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在混相驱过程中，通常没有残余饱和度[2]。
在这种情况下，溶剂混相驱展现出了一种很有潜力的稠油采收方式。
然而，混相驱的主要挑战在于如何让易混相溶剂接触到更多的有价值的残余油区域。
在溶剂型EOR技术方面，有多种不同的机理影响原油的采收率，假设有如下主要影响机理：
传质，粘性力，重力。
溶剂通过扩散或弥散进入稠油，降低稠油粘度。
溶剂—原油混合物被驱出，通过生产井采出。
在这份研究所展示的实验中，研究人员通过观察烃类溶剂混相驱替稠油过程，重点研究在混相驱替过程中的传质现象。
背景
尽管非混相二次采油方法得以成功应用，但是可能会因为毛管力的存在而致使大量原油滞留储层无法采出，毛管力制约了原油的流动。
理论上，因为混相减小了毛管力，因此普遍认为混相驱方法是很有效的。
在无毛管力的情况下，混相流体的不同成分之间没有界面存在。
相反，一个混相区域形成了，就相当于该区域的地层流体由一种纯流体变为了另一种纯流体。
流体的组成由混合过程决定，该过程通过分子扩散和对流弥散起作用。
当驱替流体完全驱替出地层流体后，就达到了平衡状态。
在这一过程中，残余饱和度的概念并不适用。
大部分的混相驱替测试中，驱替液（溶剂）粘度低于原油粘度，结果使得驱替前缘不稳定并发生驱替液刺入原油的粘性指进现象，使得溶剂过早突破含油区，降低了驱替效率[3]。
以往研究沙体中的纵向弥散的学者，他们的研究过程通常是用一种流体充满一个压实的岩心，然后用另一种流体驱替该流体，最后测量岩心尾部采出物的流体组成。
Brigham[4]在1961年运用这种类型的实验数据得出了一种确定弥散系数的方法。
即：
……………………
（1）
式中V—注入体积，cm3；
Vp—总孔隙体积，cm3。
在数学坐标上标出函数
与驱替液在采出流体中的比例C/C0的坐标点，如图1所示，弥散系数能够用方程
（2）计算出来。
图1确定纵向弥散系数的典型概率坐标
K
=
L（
）
………………………
（2）
式中Kl—总纵向弥散系数，cm2/s；
v—平均速度，cm/s；
L—岩心长度，cm。
90和
10是当驱替液占采出流体比例分别为90%和10%时用方程
（1）计算出来的数值。
当被驱替相与驱替相的流度比降至一致时，弥散增强。
用流度比M表示：
M=
…………………………（3）
式中：
（kr）d和（kr）r是相对渗透率。
μd，μr分别为驱替相和残余相粘度。
对于混相驱，经常降低相对渗透率项。
流度比可以简化为：
M=
………………………（4）
当M＜1时，认为是理想流度比，驱替过程与统一流度比很接近。
当M＞1时，认为是不理想流度比，驱替前缘的不平衡将会导致粘性指进或窜槽，窜槽使得驱替本质改变。
即使1.002这样细微的不理想M值，采出流体的浓度也可能偏离理论上预测的误差函数，导致非线形坐标点的产生。
粘性指进的存在改变了驱替本质，导致孔隙介质的大部分没有被驱替流体扫过。
然而在混相驱的情况下，指进的形成也产生了横向浓度梯度，导致横向弥散和分子扩散，这反过来使得指进减弱，平衡驱替前缘。
因此，粘性指进在混相驱和非混相驱中产生了不同的驱替结果。
多数情况下，驱替流体与被驱替流体的密度和粘度通常不相等。
在指进情况下，界面的流动阻力更小，以致发生指进。
因此，在重油开采过程中，重油粘度比驱替流体高几千倍，“指进”经常发生，造成不稳定驱替。
在孔隙介质中流动的流体的弥散由流动方向的分子扩散，横向分子扩散（由速度剖面造成），不同速度的混合机理（由复杂的孔隙结构造成）共同决定的。
通常，孔隙介质中的弥散系数是取决于地层流体速度场多样性和孔隙介质特性的第二感应参数。
速度多样性不易测量，因此，通常把弥散系数与一些更易测量的参数相关联，例如，视线性流速和孔隙介质的特征长度（如颗粒直径，介质长度等）。
实验上，已经观察到纵向弥散比横向弥散更大[5,6]。
表述多孔介质中的弥散取决于流速的一般方程可写成如下形式：
………………………（5）
式中D—多孔介质的弥散系数，cm2/s；
Do—分子扩散系数，cm2/s；
D′o—多孔介质中的视分子扩散系数,，cm2/s；
—常数；
—多孔介质非均质程度；
v—视线性流速，cm/s；
dp—平均颗粒直径,cm；
m—流态特征数；
—0.5（纵向弥散）；
0.016（横向弥散）；
—3.5（疏松的随机颗粒筒）；
1.0（疏松的等粒颗粒筒）。
在饱和停滞流体的多孔介质中，分子扩散沿着弯曲的孔道进行，因此，扩散质经过的真实距离比多孔介质的长度更长，多孔介质中的视分子扩散系数小于真实分子扩散系数。
………………………（6）
Brigham提出了一个更加精确和更易理解的方法。
该方法得出，多孔介质中的扩散和电导率之间有如方程（7）所示的关系。
………………………（7）
式中F—地层电阻率因数；
—空隙度。
F通常比1大，测量孔隙结构对岩样电阻的影响。
对于均质等粒砂岩：
F=
………………………（8）
混相驱的目的是利用烃类溶剂（气态或液态）混相驱替出原油。
注入溶剂的密度和粘度均比原油小。
粘度比会不理想。
但是如果溶剂从岩样下面注入，则驱替将会有重力平衡。
溶剂驱实验
本实验运用的模型为一个钢制套筒，直径为38mm，长为228mm，填满沙粒（平均颗粒直径：
0.60mm）将套筒固定在岩心夹持器上，用氮气进行加压。
装沙过程中加入甲醇确保压实。
然后，流过套筒的氮气把甲醇蒸发带走。
运用足量的CO2驱替氮气。
将沙体置于真空中，然后饱和浓度为2%的NaCl盐水。
后者用重油代替。
沙体即可注溶剂驱替。
用一台ISCO以一定的流速注入溶剂。
实验过程中，注入端的压力由一台容量为172KPa的变换器控制。
随时采集原油和溶剂的混合物，并测定各组分浓度。
运用核磁共振技术和常规密度测量方法分析采出流体。
溶剂驱替实验简易流程图如图2所示。
在此实验中，为了比较重力和粘性力的相对重要性，沙体可以横向或纵向放置。
图2垂向溶剂驱替实验流程图
已经证明，对于不同的烃类溶剂，扩散系数不为常数[10]。
因此本次研究提供了对重油溶剂驱的影响的实验探究，例如，运用不同溶剂的影响，溶剂注入速度的影响，重力的影响。
NMR校准曲线：
开始实验之前，准备好已知比例的沥青—溶剂混合物。
Coates[11]提供了NMR原理的详细解释，Wen[12]提供了绘制这些沥青—溶剂校准曲线的实验基础。
在沥青—溶剂混合物中的沥青比例与Ln
有关，如图3中所示：
RMN：
相对氢指数；
T
：
几何平均弛豫时间。
图3沥青—辛烷和沥青—戊烷的NMR校准
在此溶剂驱替实验中，定期采集采出流体样品，用NMR张弛测量仪进行测量。
然后，通过运用图3中的相关性关系可知，溶剂—沥青与原油采收率均能表示成溶剂注入量的函数。
密度校准曲线：
为了准确，同时作为核磁共振测量的补充，我们也会用Brookfield密度计测量沥青—辛烷混合物的密度。
从图4可以看出，混合物密度与沥青含量有关系。
图4沥青—辛烷混合物的密度校准
测量采出流体的NMR光谱后，在测量采出流体的密度。
利用图4中所显示的关系，计算出采出流体中沥青的含量，与运用NMR校准获得的结果进行比较。
重油性质：
实验中所用的原油密度为0.978g/cm3（25℃时）。
图5中列出了不同温度下的原油粘度。
图5不同温度下的原油粘度
从图5中可以看出，原油的粘度随温度上升而明显下降。
Wen[12]研究得出，在向重油中添加烃类溶剂后，原油粘度也出现了类似的明显下降。
本研究中所有实验使用的是同种原油。
这样，我们就能研究同一粘度的原油受不同的驱替参数和不同溶剂的影响。
实验总结
对于类似的实验条件，所有实验中运用同一模型和沙体—重油体系，且加载压力均相等。
表1中列出了不同实验的沙体性质。
表2中列出了该研究中各实验的设置，包括烃类溶剂，沙体方位，溶剂注如速率。
表1沙体性质
实验号
沙体性质
孔隙体积，
cm3
孔隙度，
%
气测渗透率，D
液测渗透率，D
1
112.62
43.22
10.17
7.98
2
115.83
43.79
9.52
7.78
3
110.75
42.47
13.18
11.63
4
100.96
38.17
12.34
9.43
表2实验条件总括
溶剂类型
岩心方位
溶剂注入速度
cm3/hr
辛烷
水平
2.0
垂直
1.0
戊烷
对于该研究所提到的辛烷—沥青系统和戊烷—沥青系统，流度比远大于1。
因此，不稳定驱替经常发生。
结果和讨论
用辛烷作为驱替溶剂的1号溶剂驱实验结果如图6所示。
用NMR和密度关系计算的采出沥青含量均表示成与辛烷注入孔隙体积的函数。
两种方法所得结果极其相近，证明NMR是一种测量采出流体中原油和溶剂浓度的可靠工具。
图6辛烷在2.0cm3/hr的水平注入速度下，运用NMR和密度
校准法得到的沥青含量
在图7中，对实验2和实验3中采出原油含量进行比较。
两个实验都是垂直进行的，但辛烷的注入速度不同。
图7中的研究结果显示，较低的溶剂注入速度会产生更高的原油采收率。
在较低的溶剂注入速度，较低的注入溶剂孔隙体积下，能持续获得相同的原油采出含量。
因为重力作用有助于平衡指进的发展，较低的溶剂注入速度能产生更稳定的驱替前缘。
这样，在较低的流速下，溶剂有足够的时间进行横向扩散，使其在每个孔隙中的浓度更均匀，从而降低原油粘度，溶剂流会携带出更多的混合流体。
图7采出原油含量与不同注入速度下的辛烷注入体积关系
在图8中，对实验1和实验2（水平流与垂直流）的采出原油含量进行了对比。
两实验中的注入速度相同，烃类溶剂也相同，实验揭示了流动方向的影响。
水平情形和垂直情形相比，我们从图8中得出的很重要的结论是，为了获得相同的原油采收率，水平情形需要更多的溶剂体积，这意味着，对于高粘原油，通常认为粘度起主要作用，但重力在溶剂驱过程中仍扮演极其关键的角色。
在实际油藏中，有些油藏的垂向距离比本研究中的沙体更大，重力作用会更重要。
该研究结果对油田工作者设计重油溶剂驱替方案十分有用。
图8辛烷在2cm3/hr的注入速度下，水平驱和垂直驱所
得沥青采出含量
在图9中，我们对实验1和实验2中采出的溶剂—原油比进行比较。
相同溶剂注入速度下，图10显示了溶剂类型对采收率的影响。
可以看出，使用较小的戊烷注如入量能够产生更快的原油采收速度，这是因为戊烷比辛烷的扩散系数更高，戊烷的传质更快。
用戊烷时的原油采出含量比用辛烷高。
尽管戊烷的的粘度稍微低一些（即使用戊烷的流度比使用比辛烷更差），原油采出量却更高。
这意味着，即使是在高粘系统里面，传质效应也很重要。
图9水平和垂直辛烷驱溶剂与原油的质量比
图10实验2和实验4中，原油采出含量与注入溶剂体积的关系
实验期间，要严格控制注入端压力。
如图11所示，在突破前，所有实验的压力增长趋势相近。
突破后，压力急剧下降，在后面部分，压力几乎为一常数。
图中的压力剖面显示，较高的注入流速会在沙体中产生更高的压力。
也能证明，低分子量溶剂能较早突破沙体。
图11溶剂驱替实验2，3，4的压力剖面
图12和图13的数学坐标中标出了溶剂驱实验1和实验2的坐标点。
图中数据不符合线性流条件，不能用方程
（2）计算弥散系数。
图12溶剂驱实验1的结果
图13溶剂驱实验2的结果
把溶剂驱实验3和实验4的结果表示在数学坐标上，我们也得到了类似的结果，所有的流态都是非线性流。
正如前面所提到的那样，流度比发生很小的偏离，采出流体浓度可能不符合误差方程，产生非线性的数学坐标点。
运用方程（4），我们发现，烃类溶剂——稠油系统的流度比大概在1.01E5左右。
我们运用方程（5）去计算纵向和横向弥散，D值为3.5。
运用方程（6）和方程（7）的不同模型，视扩散系数与分子扩散有关，用两种模型计算的弥散系数结果分别如表3和表4所示：
表3溶剂驱替实验1-4的弥散系数（用方程6计算）
驱替实验
纵向弥散，
cm2/s
横向弥散，
12.67E-06
1.48E-06
12.53E-06
1.47E-06
6.99E-06
1.30E-06
17.36E-06
4.64E-06
表4溶剂驱替实验1-4的弥散系数（用方程7计算）
12.2E-06
1.05E-06
12.1E-06
6.55E-06
0.85E-06
15.4E-06
2.69E-06
运用扭曲模型（方程6）和电阻率因素模型（方程7）所计算的弥散系数与引用文献[11,14,15]中扩散系数的结果均一致。
这个结论很重要，表明混相溶剂驱替过程中，传质过程中发生的扩散作用和弥散作用都很重要。
在其他因素相同的情况下，水平体系中的弥散比垂直体系中更强。
垂直系统中的效率更高，表明与传质效应相比，重力作用也很重要。
对于同一溶剂，较低流速下的弥散系数更高。
这表明对流对扩散有重要影响：
在较低流速下的传质效果更好。
最后，低分子量烷烃溶剂的弥散系数更高些，这也是实际扩散系数计算中已经得出的结论。
结论
1．垂直溶剂驱替比水平驱替更有效。
垂直驱替中，获得相同的原油采出量所需要的注入溶剂更少。
这意味着，即使对于高粘稠油油藏，重力作用仍是很重要的影响因素。
2．溶剂分子量越轻，溶剂驱替效率越高，即获得相同数量的原油所需要的溶剂体积越小。
这与低分子量溶剂分子的扩散系数更高有关。
3．溶剂注入流速越高，在沙体体系中产生的压力越高。
4．窜槽以后，压力降至一常数（接近为零）。
5．由于在数学坐标上得到的是非线性数据，弥散系数不能由数学坐标资料计算得出。
6．用速度依耐性型模型计算的多孔介质中的弥散系数与引用文献中的扩散系数基本一致。
这个结果表明，在混相驱过程中，扩散和弥散都很重要。
7．运用扭曲度或电阻率假设条件计算的视扩散系数和弥散系数一样大。
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