合开采技术;随后,论述热复合开采技术中混合气体系的物性研究成果,混合气体系的物性是稠油-气体系相态研究的基础,也是筛选具体热复合开采方式的关键;再次,论述稠油-气体系的相态研究成果,稠油注气后的相态变化是热复合开采技术发展的重要理论基础。通过以上综述,以期厘清稠油开采中多元热复合流体相态的相关研究脉络,明确现有研究的不足及今后发展方向,进而服务于热复合开采技术的机理研究与参数优化,为提高稠油采收率奠定基础。1热复合开采技术热复合开采技术泛指使用化学剂
17、、溶剂、非凝析气体等助剂辅助蒸汽热采,是针对常规蒸汽热采无法有效开发的难采油藏的重要攻关技术,同时也是在长时间注蒸汽开发稠油油藏之后,最有效的接替开发方式5。表1为近年热复合开采技术研究项目,按照注入气体类型的不同,存在N2-蒸汽、CO2-蒸汽、CH4-蒸汽、烟道气-蒸汽等复合方式32-33。特别图1相态研究在热复合开采技术中的意义Fig.1Meaning of phase behavior research in hybrid thermal recovery 88第31卷 第1期李洪毅等.稠油开采中多元热复合流体相态的研究进展是近年来新兴的以蒸汽-CO2-N2为复合方式的多元热流体技术正受
18、到越来越多的关注33-35,并逐渐成为海上稠油油田热采的主要方式36-37。多元热流体技术基于航天火箭推进器的燃烧喷射原理20,在高压燃烧室中加入空气、水、燃料(工业柴油、原油或天然气)等,由燃烧产生的蒸汽、CO2和N2混合形成多元热流体,注入地层中不断加热油层,驱动原油进入生产井,从而完成原油的开采(图2)。对于不同的热复合开采技术,通常其所适用的稠油油藏参数界限也有所不同。因此,需要综合油藏性质、经济效益等为具体油藏因地制宜地选择开采技术。热复合开采技术依据热流体组分的不同,具有多种协同起效的驱油机理41。例如CO2溶解之后,羧化作用使稠油分子之间的引力降低,起到溶解降黏作用;N2能够有效
19、补充地层能量,增加地层压力,起到增能保压作用;气体分子溶解于稠油使其体积膨胀,起到溶解膨胀作用等。图3为热复合开采技术的注采参数区间,根据文献资料列举了几种常见的热复合开采技术,包括蒸汽-CO2-N2多元热流体技术、CO2混相驱、N2辅助蒸汽热采等技术;其中多元热流体技术的注气温度大致为100400,压力为335 MPa41-43;CO2混相驱技术的注气温度和压力大致为 66130 和18.140 MPa44;N2辅助蒸汽热采技术的注气温度和压力大致为 75150 和 830 MPa11,38,45-47。可见热复合开采技术涉及的混合气体组分复杂,且温度压力范围覆盖较广,跨越亚临界和超临界区域
20、,这些不同参数条件的混合气体溶解于稠油,使得稠油性质也相应发生不同的改变。因此,如何准确描述相关多元热复合流体在较广范围内的相态,表1近年热复合开采技术研究Table1Research on hybrid thermal recovery机构(年份)中国石化河南油田分公司石油工程技术研究院(2008)38中国石油大学(华东)石油工程学院(2010)39中海石油(中国)有限公司天津分公司(2016)17中国石化胜利油田分公司勘探开发研究院(2017)40中国石油吐哈油田分公司工程技术研究院(2019)20中国石油辽河油田分公司(2020)12中国石油大学(华东)石油工程学院(2020)23地区河
21、南稠油油田胜利油田渤海油田(南堡35-2)胜利油田鲁克沁油田辽河油田渤海油田热复合流体蒸汽、N2蒸汽、CO2和降黏剂蒸汽、CO2和N2蒸汽、CO2和N2蒸汽、CO2和N2蒸汽、CO2和N2蒸汽、CO2和N2研究方法现场试验现场试验室内实验、数值模拟、现场试验室内实验室内实验数值模拟、现场试验数值模拟热采技术热复合流体驱替热复合流体驱替热复合流体吞吐热复合流体驱替热复合流体吞吐热复合流体吞吐热复合流体吞吐、驱替图3热复合开采技术的注采参数区间Fig.3Injection-production parameters of hybrid thermal recovery图2多元热流体发生原理示意Fi
22、g.2Generation principle of multi-component thermal fluids 892024年1月油 气 地 质 与 采 收 率是热复合开采技术研究的重要问题。2热复合开采技术气体体系的压力-体积-温度-组成性质热复合开采技术涉及的气体一般包括蒸汽-N2、蒸汽-CO2、蒸汽-其他不凝性气体等二元体系,蒸汽-N2-CO2三元体系以及地层气(常用天然气或CH4代替实际地层气进行分析)。这些混合气体系的热力学性质影响着热流体在热采过程中的相行为,而在许多热力学性质中,压力-体积-温度-组成(PVTxy)性质是最基本的性质48。因此,测定以及预测这些混合气体系的PV
23、Txy有利于各种辅助气体的筛选评价,进而可以为具体稠油油藏选择最合适的热复合开采技术。2.1 测试方法实验测试是相平衡理论研究的基础,是获取混合气体系热力学性质最直接可靠的方法。在热复合开采技术的工艺流程中,多元热复合流体的温度和压力范围取决于油藏的初始温压参数和注气温压参数,分别为30400 和140 MPa,其中CO2和N2等组分可能处于超临界状态。为测定这些高压热复合流体的物性,许多学者开展高压相平衡实验,其 方 法 可 以 分 为 静 态 法 和 动 态 法 基 本 的两类49。静态法是较早发展起来的相平衡实验方法,该方法将混合气体系置入恒温装置控制下的平衡釜中,等待系统满足所有平衡条
24、件。静态法的系统简单,设备制造容易,高耐压,密封性好,但是平衡时间较长,常通过在平衡釜中加搅拌等方法改善其相间的传质,以加快体系平衡49。动态法是指混合气体系在动态过程中建立相平衡。例如通过循环泵,使平衡釜中的气相或液相在平衡釜中循环流动。动态法的优点是两相热质交换充分,可以将平衡时间大为缩短。其缺点是实验操作费用较大,流量计的计量难以精确获取,增加了系统设计和维护的难度等50。从表2可以看出:对CO2,N2,H2O和CH4等常见气体分子组成的二元体系的研究丰富,趋于成熟,但近期的研究较少。在这些常见气体分子中,由于 CO2驱油、驱气技术发展较早,针对 CO2-N2和CO2-CH4的二元混合体
25、系的实验研究较多51-52。CO2-H2O体系在各种地质环境中都十分常见53,也已开展了大量的实验研究,但许多实验关注于CO2的溶解特性,其CO2的摩尔分数低,与注CO2开采油藏的参数条件并不一致。在实验方法上,由于混合气体系达到相平衡的速度较快,简单可靠的静态法普遍适用,并通常配有可变体积的平衡釜,以实现不同压力条件的控制。由于多元系统实验的复杂性和困难性,因此缺乏多元的混合气体系相平衡实验研究,例如缺少多元热流体技术中蒸汽-CO2-N2体系对应的相态描述。2.2 预测模型相较于相态实验研究,理论预测模型研究具有利用较少实验数据推算出所需要的全部数据,并获得连续变化趋势的优点。多元热复合流体
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