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：[1**********]6
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
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。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 [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。
3
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
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x1,x2,x3， 在原型中对应的三角形边长分别为X1,X2,X3，如果模型与原型满足几何相似，那么有：
x1x2x3a （2-1） X1X2X3
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v1,t1,L1，在原型系统中对应的运动速度、
5
时间和距离分别为v2,t2,L2，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：
（3）动力相似
v1t1vt
22Const （2-2） L1L2
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
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
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
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
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；
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。
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，
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。
内壁
陶瓷隔热层
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。
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。
（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
第四章 蒸汽驱影响因素分析
影响蒸汽驱驱油效果的因素可以分为两类，油藏条件和注采参数。油藏条件一般是不易改变的，注采参数较容易改变，一般情况下应根据不同的油藏条件去确定不同的注采参数。
1. 注入压力对驱油效果的影响
这里所说的注入压力是指在注入井处测得的压力。注入压力与蒸汽温度有一定的关系，注入压力高则水蒸汽饱和温度高，所以要想获得一定的注入压力，注入蒸汽必须有一定的温度。实验测得大约注入压力为1.5MPa时温度为190℃，2.5MPa时温度为210℃，4.0MPa时温度为250℃。下面给出了注气压力为4.0MPa、2.5MPa和1.5MPa下的蒸汽驱的效果曲线。
图4-1 不同注入压力下采出程度与时间的关系
从图4-1中可以看出注气压力越高蒸汽驱油效果越好。在200分钟时，压力为4.0MPa、2.5MPa、1.5MPa，采出程度分别为35%、21%、18%，可看出采出程度在4MPa最好。但压力从1.5到2.5MPa采出程度变化不大，但从2.5到4.0MPa
变化却很大。因为注入压力高，蒸汽温度就比较高，油和水的粘度都要降低，但水粘度的降低程度与油相比则小得多，其结果是降低了水油流度比，油水流度比的降低，使得驱替效率和波及效率都得到改善。但原油粘度随温度的变化并不成正比关系，这也是为什么随注入压力变化采出程度变化不均匀的原因之一。
图4-2 不同注入压力下油汽比曲线
从图4-2可以看出4MPa的油汽比最高，油汽比随着压力升高而升高。4.0MPa时的油汽比可以达到0.14左右，而注入压力为1.5MPa和2.5MPa不到0.1。温度越高，原油的粘度越低，越容易被驱替，油汽比就越高。
由图4-3看出在1.5MPa下，含水率最高，最终含水率在92%。而注入压力在4.0MPa下最终含水率才87%。稠油在地层中流动困难主要是由于粘度高、粘滞力大。在高温下，稠油和轻质油的特性相近，温度越高，油水同出的比例越大，生产井含水率就越低。
由此可以看出注入压力越高，蒸汽驱采出程度也越高。而根据现场经验，注入压力并不是越大愈好，因为注入压力大将会导致蒸汽注入困难，增加注
气成本。在实验室内，我们主要讨论影响驱替效果的因素，注气压力大温度就比较高，而温度是影响稠油热采的最重要的机理。这些原因导致实验结果与现场经验的不同。
图4-3 注入压力对含水率的影响
2. 蒸汽干度对驱油效果的影响
蒸汽驱加热的对象是整个油藏，并且注入的蒸汽还要作为驱替介质不断驱替原油。因此蒸汽驱有其自身的规律和要求，即要在油层中形成蒸汽带，并不断保持蒸汽带向前扩展，蒸汽驱才能取得较好的效果。提高蒸汽驱开采效果的关键是尽力扩大蒸汽带纵向及平面上的波及范围。
湿饱和蒸汽中的热能包括两部分，水相中的显热与汽相中的潜热，蒸汽干度越高，汽化潜热越大。只有依靠注入油层的蒸汽中大量的、连续补充的汽化潜热能，才能保持形成的蒸汽带不断扩展、驱替原油至生产井中采出。如果油层中蒸汽带的汽化潜热能的补充量不足以抵消蒸汽带的热损失量，则蒸汽带的体积将缩小，蒸汽前沿将停止前进[20]。因此能否实现有效蒸汽的关键在于有足够多的热量补充到地层中。
下面我们来研究在注汽速度、注入压力不变下蒸汽干度对驱替效果的影响。
图4-4 注汽干度对采出程度的影响
由图4-4可明显看出蒸汽干度越高在相同时间内采出程度越高。干度为75%采出程度可达到35%左右，干度为50%和25%的采出程度不到20%。而且还可以看到，干度从25%升到50%驱替效果并没有明显改变，蒸汽驱效果对蒸汽干度不敏感，随着蒸汽干度的增加，驱油效率变化不明显；而从50%上升到75%采出程度有很大变化，由此可以看出干度至少应在50%以上，采取提高蒸汽干度的方法对驱替结果的影响才明显。分析不同注汽干度的驱油效率变化认为，当蒸汽干度小于50%时，注入蒸汽所含的热量较少，导致蒸汽带的范围小，汽驱效果不明显，所以驱油效率较低；当蒸汽干度由50%增加到70%时，注入蒸汽内所含热量不断增多，能形成范围比较大的蒸汽带，使原油中的溶解气都分离出来，这种溶解气又由于体积膨胀，产生驱油作用，因而驱油效率大幅度提高。
图4-5 注汽干度对油汽比的影响
从图4-5看出，蒸汽干度为75%油汽比要比25%的要高，75%的油汽比基本在0.1以上，但25%的油汽比都在0.1以下。油汽比是影响经济成本的主要因素，油汽比越高，经济效果越好。从图中看出75%的经济效益明显比25%的好。原因是因为注入的干度过低，汽体含热量少，模型中的热量没有得到足够的补充，蒸汽前沿停止推进，蒸汽带得不到扩大，只有凝结水向前扩展，汽驱现象不明显，导致油汽比比较低。
由上述图像可以看出，注入蒸汽干度越高开发效果愈好。油汽比、采出程度都有所提高。由于水蒸汽有很高的汽化潜热，高干度的蒸汽所含热量大，注入油层后可以及时补充地层热损失，维持和扩大蒸汽带的范围。汽态分子的能量远比液态分子能量高，汽态分子可以进入液态分子进入不到的“微孔隙”中，使蒸汽带内的残余油饱和度低于热凝带的残余油饱和度。蒸汽干度的提高，导致注入气体含热量高，汽驱效果开始起作用，这样会大大提高驱油效果。这说明在蒸汽驱过程中，蒸汽干度越高，驱油效果越好。
3. 注汽速度对驱油效果的影响
注汽速度是指每分钟注汽量的多少。注汽速度越高就会导致热损失率越低，井内干度越高；注汽占用的时间少；蒸汽容易沿高渗透部位和边井的方向突进[21]。
上述分析是基于注汽干度不变（75%的干度）情况下得到的。增加注入量会增加热焓，但无论如何要保持井底至少有50%以上的干度（前面实验已证明），蒸汽效果才会更好。这是因为蒸汽与地层热交换时只要还有蒸汽存在，温度将一直维持在饱和温度不变，若注入干度比较低的蒸汽，在地层内一经热交换即降低温度，注热量但达不到一定的温度是不能获得好效果的。
图4-6 注汽速度对采出程度的影响
由图4-6看出随着注汽强度的增加，采出程度增加。当注汽强度达到90ml/min时，采出程度可达到80%以上。主要原因是当以低注汽强度注汽时，由于注汽管网的热损失，进入地层的热量比较低，只能够满足模型热损失和加热蒸汽前缘的热水带，蒸汽腔扩大有限或不能扩大，蒸汽驱变为热水驱，开发效果变差；当注汽速度变大时，模型内热量能得到补充，有利于蒸汽带
的扩展，开发效果会更好。
图4-7 注汽速度对油汽比的影响
图4-7可看出油汽比最高的不是90ml/min，而是60ml/min。也就是说注汽速度有一个合理的值，使油汽比达到最大，达到最佳经济效益。产生这种情况是由于当注汽强度超过最佳值时，由于蒸汽前缘油墙的存在，油层液体流动速度不能成比例增加，造成采注比失衡，致使油层压力增加，蒸汽带扩展体积（蒸汽腔）反而小于低注汽强度条件下的体积，从而导致汽驱效果变差。同时，蒸汽注入速度过大会引汽窜，蒸汽会向高渗透层和边井突进，造成油汽比下降[22]。因此对每个具体油藏进行蒸汽驱开采，都有一个最优的注汽速度。在该速度下，油层加热效率高，热损失小，蒸汽超覆或汽窜程度较轻，蒸汽带体积大，同时采出井能够在合理的采注比条件下生产，才能使蒸汽驱开发获得最佳效果。
4. 蒸汽突破及突破后的处理办法
蒸汽突破主要表现为井口产液温度大于100℃，同时伴有蒸汽产出。此阶段生产表现为产液量下降、产油量锐减、井口温度及含水量急剧上升。
图4-8 边/角井累计产油量与时间的关系
图4-9 油汽比与注入PV数之间的关系
在图4-8中看出边井在115分钟时蒸汽突破了，表现为边井累计产油曲线斜率变小，产油速度变小，产水率上升。在125分钟时，采取了关闭边井，加入泡沫剂调剖等措施，可以看出在采取了这些措施后，井组产油曲线斜率变大，产油速度变快，井组产水率下降。
在图4-9中看出在大约注入1.1个PV后，瞬时油汽比下降迅速，累计油汽比也随之下降，油井含水率上升，在采取关井措施后，瞬时油汽比迅速上升，井组含水率也随之下降，这说明采取关井措施效果明显。蒸汽突破对驱采效果影响很大。
图4-10 实验中蒸汽突破温度分布图
汽窜的主要原因如下：
（1）井距的原因。边井比角井离注汽井更近，蒸汽驱油阻力更小，蒸汽容易向边井方向指进，产生汽窜。即使各方向驱油阻力相同，驱油蒸汽带以注汽井为中心，圆形展开，也会先在边井突破。图4-10为实验模型内不同时刻的温度分布，左图是实验开始后100分钟时的温度分布图，右图为实验开始210分钟时的温度分布图。从左图可以看出注入的蒸汽沿着边井方向前进较为明显，从右图可以看出210分钟时的蒸汽带比100分钟时明显增大，而且蒸汽已经沿着边井方向突破，再结合图4-11（b）可以得出蒸汽沿着边井突破后，边井附近洗油效果明显，而角井附近动用度很低。图4-11（b）是在试验结束后观察到模型内边井汽窜的情况。
（2）油层渗透率高、层内连通性好。由于充填岩心时充填的不够均匀，导致模型内岩心的渗透率也不近相同。如图4-11(a)在岩心内可明显看到蒸汽突破的痕迹，蒸汽突破的方向油的驱替比较干净，沙粒呈白色[18]。
（a）地层不均匀性的影响 （b）井距的影响
图4-11 蒸汽突破后模型内情况
蒸汽突破的一些特征[23]：
（1）产液量突然有大幅度的增加。 （2）产液温度波动相当大。
（3）单井含水出现大幅度波动，主要表现为含水短期内迅速升高，日产油量降低，同时伴随温度的变化。
蒸汽突破的一些解决办法：在实验中我们对蒸汽突破采取了关井和泡沫调剖的方法，基本方法都是一样的，都是为了堵住汽窜的方向。使蒸汽沿着其它方向驱油。在现场也可以采取堵井，注入化学剂调剖等等来达到封堵蒸汽指进的通道。
5. 蒸汽化学驱的研究
蒸汽的汽窜，产生不均匀的垂直扫油剖面，导致地层中剩余残余油饱和度高，蒸汽波及系数小，开发效果和采收率降低，因此解决蒸汽驱油过程中的流度问题、提高蒸汽的波及系数是提高热采采收率的关键。蒸汽注入过程中加入泡沫剂可封堵高渗透层或大孔道，有效抑制蒸汽进入高渗层、
高渗段、
高渗带，转向低渗未驱替带，提高波及面积，改善油藏开发效果。研究表明，伴蒸汽注入发泡剂和氮汽可以有效降低蒸汽在高渗透带的窜流，提高蒸汽的波及系数和驱替效率，改善稠油热采油藏的开发效果。开展蒸汽化学驱的研究对稠油热采具有重要意义。
大量的室内研究和现场试验均表明，化学剂可有效解决驱替体系中汽体和液体的流度问题，通过降低驱替液和油的流度比，从而扩大了整个驱替体系的波及程度，提高采收率；还可用作汽流和水流的堵塞剂，防止流体和汽体的指进。
化学剂在提高采收率中的作用有：（1）降低界面张力，从而降低油滴穿过孔隙喉道所做的功，提高在地层中的运移速度；（2）改变原油和油藏岩石表面的润湿性，有利于原油从岩石表面上脱附；（3）改变原油的流变性，胜利油田的原油含有较多的胶质和沥青，使原油具有非牛顿性质，表现出粘度不稳定，随着剪切应力的大小而发生改变，原油流动出现滞后现象。改善原油异常的流变性，即降低粘度和极限剪切应力，可提高这类油田的采收率[24]。（4）可以封堵渗透率比较高的的底层，利用贾敏效应堵住达到喉道，提高蒸汽驱的驱油面积。
实验中我们采用一种新型高温复合泡沫剂FCY（该泡沫剂在310℃、气液比1：1条件下阻力因子达到20以上），这种泡沫剂是针对胜利油田稠油油藏特点而研制的。FCY泡沫剂可有效降低油水界面张力,提高注入蒸汽的驱替效率，提高稠油油藏采收率,降低含水率，封堵大孔道,防止汽窜。FCY泡沫剂具有选择封堵性,这一特性对于开发有汽窜现象的区块尤为重要,此时剩余油分布在低渗透带,而泡沫剂在剩余油饱和度低的高渗透带形成封堵,后续流体转入驱替高剩余油饱和度的低渗透带,达到提高采收率的目的[28]。
在试验中还使用了耐高温高效稠油乳化降粘剂S-5，注入降粘剂可降低近井地带流体的粘度，疏通渗流孔道。乳化降粘剂S-5采用阴离子表面活性剂同非离子表面活性剂复配。用渣油为主要原料进行缩聚磺化反应，生成阴离子
表面活性剂石油磺酸盐PF。PF平均相对分子质量较高(1.7x104)，增强了PF分子在原油中的分散性、增溶性、渗透性，PF分子中极性基团与稠油中胶质、沥青质的极性基相互作用，破坏了胶质、沥青质的分子堆砌，使其结构松散，有序化程度降低，从而起到降粘作用[27]。
表4-1 纯蒸汽驱与蒸汽化学驱效果比较
在1、2、3试验的前210分钟都是纯蒸汽驱，实验2,3在210分钟后加入化学剂。由表4-1看出在210分钟时1、2、3试验采出程度都不相同，不同的原因在于实验模型内的油砂填充具有不确定性。在实验进行到280分钟时，加入泡沫剂后采出程度增加了10.74%,加入驱油剂采出程度增加了6.89%,不加任何化学剂采出程度增加了5.16%。由此看出加入化学剂还是有效果的。同时加入泡沫剂比加入驱油剂更能提高采收率。
由图4-12,4-13看出随着驱油剂的加入油汽比明显上升，采出程度也明显 上升，这说明了驱油剂起了效果。图4-14（a）是纯蒸汽驱后的温度分布图，图4-14（b）是蒸汽化学驱后的温度分布图。两图比较后可看出蒸汽化学驱的高温区面积比纯蒸汽驱高温区面积大，蒸汽化学驱的蒸汽带波及范围比纯蒸汽驱的波及范围要大。这是由于化学剂的注入减小了油水流度比，使油更容易被驱出，驱油效果更好。
图4-12 驱油剂的注入对油汽比的影响
图4-13 驱油剂的注入对采出程度的影响
图（a） 纯蒸汽驱图 （b）蒸汽化学驱
图4-14 蒸汽驱与蒸汽化学驱温度分布
图4-15 泡沫剂的注入对油汽比和含水率的影响
从图4-15,4-16看出泡沫剂的加入也对驱油效果有明显影响，泡沫剂的加入减小了蒸汽的突破对驱油效果的影响，泡沫对蒸汽的流通通道具有封堵作用。
图4-16 泡沫剂对采油量的影响
同时从表4-1中看出加入泡沫剂后采出程度提高了近11%，而加入驱油剂采出程度提高只有7%。由此可以看出泡沫剂在蒸汽驱过程终比驱油剂效果好，这可以看出在蒸汽驱油过程中，蒸汽突破对驱油效果的影响是很大的。调剖堵汽比降低界面张力对去有结果的影响更大。这也说明汽窜是试验中最重要的因素。通过图4-17（a）可看出泡沫调剖效果很明显，驱油界限分明，泡沫剂的波及范围很广。
（a）泡沫调剖后驱替图像 （b）驱油剂驱替后的驱替图像
图4-17 蒸汽化学驱实验后图片
第五章 结论
本论文利用胜利油田采油工艺研究院设计研制的多功能高温高压三维蒸汽热采物模装置，以胜利油田稠油油藏为原型，研究油藏地质参数和注采参数因素对稠油油藏蒸汽驱效果的影响，得出以下结论：
（1）在蒸汽驱过程中，蒸汽干度越高，驱油效果越好，但在蒸汽干度小于50%时，注汽干度的提高对驱油效果不敏感，且驱油效果比较差。也就是说蒸汽干度必须在50%以上，蒸汽干度的提高才有效果。
（2）注入压力对蒸汽驱开采效果影响比较大，从本实验上看注入压力大，蒸汽温度高，采收率越高。
（3）对每个具体油藏进行蒸汽驱开采，都有一个最优的注汽速度，注汽速度太小，地层热量得不到补充，注汽速度太大，容易产生汽窜，油汽比会降低，经济效益会下降。因此注汽速度要有一个合适的值。
（4）蒸汽突破对驱油效果影响很大，在蒸汽突破后，可以采取关井，泡沫调剖等方法来改善驱油效率。
（5）在蒸汽驱过程中加入泡沫剂和驱油剂可以起到改变油水流度比，封堵汽窜通道的作用，提高采收率。在蒸汽驱动过程中泡沫剂的注入比驱油剂的注入更能提高采收率，而泡沫剂的主要功能是选择性封堵，这说明在蒸汽驱过程中汽窜对采收率的影响很大。
致 谢
本文是在王玉斗导师的悉心指导下完成的。在毕业设计期间，王老师给予了我无微不至的关怀。王老师对我在学业上的指导、生活上的帮助以及思想上的教诲使我终生难忘。王老师对学问一丝不苟、严谨求实的治学态度以及勇于创新、坚持真理的求学精神给我留下了深刻的印象。
在此，谨向王玉斗老师表示最崇高的敬意和最诚挚的感谢！ 感谢在毕业设计期间对我提供帮助的老师和师兄们。
感谢胜利油田采油院稠油所给予实验装备上的支持和生活上的资助，感谢稠油所的曹嫣镔主任和刘冬青工程师在论文写作期间对我的指导和帮助。
感谢论文中引用到其学术著作和研究成果的众多学术前辈及同仁们。
参考文献
[1] 刘文章. 热采稠油油藏开发模式[M]. 北京: 石油工业出版社, 1998. [2] 张朝琛. 稠油蒸汽驱1热采工程[M]. 北京: 石油工业部科学技术情报研究所, 1987.
[3] Willman, B. T. , Valleroy, V. V. , Runberg, G.W. , Gorneliu, A. J .,Power, L. W. Laboraor Studies Of Oil Recovery By Steam Injection [J]. Journal Of Petroleum Technology, 1961, 7: 681-690.
[4] 张方礼, 刘其成, 刘保良等. 稠油开发实验技术与应用 [M]. 北京: 石油工业出版社, 2007.
[5] 陈永忠等. 应用物理法则推导蒸汽驱物理模拟相似准则 [J]. 特种油汽藏, 1999, 6(2): 32-36.
[6] Doscher. Scaled Physical Model Studies Of Steam Drive Process [C]. First Annual Report. U. S. Department Of Energy , 1977.
[7] 关文龙, 万仲谋, 陈永忠. 三维物理模拟试验装备及试验技术 [J].石油仪器, 1997, 11(5): 27-30.
[8] Volek, C.W, Pryor, J. A. Steam Distillation Drive, BreaFiled, California [J]. Journal Of Petroleum Technology, 1972, ,8: 899-906.
[9] Abdalla, N.D., Boberg, T. C. , A. Three-Phase Experimental and Numerical Simulation Study Of The Steamflood Process [J]. SPE3600, 1972, 10:3-6.
[10] Bursell, C.G.and Pittman, G.M. Performance of Steam Displacement in the Kern River Field [J]. Journal Of Petrleum technology. 1995, 8: 997-1004.
[11] 朱志宏. 反九点井网蒸汽驱物理模拟研究 [J]. 江汉石油学院报, 1989, 11(1): 50-58.
[12] Todd M. Doscher, Osazuwa S. Omoregie, Farhad Ghassemi. Steam
Drive Definition and enhancement [J]. Journal Of Petroleum Technology, 1982, 7: 1543-1545.
[13] Todd M. Doscher, Osazuwa S. Omoregie, Farhad Ghassemi. Steam Drive Definition and enhancement [J]. Journal Of Petroleum Technology, 1982, 7: 1543-1545.
[14] 龚姚进, 王中元, 赵春梅, 宫宇宁, 李艳玲. 齐40块蒸汽吞吐后转蒸汽驱开发研究 [J]. 特种油汽藏, 2007, 14(6): 17-21.
[15] 徐丕东, 袁向春. 砂砾岩稠油油藏蒸汽驱先导试验效果分析 [J]. 特种油汽藏, 1998, 5(4): 27—32.
[16] J.C. de Souza, D. F. da S. Cursino, K. G. de O. Padua, Twenty Years of Steam Injection in Heavy-Oil Fields [C]. SPE94808, 2005: 1–9.
[17] 桂林, 王新军. 单家寺稠油油田提高采收率的主要做法及效果 [J]. 科技咨询导报, 2007, 5: 113-114.
[18] 李献民等.单家寺热采稠油油藏 [M]. 北京: 石油工业出版社, 1997: 166-189.
[19] 苏玉亮, 高海涛, 稠油蒸汽驱热效率影响因素研究 [J]. 断块油汽田, 2009, 16(2): 73-74.
[20] 蒋生健. 齐40块中深层稠油蒸汽驱技术研究及其应用 [J]. 大庆石油学院博士论文, 2008.
[21] 王健竹. 稠油油藏蒸汽驱技术研究 [J]. 大庆石油学院硕士论文, 2009.
[22] 崔荣海. 单家寺油田稠油热采技术及方案设计研究 [J]. 中国石油大学(华东)硕士论文, 2006.
[23] 张铉. 齐40区块蒸汽驱室内模拟实验研究 [J]. 大庆石油学院硕士论文, 2008.
[24] 李金发. 稠油油藏多轮次吞吐后期改善开发效果技术研究 [J]. 中
国石油大学博士论文, 2007.
[25] 秦积舜, 李爱芬. 油层物理学 [M]. 东营: 中国石油大学出版社, 2006.
[26] 钟晓虎, 王献, 蒋福修. 克拉玛依油田九区稠油油藏蒸汽驱数值模拟 [J]. 新疆石油地质, 1995, 16(3): 265-274.
[27] 宫俊峰, 曹嫣镔,唐培忠等.高温复合泡沫体系提高胜利油田稠油热采开发效果 [J]. 石油勘探与开发, 2006, 33(2): 212-216.
[28] 崔文俊, 何绍群, 曹嫣镔等.泡沫驱动态稳定性关键因素分析 [J]. 西南石油大学学报, 2007, 29(5): 122-125.