陳小龍，李宜強(qiáng)，廖廣志，張成明，徐善志，齊桓，湯翔

（1.油氣資源與探測國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國石油大學(xué)（北京）），北京 102249；2.中國石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院，北京102249；3.中國石油勘探與生產(chǎn)分公司，北京 100120；4.吉林油田公司油氣工程研究院，吉林松原 138000）

0 引言

與其他氣驅(qū)技術(shù)相比，空氣驅(qū)具有與原油發(fā)生低溫氧化作用（LTO）的獨(dú)特優(yōu)勢[1]，但空氣驅(qū)波及效率低，原油與空氣接觸范圍小，低溫氧化作用效果較差；此外輕質(zhì)油油藏空氣驅(qū)存在爆炸風(fēng)險(xiǎn)，該問題一定程度上影響了空氣驅(qū)的推廣應(yīng)用。為防止爆炸，確保空氣驅(qū)技術(shù)安全可控，輕質(zhì)油油藏通常采用減氧空氣驅(qū)油，但氧氣濃度的降低進(jìn)一步削弱了LTO的作用，嚴(yán)重影響開發(fā)效果[2]。

頂部注氣輔助重力驅(qū)（GAGD）技術(shù)利用注入氣體與儲(chǔ)集層內(nèi)流體間因密度差異產(chǎn)生的重力分異作用，驅(qū)動(dòng)油氣界面穩(wěn)定下移，可抑制黏性指進(jìn)、擴(kuò)大波及體積，提高微觀驅(qū)油效率，大幅提高采收率。頂部注氣重力驅(qū)與輕質(zhì)油油藏減氧空氣驅(qū)相結(jié)合：①可以擴(kuò)大油氣接觸面積，有效加快低溫氧化反應(yīng)；②低溫氧化反應(yīng)的降黏作用可降低穩(wěn)定重力驅(qū)驅(qū)替阻力；③兩者協(xié)同作用，具有大幅提高采收率的潛力[3]。

具有穩(wěn)定的油氣前緣是GAGD獲得成功的關(guān)鍵，重力、黏滯力和毛細(xì)管力是控制GAGD過程的主要作用力。目前主要采用無量綱數(shù)（邦德數(shù)、毛細(xì)管數(shù)與重力數(shù)）表征GAGD過程中重力、黏滯力與毛細(xì)管力的作用。Kulkami[4]的物理模擬實(shí)驗(yàn)表明，邦德數(shù)、重力數(shù)與毛細(xì)管數(shù)越大，采收率越高，重力驅(qū)動(dòng)是原油主要的驅(qū)替機(jī)制。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析了重力、黏滯力與毛細(xì)管力在驅(qū)替過程中對(duì)采收率的綜合影響，但沒有深入探討驅(qū)替過程中這3種力的相互作用。Bautista等[5]利用數(shù)值模擬研究GAGD驅(qū)替過程中多種無量綱數(shù)與采收率的關(guān)系，所得結(jié)論與前述實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在差異。

無量綱數(shù)與GAGD具有內(nèi)在聯(lián)系，利用無量綱數(shù)可進(jìn)行GAGD采收率的預(yù)測。Kulkami等[6]將毛細(xì)管數(shù)、邦德數(shù)和重力數(shù)相結(jié)合，定義無量綱數(shù)重力泄油數(shù)，并給出了非混相驅(qū)采收率與重力泄油數(shù)的關(guān)系；Wu等[7]考慮接觸角和油氣黏度比，對(duì)重力泄油數(shù)進(jìn)行修正并重新給出預(yù)測公式；Rostami等[8]充分考慮油藏參數(shù)、油藏非均質(zhì)性等對(duì)采收率的影響，利用油藏?cái)?shù)值模擬和非線性擬合等手段給出了相關(guān)預(yù)測；陳小龍等[9]借助機(jī)器學(xué)習(xí)方法，充分考慮多種參數(shù)對(duì)開發(fā)的影響，給出了GAGD非混相驅(qū)開發(fā)油藏采收率預(yù)測模型。

可以看到，GAGD相關(guān)研究成果較多，但減氧空氣重力驅(qū)微觀機(jī)理方面的研究鮮見文獻(xiàn)報(bào)道。本文通過二維可視化減氧空氣重力驅(qū)（OAGD）實(shí)驗(yàn)與長巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)研究油氣前緣形態(tài)與重力、毛細(xì)管力和黏滯力的內(nèi)在關(guān)系，分析減氧空氣重力驅(qū)氣體突破前后重力數(shù)和毛細(xì)管數(shù)與采收率的關(guān)系，揭示減氧空氣重力驅(qū)過程中重力、毛細(xì)管力與黏滯力的作用機(jī)理。同時(shí)考慮低溫氧化反應(yīng)程度對(duì)采收率的影響，提出新的無量綱組合數(shù)并建立其與采收率的關(guān)系，用于減氧空氣重力驅(qū)采收率預(yù)測。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 二維可視化實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停ㄒ妶D1）內(nèi)部填砂尺寸為230 mm×106 mm×1.4 mm，內(nèi)部由直徑為800 μm的玻璃珠填充形成固結(jié)的多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)；模型上下端各設(shè)置一水平凹槽，內(nèi)部填充篩網(wǎng)模擬水平井；實(shí)驗(yàn)采用蘇丹紅染色的白油，常溫下黏度為12.3 mPa·s；實(shí)驗(yàn)用氣體為減氧空氣（氧含量15%）。

圖1 可視化模型實(shí)物圖

模型孔隙度為69%，滲透率為10 810 μm2。由于模型承壓能力有限，故實(shí)驗(yàn)在常溫常壓下進(jìn)行，不考慮低溫氧化作用的影響。重點(diǎn)研究重力、黏滯力與毛細(xì)管力三者之間的相對(duì)大小對(duì)注氣重力驅(qū)油氣前緣的影響。分別通過調(diào)節(jié)注氣速度與模型傾角改變實(shí)驗(yàn)過程中的黏滯力與重力大小，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程中的驅(qū)動(dòng)力變化，共設(shè)計(jì)32套實(shí)驗(yàn)方案（見表1）。實(shí)驗(yàn)步驟為：①模型抽真空飽和原油，采用物質(zhì)平衡法計(jì)算模型孔隙度；②靜置12 h平衡模型內(nèi)流體分布；③按方案開展實(shí)驗(yàn)，采用高精度攝像機(jī)記錄模型內(nèi)部油氣前緣的變化情況，記錄實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)油量隨時(shí)間的變化；氣體突破后結(jié)束實(shí)驗(yàn)；④為確保實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷囊恢滦?，各方案采用同一模型，前一?shí)驗(yàn)完成后，用有機(jī)溶劑清洗模型并烘干用于下一實(shí)驗(yàn)。

表1 可視化實(shí)驗(yàn)方案

1.2 長巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)用油取自吉林油田某區(qū)塊，基礎(chǔ)參數(shù)見表2；實(shí)驗(yàn)用模擬水離子組成見表3；實(shí)驗(yàn)用氣體為純氮?dú)?、氧氣與氮?dú)獾幕旌蠚怏w（氧含量分別為22%、15%、10%、5%）。

表2 實(shí)驗(yàn)用油基礎(chǔ)參數(shù)

表3 實(shí)驗(yàn)用水礦物離子組成參數(shù)

足夠長的天然長巖心獲取困難，因此實(shí)驗(yàn)用長巖心由兩段長30 cm的巖心拼接而成。為避免因兩段巖心接觸表面毛細(xì)管力的差異對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成影響，故在兩段巖心接觸面間加墊濾紙，實(shí)驗(yàn)裝置見圖2。

圖2 長巖心實(shí)驗(yàn)裝置圖

根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康墓苍O(shè)計(jì)9套實(shí)驗(yàn)方案（見表4），實(shí)驗(yàn)①—實(shí)驗(yàn)⑤用于研究注氣速度對(duì)OAGD采收率的影響及驅(qū)替過程中無量綱數(shù)的變化對(duì)采收率的影響；實(shí)驗(yàn)⑤—實(shí)驗(yàn)⑨用于研究注入氣體中氧濃度與OAGD采收率的關(guān)系。

表4 長巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)步驟：①將組合巖心抽真空并飽和水，計(jì)算孔隙度并測定滲透率；②飽和油后將巖心夾持器固定，保持與水平方向成60°，放入90 ℃恒溫箱中；③按設(shè)計(jì)注氣速度注入氣體，升壓至15 MPa（實(shí)驗(yàn)回壓），記錄升壓時(shí)間；④開始實(shí)驗(yàn)，記錄產(chǎn)出油氣數(shù)據(jù)；待注入氣體達(dá)1倍孔隙體積后結(jié)束實(shí)驗(yàn)；⑤改變實(shí)驗(yàn)參數(shù)，重復(fù)步驟①—④。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 可視化實(shí)驗(yàn)

在氣體侵入過程中，油氣前緣的形態(tài)受重力、毛細(xì)管力和黏滯力的相互作用控制，直接表征這3個(gè)力之間的相互作用難度較大，因此本文采用無量綱數(shù)來表征任意2種力的相對(duì)關(guān)系，保持無量綱數(shù)不變，改變第3種力進(jìn)行單因素分析，分別研究重力、毛細(xì)管力和黏滯力對(duì)OAGD的影響。圖3是重力恒定的情況下（實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢A角均為90°）毛細(xì)管數(shù)與采收率的關(guān)系曲線（邦德數(shù)恒定為4.52×10-4），圖中a、b與c點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)圖4中不同毛細(xì)管數(shù)條件下的驅(qū)替情況。

邦德數(shù)為重力與毛細(xì)管力的比值，重力恒定情況下邦德數(shù)不變，毛細(xì)管力同樣恒定。由圖3可以看出毛細(xì)管數(shù)（黏滯力與毛細(xì)管力的比值）越大（即黏滯力越大），采收率越小。說明邦德數(shù)保持恒定（重力與毛細(xì)管力的相互作用達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡）時(shí)，黏滯力是控制油氣前緣變化的主要驅(qū)動(dòng)力。當(dāng)改變注氣速度，毛細(xì)管數(shù)小于1.68×10-3時(shí)，驅(qū)替過程處于重力、毛細(xì)管力和黏滯力平衡區(qū)，油氣前緣在驅(qū)替過程中基本能夠保持穩(wěn)定，此時(shí)隨毛細(xì)管數(shù)的變化，采收率波動(dòng)幅度很?。ú▌?dòng)幅度約1%），基本保持穩(wěn)定。該區(qū)域毛細(xì)管數(shù)較小，黏滯力較低，黏滯力與重力、毛細(xì)管力相互平衡，抑制指進(jìn)現(xiàn)象的發(fā)生，驅(qū)替近似為活塞驅(qū)，氣體能夠進(jìn)入大部分微小孔隙并保持油氣前緣的穩(wěn)定（見圖4a），氣體波及區(qū)域無繞流油簇存在，宏觀波及體積與微觀驅(qū)油效率均較高。需要說明的是三力平衡不代表前緣每個(gè)位置均瞬時(shí)受力平衡，而是隨著驅(qū)替過程進(jìn)行的動(dòng)態(tài)平衡。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)即使是穩(wěn)定驅(qū)，前緣也會(huì)存在明顯的局部指進(jìn)，指進(jìn)達(dá)到一定程度，指進(jìn)前后端高度差形成的靜液柱壓力驅(qū)動(dòng)后端克服毛細(xì)管力開始運(yùn)移，最終后端未指進(jìn)部分會(huì)“追”上指進(jìn)前端位置，再次形成穩(wěn)定前緣[10]。

圖3 毛細(xì)管數(shù)與采收率的關(guān)系曲線（邦德數(shù)恒定）

圖4 不同毛細(xì)管數(shù)、不同時(shí)刻OAGD油氣前緣照片

提高注氣速度，當(dāng)毛細(xì)管數(shù)為1.68×10-3～2.69×10-2時(shí)，驅(qū)替過程處于毛細(xì)管力主導(dǎo)區(qū)，采收率隨毛細(xì)管數(shù)的增加大幅下降。該階段毛細(xì)管數(shù)增加，黏滯力增大，打破了三力之間的平衡狀態(tài)，油氣前緣失穩(wěn)，表現(xiàn)出明顯的局部指進(jìn)、圈閉與繞流現(xiàn)象（見圖4b）。與穩(wěn)定區(qū)相比，該區(qū)黏滯力增加，后端未指進(jìn)部分難以“追”上前端指進(jìn)部分。后端未指進(jìn)部分毛細(xì)管力控制了后續(xù)油氣的流動(dòng)狀態(tài)，毛細(xì)管力越大越容易形成圈閉與繞流現(xiàn)象。

進(jìn)一步提高注氣速度，當(dāng)毛細(xì)管數(shù)大于2.69×10-2時(shí)，采收率幾乎不隨毛細(xì)管數(shù)的變化而變化，此時(shí)油氣前緣呈明顯的黏性指進(jìn)狀態(tài)（見圖4c），油氣前緣完全由黏滯力主導(dǎo)，注入氣體基本形成優(yōu)勢通道，采收率幾乎不受毛細(xì)管數(shù)變化的影響。

圖5為黏滯力不變情況下（每一段曲線對(duì)應(yīng)的注氣速度相同）重力數(shù)與采收率的關(guān)系曲線。由于模型傾角為0°時(shí)重力數(shù)為0，故圖中不包含傾角為0°的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在毛細(xì)管數(shù)保持恒定時(shí)（黏滯力與毛細(xì)管力的相互作用達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡），模型傾角越大，重力驅(qū)動(dòng)作用越大，驅(qū)替效果越好。原因在于密度引起的重力差抑制了油氣前緣的局部指進(jìn)，圈閉與繞流現(xiàn)象減少，重力驅(qū)動(dòng)作用越大，這種抑制作用越好，越有利于油氣前緣穩(wěn)定，氣驅(qū)的波及范圍越大[11]（見圖6）。相同傾角條件下，毛細(xì)管數(shù)越大，油氣前緣穩(wěn)定性越差；相同毛細(xì)管數(shù)條件下，傾角越大，油氣前緣穩(wěn)定性越好。實(shí)際油田開發(fā)中，重力基本恒定，毛細(xì)管力受儲(chǔ)集層微觀物性控制，基本不可控，降低注氣速度是獲得低毛細(xì)管數(shù)，提高開發(fā)效果的唯一途徑。

圖5 重力數(shù)與采收率的關(guān)系曲線（毛細(xì)管數(shù)恒定）

圖6 不同傾角、不同毛細(xì)管數(shù)情況下OAGD油氣前緣照片

2.2 長巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 減氧空氣重力驅(qū)影響因素

2.2.1.1 氧氣濃度

氧氣濃度對(duì)減氧空氣重力驅(qū)的安全和高效開發(fā)意義重大：①氧氣濃度是影響低溫氧化反應(yīng)程度的重要因素，相同溫度壓力條件下，氧氣濃度越高，氧分壓越大，低溫氧化反應(yīng)越劇烈；②注入氧氣濃度越高，氧氣消耗殘余量越大，采出端氧氣濃度超過爆炸臨界氧含量概率越大。由圖7可知，當(dāng)氧氣濃度較低（5%）時(shí)，LTO反應(yīng)強(qiáng)度低，耗氧量僅為0.8%，氣體產(chǎn)物中幾乎沒有一氧化碳或二氧化碳，與不考慮低溫氧化作用的純氮?dú)怛?qū)相比，采收率提高幅度低于2%。隨著氧氣濃度的增加，LTO反應(yīng)強(qiáng)度增大，系統(tǒng)耗氧能力增強(qiáng)，氣體產(chǎn)物中開始出現(xiàn)一氧化碳和二氧化碳。氧氣濃度越高，采收率增幅越大，氣體產(chǎn)出物中一氧化碳和二氧化碳含量也隨之增高。蔣有偉等[12]通過物理模擬與數(shù)值模擬證實(shí)空氣驅(qū)提高采收率由氮?dú)怛?qū)、升溫降黏與二氧化碳驅(qū)3個(gè)驅(qū)油機(jī)理共同完成，其中氮?dú)怛?qū)占據(jù)主導(dǎo)地位，其次為升溫降黏，二氧化碳貢獻(xiàn)最小。受限于實(shí)驗(yàn)的恒溫環(huán)境，氧化反應(yīng)的放熱無法積累，在這種情況下，升溫降黏效應(yīng)對(duì)采收率幾乎無影響。OAGD采收率隨著氧氣濃度的增加而增加，主要是因氧化產(chǎn)生的二氧化碳量隨注入氧濃度的升高而增加，對(duì)提高采收率具有一定的貢獻(xiàn)；同時(shí)氧化反應(yīng)消耗部分輕質(zhì)組分，原油密度增加，重力分異作用增強(qiáng)，一定程度上可抑制氣體指進(jìn)，巖心中更易形成穩(wěn)定的氣驅(qū)前緣，有利于提高采收率。低溫氧化作用越強(qiáng)，提高采收率效果就越明顯。

圖7 采出氣組分及低溫氧化提高采收率幅度直方圖

2.2.1.2 注氣速度

注氣速度是影響氣油界面穩(wěn)定性的主控因素，氣油界面穩(wěn)定與否對(duì)O AG D開發(fā)效果影響巨大。Mudhafar[13]研究發(fā)現(xiàn)注氣速度對(duì)采收率的影響存在臨界值，小于臨界值時(shí)，驅(qū)替過程為穩(wěn)定驅(qū)，OAGD的采收率較高；大于臨界值時(shí)，驅(qū)替過程為非穩(wěn)定驅(qū)，OAGD的采收率較低。圖8為5種注氣速度下，注氣量與采收率的關(guān)系，可以看到，注氣速度臨界值為0.05～0.10 mL/min。注氣速度大于臨界值時(shí)，注氣速度越高，黏滯力越大，當(dāng)黏滯力遠(yuǎn)大于毛細(xì)管力時(shí)，指進(jìn)現(xiàn)象嚴(yán)重，油氣界面不穩(wěn)定，油氣接觸面積小，接觸時(shí)間短。這一方面導(dǎo)致氣體突破時(shí)間大大縮短，波及效果差；另一方面抑制了低溫氧化反應(yīng)，采收率較低。注氣速度小于臨界值時(shí)，毛細(xì)管力、黏滯力和重力可以保持動(dòng)態(tài)平衡，油氣前緣能夠以較為穩(wěn)定的狀態(tài)持續(xù)推進(jìn)，近似于活塞驅(qū)，波及效率高，油氣接觸面積大、接觸時(shí)間長，低溫氧化反應(yīng)強(qiáng)，采收率越高。達(dá)到穩(wěn)定驅(qū)的最大速度可定義為高效穩(wěn)定驅(qū)上限速度[4]。但實(shí)際上注入速度并不是越低越好，當(dāng)注入速度太低（如圖8中的0.01 mL/min），盡管油氣有充足的接觸反應(yīng)時(shí)間，有利于低溫氧化反應(yīng)的進(jìn)行，但是低流速將導(dǎo)致黏滯力不足以克服大部分小孔喉的毛細(xì)管力，毛細(xì)管滯留現(xiàn)象嚴(yán)重，最終采收率并不高，這個(gè)速度可定義為高效穩(wěn)定驅(qū)下限速度。Rostami等[14]在研究其他氣體的重力驅(qū)實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)了該現(xiàn)象。

圖8 不同注入速度條件下采收率與注入氣體體積的關(guān)系

由此可知，對(duì)于OAGD而言，注入速度的選擇需要關(guān)注2個(gè)方面：①確保注氣速度低于高效穩(wěn)定驅(qū)的上限，驅(qū)替前緣穩(wěn)定推進(jìn)，增大油氣接觸面積，延長低溫氧化時(shí)間；②確保注氣速度要高于高效穩(wěn)定驅(qū)的下限，黏滯力足以克服大部分小孔喉內(nèi)的毛細(xì)管力，達(dá)到注入氣置換小孔隙中原油的目的。

2.2.2 無量綱數(shù)對(duì)OAGD的影響

長巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)中邦德數(shù)無明顯數(shù)量級(jí)變化，故選用重力數(shù)與毛細(xì)管數(shù)來描述減氧空氣的重力驅(qū)過程。實(shí)驗(yàn)過程中動(dòng)態(tài)無量綱數(shù)難以計(jì)算，且各組實(shí)驗(yàn)過程中壓力變化不明顯，對(duì)油氣性質(zhì)影響較小，因此選擇實(shí)驗(yàn)的初始無量綱數(shù)據(jù)近似替代全程進(jìn)行分析。

2.2.2.1 重力數(shù)對(duì)OAGD的影響

長巖心驅(qū)替結(jié)果表明，穩(wěn)定驅(qū)上限速度為0.05～0.10 mL/min，取區(qū)間下限0.05 mL/min作為區(qū)分穩(wěn)定驅(qū)與非穩(wěn)定驅(qū)的界限，確保不會(huì)對(duì)分析結(jié)果造成影響。

重力數(shù)的物理意義為重力與黏滯力的比值，長巖心實(shí)驗(yàn)中，巖心夾持器與水平方向成60°保持不變，可基本認(rèn)為重力為定值，故重力數(shù)主要受黏滯力影響，也就是受注氣速度的影響，注氣速度越大，重力數(shù)越小。根據(jù)注氣速度計(jì)算長巖心實(shí)驗(yàn)①—實(shí)驗(yàn)⑤的重力數(shù)，作不同注入氣體孔隙體積倍數(shù)下重力數(shù)與采收率的關(guān)系曲線（見圖9），圖中黑色虛線為氣體突破分界線，上方為突破區(qū)，下方為非突破區(qū)?？梢钥闯觯€(wěn)定驅(qū)區(qū)域，氣體突破前，相同注入孔隙體積倍數(shù)條件下，注氣速度降低，重力數(shù)增加，采收率增大，但增幅較小，說明氣體突破前，與黏滯力相比，重力驅(qū)替原油占據(jù)主導(dǎo)地位。降低注氣速度可降低黏滯力，提高OAGD的開發(fā)效果。但黏滯力并非越低越好，黏滯力太小，部分油氣前緣將出現(xiàn)毛細(xì)管滯留，Bautista等[5]的數(shù)值模擬結(jié)果也證實(shí)了該結(jié)論。在氣體突破后，相同注入孔隙體積倍數(shù)條件下，重力數(shù)越大（注氣速度越低），階段采收率越低，氣體突破形成優(yōu)勢氣流通道后，重力與黏滯力的驅(qū)油地位發(fā)生了轉(zhuǎn)換，黏滯力驅(qū)油占主導(dǎo)地位，剩余油主要通過油膜流動(dòng)方式產(chǎn)出[14]，氣體流速越大，黏滯力攜帶能力越強(qiáng)，越有利于油膜流動(dòng)，該階段提高注氣速度可提升OAGD開發(fā)效果。

圖9 重力數(shù)與減氧空氣重力驅(qū)采收率的關(guān)系

非穩(wěn)定驅(qū)階段氣體突破前，動(dòng)態(tài)特征與穩(wěn)定驅(qū)類似；氣體突破后，動(dòng)態(tài)特征則相反。分析原因主要為注氣速度越大，黏性指進(jìn)現(xiàn)象越嚴(yán)重，氣體波及體積越小，采收率越低。雖然突破后氣體速度越大，攜帶油膜流動(dòng)的能力越強(qiáng)，但油膜流動(dòng)驅(qū)油潛力有限[15]，遠(yuǎn)小于氣體波及對(duì)采收率的貢獻(xiàn)。

2.2.2.2 毛細(xì)管數(shù)對(duì)OAGD的影響

毛細(xì)管數(shù)的物理意義是黏滯力與毛細(xì)管力的比值，巖心相同，實(shí)驗(yàn)流體相同，毛細(xì)管力可視為基本穩(wěn)定，故毛細(xì)管數(shù)主要受黏滯力影響，也就是受注氣速度的影響，注氣速度越大，毛細(xì)管數(shù)越大。按圖9的方法作不同注入孔隙體積倍數(shù)下毛細(xì)管數(shù)與采收率的關(guān)系曲線（見圖10），圖中黑色虛線為氣體突破分界線，上方為突破區(qū)，下方為非突破區(qū)。可以看出，穩(wěn)定驅(qū)區(qū)域，氣體突破前，相同注入孔隙體積倍數(shù)條件下，隨著毛細(xì)管數(shù)的增加，采收率小幅下降，說明氣體突破前，與黏滯力相比，毛細(xì)管力在提高采收率方面占主導(dǎo)地位，此時(shí)宏觀驅(qū)油作用對(duì)采收率的貢獻(xiàn)要大于微觀驅(qū)油作用[5]，毛細(xì)管數(shù)越大，黏滯力越大，毛細(xì)管力越小，油氣前緣容易失穩(wěn)形成局部指進(jìn)，降低了宏觀驅(qū)替效率，同時(shí)由于驅(qū)替過程為穩(wěn)定驅(qū)，油氣前緣具有一定的自我穩(wěn)定能力，故采收率下降幅度較?。粴怏w突破后，相同注入孔隙體積倍數(shù)條件下，毛細(xì)管數(shù)越大，注氣速度越大，采收率越高，說明氣體突破形成優(yōu)勢氣流通道后，黏滯力驅(qū)油占主導(dǎo)地位，微觀驅(qū)油作用對(duì)采收率的貢獻(xiàn)大于宏觀驅(qū)油作用[5]，高黏滯力更有利于抵抗毛細(xì)管的捕集作用，動(dòng)用小孔隙內(nèi)的殘余油。

圖10 毛細(xì)管數(shù)與減氧空氣重力驅(qū)采收率的關(guān)系

非穩(wěn)定驅(qū)氣體突破前，油氣界面不穩(wěn)定，降低注氣速度，擴(kuò)大波及體積效果不明顯；提高注氣速度，雖然可以提高波及區(qū)域的微觀驅(qū)油效率，同時(shí)也降低了氣體宏觀波及效率，因此，毛細(xì)管數(shù)的增加對(duì)采收率影響較??；氣體突破后毛細(xì)管數(shù)越大，宏觀波及效率越低，采收率越小。

綜上所述，穩(wěn)定注氣重力驅(qū)開發(fā)在氣體突破前降低注氣速度，可以擴(kuò)大氣體波及體積，氣體突破后提高注氣速度，更有利于提高微觀驅(qū)油效率。

2.3 無量綱數(shù)與OAGD采收率的關(guān)系

重力數(shù)、邦德數(shù)和毛細(xì)管數(shù)均對(duì)OAGD采收率有一定影響，因此這些無量綱參數(shù)間的組合與OAGD采收率必然存在相關(guān)性。Kulkami等[16]通過可視化實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析認(rèn)為氣體重力驅(qū)采收率與重力數(shù)、毛細(xì)管數(shù)和邦德數(shù)的對(duì)數(shù)成線性關(guān)系。將長巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作對(duì)數(shù)散點(diǎn)圖（見圖11），可以看到采收率與重力數(shù)、毛細(xì)管數(shù)和邦德數(shù)之間的相關(guān)性非常差，其中以與毛細(xì)管數(shù)的相關(guān)性最差，這與Rezaveisi等[17]的認(rèn)識(shí)一致。注氣重力驅(qū)過程復(fù)雜，采收率受多種因素共同影響，單因素變量難以與采收率建立相關(guān)關(guān)系。

Kulkami等[6]考慮油氣密度差對(duì)采收率的影響，將毛細(xì)管數(shù)、邦德數(shù)和重力數(shù)相結(jié)合定義為重力泄油數(shù)；Rostami等[14]考慮油氣黏度比對(duì)驅(qū)油過程的影響，定義出無量綱數(shù)組合數(shù)（簡稱Ros組合數(shù)），以此提高注氣重力驅(qū)采收率的預(yù)測精度。利用上述兩種參數(shù)對(duì)長巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析（見圖12、圖13），可以看出，盡管重力泄油數(shù)、Ros組合數(shù)考慮了油氣密度、黏度等因素的影響，但與采收率的相關(guān)性也不理想，難以用于預(yù)測采收率。

圖11 邦德數(shù)、毛細(xì)管數(shù)與重力數(shù)與采收率的擬合關(guān)系圖

圖12 重力泄油數(shù)與采收率的擬合關(guān)系

圖13 Ros組合數(shù)與采收率的擬合關(guān)系

分析認(rèn)為，重力泄油數(shù)、Ros組合數(shù)均未考慮氧氣與原油之間發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，隱性假定驅(qū)替過程中原油性質(zhì)保持不變。長巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)空氣驅(qū)過程中，低溫氧化反應(yīng)對(duì)采收率有明顯的影響，預(yù)測OAGD采收率必須要考慮該因素，因此提出考慮低溫氧化反應(yīng)的無量綱組合數(shù)（低溫氧化數(shù)）并分析其與采收率的關(guān)系。低溫氧化作用主要對(duì)原油的黏度影響較大，因此選擇反應(yīng)前后原油黏度的變化來表征低溫氧化作用的影響，并選用氣體剛剛突破后一段時(shí)間內(nèi)采出的原油測定反應(yīng)后原油黏度。低溫氧化數(shù)定義為：

采用Levenberg-Marquardt方法[18]回歸分析樣本數(shù)據(jù)，確定A1，A2，A3值分別為1.00，0.06和0.02，說明預(yù)測OAGD采收率時(shí)，邦德數(shù)所占權(quán)重最大，毛細(xì)管數(shù)次之，表征低溫氧化作用的反應(yīng)前后原油黏度比所占權(quán)重最小，這說明OAGD的主要驅(qū)替機(jī)理仍然是重力驅(qū)，低溫氧化僅起到輔助作用。將計(jì)算所得低溫氧化數(shù)與采收率作散點(diǎn)圖（見圖14），可以看到二者相關(guān)性良好，引入黏度比將復(fù)相關(guān)系數(shù)提高到0.966 8。低溫氧化數(shù)同時(shí)考慮了邦德數(shù)、毛細(xì)管數(shù)、低溫氧化反應(yīng)的綜合影響，與采收率具有良好的相關(guān)性，可用于預(yù)測OAGD采收率。需要說明的是該結(jié)果僅為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在現(xiàn)場應(yīng)用中需要結(jié)合具體條件進(jìn)行修正。

圖14 低溫氧化數(shù)與采收率的擬合關(guān)系

3 結(jié)論

減氧空氣重力驅(qū)油氣前緣形態(tài)與變化規(guī)律主要受重力、毛細(xì)管力與黏滯力的綜合影響。邦德數(shù)一定（4.52×10-4）時(shí)，油氣前緣形態(tài)受毛細(xì)管數(shù)大小控制：毛細(xì)管數(shù)小于1.68×10-3時(shí)，油氣前緣穩(wěn)定；毛細(xì)管數(shù)大于2.69×10-2時(shí)，油氣前緣呈黏性指進(jìn)；毛細(xì)管數(shù)為1.68×10-3～2.69×10-2時(shí)，油氣前緣呈毛細(xì)管指進(jìn)。

減氧空氣重力驅(qū)穩(wěn)定驅(qū)氣體突破前，重力數(shù)越高、毛細(xì)管數(shù)越低，采收率越高，采收率主要受重力影響，可通過降低注氣速度來提高采收率；氣體突破后，重力數(shù)越低、毛細(xì)管數(shù)越高，采收率越高，采收率主要受黏滯力影響，可通過提高注氣速度提高采收率。

低溫氧化數(shù)綜合考慮了邦德數(shù)、毛細(xì)管數(shù)、低溫氧化反應(yīng)的綜合影響，與采收率具有良好的相關(guān)性，可用于預(yù)測OAGD采收率。

符號(hào)注釋：

A1，A2，A3——校正系數(shù)，代表對(duì)應(yīng)無量綱數(shù)的重要程度，通過數(shù)據(jù)擬合以及敏感性分析確定，無因次；ER——采收率，%；NB——邦德數(shù)，無因次；NC——毛細(xì)管數(shù)，無因次；NGD——重力泄油數(shù)，無因次；NCO——Ros組合數(shù)，無因次；NG——重力數(shù)，無因次；NLTO——低溫氧化數(shù)，無因次；R2——復(fù)相關(guān)系數(shù)，無因次；μR——原油低溫氧化反應(yīng)前后黏度比，無因次。