第 46 卷第 1 期 中南大学学报(自然科学版) Vol.46 No.1 2015 年 1 月 Journal of Central South University (Science and Technology) Jan. 2015

DOI: 10.11817/j.issn.1672−7207.2015.01.044

SAGD 过程中注入烟道气和溶剂对降低稠油的

表面张力作用

孙晓娜 1, 2 ，李兆敏 1 ，李松岩 1 ，杨阳 1, 3

(1. 中国石油大学(华东) 石油工程学院，山东 青岛，266580； 2. 中海油深圳分公司研究院，广东 广州，510240；

3. 中海油研究总院，北京，100027)

摘要：采用轴对称液滴形状分析(ADSA)方法，测定烟道气−稠油、正己烷−稠油、烟道气+正己烷−稠油系统表面

张力的变化规律，分析蒸汽辅助重力泄油(SAGD)过程中注入非凝析气体和溶剂后对降低稠油表面张力的能力。

研究结果表明：在一定温度下，稠油的表面张力随着气体压力的增加而减小，在一定压力下，烟道气−稠油和正

己烷−稠油表面张力的变化规律则相反。在相同的温度和压力下，与烟道气相比，正己烷降低稠油表面张力的作

用更显著。同时，实验测得的烟道气−稠油表面张力与 N2−稠油表面张力和 CO2−稠油表面张力的线性插值拟合性

较好。

关键词：稠油；烟道气；正己烷；表面张力

中图分类号：TE345 文献标志码：A 文章编号：1672−7207(2015)01−0324−08

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

SUN Xiaona 1, 2 , LI Zhaomin 1 , LI Songyan 1 , YANG Yang 1, 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)

Abstract: Based on axisymmetric drop shape analysis (ADSA) technique, the surface tension of flue gas−heavy oil system, n­hexane−heavy oil system and flue gas+n­hexane−heavy oil system were investigated to analyze the performance of reducing surface tension by adding non­condensate 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 n­hexane−heavy oil system. Compared with

flue gas, n­hexane 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. Key words: heavy oil; flue gas; n­hexane; surface tension

收稿日期：2014−02−13；修回日期：2014−04−20 基金项目(Foundation item)：国家高科技研究发展计划(863 计划)项目(2009AA06Z205)；中石油科技重大专项(2011E2403)；国家科技重大专项

(2011ZX05032­001) (Project(2009AA06Z205) supported by the National High­Tech Research and Development Program (863 Program); Project(2011E2403) supported by Science and Technology Major Project of PetroChina; Project(2011ZX05032­001) supported by the National Science and Technology Major Project)

通信作者：李兆敏，博士，教授，博士生导师，从事泡沫流体及稠油开采研究；E­mail: lizhm6561@163.com

第 1 期 孙晓娜，等：SAGD 过程中注入烟道气和溶剂对降低稠油的表面张力作用 325

蒸汽辅助重力泄油技术(SAGD)可以有效开采埋

藏浅、厚度大的超稠油油藏，自 2005年在辽河油田取

得先导试验成功以后，目前已进入工业化推广阶段。

然而，常规 SAGD过程中存在着诸多问题：蒸汽注入

量大、向地层的热损失大、采出水处理费用高、温室

气体排放量大等。目前，室内模拟和矿场试验表明在 SAGD 过程中注入适量的非凝析气体 [1−5] (例如氮气、

二氧化碳、 烟道气等)和气化溶剂 [6−9] (例如丙烷、 丁烷、

戊烷、己烷、庚烷等)可以减少对注入能量的需要，即

气体辅助 SAGD 技术(SAGP)和溶剂辅助 SAGD 技术 (ES­SAGD)。 研究表明， 降低稠油的表面张力是 SAGP 技术中注入的非凝析气体和 ES­SAGD 技术中注入的

少量气化溶剂改善 SAGD开发效果的作用机理之一。

研究 SAGP 和 ES­SAGD 过程中的界面现象具有重要

意义。气体注入后，稠油的表面张力降低，在多孔介

质中流动的毛管力和黏附力减小，油藏流体在重力作

用下流入生产井被采出 [10] 。因此，本文作者研究不同

温度、不同压力下烟道气−稠油、溶剂−稠油表面张力

的变化规律，分析 SAGP 和 ES­SAGD 过程中气体注

入对重力泄油的影响。

1 实验

1.1 实验样品

实验所用原油为新疆克拉玛依油田提供的脱气原

油，60 条件下密度为 0.945 6 g/cm 3 ，黏度为 5 340 mPa∙s。实验所用非凝析气体为烟道气，由 N2 和 CO2

按照一定的摩尔分数比例混合得到， CO2 和 N2 均由青

岛天源气体制造公司生产，纯度均为 99.9%。实验所

用溶剂为正己烷(n­C6H14)， 由西陇化工有限公司生产，

纯度＞95%。

实验过程中需要输入不同温度和压力条件下原油

和气体的密度。由于原油的密度随压力变化不大，假

设在同一温度下， 原油密度不变。 根据已知 60时脱

气原油密度为 0.945 6 g/cm 3 ，查阅石油计量表中的原

油部分(GB/T 1885—1998)得到测试温度条件下的脱

气原油密度，见表 1。气体的密度采用数模软件 CMG

表 1 不同温度时原油密度

Table 1 Density of heavy oil at different temperatures

温度/ 密度/(g∙cm −3 )

80 0.933

100 0.921

120 0.908

140 0.896

的 Winprop 模块通过 P­R 状态方程计算得到，见

表 2~4。

表 2 不同温度时非凝析气体密度

Table 2 Density of non­condensate gases at different

temperatures kg/m 3

80 100 120

压力/ MPa

80% N2+20% CO2

CO2 N2

80% N2+20% CO2

60% N2+40% CO2

80% N2+20% CO2

0.2 2.128 2.852 1.806 2.013 2.222 1.910

0.5 5.328 7.188 4.513 5.038 5.567 4.779

1.0 10.679 14.572 9.023 10.091 11.177 9.566

2.0 21.441 29.963 18.278 20.237 22.517 19.162

3.0 32.287 46.244 27.006 30.423 34.005 28.776

4.0 43.182 63.488 35.950 40.637 45.623 38.397

5.0 54.116 81.773 44.851 50.864 57.354 48.016

6.0 65.072 101.176 53.704 61.096 69.180 57.623

表 3 不同温度时正己烷密度

Table 3 Density of n­hexane at different temperatures

100 120 140

压力/ MPa

密度/ (kg∙m −3 )

压力/ MPa

密度/ (kg∙m −3 )

压力/ MPa

密度/ (kg∙m −3 )

0.100 2.871 0.100 2.712 0.100 2.571 0.125 3.621 0.150 4.130 0.150 3.906 0.150 4.384 0.200 5.593 0.200 5.278 0.175 5.162 0.250 7.106 0.250 6.688 0.200 5.955 0.300 8.673 0.300 8.140 0.240 7.257 0.350 10.299 0.350 9.637

0.390 12.491 0.400 11.182 0.450 12.619 0.500 14.438 0.550 16.159 0.600 17.950

表 4 120时正己烷与烟气混合气体密度

Table 4 Density of n­hexane and flue gas mixture at 120

kg/m 3

压力/ MPa

25% n­C6H14+ 75%烟道气

50% n­C6H14+ 50%烟道气

75% n­C6H14+ 25%烟道气

0.100 1.379 1.811 2.254 0.150 2.072 2.727 3.410 0.200 2.767 3.652 4.586 0.250 3.463 4.585 5.785 0.300 4.161 5.525 7.006 0.350 4.862 6.674 8.250 0.390 5.424 7.240 9.264

中南大学学报(自然科学版) 第 46 卷 326

1.2 实验装置

测定高温高压下烟道气−稠油和正己烷−稠油系

统的表面张力，采用具有较高精度的轴对称液滴形状

分析技术(ADSA) [11−16] ，得到液滴表面平均张力。测量

装置为由法国 Teclis 界面技术有限公司生产的 TRACKER界面张力/流变仪(如图 1所示)， 主要包括：

带视窗的高温高压容器(体积为 400 mL，压力范围为 0~20 MPa，温度范围为 0~200 )；马达驱动系统； 1 000 μL微型注射器；不锈钢注射针头；样品池；温

度控制面板；压力控制面板；气体注入系统；光源；

图片采集分析系统等。 ADSA 技术测量界面张力全部由计算机完成，可

以避免由于人的主观因素造成的误差。 在实验过程中，

首先输入气相和油相的密度，然后通过马达驱动系统

在微型注射器针头形成 1个油滴，使用摄像机自动采

集油滴形状图片，传送至计算机数据采集分析系统，

通过拉普拉斯方程进行求解，直接输出测量的界面张

力、油滴体积、油滴面积、曲率半径和邦德数等结果。 1.3 实验步骤

测定烟道气−稠油表面张力的实验步骤如下。 1) 每次测试前，用丙酮和酒精清洗高温高压容

器、注射器、针头和样品池。 2) 将微型注射器装满测试稠油， 放置于高温高压

容器中。 3) 连接高温高压容器与马达驱动系统， 调节可视

窗至恰当的位置，并用 0.3 MPa的烟道气冲刷高温高

压容器 5次，以排空内部的空气。 4) 将烟道气注入到高温高压容器中并通过电加

热方式进行加热，30~60 min 后待容器内的压力和温

度达到稳定值后，记录下来。

5) 在测试窗口输入油滴和气体密度， 点击测试按

钮，通过马达驱动，在注射器针尖上形成 1 个悬垂的

油滴；同时，通过摄像机实时采集油滴形状图片，传

送至计算机数据采集分析系统，计算得到烟道气−稠

油的表面张力。 6) 在一定的压力和温度条件下，每个烟道气−稠

油系统的表面张力测定重复 3 次，以保证较好的重

复性。

7) 调节压力和温度，重复步骤 4)~6)，完成实验。

在进行正己烷−稠油表面张力测试过程中，由于

正己烷在室温条件下呈液态，高温高压容器中正己烷

气体达到测试温度和压力的方法为：首先向高温高压

容器中加入适量的液态正己烷，进行加热，升高至一

定温度时，正己烷开始气化，用 0.15 MPa的正己烷气

体冲刷高温高压容器 5 次，以排空内部的空气。然后

继续升温至测试温度， 容器内压力上升至饱和蒸气压，

稳定 30 min 后进行测试。其他步骤与烟道气−稠油表

面张力的测试方法的相同。

2 实验结果及讨论

2.1 烟道气−稠油系统表面张力变化规律 2.1.1 动态表面张力分析

由于烟道气在原油中具有一定的溶解度，油滴形

成后，烟道气会向原油中扩散、溶解，一直持续到油

滴被烟道气饱和。为了检测气体向原油中溶解、扩散

对表面张力的影响，对烟道气−稠油系统的动态表面

张力进行测定。图 2所示为 120 和 4 MPa下测量的

烟道气−稠油动态表面张力，其中烟道气组成为 80%

1—平流泵；2—气体压力容器；3—压力表；4—压力控制面板；5—温度控制面板；6—温度探针；7—样品池；8—注射器； 9—马达驱动动力系统；10—高温高压容器；11—光源；12—摄像机；13—计算机数据采集分析系统

图 1 稠油表面张力测定实验装置图 Fig. 1 Schematic diagram of experimental setup for measuring heavy oil surface tension

第 1 期 孙晓娜，等：SAGD 过程中注入烟道气和溶剂对降低稠油的表面张力作用 327

N2+20% CO2(摩尔分数)， 并与 CO2−稠油和 N2−稠油的

表面张力进行对比。由图 2 可以看出动态表面张力的

变化可以分为 2 个阶段：第 1 个阶段为波动阶段，在

气体扩散的初始阶段， 动态表面张力存在一定的波动，

约 100 s，说明气体向稠油中扩散会持续一段时间；第 2 个阶段为平衡阶段，气体−稠油的表面张力波动很

小，几乎是一个常数，在相同的温度和压力下，CO2− 稠油的表面张力最小，N2−稠油的表面张力最大，烟

道气−稠油的表面张力介于二者之间，表 5 所示为前 300 s稠油与不同气体作用表面张力的实验值。

1—烟道气；2—CO2；3—N2

图 2 120和 4 MPa下稠油动态表面张力变化图 Fig. 2 Variation of heavy oil dynamic surface tension at

120 and 4 MPa

表 5 前 300 s稠油动态表面张力实验值表

Table 5 Experimental value of heavy oil dynamic surface

tension in initial 300 s time

烟道气−稠油 CO2−稠油 N2−稠油

时间/ s

表面

张力/ (mN∙m −1 )

时间/ s

表面

张力/ (mN∙m −1 )

时间/ s

表面

张力/ (mN∙m −1 )

0.05 22.64 0.05 20.20 0.05 23.83

23.98 22.96 29.07 20.00 30.34 23.60

47.98 22.64 58.54 20.24 59.72 23.50

71.98 22.83 100.58 20.05 101.72 23.48

95.98 22.84 129.57 20.06 136.43 23.54

119.98 22.89 157.61 20.14 164.43 23.48

145.80 22.86 185.61 20.08 192.52 23.48

168.62 22.85 213.61 20.06 220.52 23.50

192.62 22.89 241.65 20.09 248.49 23.47

216.62 22.84 269.73 20.04 276.49 23.50

240.67 22.80 297.78 20.10 304.49 23.57

264.67 22.82 — — — —

288.70 22.79 — — — —

2.1.2 静态表面张力分析

为了研究温度和压力对烟道气−稠油平衡表面张

力的影响，分别在 80，100和 120 下进行实验，图 3 所示为不同温度下烟道气−稠油平衡表面张力随压

力变化曲线。由图 3可见：当气体压力从 0.2 MPa升

高到 6 MPa，在 80 时，烟道气−稠油表面张力由 27.31 mN/m减小到 23.53 mN/m，降低了 13.84%；在 100 时，烟道气−稠油表面张力由 26.10 mN/m减小

到 22.26 mN/m，降低了 14.71%；在 120 时，烟道

气−稠油表面张力由 24.75 mN/m减小到 21.75 mN/m，

降低了 12.12%。当温度一定时，烟道气−稠油系统的

平衡表面张力随着压力的增大而减小，并呈较好的线

性关系。这是因为温度一定时，压力增大，烟道气在

稠油中的溶解度增大，使得平衡表面张力减小。当压

力一定时，烟道气−稠油系统的平衡表面张力随温度

的升高而减小。这是因为烟道气的主要成分是 N2，N2

在稠油中的溶解度随着温度升高而增大 [17−18] 。

温度/：1—80；2—100；3—120

图 3 不同温度下烟道气−稠油平衡表面张力变化曲线

Fig. 3 Variation of equilibrium surface tension for flue

gas−heavy oil system at different temperatures

2.1.3 气体组成对烟道气−稠油表面张力的影响

在矿场情况下，烟道气的组成很复杂，但其中 N2

和 CO2 的摩尔分数之和超过 90%。在实验过程中，对

烟道气的组成进行简化，使用的烟道气由 N2 和 CO2

按照一定的比例混合得到。在前面的研究中，烟道气

的组成均为 80% N2+20% CO2(摩尔分数)，因此，烟道

气−稠油表面张力是CO2 和N2 对稠油表面张力的综合

体现。

图 4所示为 100时 CO2，N2 和烟道气与稠油表

面张力随压力变化曲线。由图 4可以看出：100时，

中南大学学报(自然科学版) 第 46 卷 328

3 种气体与稠油的表面张力均随压力的增大而减小，

呈现很好的线性关系。低压时，三者的表面张力相近，

压力越高，三者的表面张力差值越大。当压力由 0.2 MPa 增加到 6 MPa 过程中，CO2−稠油表面张力降低

幅度最明显，由 26.07 mN/m减小到 17.47 mN/m，降

低了 32.99%；N2−稠油表面张力的变化最小，由 26.18 mN/m减小到 23.52 mN/m，降低了 10.16%；烟道气− 稠油表面张力的变化介于二者之间，由 26.10 mN/m 减小到 22.26 mN/m，降低了 14.71%。这是因为在同

一温度和压力下，CO2 在稠油中的溶解度远远大于 N2

的溶解度。

为了探究烟道气−稠油表面张力与CO2−稠油表面

张力和 N2−稠油表面张力之间的关系， 表 6给出了 100 时 2种不同组成烟道气实验值与线性插值结果。由

1—CO2；2—N2；3—烟道气

图 4 100时不同气体与稠油表面张力变化曲线

Fig. 4 Variation of surface tension for different gases at

100

表 6可见：实验值与线性插值相对误差＜3%，说明在

实验条件下不同组成的烟道气−稠油表面张力可以由 N2−稠油表面张力和 CO2−稠油表面张力线性插值得

到，并且误差在实验误差允许范围之内。 2.2 正己烷−稠油系统表面张力变化规律

研究表明，正己烷 (n­C6H14)可以有效地改善 SAGD 的开发效果 [7, 19] 。本文实验中选用的溶剂为正

己烷，研究正己烷降低稠油表面张力的能力。 2.2.1 正己烷降低表面张力能力分析

与 CO2、N2 和烟道气相比，正己烷在稠油中的溶

解、 萃取作用很强。 图 5对比了 120时正己烷、 CO2、 N2 和烟道气与稠油的表面张力。用其他气体−稠油表

面张力与正己烷−稠油表面张力的比值得到的无因次

倍数表征正己烷降低表面张力的能力，无因次倍数越

大，表明在相同温度和压力条件下正己烷降低稠油表

面张力能力越强，如表 7所示。当压力接近正己烷的

饱和蒸气压时，烟道气−稠油表面张力是正己烷−稠油

表面张力的 2 倍，因为与烟道气相比，正己烷在稠油

中的溶解、萃取作用更强，对降低稠油表面张力作用

更显著。 2.2.2 温度和压力对正己烷−稠油表面张力的影响

为了研究温度和压力对正己烷−稠油表面张力的

影响，分别测定了 100，120和 140 3种温度下的表

面张力，如图 6 所示。当温度一定时，由于正己烷在

稠油中的溶解度随着压力的增加迅速增大，使得正己

烷−稠油表面张力随压力增大呈线性关系迅速降低。

正己烷在 100， 120和 140接近饱和蒸气压时的表面

张力分别为 14.57，12.49和 9.42 mN/m，表明温度越

高，在接近饱和蒸气压时，正己烷−稠油表面张力越

小。与烟道气−稠油表明张力不同的是：当压力一

表 6 烟道气−稠油表面张力实验值与线性插值误差

Table 6 Error between surface tension experimental value and linear interpolation value for flue gas−heavy oil system

烟道气(80% N2+20% CO2) 烟道气(60% N2+40% CO2) 压力/ MPa 表面张力线性

插值/(mN∙m −1 ) 表面张力测量值/

(mN∙m −1 ) 表面张力相

对误差/% 表面张力线性

插值/(mN∙m −1 ) 表面张力测量值/

(mN∙m −1 ) 表面张力相

对误差/%

0.2 26.16 26.10 0.21 26.13 26.08 −0.20

0.5 26.00 25.83 0.64 25.93 25.89 −0.15

1.0 25.63 25.54 0.33 25.42 25.47 0.20

2.0 24.97 24.89 0.33 24.56 24.62 0.27

3.0 24.28 24.26 0.08 23.65 23.92 1.14

4.0 23.67 23.59 0.34 22.86 23.10 1.06

5.0 22.95 23.01 0.27 21.90 22.34 1.96

6.0 22.31 22.26 0.21 21.10 21.57 2.22

第 1 期 孙晓娜，等：SAGD 过程中注入烟道气和溶剂对降低稠油的表面张力作用 329

1—CO2；2—N2；3—烟道气；4—n­C6H14

图 5 120不同气体与稠油表面张力变化曲线

Fig. 5 Variation of surface tension for different gases at

120

表 7 正己烷降低稠油的表面张力

Table 7 Ability of reducing heavy oil surface tension by

n­hexane mN/m

压力/MPa CO2 N2 烟道气

0.20 1.353 1.367 1.355

0.30 1.623 1.641 1.626

0.39 1.969 1.992 1.974

温度/：1—100；2—120；3—140

图 6 不同温度下正己烷−稠油表面张力变化曲线

Fig. 6 Variation of equilibrium surface tension for

n­hexane−heavy oil system at different temperatures

定时，温度升高，正己烷−稠油表面张力有所升高，

主要是因为温度升高，正己烷在稠油中溶解度减小，

从而使得降低表面张力的能力降低。

2.3 烟道气+正己烷−稠油系统表面张力变化规律

在进行烟道气+正己烷−稠油表面张力测定实验

时， 首先向高温高压容器内加入一定量的液态正己烷，

然后升温至实验温度，待容器内压力和温度都稳定 10 min 后， 然后向高温高压容器内注入一定量的烟道气，

从而得到烟道气与正己烷的混合气体。

图 7 对比了 120 时烟道气、正己烷和烟道气+ 正己烷 3 种气体与稠油的表面张力变化规律。由图 7 可见：当温度一定时，3种气体−稠油表面张力均随压

力的增大而减小，但是变化的幅度不同；在低压下，

烟道气对降低稠油表面张力作用有限，当气体中含有

正己烷时， 稠油的表面张力明显降低；在 120和 0.3 MPa时，烟道气−稠油表面张力为 24.70 mN/m，向烟

道气中加入 50%(摩尔分数)的正己烷后表面张力为 15.89 mN/m，与纯正己烷气体表面张力相差不大，后

者为 15.19 mN/m。前面的研究表明，烟道气−稠油表

面张力可以由 CO2−稠油表面张力和 N2−稠油表面张

力线性叠加得到，但是对于烟道气+正己烷混合气体，

正己烷对降低表面张力起主要作用，不能简单的由烟

道气−稠油表面张力和正己烷−稠油表面张力进行简

单的线性插值进行计算。

1—烟道气；2—n­C6H14；3—50% n­C6H14+50%烟道气

图 7 120时不同气体−稠油表面张力随压力变化曲线

Fig. 7 Variation of surface tension with pressure for different

gases at 120

前面在进行烟道气+正己烷−稠油表面张力研究

时固定 2种气体的摩尔分数比为 1:1。 图 8对比了混合

气体中烟道气与正己烷的摩尔分数比分别为 1:3，1:1 和 3:1 时与稠油表面张力的变化规律。由图 8 可知：

当压力一定时，混合气体中正己烷含量越高，表面张

力越低；当压力由 0.1 MPa增大到 0.39 MPa，烟道气

中南大学学报(自然科学版) 第 46 卷 330

与正己烷摩尔分数比为 1:3 时，表面张力由 21.61 mN/m降低到 12.24 mN/m，降低了 43.36%；当烟道气

与正己烷摩尔分数比为 1:1 时，表面张力由 21.83 mN/m降低到 13.48 mN/m，降低了 38.25%；当烟道气

与正己烷摩尔分数比为 3:1 时，表面张力由 22.28 mN/m 降低到 15.58 mN/m，降低了 30.07%。由图 8 可见：烟道气与正己烷混合气体中溶剂对降低表面张

力起到主导作用。

1—25% n­C6H14+75%烟道气； 2—50% n­C6H14+50%烟道气；

3—75% n­C6H14+25% 烟道气

图 8 120时不同比例烟道气+正己烷混合气体与稠油表

面张力变化曲线

Fig. 8 Variation of surface tension between heavy oil and

different proportion mixture gas of flue gas and n­hexane at

120

3 结论

1) 气体与稠油动态表面张力测定分为 2个阶段：

第 1 个阶段为气体向稠油中溶解、扩散的波动阶段，

第 2个阶段为平衡阶段。

2) 当压力一定时，温度升高，烟道气−稠油表面

张力降低，正己烷−稠油表面张力则升高。在接近饱

和蒸气压时，正己烷−稠油表面张力随温度的升高而

越小。

3) 在实验压力范围(＜6 MPa)内，不同组成的烟

道气−稠油表面张力可以由 N2−稠油表面张力和 CO2−

稠油表面张力线性插值得到，相对误差＜3%。 4) 与烟道气相比， 正己烷降低稠油表面张力能力

明显。向烟道气中加入适量的正己烷，即可大幅度地

降低表面张力。

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(编辑 杨幼平)