烟道气对蒸汽腔影响可视化研究及机理分析

王壮壮，李兆敏，鹿 腾，杨建平，王宏远

(1.中国石油大学(华东)，山东 青岛 266580；2.中国石油辽河油田分公司，辽宁 盘锦 124010)

0 引 言

SAGD作为稠油开发的重要技术，在国内外均有广泛应用[1-6]，但该技术蒸汽用量大，油汽比较低，在低油价形势下经济效益较差[7-9]。烟道气辅助SAGD作为SAGD技术的改进，能有效降低蒸汽用量，提高油汽比，延长生产时间，显著提高经济效益[10-18]。同时，烟道气辅助SAGD技术将烟道气注入地层，减少了温室气体排放，在全球变暖大背景下更具有重要意义[19-20]。

近年来，烟道气辅助SAGD技术在辽河油田现场应用，取得了良好的效果。矿场实践发现，注入烟道气后，SAGD蒸汽腔上部油藏温度明显增大，这与烟道气隔热、减少蒸汽腔向上传热等常规认识不同。因此，利用二维可视化模型，开展了SAGD物理模拟和烟道气辅助SAGD物理模拟，研究了烟道气对蒸汽腔扩展的影响；并通过冷凝传热实验，从热量传递的角度对烟道气的作用机理进行了分析。

1 实验部分

1.1 实验材料

为使实验用油在注入蒸汽温度下(108 ℃)的黏度与地层稠油在实际蒸汽温度下(220～250 ℃)的黏度基本一致，实验用模拟油由辽河油田杜84块兴VI组稠油与煤油复配而来。50 ℃下模拟油黏度为2 010 mPa·s，在注入蒸汽温度下的黏度为33 mPa·s。实验用烟道气由氮气与二氧化碳按照4∶1的比例复配而来。实验用水为蒸馏水。

1.2 SAGD二维可视化物理模拟

实验设备主要包括蒸汽发生器、ISCO泵、高压气瓶、气体流量计、二维可视化模型、油水分离器、天平、温度传感器、电脑及数码相机等。二维可视化模型的长、宽、高分别为50、40、1 cm，正面由可视的树脂玻璃组成，背面分布60个测温点。该模型内壁涂有绝热树脂，减少散热，外壁包裹加热板，用以控制模型温度。2口井位于模型底部，间距为5 cm，模拟SAGD双水平井生产。

实验步骤主要包括：①准备二维填砂模型，包括检测气密性、填砂、抽真空、饱和水，2组实验的填砂模型孔隙度约为43%，渗透率约为8 780 mD；②饱和油过程中将模型温度设定为80 ℃，模拟油加热至120 ℃，以1 mL/min的速率饱和油至产出液中不再含水，初始含油饱和度约为80%；③将蒸汽发生器温度设定为250 ℃，二维模型温度设定为50 ℃，待温度稳定后开始实验；④模拟SAGD开发，蒸汽的注入速率为10 mL/min(当量水)，注入温度为108 ℃；⑤实验过程中由温度传感器采集温度场数据，电脑自动记录，同时采集产油数据和产水数据；⑥对于烟道气辅助SAGD模拟实验，烟道气在第120 min加入，标准状况下注入速率为4 mL/min，注入方式是蒸汽与烟道气共同注入，其他步骤和参数与SAGD模拟实验相同。

1.3 冷凝传热实验

实验设备的核心部分是观察室、冷凝块和冷却循环泵，其他设备与SAGD二维可视化实验中设备相同。观察室是长、宽、高分别为100、20、300 mm的不锈钢长方体，正面有观察窗。冷凝块由黄铜制成，嵌在冷凝室的后壁内，前端面处于冷凝室内，后端面被冷却液冲刷。蒸汽由冷凝室上方注入，部分蒸汽在冷凝块上冷凝，剩余蒸汽和冷凝液由下方排出。冷凝块上均匀分布5个热电偶。观察室内壁涂有绝热层，外壁由加热板控制观察室内部温度。

实验步骤：①通过适当加压方法，检查观察室气密性；②在气密性良好的前提下，开始加热观察室，并进行冷却液预循环，同时打开蒸汽发生器，三者温度分别设定为100、20、250 ℃；③待观察室内和冷凝块上温度稳定后，开始向观察室内注入蒸汽和烟道气，蒸汽注入速率为10 mL/min(当量水)，注入温度为108 ℃，烟道气注入速率分别为0、5、10、20 mL/min；④实验过程中观察冷凝块上蒸汽冷凝现象，并记录冷凝块上各点温度变化；⑤调整冷却循环系统的温度，重复上述步骤③、④。

2 实验结果与分析

2.1 烟道气对蒸汽腔扩展影响

图1为模拟SAGD开发的蒸汽腔变化，图2为模拟烟道气辅助SAGD开发的蒸汽腔变化。由图1、2可知，观察到的蒸汽波及区域与监测的温度场在形状上基本吻合，充分说明实验结果的可信性和准确性。

由图1可知，SAGD模拟初期(前120 min内)，蒸汽腔向上发育较快，横向扩展较慢。中期蒸汽腔向上发育速度逐渐减小，到180 min时，蒸汽腔向上发育至模型2/3处。继续模拟开发60 min，蒸汽腔基本不再向上发育，横向上小幅扩展。由于重力超覆的作用，蒸汽腔主要在纵向上发育，横向波及效率较低。实验结束时，蒸汽腔呈“瘦长形”，模型顶部和两侧大部分区域的剩余油难以得到动用。

图1 SAGD物理模拟不同时期蒸汽腔的变化

由图2可知，由于前120 min没有注入烟道气，蒸汽腔发育情况与SAGD模拟实验基本一致。加入烟道气后，蒸汽腔再次向上发育，但横向上依然没有明显扩展，蒸汽腔在烟道气带动下的向上扩展可称作“二次发育”。至240 min时，“二次发育”使蒸汽腔向上扩展了约7 cm，占原蒸汽腔高度的1/4。240 min之后，蒸汽腔开始横向扩展，但纵向上逐渐萎缩。这是因为烟道气在模型顶部聚集形成气顶，减少了蒸汽向上的热损失，同时气顶占据上部空间，迫使蒸汽向两侧运移，从而导致蒸汽腔横向扩展、纵向高度下降。到360 min时，蒸汽腔基本不再扩展，此时蒸汽腔呈现“扇形”，横向上扩展良好，整体波及效率较高。通过与SAGD模拟实验对比发现，烟道气的加入使蒸汽腔先向上“二次发育”，后横向扩展，从而大大提高蒸汽腔面积。在实际SAGD生产中发现，注入烟道气后，蒸汽腔上方温度显著升高。这与该实验结果一致，说明烟道气确实能促进蒸汽腔向上发育。

图2 烟道气辅助SAGD物理模拟不同时期蒸汽腔的变化

2.2 烟道气对蒸汽冷凝传热的影响

高温蒸汽与低温物体接触时，蒸汽会将潜热传给壁面而自身冷凝，该过程称为冷凝传热。图3为不同气水比时蒸汽在冷凝块上的冷凝现象。由图3可知：纯蒸汽冷凝时，蒸汽主要以液珠的形式冷凝在铜块上；随烟道气比例增加，冷凝块上逐渐有液膜铺展。这种以液珠为主的冷凝方式称为滴状冷凝，而以液膜为主的冷凝方式称为膜状冷凝。同时研究发现，在纯蒸汽冷凝时冷凝液珠频繁脱落，而随着气水比增大，冷凝液的滴落频率降低。这说明随着混合蒸汽中烟道气比例的增加，蒸汽冷凝方式由滴状冷凝逐渐过渡为膜状冷凝，冷凝效率逐渐下降。

图3 不同气水比条件下蒸汽冷凝现象

为表征蒸汽冷凝传热过程中热量传递强度，通过线性拟合冷凝块上温度分布，计算了冷凝传热系数[21-25]。图4为不同气水比时冷凝传热系数随过冷度的变化关系。由图4可知，相同过冷度下，纯蒸汽的冷凝传热系数最大，随着气水比的增加，冷凝传热系数减小，说明烟道气能抑制蒸汽冷凝传热。这是因为气体聚集在低温物体表面形成气膜，增大了高温蒸汽与低温物体间的传热阻力，使蒸汽传热系数减小，冷凝效率降低。

图4 不同气水比条件下冷凝传热系数随过冷度的变化

2.3 烟道气影响机理

前人研究认为，烟道气等非凝析气体会聚集在蒸汽腔顶部，起到保温隔热的作用，减少蒸汽腔向盖层散热，从而扩大蒸汽腔横向波及效率[11-12]。实验发现，烟道气能使SAGD蒸汽腔在纵向上“二次发育”，促进蒸汽渗流传热，其作用机理可从2方面解释。

(1) 烟道气指进。在蒸汽和烟道气共同渗流情况下，由于烟道气渗流阻力小，流动能力强，烟道气会发生指进，甚至气窜。这能为后续蒸汽开辟渗流通道，降低渗流阻力，加速渗流，减少渗流过程中的热损失，从而使热量快速传递至岩心深部。

(2) 烟道气抑制蒸汽冷凝传热。蒸汽在岩心中渗流时，自身热量一部分与周围低温物体发生热交换，一部分携带至深部。由于多孔介质表面积大，高温蒸汽与低温岩石骨架会发生大量的热交换，蒸汽将热量传递给岩石，而自身在岩石表面冷凝。蒸汽一旦冷凝，渗流速度会显著降低，无法快速向深部传热。因此，在纯蒸汽渗流时，由于冷凝传热系数大，蒸汽大量散热而迅速冷凝，导致热量波及范围小。而对于含有烟道气的混合蒸汽，烟道气能在岩石表面形成气膜，减少蒸汽在渗流过程中与岩石传热，抑制其冷凝，使更多蒸汽能携带热量向深部岩心渗流。

3 结 论

(1) SAGD蒸汽腔呈现“瘦长形”，主要在纵向上扩展，横向波及效率低。烟道气的加入使SAGD蒸汽腔先向上发育，后横向扩展，大大提高波及效率。蒸汽腔在烟道气加入后的“二次发育”体现了烟道气对蒸汽渗流传热的促进作用。

(2) 烟道气对蒸汽冷凝传热具有抑制作用，表现为随烟道气比例增加，蒸汽冷凝传热系数下降，冷凝方式由滴状冷凝变为膜状冷凝。这是因为烟道气在低温物体表面聚集形成气膜，增大了传热阻力。

(3) 烟道气促进蒸汽渗流传热的作用机理主要包括：①气体指进为后续蒸汽减小渗流阻力，使蒸汽能快速向深部运移，从而促进热量传递；②烟道气降低了蒸汽与多孔介质之间的冷凝传热系数，使渗流过程中蒸汽向周围介质传热减少，更多热量被传到深部岩心。