二甲醚水驱提高稠油油藏采收率实验

㊀㊀收稿日期:20220723;改回日期:20230425
㊀㊀基金项目:大港油田科技攻关项目 CO 2对原油高压物性影响测试及物模驱油试验分析 (DGYT -2019-CL -515)
㊀㊀作者简介:张亮(1983 ),男,副教授㊁硕士生导师,2006年毕业于中国石油大学(华东)船舶与海洋工程专业,2011年毕业于该校石油工程专业,获博士学
位,现主要从事提高采收率与非常规油气开采㊁新能源开发与CO 2资源化利用㊁井筒流动安全及地面配套工艺研究㊂
DOI :10.3969/j.issn.1006-6535.2023.03.012
二甲醚水驱提高稠油油藏采收率实验
张㊀亮1,2,魏虎超3,张向峰4,史振鹏5,赵泽宗6,王晓燕7,章㊀杨7,杨红斌1,2
(1.中国石油大学(华东),山东㊀青岛㊀266580;2.非常规油气开发教育部重点实验室,山东㊀青岛㊀266580;3.中国石化西北油田分公司,新疆㊀乌鲁木齐㊀830011;4.中国石化胜利油田分公司,山东㊀东营㊀257000;
5.中国石化炼化工程(集团)股份有限公司,北京㊀100029;
6.中国石化中原油田分公司,河南㊀濮阳㊀457001;
7.中国石油大港油田分公司,天津㊀300270)
摘要:为研究二甲醚(DME )在稠油油藏开发中的增产机理,揭示其在油水两相中的传质规律及对稠油的溶胀降黏效果,选取大港油田某区块稠油油样,开展高温高压条件下PVT 和填砂管驱替实验㊂结果表明:DME 是一种良好的稠油降黏剂,易溶解于水,更易溶解于原油,在油水两相中具有较强的扩散作用;水可作为载体将DME 注入地下,并可通过添加乙醇或乙二醇来提高DME 的携带量;对于黏度较低的稠油,可在水驱基础上开展DME 水驱,增油效果显著,对于黏度较高无法形成有效驱替的稠油,可考虑采用水或CO 2作为载体进行DME 吞吐㊂研究结果对DME 在稠油开采中的应用具有重要指导意义㊂
关键词:二甲醚;稠油;溶胀降黏;溶解扩散;分配系数;开采机理;提高采收率中图分类号:TE345㊀㊀文献标识码:A ㊀㊀文章编号:1006-6535(2023)03-0097-09
Experiment of DME Water Flooding Enhanced Recovery of Heavy Oil Reservoirs
Zhang Liang 1,2,Wei Huchao 3,Zhang Xiangfeng 4,Shi Zhenpeng 5,Zhao Zezong 6,Wang Xiaoyan 7,Zhang Yang 7,Yang Hongbin 1,2
(1.China University of Petroleum (East China ),Qingdao ,Shandong 266580,China ;
2.Key Laboratory of Unconventional Oil and Gas Development ,Ministry of Education ,Qingdao ,Shandong 266580,China ;
3.Sinopec Northwest Oilfield Company ,Urumqi ,Xinjiang 830011,China ;
4.Sinopec Shengli Oilfield Company ,Dongying ,Shandong 257000,China ;
5.Sinopec Engineering (Group )Co.,Ltd.,Beijing 100029,China ;
6.Sinopec Zhongyuan Oilfield Company ,Puyang ,Henan 457001,China ;
7.PetroChina Dagang Oilfield Company ,Tianjin 300270,China )
Abstract :In order to study the stimulation mechanism of dimethyl ether (DME )in the development of heavy oil
reservoir ,reveal its mass transfer law in both oil and water phases and its swelling and viscosity reduction effect on
heavy oil ,a heavy oil sample from a certain block in Dagang Oilfield was selected to carry out PVT and sand -packed tube displacement experiments under high temperature and high pressure conditions.The results show that DME is a good viscosity reducer for heavy oil ,easily dissolved in water and more easily dissolved in crude oil ,and
has strong diffusion effect in both oil and water phases ;the water can be used as a carrier to inject DME into the subsurface ,and the carrying capacity of DME can be increased by adding ethanol or ethylene glycol ;for heavy oil with low viscosity ,the DME water flooding can be carried out on the basis of water flooding ,with significant oil in-crease effect ,while for heavy oil with high viscosity that cannot form effective drive For heavy oil with high viscosity that cannot form effective displacement ,the water or CO 2can be considered as a carrier for DME huff -n -puff.The study results are of great significance for the application of DME in the production of heavy oil.
Key words :DME ;heavy oil ;swelling and viscosity reduction ;dissolution and diffusion ;distribution coefficient ;production mechanism ;enhanced recovery
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㊀特种油气藏
第30卷㊀
0㊀引㊀言
二甲醚增强水驱(DEW)技术首次将二甲醚
(DME)作为一种新型水溶性溶剂用于油田开发[1]㊂DME 可混溶于大多数极性㊁非极性有机溶剂,也可加入少量助剂混溶于水[2-8]㊂近年来,国内外开展了关于稀油油藏DME 驱油的室内实验和数值模拟研究㊂高压物性方面,Chernetsky 等[1]开展了DME -轻质油PVT 实验,研究了DME 与盐水㊁原油混合后的相态变化及其在轻质油与盐水中的分配;Ratnakar 等
[9-11]
利用Peng -Robinson 状态
方程和Huron -Vidal 混合规则对DME -轻质油-水/盐水三相混合物的相态进行了模拟研究,发现DME 倾向溶解于油相,其在油水两相间的分配系数随盐度的增加而增大;Haddadnia 等[12]通过实验分别测定了DME㊁丙烷㊁丁烷与重质沥青混合后的高压物性,结果显示,DME 具有更大的溶解度和较强的降黏能力,在溶剂辅助开采工艺中具有替代LPG(液化石油气)的潜力㊂驱油机理方面,Cha-hardowli 等
[13]
通过渗吸实验发现,溶有DME 的地
层水具有良好的渗吸驱油作用,二甲醚-聚合物溶液(DMEP)驱比二甲醚-盐溶液(DMEB)驱效率更高;Javanmard 等[14]采用致密油岩心开展了DME 盐水驱替实验,发现DME 的主要增产机理是快速渗透及残余油溶胀,且不会伤害储层;Groot 等[15]建立了DEW 油藏数值模拟模型,开展了DME 驱油效果敏感性分析,发现DME 段塞尺寸㊁地层水矿化度和井距等参数是影响采收率的主要因素㊂但DME 在稠油油藏的应用与研究鲜见报道㊂因此,
选取大港油田某区块稠油油样,开展高温高压条件下PVT 和填砂管驱替实验,揭示DME 在稠油油藏油水两相中的传质规律,以及对稠油的溶胀降黏效果㊂研究成果对于稠油开采工艺改进和节能减排具有一定参考价值㊂
1㊀实验设备及方法
1.1㊀实验设备
采用高温高压PVT 实验装置和填砂管驱替实验装置分别进行DME -稠油-水混合体系高压物性测定和DME 水驱实验㊂不同DME 含量的原油黏度测量方法:利用中间容器从PVT 筒保压取出不
同DME 溶解量的原油混合体系,设置恒定流速进行驱替㊂通过压力传感器记录前后两端压力变化,当两端压差稳定后,根据细管两端流动压差,利用流体力学方程求取测试流体黏度[16-23]:
μ=Δp πd 4
128QL
,(Re <100,层流)(1)
式中:μ为流体黏度,Pa ㊃s;Δp 为细管前后端压差,Pa;d 为细管内径,m;L 为细管长度,m;Q 为流量,m 3/s;Re 为雷诺数㊂1.2㊀实验材料
实验材料主要包括大港油田某区块的脱水稠
油(常压㊁50.0ħ下,原油密度为0.9737g /cm 3,
黏度为5975.0mPa㊃s)㊁煤油㊁蒸馏水㊁NaCl㊁乙醇㊁乙二醇㊁纯度为99%DME(烟台得一气体有限公司提供)㊁聚合物(聚丙烯酰胺,相对分子质量为
1000ˑ104)㊂
1.3㊀实验步骤
(1)DME 密度测定:①检查PVT 实验装置密
封性;②垂直放置PVT 筒,将筒内活塞退至底部,抽真空,注入一定量的DME;③将PVT 筒加热至参考温度(第1次参考温度为参考文献[24]的温度,第2次为计算得出的温度),推动活塞,提高PVT 筒压力至参考压力(第1次参考压力为参考文献[24]的压力,第2次为计算得出的压力),根据参考条件下DME 密度,计算出PVT 筒内DME 质量;
④改变温度㊁压力条件,记录PVT 筒内体积,计算DME 在不同条件下的密度[24-25]㊂
(2)DME 在水中溶解度测定:①检查PVT 实
验装置密封性;②垂直放置PVT 筒,将筒内活塞退至底部,加入一定量水,抽真空,并加热至设定温度;③向PVT 筒中注入一定量DME,推动活塞,减小筒内体积,记录筒内压力-体积关系;④向PVT 筒中反复加入5~7次DME,重复步骤③;⑤结束实验,绘制DME 溶解量与泡点压力关系曲线㊂
(3)DME 在水中扩散系数测定:①检查PVT
实验装置密封性;②垂直放置PVT 筒,将筒内活塞退至底部,加入一定量蒸馏水,抽真空,并加热至设定温度;③向PVT 筒中注入一定量DME,关闭阀门并快速推动活塞至设定压力,记录筒内压降过程;④结束实验,根据压降与扩散系数关系方程[26-27],
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张㊀亮等:二甲醚水驱提高稠油油藏采收率实验
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计算不同条件下DME 在水中的扩散系数㊂
(4)DME 在稠油中溶胀降黏参数测定:与
DME 在水中溶解度测定方法类似,区别在于在PVT 筒中注入的是稠油,但在第③步结束时,还需在油藏压力条件下取油样,采用高压盘管测定原油黏度㊂DME 黏度小,采用盘管测试黏度误差较大,因此,采用Yaws 模型[28]计算DME 的液相黏度㊂
(5)DME 在稠油中扩散系数测定:与DME 在水中扩散系数测定方法类似,区别在于在PVT 筒中注入的是稠油㊂
(6)DME 水驱提高采收率实验:①连接驱替
实验装置并检查密封性;②填砂管填砂,抽真空饱和水,测孔隙度和渗透率;③向填砂管饱和稠油,在油藏温度压力下老化12h;④开泵以0.2mL /min
的速度先后进行水驱㊁DME 水驱或聚合物驱,记录产油量㊁产水量和驱替压差;⑤结束实验,计算不同驱替方式采收率㊂
1.4㊀实验方案
参考油样油藏条件(温度为56.6ħ,压力为
12.22MPa),考虑DME 易发生相态变化,采用测
泡点压力拐点的方式来测定气态DME 在油水中的溶解度,高压液态DME 在油水中的溶解度采用流体相态软件进行拟合预测㊂此外,由于稠油油样的黏度较高,地层渗透率较小(120mD),填砂管内难
以形成有效驱替,因此,将稠油与煤油按照质量比
9ʒ1比例混合降黏后再进行驱替实验,混合后稠油黏度为750mPa㊃s㊂具体实验方案见表1㊂
表1㊀DME -稠油-水高压物性实验方案
2㊀实验结果及分析
2.1㊀DME 的基本物性
DME 的饱和蒸气压㊁黏度及密度曲线如图1
所示㊂由图1可知:DME 的临界温度为127.2
临界压力为5.40MPa,气态DME 饱和蒸气压较
低,增压后易液化㊂DME 的液相黏度随压力升高和温度降低呈线性增加,当压力为5.00~50.00
MPa㊁温度为0.0~80.0ħ时,DME 黏度略小于水,为0.1~0.3mPa㊃s㊂当压力小于0.80MPa 时,图1㊀DME 的饱和蒸气压、密度和黏度曲线
Fig.1㊀The saturated vapor pressure,density and viscosity curves of DME
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特种油气藏
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压力大于2.00MPa 时,DME 为液态,随温度升高,DME 密度呈线性降低,密度最高可达0.6840g /
cm 3,所得密度值与文献[25]中测试结果基本一致;当压力为0.80~2.00MPa 时,随着温度升高并穿过DME 饱和蒸气压曲线,PVT 筒内DME 呈气液两相状态,导致测定的密度产生波动,发生非线性变化㊂
2.2㊀DME 在水中的溶解及扩散特性2.2.1㊀DME 在水中的溶解度
(1)温度和压力的影响㊂不同温度㊁压力下气
态DME 在纯水中的溶解度(摩尔分数,下同)如图
2所示㊂由图2可知:气态DME 在纯水中的溶解度随压力升高而升高,呈良好指数关系,数据与文献[9]中测定结果相近;气态DME 在纯水中的溶解度随温度升高,先快速下降后趋于稳定㊂气态DME 在纯水中的溶解度受温度和压力的影响较为敏感㊂与其他常见气体相比,如CO 2,DME 更易溶解于水中
㊂
图2㊀DME 在纯水中溶解度曲线
㊀㊀(2)添加剂的影响㊂实验温度为油藏温度56.6ħ,分析不同添加剂对DME 在水/盐水中溶
解度的影响(图3)㊂①添加剂为NaCl㊂NaCl 对低压气态DME 在水中溶解度的影响如图3a 所示㊂由图3a 可知:纯水中添加NaCl 会明显降低DME 的溶解度,随盐度增大,降低幅度逐渐趋于平缓;压力为0.80MPa 时,盐水的质量分数由0增加至
10%,DME 溶解度从6.8%降至3.0%,当盐水的质量分数进一步升至20%时,溶解度继续下降为
2.4%,下降幅度明显减小㊂②添加剂为乙醇㊂乙醇对低压气态DME 在盐水(质量分数为10%)中溶解度的影响如图3b 所示㊂由图3b 可知:乙醇可提高DME 在盐水中溶解度,压力为0.75MPa 时,向盐水中分别添加质量分数为10%~20%乙醇,溶解度从2.5%提高至12.0%~16.0%;但随着乙醇质量分数的不断增加,DME 溶解度表现为先增大后减小,乙醇质量分数从10%提高至20%,DME 溶解度从16.0%降至12.0%,分析原因可能是由于乙醇含量达到极限后,再继续添加乙醇,只会增加溶液体系总物质的量,而DME 溶解量保持不变,导致DME 溶解度下降㊂③添加剂为乙二醇㊂乙二醇对低压气态DME 在盐水(质量分数为10%)中溶解度的影响如图3c 所示㊂由图3b㊁c 可知:乙二醇与乙醇对DME 在盐水中溶解度的影响规律基本相同;乙醇的增溶效果优于乙二醇,前者增溶效果约为后者2倍,乙醇极性更接近DME㊂总体上,在油藏温度为56.6ħ条件下,不同添加剂对低压气态
DME 在水中溶解度的促进作用依次为乙醇㊁乙二醇,而NaCl 起抑制作用㊂
(3)相态的影响㊂基于实验测得DME 在不同
质量分数盐水(盐水质量分数分别为0㊁10%㊁20%)
图3㊀不同添加剂对DME 在水中溶解度的影响曲线
Fig.3㊀The influence curve of different additives on the solubility of DME in water
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张㊀亮等:二甲醚水驱提高稠油油藏采收率实验
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中的溶解度,采用PVT 模型拟合DME 在水中的溶解度,结果如图4所示㊂由图4可知:在油藏温度为56.6ħ条件下,随着压力升高,气态DME 在水
中溶解度先快速升高,当压力超过DME 饱和蒸气压(DME 呈现为液态)时,压力对液态DME 分子间的运动影响变弱,DME 在盐水中的溶解度随压力升高增加缓慢
㊂
图4㊀相态对DME 水中溶解度的影响
Fig.4㊀
2.2.2㊀DME 在水中的扩散系数
采用Zhang 等[26-27]基于菲克定律及物质守恒
方程建立的压降与时间对数关系式,计算DME 在油/水中的扩散系数㊂为便于处理实验数据,假定DME 向油/水中扩散过程中始终保持恒温,DME 与油/水界面稳定,且界面上DME 物质的量浓度始终为平衡浓度,忽略DME 溶解引起油/水黏度变化对扩散系数的影响㊂扩散系数计算方程如下:
ln p (t )-p eq []=ln 8BZ 0C eq (p )π2éëêêùû
úú-π2
D AB
4Z 20
t (2)式中:C eq (p )为压力平衡时油/水中DME 物质的量浓度,mol /cm 3;D AB 为扩散系数,m 2/s;Z 0为PVT 筒中油的高度,cm;p (t )为t 时刻PVT 筒内的压力,kPa;p eq 为平衡时的压力,kPa;t 为溶解扩散时间,s;B 为常数㊂
首先测试不同初始压力及温度下DME 向纯水中溶解扩散的压降曲线(图5a);对实验数据进行处理,作ln[p (t )-p eq ]与t 的关系曲线(图5b),拟
合得到曲线斜率k ,进而计算得到不同条件下DME 在油/水中的扩散系数(图6)㊂
图5㊀DME 在水中溶解压降曲线及对数拟合曲线
Fig.5㊀The dissolution pressure drop curve and logarithmic fitting curve of DME in water
㊀㊀当温度为56.6ħ,不同初始压力条件下,DME
在纯水中的扩散系数如图6a 所示㊂由图6a 可知:DME 在水中的扩散系数随压力增加而小幅增大,呈正相关性,压力从1.06MPa 提高至12.50MPa,扩
散系数仅从2.65ˑ10-9m 2/s 提高至3.01ˑ10-9m 2/s㊂因此,压力对DME 在水中扩散系数影响较小,这与DME 的相态特征和在水中的溶解度有关㊂不同温度下DME 在纯水中的扩散系数如图6b 所示㊂由图6b 可知:温度对DME 在水中的扩散系数影响较
大㊂这是由于温度升高会加剧DME 在水中的分子运动,降低水的黏度,使得DME 在水中的传质过程加速,即扩散系数增大㊂
2.3㊀DME 在稠油中的溶胀降黏及扩散特性2.
3.1㊀DME 对稠油的溶胀降黏效果
实验测得在温度为56.6ħ㊁不同压力下气态
DME 在原油中的溶解量(图7a)㊂由图7a 可知:气态DME 在稠油中的溶解量随泡点压力增大而增
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特种油气藏
第30卷㊀
大,两者呈良好的指数关系㊂说明DME 与原油互溶效果良好,稍提高压力即可使大量DME 快速溶
解于原油,其油溶性明显强于其水溶性㊂
根据PVT 筒内物质的质量和体积,
计算得到泡
图6㊀DME 在纯水中的扩散系数
Fig.6㊀The diffusion coefficient of DME in pure water
点压力和地层压力下不同DME 溶解量时的原油体积膨胀系数和密度(图7b㊁c)㊂由图7b㊁c 可知:
DME 在原油中的溶解量与原油体积正相关,与原油密度负相关;当DME 溶解量为205.89m 3/t 时
(泡点压力为1.55MPa),原油体积膨胀系数达到
1.663,原油密度下降至0.833g /cm 3;相同DME 溶
解量下,当体系压力增至地层压力12.22MPa,原
油的膨胀系数下降6.79%,原油密度增加8.04%㊂总体上,DME 对原油的溶胀效果较好㊂
测定地层条件下(温度为56.6ħ㊁压力为
12.22MPa)不同DME 溶解量时的稠油黏度,并计
算降黏率,结果如图7d 所示㊂由图7d 可知:随着稠油中DME 溶解量增加,原油黏度逐渐降低,下降幅度呈先快速后减缓趋势;DME 溶解量为71.62
m 3/t 时,达到稠油黏度拐点,此时降黏率已达
99.56%㊂因此,添加少量DME 即可实现稠油大幅降黏,与常用气体CO 2相比,DME 对稠油的降黏效果更好
㊂
图7㊀DME 对原油的溶胀降黏效果
Fig.7㊀The swelling and viscosity reduction effect of DME on crude oil
2.3.2㊀DME 在稠油中的扩散系数
通过测得油藏温度56.6ħ㊁不同压力下DME
在稠油中的压降曲线,计算得到DME 在稠油中的
扩散系数(图8)㊂由图8可知:DME 在原油中的扩散系数随压力升高呈线性增加,扩散系数约是水中的1.0~2.5倍,且受压力影响更大㊂
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图8㊀温度56.6Fig.8㊀The diffusion coefficient of DME
in heavy oil at temperature 56.6ħand different pressures
2.4㊀DME 在油水两相中的分配系数
DME 在油水两相中的分配系数定义为DME
在油相中的摩尔分数与其在水相中的摩尔分数的比
值[9]㊂采用PVT 模型计算得到DME -稠油-水三相体系中DME 在油水两相中的溶解度(图9a)㊂
由图9a 可知:DME 在盐水中的溶解度随压力的变化规律与前文一致,在稠油中的溶解度随着压力的升高先升高后降低,其中,溶解度升高阶段对应气态DME,下降阶段对应液态DME㊂液态DME 的萃取能力较强,使得油相中少量原油和部分溶解的DME 重新回到DME 液相体系中㊂
根据DME 在油水两相中的摩尔分数,计算得
到DME 在油水两相中的分配系数(图9b)㊂由图9b 可知:DME 的油水两相分配系数呈先上升后下降趋势,且始终大于3.58;随着盐度提高,分配系数大幅提高㊂说明DME 进入油水两相体系,更倾向溶解于原油,盐度的增加可使水中DME 溶解量大幅下降
㊂
图9㊀DME 在油水中的溶解度及分配系数
Fig.9㊀The solubility and distribution coefficient of DME in oil and water
2.5㊀DME 水驱提高采收率
稠油油藏先水驱再进行DME 水驱或聚合物驱的实验结果如图10a 所示㊂由图10a 可知:DME
水驱具有显著的增油效果,持续水驱的采收率为
26.88%,水驱基础上继续进行聚合物驱及DME 水驱的最终采收率分别为44.93%和50.6%,比水驱分别提高18.05个百分点和23.72个百分点㊂
聚合
图10㊀提高采收率实验曲线
Fig.10㊀The curve of enhanced recovery experiment
㊀104㊀
特种油气藏
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物驱的主要增产机理为改善油水流度比,扩大波及体积,而DME 与稠油互溶性好,能有效降低稠油黏度,不仅能改善油水流度比,还可降低残余油饱和度,能有效提高稠油最终采收率㊂先水驱后进行不
同摩尔分数DME 水驱的实验结果如图10b 所示㊂由图10b 可知:不同摩尔分数DME 水驱的增油效果不同,当水中DME 摩尔分数分别为0.62%㊁
1.23%㊁3.62%时,最终采收率分别为38.24%㊁45.72%㊁48.75%,即随着水中DME 摩尔分数的增加,DME 水驱增油效果逐渐趋于稳定㊂因此,DME 水驱存在最优摩尔分数值㊂但对于黏度较大的稠油油藏,可以考虑先采用水或CO 2作为DME 的载体进行单井吞吐,待注采井间连通后再转为DME 水驱㊂
3　结㊀论
(1)DME 溶于水,更易溶于原油,在油水两相
中均具有较强的扩散作用,为一种良好的稠油降黏剂㊂气态DME 在油水两相中的溶解度随压力升高而升高,转为液态后,在水相中的溶解度增长缓慢,而在油相中的溶解度有所降低㊂
(2)不同添加剂对DME 在水中的溶解量有较大影响㊂其中,NaCl 有抑制作用,乙醇㊁乙二醇具有促进作用,乙醇增溶效果好于乙二醇㊂
(3)DME 对稠油具有良好的溶胀降黏效果㊂
在温度为56.6ħ㊁压力为12.22MPa 条件下,DME
溶解量为71.62m 3
/t 时,稠油降黏率即可达到99.56%;DME 溶解量为205.89m 3
/t 时,稠油膨胀
系数可以达到1.556㊂
(4)DME 水驱具有显著的增油效果,提高采
收率幅度高于聚合物驱㊂对于黏度较低的稠油油藏,DME 水驱可比普通水驱提高采收率23.72百分点,存在最优摩尔分数值㊂对于黏度相对较大的稠油油藏,可以考虑先采用水或CO 2作为DME 的载体进行单井吞吐,等注采井间连通后再转为DME 水驱㊂
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编辑㊀姜广义。