低渗透稠油微波原位加热开采数值模拟研究

李小刚，朱静怡，2，杨兆中，谢诗意，贾 敏

(1.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川 成都 610500；2.西南石油大学化学化工学院，四川 成都 610500)

0 引 言

中国稠油资源丰富，主要分布在辽河油田、新疆油田、胜利油田和河南油田，在大庆油田、吉林油田和大港油田也有少量分布[1]。目前稠油的开采方式主要有蒸汽吞吐、蒸汽驱、火驱等，但由于油藏条件和开发技术水平等限制，开发效果并不理想，如注入井和储层的热损失过高、储层的注入能力低、沥青沉淀、蒸汽损失和温室气体排放等问题[2-3]。为了提高稠油油藏的采收率，前人提出利用微波加热方法来改善蒸汽驱效果[4-5]。微波加热作为一种快速、高效、环保的加热方式，可应用于稠油[6]、油砂[7]、油页岩[8]、煤层气[9]等非常规油气资源的开采中。Sresty等[10]对犹他州油砂矿床进行了2次射频加热试验，辐射3周后采收率约为35%；王双清等[11]通过室内实验发现微波加热可使稠油黏度不可逆降低，这是因为微波加热可引发稠油发生一系列的化学反应，使重质组分裂解为轻质组分；熊攀[12]研究了不同微波加热频率对稠油的影响，并根据现有的微波辐射场，建立了稠油的温度分布模型。

然而，在地层条件下，有关微波加热开采稠油的研究较少[13]。为了更加深入研究微波加热开采稠油的可行性，深入分析微波原位开采的机理，采用数值模拟方法建立了电磁-传热-流动的多物理场模型，分析了微波加热稠油的作用和传热机理，研究了微波加热频率、加热功率对稠油油藏温度场分布的影响，提出了新的微波加热模式，以期发现提高采收率的最优条件。

1 微波原位加热稠油开采机理

微波加热稠油的开采机理主要是通过微波的热效应和非热效应共同作用实现。微波的热效应是指当高频电磁波作用于稠油中的极性分子时，在偶极极化、离子传导等作用下，将电磁能转化为热能，实现对稠油的体积式加热，胶质、沥青质迅速被加热至裂解温度，产生轻质组分，达到稠油降黏。非热效应则是指稠油中的胶质、沥青质等长链极性分子在微波场中受到附加转动矩，使烃类分子在微波场内高速旋转从而发生共振，产生剪切力，在剪切力的作用下化学键发生断裂，使大分子变为小分子，进一步降低稠油黏度。同时，非热效应还能降低反应活化能，加快稠油裂解速度[4]。

2 物理场模型建立

该文采用高频电磁的微波加热方式辐射稠油油藏，并辅以水力压裂改善稠油油藏渗透率，其地层加热开采方式如图1所示。在图1a中，垂直的蓝色井为开采井，并通过水力压裂措施形成水平的水力裂缝，2～5号井为微波加热井，处于水力裂缝上方，有助于加热后的稠油通过重力泄油被采出。为了便于理解，将图1a简化为二维几何模型(图1b)，油层厚度为20 m，油层长度为50 m，水力裂缝的缝长为35 m，加热井井距为10 m；2号加热井与1号生产井的水平距离为10 m。模拟地层基本参数如表1所示。

图1 微波加热稠油模型

表1 地层基础参数

2.1 微波场

为加热油藏，设置矩形波导，用于传输微波。通过Maxwell方程描述物质在电磁场下的本构关系，在求解时域电磁场方程时通常使用频域法，将Maxwell方程简化为Helmholtz矢量方程[14]：

(1)

当微波发射源产生的微波作用于吸波介质时，部分微波能通过介电损耗的方式转化为热能，即：

Qe=Qrh+QmL

(2)

(3)

(4)

式中：B为磁通量密度，Wb/m2；H为磁场密度，A/m；J为电流密度，A/m2；Qe为电磁功率损耗密度，W/m3；Qrh为电阻损耗，W/m3；QmL为磁损耗，W/m3；i为复数虚部；*表示共轭；Re为复数实部。

2.2 多孔介质传热场

稠油油藏被微波辐射后产生的热量可通过傅里叶能量平衡方程表示：

(5)

q=-keff▽T

(6)

keff=θpko+(1-θp)kf

(7)

式中：ρs为油藏密度，kg/m3；Cp为油藏比热容，J/(kg·K)；T为温度，K；q为热传导的热通量，W/m2；keff是多孔介质的有效导热系数，W/(m·K)；θp为多孔介质的体积分数；ko为稠油油藏的导热系数，W/(m·K)；kf为多孔介质流体的导热系数，W/(m·K)；t为微波辐射时间，s；uo为稠油流动的速度，m/s。

2.3 两相达西定律

流体在地层中的流动满足经典达西定律，在油水两相流中[15-22]，其表达式为：

(8)

(9)

(10)

(11)

油水饱和度满足以下关系：

so+sw=1

(12)

3 影响因素及优化分析

采用COMSOL Multiphysics多物理场有限元软件模拟功率为800 W、频率为2 450 MHz的微波加热油藏地层温度场(图2)。由图2可知，微波加热井附近温度非常高。微波加热100 d时，加热井附近最高温度达到690 ℃；微波加热300 d时，高温区域的热量逐渐向深部地层传递；微波加热500 d时，井筒附近最高温度达到840 ℃，在水平裂缝区域附近温度也达到了52 ℃。综上所述，微波加热地层时，稠油油藏可分为3个区域：①电磁穿透区。该区域位于近井地带0.5 m范围内，温度在微波辐射下可短时间内达到非常高的温度。②传热区域。该区域随加热时间的增加而向外部延伸，但高频电磁波的传输距离有限，不能在地层内部无限传播，因此远离电磁穿透区后，地层温度的升高主要来自于高温区向低温区的热传导。③位于底部油藏的未加热区域。

图2 800W功率加热下稠油油藏温度场分布

3.1 微波频率

微波频率决定了微波的传播特性和微波能量在电介质中的损耗特性，是现场应用中重要的参数之一。图3为800 W功率、不同微波频率下地层最高温度随时间变化。由图3a可知，在微波辐射下，地层最高温度可在10 d内升至500 ℃以上，体现了微波快速加热的特性。在图3b中，随着加热时间的延长，地层温度的上升速度减缓，且频率越高，地层温度最大值越高，但不同频率相差的温度不大。由于电磁波应用广泛，为避免相互干扰，国际无线电通讯协会设定915、2 450 MHz为微波加热应用频率。因此，从升温效率角度，微波开采稠油的最佳频率为2 450 MHz。

图3 不同频率辐射油藏地层最大温度变化

3.2 微波功率

微波加热的功率与介电损耗系数成正相关，即功率越大，介质损耗产热效应越强，地层所获得的热能也会越多，但同时功率越大，对微波能量的消耗也会越大。为研究功率的作用，在分析微波功率的影响时，以固定的微波能量值(功率乘以时间)为参考。图4为不同微波功率下地层温度变化，其中，2.76×106kJ可分别代表100 W×80 d、200 W×40 d、400 W×20 d、800 W×10 d时所消耗的能量。由图4a可知，在消耗相同能量的条件下，微波功率越高，地层温度最大值越大，且消耗能量越大，不同功率所对应的温度最大值差距越明显，而不同功率对地层平均温度的影响较小(图4b)。发生该现象的原因为功率变化影响近井筒附近电磁穿透区温度，且油藏本身的导热系数较小，热量容易累积在电磁穿透区，在多孔介质传热区域，温度由高温区转移到低温区的速度较慢，使得地层远端的升温速度远低于电磁穿透区。因此，油藏整体升温依赖于微波能量的增加，即延长辐射时间，而增加功率可以快速提高井筒附近高温区的温度。

图4 不同微波功率对地层温度影响

3.3 加热模式的优化

在高功率微波的作用下，井筒附近的电磁穿透区极易在短时间内形成过热的高温区域，再通过热传导作用将热量从高温区域转移至低温区域。然而，微波加热时间的延长，会导致电磁穿透区的温度过高，在800 W微波功率下加热600 d，地层温度的最大值可超过800 ℃，超过井筒材料的耐温上限，造成井筒损坏，增大开发难度。因此，为了防止地层过热，提出降功率的阶梯式加热模式，即在微波加热开始采用较高的功率，通过井筒内安装的温度传感器监控温度，当温度达到650 ℃时，降低微波加热功率，直到温度最大值重新达到650 ℃时，再次降低微波加热功率。为探索降功率阶梯式加热模式的可行性，并分析该加热模式的效率，初始采用800 W微波功率进行数值模拟，模拟结果如图5所示。由图5可知，当采用800 W微波功率持续加热55 d后，地层温度最大值升至649 ℃，此时将功率降至700 W继续加热。依此类推，当功率降至550 W并持续加热至305 d时(图5e)，阶梯式加热使加热井远端的油藏温度逐渐升高，最终稠油黏度由1.025×106mPa·s降至9.220 mPa·s，改善了原油的流动性，证实了阶梯式加热模式的可行性。

图5 降功率阶梯式加热模式

3.4 流动场分析

文中模拟稠油油藏的渗透率较低，仅为1 mD，因此，需分析水力压裂对稠油渗流的影响。图6～8分别为微波加热300 d后有无裂缝对应力场、温度场和含油饱和度场的影响。由图6可知，裂缝导致井筒附近的压降增大，有助于提高流体在地层内的流动速度。由图7可知，水力裂缝的存在导致地层流体流速增加，将携带更多的热量(蓝色箭头)流向井筒，因此在相同时间内，没有裂缝的地层温度最大值更高。在图8中，青色箭头的方向为稠油流动的方向，其颜色深度代表流动速度，水力裂缝的存在增加了原油流动速度，在裂缝处含油饱和度明显发生变化，而没有水力裂缝的稠油流动速度小，采出量少。

综上所述，微波加热在加热效率和能量消耗方面具有明显潜力，同时，降阶梯式加热方式可以有效解决加热井近井筒温度过高的问题。今后应致力于微波入井方法研究，使得该项技术进入小型试验。

图6 水力裂缝对稠油油藏压力场的影响

图7 水力裂缝对稠油油藏温度场的影响

图8 水力裂缝对稠油油藏含油饱和度的影响

4 结 论

(1) 基于微波原位加热开采稠油技术，建立了电磁-传热-流动的多物理场模型。微波加热时，地层可分为穿透高温区、热传导区、未升温区3个区域。

(2) 提升微波辐射频率对地层升温影响较小，确定最佳微波辐射频率为2 450 MHz。在相同能量的消耗下，功率越大，地层温度最大值的提高越明显，而对地层平均温度的提升则相对较小。

(3) 降功率阶梯式微波加热模式可有效增加地层温度，降低原油黏度，并减少井筒材料损耗。

(4) 采用微波原位加热技术开采低渗透稠油油藏时，可通过水力压裂的方式改善地层的渗流通道，提高稠油在地层中的流动速度，携带热量流入井筒，促进产量增加。