孫曉娜，李兆敏，李松巖，楊陽, 3

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SAGD過程中注入煙道氣和溶劑對降低稠油的表面張力作用

孫曉娜1, 2，李兆敏1，李松巖1，楊陽1, 3

(1. 中國石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院，山東 青島，266580；2. 中海油深圳分公司研究院，廣東 廣州，510240；3. 中海油研究總院，北京，100027)

采用軸對稱液滴形狀分析(ADSA)方法，測定煙道氣?稠油、正己烷?稠油、煙道氣+正己烷?稠油系統(tǒng)表面張力的變化規(guī)律，分析蒸汽輔助重力泄油(SAGD)過程中注入非凝析氣體和溶劑后對降低稠油表面張力的能力。研究結(jié)果表明：在一定溫度下，稠油的表面張力隨著氣體壓力的增加而減小，在一定壓力下，煙道氣?稠油和正己烷?稠油表面張力的變化規(guī)律則相反。在相同的溫度和壓力下，與煙道氣相比，正己烷降低稠油表面張力的作用更顯著。同時，實驗測得的煙道氣?稠油表面張力與N2?稠油表面張力和CO2?稠油表面張力的線性插值擬合性較好。

稠油；煙道氣；正己烷；表面張力

蒸汽輔助重力泄油技術(shù)(SAGD)可以有效開采埋藏淺、厚度大的超稠油油藏，自2005年在遼河油田取得先導(dǎo)試驗成功以后，目前已進入工業(yè)化推廣階段。然而，常規(guī)SAGD過程中存在著諸多問題：蒸汽注入量大、向地層的熱損失大、采出水處理費用高、溫室氣體排放量大等。目前，室內(nèi)模擬和礦場試驗表明在SAGD過程中注入適量的非凝析氣體[1?5](例如氮氣、二氧化碳、煙道氣等)和氣化溶劑[6?9](例如丙烷、丁烷、戊烷、己烷、庚烷等)可以減少對注入能量的需要，即氣體輔助SAGD技術(shù)(SAGP)和溶劑輔助SAGD技術(shù)(ES-SAGD)。研究表明，降低稠油的表面張力是SAGP技術(shù)中注入的非凝析氣體和ES-SAGD技術(shù)中注入的少量氣化溶劑改善SAGD開發(fā)效果的作用機理之一。研究SAGP和ES-SAGD過程中的界面現(xiàn)象具有重要意義。氣體注入后，稠油的表面張力降低，在多孔介質(zhì)中流動的毛管力和黏附力減小，油藏流體在重力作用下流入生產(chǎn)井被采出[10]。因此，本文作者研究不同溫度、不同壓力下煙道氣?稠油、溶劑?稠油表面張力的變化規(guī)律，分析SAGP和ES-SAGD過程中氣體注入對重力泄油的影響。

1 實驗

1.1 實驗樣品

實驗所用原油為新疆克拉瑪依油田提供的脫氣原油，60 ℃條件下密度為0.945 6 g/cm3，黏度為5 340 mPa·s。實驗所用非凝析氣體為煙道氣，由N2和CO2按照一定的摩爾分?jǐn)?shù)比例混合得到，CO2和N2均由青島天源氣體制造公司生產(chǎn)，純度均為99.9%。實驗所用溶劑為正己烷(n-C6H14)，由西隴化工有限公司生產(chǎn)，純度＞95%。

實驗過程中需要輸入不同溫度和壓力條件下原油和氣體的密度。由于原油的密度隨壓力變化不大，假設(shè)在同一溫度下，原油密度不變。根據(jù)已知60 ℃時脫氣原油密度為0.945 6 g/cm3，查閱石油計量表中的原油部分(GB/T 1885—1998)得到測試溫度條件下的脫氣原油密度，見表1。氣體的密度采用數(shù)模軟件CMG的Winprop模塊通過P-R狀態(tài)方程計算得到，見表2~4。

表1 不同溫度時原油密度

表2 不同溫度時非凝析氣體密度

表3 不同溫度時正己烷密度

表4 120 ℃時正己烷與煙氣混合氣體密度

1.2 實驗裝置

測定高溫高壓下煙道氣?稠油和正己烷?稠油系統(tǒng)的表面張力，采用具有較高精度的軸對稱液滴形狀分析技術(shù)(ADSA)[11?16]，得到液滴表面平均張力。測量裝置為由法國Teclis界面技術(shù)有限公司生產(chǎn)的TRACKER界面張力/流變儀(如圖1所示)，主要包括：帶視窗的高溫高壓容器(體積為400 mL，壓力范圍為0~20 MPa，溫度范圍為0~200 ℃)；馬達(dá)驅(qū)動系統(tǒng)；1 000 μL微型注射器；不銹鋼注射針頭；樣品池；溫度控制面板；壓力控制面板；氣體注入系統(tǒng)；光源；圖片采集分析系統(tǒng)等。

1—平流泵；2—氣體壓力容器；3—壓力表；4—壓力控制面板；5—溫度控制面板；6—溫度探針；7—樣品池；8—注射器；9—馬達(dá)驅(qū)動動力系統(tǒng)；10—高溫高壓容器；11—光源；12—攝像機；13—計算機數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)

圖1 稠油表面張力測定實驗裝置圖

Fig. 1 Schematic diagram of experimental setup for measuring heavy oil surface tension

ADSA技術(shù)測量界面張力全部由計算機完成，可以避免由于人的主觀因素造成的誤差。在實驗過程中，首先輸入氣相和油相的密度，然后通過馬達(dá)驅(qū)動系統(tǒng)在微型注射器針頭形成1個油滴，使用攝像機自動采集油滴形狀圖片，傳送至計算機數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，通過拉普拉斯方程進行求解，直接輸出測量的界面張力、油滴體積、油滴面積、曲率半徑和邦德數(shù)等結(jié)果。

1.3 實驗步驟

測定煙道氣?稠油表面張力的實驗步驟如下。

1) 每次測試前，用丙酮和酒精清洗高溫高壓容器、注射器、針頭和樣品池。

2) 將微型注射器裝滿測試稠油，放置于高溫高壓容器中。

3) 連接高溫高壓容器與馬達(dá)驅(qū)動系統(tǒng)，調(diào)節(jié)可視窗至恰當(dāng)?shù)奈恢?，并?.3 MPa的煙道氣沖刷高溫高壓容器5次，以排空內(nèi)部的空氣。

4) 將煙道氣注入到高溫高壓容器中并通過電加熱方式進行加熱，30~60 min后待容器內(nèi)的壓力和溫度達(dá)到穩(wěn)定值后，記錄下來。

5) 在測試窗口輸入油滴和氣體密度，點擊測試按鈕，通過馬達(dá)驅(qū)動，在注射器針尖上形成1個懸垂的油滴；同時，通過攝像機實時采集油滴形狀圖片，傳送至計算機數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，計算得到煙道氣?稠油的表面張力。

6) 在一定的壓力和溫度條件下，每個煙道氣?稠油系統(tǒng)的表面張力測定重復(fù)3次，以保證較好的重 復(fù)性。

7) 調(diào)節(jié)壓力和溫度，重復(fù)步驟4)~6)，完成實驗。

在進行正己烷?稠油表面張力測試過程中，由于正己烷在室溫條件下呈液態(tài)，高溫高壓容器中正己烷氣體達(dá)到測試溫度和壓力的方法為：首先向高溫高壓容器中加入適量的液態(tài)正己烷，進行加熱，升高至一定溫度時，正己烷開始?xì)饣?，?.15 MPa的正己烷氣體沖刷高溫高壓容器5次，以排空內(nèi)部的空氣。然后繼續(xù)升溫至測試溫度，容器內(nèi)壓力上升至飽和蒸氣壓，穩(wěn)定30 min后進行測試。其他步驟與煙道氣?稠油表面張力的測試方法的相同。

2 實驗結(jié)果及討論

2.1 煙道氣?稠油系統(tǒng)表面張力變化規(guī)律

2.1.1 動態(tài)表面張力分析

由于煙道氣在原油中具有一定的溶解度，油滴形成后，煙道氣會向原油中擴散、溶解，一直持續(xù)到油滴被煙道氣飽和。為了檢測氣體向原油中溶解、擴散對表面張力的影響，對煙道氣?稠油系統(tǒng)的動態(tài)表面張力進行測定。圖2所示為120 ℃和4 MPa下測量的煙道氣?稠油動態(tài)表面張力，其中煙道氣組成為80%N2+20% CO2(摩爾分?jǐn)?shù))，并與CO2?稠油和N2?稠油的表面張力進行對比。由圖2可以看出動態(tài)表面張力的變化可以分為2個階段：第1個階段為波動階段，在氣體擴散的初始階段，動態(tài)表面張力存在一定的波動，約100 s，說明氣體向稠油中擴散會持續(xù)一段時間；第2個階段為平衡階段，氣體?稠油的表面張力波動很小，幾乎是一個常數(shù)，在相同的溫度和壓力下，CO2?稠油的表面張力最小，N2?稠油的表面張力最大，煙道氣?稠油的表面張力介于二者之間，表5所示為前300 s稠油與不同氣體作用表面張力的實驗值。

1—煙道氣；2—CO2；3—N2

圖2 120 ℃和4 MPa下稠油動態(tài)表面張力變化圖

Fig. 2 Variation of heavy oil dynamic surface tension at 120 ℃ and 4 MPa

表5 前300 s稠油動態(tài)表面張力實驗值表

2.1.2 靜態(tài)表面張力分析

為了研究溫度和壓力對煙道氣?稠油平衡表面張力的影響，分別在80，100和120 ℃下進行實驗，圖3所示為不同溫度下煙道氣?稠油平衡表面張力隨壓力變化曲線。由圖3可見：當(dāng)氣體壓力從0.2 MPa升高到6 MPa，在80 ℃時，煙道氣?稠油表面張力由27.31 mN/m減小到23.53 mN/m，降低了13.84%；在100 ℃時，煙道氣?稠油表面張力由26.10 mN/m減小到22.26 mN/m，降低了14.71%；在120 ℃時，煙道氣?稠油表面張力由24.75 mN/m減小到21.75 mN/m，降低了12.12%。當(dāng)溫度一定時，煙道氣?稠油系統(tǒng)的平衡表面張力隨著壓力的增大而減小，并呈較好的線性關(guān)系。這是因為溫度一定時，壓力增大，煙道氣在稠油中的溶解度增大，使得平衡表面張力減小。當(dāng)壓力一定時，煙道氣?稠油系統(tǒng)的平衡表面張力隨溫度的升高而減小。這是因為煙道氣的主要成分是N2，N2在稠油中的溶解度隨著溫度升高而增大[17?18]。

溫度/℃：1—80；2—100；3—120

圖3 不同溫度下煙道氣?稠油平衡表面張力變化曲線

Fig. 3 Variation of equilibrium surface tension for flue gas?heavy oil system at different temperatures

2.1.3 氣體組成對煙道氣?稠油表面張力的影響

在礦場情況下，煙道氣的組成很復(fù)雜，但其中N2和CO2的摩爾分?jǐn)?shù)之和超過90%。在實驗過程中，對煙道氣的組成進行簡化，使用的煙道氣由N2和CO2按照一定的比例混合得到。在前面的研究中，煙道氣的組成均為80% N2+20% CO2(摩爾分?jǐn)?shù))，因此，煙道氣?稠油表面張力是CO2和N2對稠油表面張力的綜合體現(xiàn)。

圖4所示為100 ℃時CO2，N2和煙道氣與稠油表面張力隨壓力變化曲線。由圖4可以看出：100 ℃時，3種氣體與稠油的表面張力均隨壓力的增大而減小，呈現(xiàn)很好的線性關(guān)系。低壓時，三者的表面張力相近，壓力越高，三者的表面張力差值越大。當(dāng)壓力由0.2 MPa增加到6 MPa過程中，CO2?稠油表面張力降低幅度最明顯，由26.07 mN/m減小到17.47 mN/m，降低了32.99%；N2?稠油表面張力的變化最小，由26.18 mN/m減小到23.52 mN/m，降低了10.16%；煙道氣?稠油表面張力的變化介于二者之間，由26.10 mN/m 減小到22.26 mN/m，降低了14.71%。這是因為在同一溫度和壓力下，CO2在稠油中的溶解度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于N2的溶解度。

1—CO2；2—N2；3—煙道氣

圖4 100 ℃時不同氣體與稠油表面張力變化曲線

Fig. 4 Variation of surface tension for different gases at 100 ℃

為了探究煙道氣?稠油表面張力與CO2?稠油表面張力和N2?稠油表面張力之間的關(guān)系，表6給出了100 ℃時2種不同組成煙道氣實驗值與線性插值結(jié)果。由表6可見：實驗值與線性插值相對誤差＜3%，說明在實驗條件下不同組成的煙道氣?稠油表面張力可以由N2?稠油表面張力和CO2?稠油表面張力線性插值得到，并且誤差在實驗誤差允許范圍之內(nèi)。

表6 煙道氣?稠油表面張力實驗值與線性插值誤差

2.2 正己烷?稠油系統(tǒng)表面張力變化規(guī)律

研究表明，正己烷(n-C6H14)可以有效地改善SAGD的開發(fā)效果[7, 19]。本文實驗中選用的溶劑為正己烷，研究正己烷降低稠油表面張力的能力。

2.2.1 正己烷降低表面張力能力分析

與CO2、N2和煙道氣相比，正己烷在稠油中的溶解、萃取作用很強。圖5對比了120 ℃時正己烷、CO2、N2和煙道氣與稠油的表面張力。用其他氣體?稠油表面張力與正己烷?稠油表面張力的比值得到的無因次倍數(shù)表征正己烷降低表面張力的能力，無因次倍數(shù)越大，表明在相同溫度和壓力條件下正己烷降低稠油表面張力能力越強，如表7所示。當(dāng)壓力接近正己烷的飽和蒸氣壓時，煙道氣?稠油表面張力是正己烷?稠油表面張力的2倍，因為與煙道氣相比，正己烷在稠油中的溶解、萃取作用更強，對降低稠油表面張力作用更顯著。

1—CO2；2—N2；3—煙道氣；4—n-C6H14

圖5 120 ℃不同氣體與稠油表面張力變化曲線

Fig. 5 Variation of surface tension for different gases at 120 ℃

表7 正己烷降低稠油的表面張力

Table 7 Ability of reducing heavy oil surface tension by n-hexane mN/m

壓力/MPaCO2N2煙道氣 0.201.3531.3671.355 0.301.6231.6411.626 0.391.9691.9921.974

2.2.2 溫度和壓力對正己烷?稠油表面張力的影響

為了研究溫度和壓力對正己烷?稠油表面張力的影響，分別測定了100，120和140 ℃ 3種溫度下的表面張力，如圖6所示。當(dāng)溫度一定時，由于正己烷在稠油中的溶解度隨著壓力的增加迅速增大，使得正己烷?稠油表面張力隨壓力增大呈線性關(guān)系迅速降低。正己烷在100，120和140 ℃接近飽和蒸氣壓時的表面張力分別為14.57，12.49和9.42 mN/m，表明溫度越高，在接近飽和蒸氣壓時，正己烷?稠油表面張力越小。與煙道氣?稠油表明張力不同的是：當(dāng)壓力一定時，溫度升高，正己烷?稠油表面張力有所升高，主要是因為溫度升高，正己烷在稠油中溶解度減小，從而使得降低表面張力的能力降低。

溫度/℃：1—100；2—120；3—140

圖6 不同溫度下正己烷?稠油表面張力變化曲線

Fig. 6 Variation of equilibrium surface tension for n-hexane?heavy oil system at different temperatures

2.3 煙道氣+正己烷?稠油系統(tǒng)表面張力變化規(guī)律

在進行煙道氣+正己烷?稠油表面張力測定實驗時，首先向高溫高壓容器內(nèi)加入一定量的液態(tài)正己烷，然后升溫至實驗溫度，待容器內(nèi)壓力和溫度都穩(wěn)定10 min后，然后向高溫高壓容器內(nèi)注入一定量的煙道氣，從而得到煙道氣與正己烷的混合氣體。

圖7對比了120 ℃時煙道氣、正己烷和煙道氣+正己烷3種氣體與稠油的表面張力變化規(guī)律。由圖7可見：當(dāng)溫度一定時，3種氣體?稠油表面張力均隨壓力的增大而減小，但是變化的幅度不同；在低壓下，煙道氣對降低稠油表面張力作用有限，當(dāng)氣體中含有正己烷時，稠油的表面張力明顯降低；在120 ℃和0.3 MPa時，煙道氣?稠油表面張力為24.70 mN/m，向煙道氣中加入50%(摩爾分?jǐn)?shù))的正己烷后表面張力為15.89 mN/m，與純正己烷氣體表面張力相差不大，后者為15.19 mN/m。前面的研究表明，煙道氣?稠油表面張力可以由CO2?稠油表面張力和N2?稠油表面張力線性疊加得到，但是對于煙道氣+正己烷混合氣體，正己烷對降低表面張力起主要作用，不能簡單的由煙道氣?稠油表面張力和正己烷?稠油表面張力進行簡單的線性插值進行計算。

1—煙道氣；2—n-C6H14；3—50% n-C6H14+50%煙道氣

圖7 120 ℃時不同氣體?稠油表面張力隨壓力變化曲線

Fig. 7 Variation of surface tension with pressure for different gases at 120 ℃

前面在進行煙道氣+正己烷?稠油表面張力研究時固定2種氣體的摩爾分?jǐn)?shù)比為1:1。圖8對比了混合氣體中煙道氣與正己烷的摩爾分?jǐn)?shù)比分別為1:3，1:1和3:1時與稠油表面張力的變化規(guī)律。由圖8可知：當(dāng)壓力一定時，混合氣體中正己烷含量越高，表面張力越低；當(dāng)壓力由0.1 MPa增大到0.39 MPa，煙道氣與正己烷摩爾分?jǐn)?shù)比為1:3時，表面張力由21.61 mN/m降低到12.24 mN/m，降低了43.36%；當(dāng)煙道氣與正己烷摩爾分?jǐn)?shù)比為1:1時，表面張力由21.83 mN/m降低到13.48 mN/m，降低了38.25%；當(dāng)煙道氣與正己烷摩爾分?jǐn)?shù)比為3:1時，表面張力由22.28 mN/m降低到15.58 mN/m，降低了30.07%。由圖8可見：煙道氣與正己烷混合氣體中溶劑對降低表面張力起到主導(dǎo)作用。

1—25% n-C6H14+75%煙道氣；2—50% n-C6H14+50%煙道氣；3—75% n-C6H14+25% 煙道氣

圖8 120 ℃時不同比例煙道氣+正己烷混合氣體與稠油表面張力變化曲線

Fig. 8 Variation of surface tension between heavy oil and different proportion mixture gas of flue gas and n-hexane at 120 ℃

3 結(jié)論

1) 氣體與稠油動態(tài)表面張力測定分為2個階段：第1個階段為氣體向稠油中溶解、擴散的波動階段，第2個階段為平衡階段。

2) 當(dāng)壓力一定時，溫度升高，煙道氣?稠油表面張力降低，正己烷?稠油表面張力則升高。在接近飽和蒸氣壓時，正己烷?稠油表面張力隨溫度的升高而越小。

3) 在實驗壓力范圍(＜6 MPa)內(nèi)，不同組成的煙道氣?稠油表面張力可以由N2?稠油表面張力和CO2?稠油表面張力線性插值得到，相對誤差＜3%。

4) 與煙道氣相比，正己烷降低稠油表面張力能力明顯。向煙道氣中加入適量的正己烷，即可大幅度地降低表面張力。

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Performance of reducing surface tension by adding flue gas and solvent in SAGD process

SUN Xiaona1, 2, LI Zhaomin1, LI Songyan1, YANG Yang1, 3

(1. School of Petroleum Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China;2. Research Institute of Shenzhen Branch Company of CNOOC, Guangzhou 510240, China;3. CNOOC Research Institute, Beijing 100027, China)

Based on axisymmetric drop shape analysis (ADSA) technique, the surface tension of flue gas?heavy oil system, n-hexane?heavy oil system and flue gas+n-hexane?heavy oil system were investigated to analyze the performance of reducing surface tension by adding non-condensate gas and solvent in SAGD process. The results show that at the same temperature, the surface tension of heavy oil increases as the pressure increases, but at the same pressure, the variation of flue gas–heavy oil system surface tension is contrary to the n-hexane?heavy oil system. Compared with flue gas, n-hexane reduces surface tension significantly under the same condition. Besides, the experimental data of flue gas–heavy oil surface tension agree well with the linear interpolation value which is calculated by the N2?heavy oil surface tension and CO2?heavy oil surface tension.

heavy oil; flue gas; n-hexane; surface tension

TE345

A

1672?7207(2015)01?0324?08

2014?02?13；

2014?04?20

國家高科技研究發(fā)展計劃(863計劃)項目(2009AA06Z205)；中石油科技重大專項(2011E2403)；國家科技重大專項(2011ZX05032-001) (Project(2009AA06Z205) supported by the National High-Tech Research and Development Program (863 Program); Project(2011E2403) supported by Science and Technology Major Project of PetroChina; Project(2011ZX05032-001) supported by the National Science and Technology Major Project)

李兆敏，博士，教授，博士生導(dǎo)師，從事泡沫流體及稠油開采研究；E-mail: lizhm6561@163.com

10.11817/j.issn.1672?7207.2015.01.044

(編輯 楊幼平)