引言
稠油在我國石油資源裏佔很大比例,其有效開採技術一直是研究的熱點[1-2].我國普遍採用蒸氣驅的開發方式,在現場試驗和工業化應用中,由於重力超覆和蒸氣竄槽影響,導致蒸氣驅體積波及係數和最終採收率大大降低[3-4].爲改善蒸氣驅的開發效果,泡沫在蒸氣驅中的應用日益廣泛,該方法可以明顯改善流度比、提高波及係數和洗油效率[5-6].蒸氣泡沫調剖的`稠油油藏可以分爲蒸氣腔驅油區、熱水冷凝區和油藏溫度區,其中蒸氣腔驅油區中流體爲泡沫油體系,熱水冷凝區中流體爲過熱水油體系,油藏溫度區中流體爲普通的水油體系,不同的區域存在着不同的流體.對油藏溫度區中流體流變特徵主要集中在對乳化液流變特徵的研究方面Clark P E[7]研究了水包油型乳化液的流變特徵,Seibert K H[8]研究了黏性瀝青基原油—水乳化液的流變性能;趙子剛等[9]、吳明等[10-11]均研究了高含水原油流變特性,吳維夫[12]在低溫下研究了高含水原油的流變特性.針對油藏溫度區的水油體系流變特徵研究較多,但還沒有對蒸氣腔驅油區的泡沫油體系和熱水冷凝區的過熱水油體系流變特徵進行系統研究.因此,筆者透過模擬油藏溫度壓力條件,利用高溫高壓流變儀對蒸氣腔驅油區和熱水冷凝區流體的流變特徵以及相關影響因素進行系統分析.
1 實驗
1.1 材料
稠油油樣:利用電脫水儀,150℃下恆溫脫水5h,冷卻,得到脫水原油;在65 ℃下用煤油調和原油配製黏度爲2Pa?s的模擬油樣;高溫泡沫劑:由烷基磺酸鹽HR-1、烷基苯磺酸GMS、助劑和水按照質量比2∶3∶1∶4復配混合,加熱至65℃攪拌均勻,形成高溫泡沫劑.
1.2 設備
高溫高壓流變儀:7500型,最大測量壓力爲138MPa,最高測量溫度爲315 ℃;蒸氣發生器:DZFR-3,最大許用壓力爲0.4MPa,產氣量爲4.5kg/h.
1.3 測試方法
1.3.1 泡沫油體系
將稠油加入流變儀的樣品釜中,然後通入體積比爲1∶1的蒸氣和泡沫劑溶液,利用高溫高壓流變儀測定體系的流變特徵,剪切速率爲0~600s-1,壓力爲7.6MPa.分別測定在不同蒸氣相飽和度、泡沫劑質量分數、蒸氣幹度和溫度下體系剪切應力與剪切速率的關係,蒸氣相飽和度分別爲10%、15%、20%、25%、30%,泡沫劑質量分數分別爲0.50%、0.75%、1.00%、1.25%、2.00%,蒸氣幹度分別爲40%、50%、60%、70%、80%,溫度分別爲210,230,250,270,290℃.
1.3.2 熱水油體系
將稠油和泡沫劑溶液加入流變儀的樣品釜中,利用高溫高壓流變儀測定體系的流變特徵,剪切速率爲0~100s-1,壓力爲7.6MPa.分別測定在不同熱水相飽和度、泡沫劑質量分數和溫度下體系的剪切應力與剪切速率的關係,熱水相飽和度分別爲55%、60%、65%、70%、75%,泡沫劑質量分數分別爲0.50%、0.75%、1.00%、1.25%、2.00%,溫度分別爲110,130,150,160,180℃.
2 結果與分析
2.1 蒸氣腔驅油區泡沫油體系
2.1.1 蒸氣相飽和度
對於蒸氣腔驅油區泡沫油體系,採用Power-law模型的對數形式描述體系剪切應力和剪切速率關係,即lg=nlg殾+lg K,式中:爲剪切應力;K爲稠度係數;殾夢剪切速率;n爲流變指數.固定體系溫度爲290 ℃、泡沫劑 質量分數 爲1.00%和蒸氣幹度爲70%,不同蒸氣相飽和度下泡沫油體系lg~lg殾黴叵登線及相關擬合參數分別見圖1和表1.由圖1可知,不同蒸氣相飽和度下泡沫油體系lg~lg殾黴叵登線均滿足線性關係,且相關因數較高,說明滿足冪律模型.在相同剪切速率下,體系剪切應力隨蒸氣相飽和度升高而增大.這是因爲體系中泡沫劑與蒸氣作用產生泡沫,蒸氣相飽和度越大,則泡沫質量密度越大,泡沫之間以及泡沫與稠油之間流動阻力越大.此時,體系剪切應力主要受泡沫質量密度影響,泡沫質量密度越大,體系剪切應力越大.由表1可知,泡沫油體系流變指數均小於1,且流變指數隨蒸氣相飽和度增加而減小.這說明不同蒸氣相飽和度下泡沫油體系均爲假塑性流體,且隨着蒸氣相飽和度升高,體系非牛頓性增強.泡沫油體系稠度係數隨蒸氣相飽和度增加而增大.這說明隨着蒸氣相飽和度升高,體系黏度增大.
2.1.2 泡沫劑質量分數
固定體系溫度爲290℃,蒸氣相飽和度爲20%和蒸氣幹度爲70%,不同泡沫劑質量分數下泡沫油體系lg~lg殾黴叵登線及相關擬合參數分別見圖2和表2.由圖2可知,不同泡沫劑質量分數下泡沫油體系lg~lg殾黴叵登線符合冪律模型.在相同剪切速率下,體系剪切應力隨泡沫劑質量分數升高而增大.這是因爲隨着體系中泡沫劑質量分數增大,生成泡沫數量增多,泡沫質量密度變大,泡沫密集程度增加,導致泡沫之間以及泡沫與稠油之間流動阻力增大,體系剪切應力增大.由表2可知,不同泡沫劑質量分數下泡沫油體系均爲假塑性流體,泡沫油體系流變指數隨泡沫劑質量分數增加而減小,即隨着泡沫劑質量分數升高,體系非牛頓性增強.泡沫油體系稠度係數隨泡沫劑質量分數增加而增大.這說明隨着泡沫劑質量分數升高,體系黏度增大.
2.1.3 溫度
固定體系蒸氣相飽和度爲20%,泡沫劑質量分數爲1.00%,蒸氣幹度爲70%,不同溫度下泡沫油體系lg~lg殾黴叵登線及相關擬合參數分別見圖3和表3.由圖3可知,不同溫度下泡沫油體系lg~lg殾黴叵登線符合冪律模型.在相同剪切速率下,體系剪切應力隨溫度升高而降低.這是因爲隨着溫度升高,體系中泡沫穩定性變差,泡沫數量逐漸減少,加上稠油黏度隨溫度升高而降低,兩方面作用導致泡沫之間以及與稠油之間流動阻力降低,體系剪切應力變小.由表3可知,不同溫度下泡沫油體系均爲假塑性流體,泡沫油體系流變指數隨溫度增加而增加,即隨着溫度升高,體系越接近爲牛頓流體.泡沫油體系稠度係數隨溫度增加而減小.這說明隨着溫度升高,體系黏度減小.
2.1.4 蒸汽幹度
固定體系溫度爲290℃,蒸氣相飽和度爲20%,泡沫劑質量分數爲1.00%,不同蒸氣幹度下泡沫油體系lg~lg殾黴叵登線及相關擬合參數分別見圖4和表4.由圖4可知,不同蒸氣幹度下泡沫油體系lg~lg殾黴叵登線符合冪律模型.在相同剪切速率下,體系剪切應力隨蒸氣幹度升高而降低.這是因爲隨着蒸氣幹度降低,蒸氣中含水量增多,水和稠油在泡沫劑作用下形成油包水型乳狀液,從而導致體系剪切應力變大.相比蒸氣相飽和度、泡沫劑質量分數和溫度對體系流變特徵影響,蒸氣幹度變化對體系流變特徵影響較小.由表4可知,不同蒸氣幹度下泡沫油體系均爲假塑性流體,泡沫油體系流變指數隨蒸氣幹度增加而增加,即隨着蒸氣幹度升高,體系越接近爲牛頓流體.泡沫油體系稠度係數隨蒸氣幹度增加而減小.這說明隨着蒸氣幹度增大,體系黏度減小.
2.2 熱水冷凝區熱水油體系
2.2.1 熱水相飽和度
對於熱水冷凝區熱水油體系,同樣採用Power-law模型的對數形式描述體系剪切應力和剪切速率關係.固定體系溫度爲150℃、泡沫劑質量分數爲1.00%,不同熱水相飽和度下熱水油體系lg~lg殾黴叵登線及相關擬合參數分別見圖5和表5.由圖5可知,不同熱水相飽和度下熱水油體系lg~lg殾黴叵登線符合冪律模型.在相同剪切速率下,體系剪切應力隨熱水相飽和度升高而降低.這是因爲體系中存在泡沫劑起了乳化作用,且在油水質量比較小條件下,稠油和熱水形成水包油型乳狀液.隨着熱水相飽和度增大,油水質量比逐漸降低,體系逐漸接近爲牛頓流體,體系剪切應力也逐漸降低.由表5可知,不同熱水相飽和度下熱水油體系均爲假塑性流體,熱水油體系流變指數隨熱水相飽和度增加而增加,即隨着熱水相飽和度升高,體系越接近爲牛頓流體.熱水油體系稠度係數隨熱水相飽和度增加而減小.這說明隨着熱水相飽和度增大,體系黏度逐漸減小。
2.2.2 泡沫劑質量分數
固定體系溫度爲150℃,熱水相飽和度爲65%,不同泡沫劑質量分數下熱水油體系lg~lg殾黴叵登線及相關擬合參數分別見圖6和表6.由圖6可知,不同泡沫劑質量分數下熱水油體系lg~lg殾黴叵登線符合冪律模型.在相同剪切速率下,體系剪切應力隨泡沫劑質量分數升高而增大.這是因爲體系中存在泡沫劑起到了乳化劑作用,在泡沫劑作用下熱水油體系生成乳狀液,隨着泡沫劑質量分數增大,生成的乳狀液數量增多,導致體系內部流動阻力增大,體系剪切應力增大.由表6可知,不同泡沫劑質量分數下熱水油體系均爲假塑性流體,熱水油體系流變指數隨泡沫劑質量分數增加而減小,即隨着泡沫劑質量分數升高,體系非牛頓性增強.熱水油體系稠度係數隨泡沫劑質量分數增加而增大.這說明隨着泡沫劑質量分數升高,體系黏度逐漸增大.
2.2.3 溫度
固定體系熱水相飽和度爲65%,泡沫劑質量分數爲1.00%,不同溫度下熱水油體系lg~lg殾黴叵登線及相關擬合參數分別見圖7和表7.由圖7可知,不同溫度下熱水油體系lg~lg殾黴叵登線符合冪律模型.在相同剪切速率下,體系剪切應力隨溫度升高而降低.這是因爲隨着溫度升高,體系中泡沫劑乳化效果減弱,加上稠油黏度隨溫度升高而降低,兩方面作用使體系內部流動阻力降低,體系剪切應力逐漸變小.由表7可知,不同溫度下熱水油體系均爲假塑性流體,熱水油體系流變指數隨溫度增加而增加,即隨着溫度升高,體系越接近爲牛頓流體.熱水油體系稠度係數隨溫度增加而減小.這說明隨着溫度升高,體系黏度逐漸減小.
3 結論
(1)泡沫油體系表現出假塑性流體流變特徵,滿足冪律模型.泡沫油體系剪切應力隨蒸氣相飽和度和泡沫劑質量分數升高而增大,而隨溫度和蒸氣幹度升高而降低.(2)泡沫油體系流變指數隨蒸氣相飽和度和泡沫劑質量分數增加而減小,體系非牛頓性增強;隨溫度和蒸氣幹度增加而增大,體系越接近爲牛頓流體.稠度係數隨蒸氣相飽和度和泡沫劑質量分數增加而增大,而隨溫度和蒸氣幹度增加而減小.相比而言,蒸氣幹度對泡沫油體系流變特徵影響較小.(3)熱水油體系表現出假塑性流體流變特徵,滿足冪律模型.熱水油體系剪切應力隨熱水相飽和度和溫度升高而降低,而隨泡沫劑質量分數升高而降低.(4)熱水油體系流變指數隨熱水相飽和度和溫度增加而增大,體系越接近爲牛頓流體;隨泡沫劑質量分數增加而增大,體系非牛頓性增強.稠度係數隨熱水相飽和度和溫度增加而降低,而隨泡沫劑質量分數增加而減小.