循环热溶剂注入：在基于溶剂的重油开采过程中相较于混合溶剂更具优势的注入方法

《International Journal of Coal Science & Technology》：Cyclic hot solvent injection: An advantageous injection method compared with mixture solvent in the solvent based heavy oil mining process

　　

作为重要的碳基燃料资源，重油需要可行的采油方法以提高生产效率。循环溶剂注入（CSI）方法因具有较高的产油速率而被公认为一种有效的重油采收方法。在本研究中，研究人员通过实验和数值模拟对比了基于混合溶剂的循环溶剂注入（CSI）方法与循环热溶剂注入（CHSI）方法，旨在优化重油开采工艺的采收方案。对于这两种方法，初始油藏压力均保持为 1860 kPa，但注入方案不同。实验结果表明，55℃纯丙烷（C₃H₈）基循环热溶剂注入（CHSI）方法优于混合溶剂（54% mol 二氧化碳（CO₂）和 46% mol 丙烷（C₃H₈））方法，因为 CHSI 方法的采收率为 52.8% 且具有更长的高产期，而混合溶剂方法的采收率仅为 28.9%。在 CHSI 案例中，由于气驱效应，溶剂腔倾向于膨胀并产生额外的原油产量；而在混合溶剂案例中，溶剂腔保持固定，限制了溶剂扩散效应。模拟研究发现，与混合溶剂工艺相比，CHSI 工艺由于具有更高的传质效率以及更强的泡沫油流和溶解气驱特征，展现出更大的产油潜力。此外，CHSI 测试中的溶剂制备方法为制备高温气体提供了一种新思路。另外，通过净现值（NPV）计算，本研究显示了 CHSI 方法具有良好的经济潜力。

**循环热溶剂注入技术在重油开采中的优势机制与应用前景解读**

**研究背景与意义**
重油作为全球原油消费的重要补充资源，其原始地质储量巨大，但传统的一次采油法（如冷采）采收率极低，仅能动用约 8% 的原始地质储量（OOIP）。为提高采收率，二次及三次采油技术应运而生，主要包括蒸汽注入、纳米流体辅助及纯溶剂注入等方法。然而，传统的蒸汽辅助重力泄油（SAGD）等热采技术存在热损失大、耗水量高及对薄油藏适应性差等局限性。纯溶剂注入法虽能避免大量热能损失并提高溶解效率，但面临注入压力需严格控制及溶剂扩散慢等挑战。在此背景下，循环热溶剂注入（CHSI）技术作为一种新兴策略，通过预热纯溶剂以增强其扩散能力和降粘效果，展现出巨大的应用潜力。然而，CHSI 方法与传统的混合溶剂（如丙烷与二氧化碳混合）循环注入方法在驱油机理、生产动态及经济效益上的差异尚缺乏系统的对比研究。本研究发表于《International Journal of Coal Science 》，旨在通过实验与数值模拟相结合的手段，深入剖析两种方法的优劣，明确 CHSI 的驱油机制及其经济可行性，为重油高效绿色开采提供理论依据和技术支撑。

**关键技术与方法**
研究人员选取加拿大西部 Manatokan 地区的死油样品，构建了填砂物理模型进行对比实验。实验设计了两种方案：一是 55℃纯丙烷（C₃H₈）循环热溶剂注入（CHSI）；二是室温下 54% mol 二氧化碳（CO₂）与 46% mol 丙烷（C₃H₈）的混合溶剂循环注入。两者初始油藏压力均设定为 1860 kPa。研究综合运用了高压物性测试、多周期循环注入实验、残余油饱和度剖面分析及基于计算机模拟集团（CMG）STARS 模块的非平衡动力学数值模拟等关键技术。特别是数值模拟部分，引入了描述泡沫油行为的反应频率因子，对溶解气、分散气泡气及自由气三相转化进行了精细化表征，并通过历史拟合验证了模型的可靠性。

**研究结果分析**

**1. 采收率与生产动态对比**
实验结果显示，CHSI 方法的最终采收率高达 52.8%，显著优于混合溶剂方法的 28.9%。CHSI 方法不仅总采出量高，且高产期持续时间更长。混合溶剂法在初期因气体指进效应产油速率较快，但随后迅速衰竭；而 CHSI 法凭借持续的热传导降粘和溶剂扩散，维持了稳定的高产能力。

**2. 溶剂扩散与传质效率**
通过监测浸泡期间的压力下降发现，CHSI 方法的压力降幅更大，表明其溶剂扩散效率更高。混合溶剂中的非凝析气体（CO₂）会在油气界面形成扩散边界层，阻碍丙烷进一步溶解；而 CHSI 方法中高温溶剂在界面冷凝，提高了油相中的溶剂浓度，强化了传质过程。

**3. 驱油机理：泡沫油流与溶解气驱**
研究将生产过程划分为两个阶段：早期以溶解气驱为主，晚期以泡沫油流为主。CHSI 方法在两个阶段的表现均优于混合溶剂法。数值模拟表明，CHSI 的泡沫油反应频率因子更高，意味着其生成的泡沫油强度大且寿命长；同时，其油气相对渗透率曲线显示更强的溶解气驱能力。混合溶剂法虽在极早期有气体指进带来的额外驱动力，但随溶剂腔固化，驱油动力迅速减弱。

**4. 溶剂腔演化与剩余油分布**
可视化监测发现，CHSI 过程中的溶剂腔随循环次数增加不断向外扩展，产生明显的气驱效应，波及范围大；而混合溶剂法的溶剂腔受限于扩散边界，基本保持固定，导致大量原油滞留在溶剂腔外。剩余油饱和度剖面进一步证实，CHSI 法能更有效地动用远离井筒区域的原油。

**5. 经济性与适用性评估**
基于净现值（NPV）的经济评价表明，尽管 CHSI 的资本支出略高，但其高产带来的净现金流使其在整个项目周期（15 年）内的经济效益显著优于传统 CSI 方法。此外，对比分析显示，CHSI 特别适用于厚度小于 15 米的薄油藏及较深油藏，填补了蒸汽法在薄层应用的经济性短板。

**结论与讨论**
本研究系统论证了循环热溶剂注入（CHSI）方法在重油开采中的显著优势。结论表明，CHSI 方法通过热传导降低原油粘度、消除非凝析气体的扩散屏障以及强化泡沫油流和溶解气驱效应，实现了比混合溶剂法更高的采收率和更长的稳产期。数值模拟进一步从微观机理上揭示了 CHSI 在传质效率和驱油动力上的优越性。经济性分析证实了该技术的商业可行性。此外，CHSI 的高温溶剂制备工艺也为天然气水合物等其他能源的热 - 化学协同开采提供了新的技术思路。总体而言，CHSI 是一种兼具高效性与经济性潜力的重油开采技术，尤其适合特定地质条件下的稠油资源开发。