程海清，趙慶輝，劉寶良，吳 拓，彭 旭

(中油遼河油田公司，遼寧 盤錦 124010)

超稠油燃燒基礎(chǔ)參數(shù)特征研究

程海清，趙慶輝，劉寶良，吳 拓，彭 旭

(中油遼河油田公司，遼寧 盤錦 124010)

針對超稠油油藏開展火燒油層技術(shù)可行性研究的需要，利用自行設(shè)計(jì)研制的火燒油層物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置，分別采用超稠油、特稠油、普通稠油開展了火燒油層燃燒基礎(chǔ)參數(shù)物理模擬實(shí)驗(yàn)。對比了不同類型稠油門檻溫度、燃料消耗量等燃燒基礎(chǔ)參數(shù)，結(jié)合產(chǎn)出油組分及溫度場發(fā)育特征，分析了超稠油燃燒基礎(chǔ)參數(shù)特征。研究認(rèn)為，超稠油油藏開展火燒油層試驗(yàn)是可行的，超稠油門檻溫度、燃料消耗量等燃燒基礎(chǔ)參數(shù)值均高于其他類型稠油;稠油火燒油層的驅(qū)油效率與黏度相關(guān)，黏度越大其燃料消耗量越大，其最終的驅(qū)油效率相對較低;火燒后原油性質(zhì)發(fā)生了明顯改善。

超稠油;火燒油層;燃燒基礎(chǔ)參數(shù);物理模擬

引言

火燒油層是一種大幅度提高原油采收率的重要熱采技術(shù)［1－3］，具有油藏適應(yīng)范圍廣、物源充足、成本低、采收率高的特點(diǎn)?；馃蛯拥尿?qū)油效果與地層、原油性質(zhì)，注空氣的通風(fēng)強(qiáng)度，點(diǎn)火溫度和燃燒溫度等因素都有密切的聯(lián)系，因此在決定對某油藏實(shí)施火燒油層現(xiàn)場試驗(yàn)之前，有必要開展原油的燃燒基礎(chǔ)參數(shù)測定實(shí)驗(yàn)［4－8］，認(rèn)識原油的燃燒基礎(chǔ)參數(shù)特征，為現(xiàn)場試驗(yàn)提供技術(shù)支持，降低現(xiàn)場試驗(yàn)的成本與風(fēng)險。目前，火燒油層的篩選標(biāo)準(zhǔn)面向的是普通稠油、部分特稠油油藏，而火燒油層技術(shù)在超稠油油藏是否可行，超稠油燃燒基礎(chǔ)參數(shù)有何特征等問題亟待解決，為此，結(jié)合國內(nèi)外火燒油層物理模擬研究的現(xiàn)狀，采用自行設(shè)計(jì)研制的火燒油層物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置［9－10］，針對超稠油燃燒基礎(chǔ)參數(shù)進(jìn)行了深入分析研究。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

火燒油層物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括5部分:注氣系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、模型本體、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、產(chǎn)液氣分離及回收系統(tǒng)(圖1)。模型本體具有旋轉(zhuǎn)功能，可開展不同地層條件下的干式和濕式火燒油層模擬實(shí)驗(yàn)。在軸向上分布3層溫度傳感器共39支，各個測溫點(diǎn)軸向間距為32 mm。其中在靠近模擬注氣井一側(cè)插入電加熱棒，與調(diào)壓器、電源等相連構(gòu)成點(diǎn)火系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)過程中通過點(diǎn)火系統(tǒng)來控制點(diǎn)火溫度。注氣系統(tǒng)由空氣壓縮機(jī)、干燥器、流量計(jì)等設(shè)備組成，可以滿足實(shí)驗(yàn)過程中對注氣強(qiáng)度調(diào)整的需要，并且實(shí)現(xiàn)對注氣速率進(jìn)行精確計(jì)量與控制。熱電偶、數(shù)據(jù)采集板與計(jì)算機(jī)組成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以對實(shí)驗(yàn)過程中各個測溫點(diǎn)溫度變化情況實(shí)時顯示并自動記錄。

1.2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備及方法

為了深入認(rèn)識超稠油的燃燒基礎(chǔ)參數(shù)特征，分別選擇具有代表性的超稠油、特稠油、普通稠油作為實(shí)驗(yàn)用油，實(shí)驗(yàn)用砂采用顆粒粒徑與油層相近、能反映地下儲層巖心物性特征的石英砂，將選用的原油與石英砂按一定比例混合配制，得到具有相同含油飽和度的人工油砂，其初始含油飽和度為56%。

火燒實(shí)驗(yàn)步驟如下:①將配制好的油砂裝入模型內(nèi);②模型封蓋，并測試氣密性;③調(diào)試溫度采集系統(tǒng)并建立初始溫度場;④啟動點(diǎn)火系統(tǒng)和注氣系統(tǒng)，設(shè)計(jì)點(diǎn)火溫度為500℃，進(jìn)行火燒油層物理模擬實(shí)驗(yàn);⑤燃燒結(jié)束后仍繼續(xù)通風(fēng)，使模型本體的溫度降至室溫;⑥拆開模型，觀察燃燒情況。

圖1 火燒油層一維物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 燃燒穩(wěn)定性評價

(1)溫度場特征。在相同的通風(fēng)強(qiáng)度、點(diǎn)火溫度條件下，針對不同類型的稠油，開展了多組火燒油層燃燒基礎(chǔ)參數(shù)測試實(shí)驗(yàn)，通過監(jiān)測實(shí)驗(yàn)過程中溫度場變化，發(fā)現(xiàn)不同類型稠油的火線形成、拓展特征類似，具體見圖2。圖2中紅色區(qū)域?yàn)楦邷貐^(qū)

圖2 火線形成與拓展溫度場

域，即火線，火線首先形成于注氣井處，在火線處主要發(fā)生劇烈的高溫氧化反應(yīng)，放出大量的熱量，保證了火線穩(wěn)定地向前拓展，在拓展過程中，火線向上方拓展的趨勢明顯，這主要是由于受重力影響，氣體在模型上部推進(jìn)較快，使燃燒產(chǎn)生了超覆現(xiàn)象。

(2)尾氣組分。實(shí)驗(yàn)過程中，采用煙氣分析儀實(shí)時監(jiān)測產(chǎn)出尾氣組分，具體見圖3。可見，當(dāng)火線形成時，O2的含量由21%迅速下降到3%左右，而CO2、CO也隨之產(chǎn)生，并且其含量迅速升高，分別達(dá)到了10%和2%。在火線拓展階段，O2、CO2、CO的含量始終維持在大致穩(wěn)定的狀態(tài)，通過計(jì)算，O2利用率為83.93%，視H/C原子比為1.413，表明高溫氧化反應(yīng)始終穩(wěn)定存在并處于主導(dǎo)地位。

圖3 火燒油層實(shí)驗(yàn)尾氣組分隨時間變化曲線

通過實(shí)驗(yàn)溫度場與尾氣組分對比發(fā)現(xiàn)，超稠油、特稠油、普通稠油的火線形成、拓展特征類似，能保證穩(wěn)定地推進(jìn)，并且尾氣組分變化趨勢一致，這表明超稠油、特稠油與普通稠油一樣，都可以實(shí)施火燒油層技術(shù)。

2.2 門檻溫度的測定

門檻溫度是在連續(xù)恒速注入空氣條件下，能在1 h內(nèi)使油砂點(diǎn)燃的最低點(diǎn)火溫度，是火燒油層現(xiàn)場試驗(yàn)點(diǎn)火階段加熱器功率及其加熱時間設(shè)計(jì)的最重要參數(shù)。在模型中段選擇一系列溫度測點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，繪制溫度與時間的關(guān)系曲線及對應(yīng)的溫度變化速率與時間的關(guān)系曲線(圖4)。由圖4分析可以發(fā)現(xiàn)，在油砂被點(diǎn)燃之前，油砂主要靠熱傳導(dǎo)傳熱，升溫速率相對穩(wěn)定且緩慢。在油砂被點(diǎn)燃后，燃燒將會產(chǎn)生大量的熱量，燃燒帶處的局部范圍內(nèi)熱量會產(chǎn)生聚集，溫升速率會急劇上升，隨著火線的向前移動，溫升速率開始下降。因此油砂點(diǎn)燃的瞬間溫升速率出現(xiàn)極大值，在與其對應(yīng)溫度－時間關(guān)系曲線上可求得門檻溫度值。

圖4 火燒油層門檻溫度的確定

不同類型原油的門檻溫度數(shù)據(jù)見表1。從表1可以看出，門檻溫度隨著原油黏度的增大而升高。分析認(rèn)為，火燒油層的燃料主要為原油中的重質(zhì)組分經(jīng)裂解反應(yīng)而產(chǎn)生的焦炭，原油黏度越大，其含有的重質(zhì)組分結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜，發(fā)生裂解需要更高的溫度，因此其門檻溫度也越高。

表1 不同類型稠油的門檻溫度

2.3 燃料消耗量的測定

燃燒消耗量，亦稱燃料生成量，是指在某種燃燒條件下，每立方米油藏所含的焦炭量，是判斷油層是否能實(shí)施火燒采油的依據(jù)之一。應(yīng)當(dāng)指出的是，在火燒油層中實(shí)際燃燒的燃料并不是油層中的原油，而是原油經(jīng)過熱裂解后附著在巖石砂粒上可用來燃燒的焦炭類物質(zhì)。焦炭與空氣發(fā)生高溫氧化反應(yīng)，其燃燒產(chǎn)物主要是CO、CO2和H2O。因此可以根據(jù)燃燒尾氣中各組分的濃度及通風(fēng)強(qiáng)度、燃燒前緣推進(jìn)速率、視H/C原子比來確定燃燒消耗量。

不同類型稠油的燃料消耗量數(shù)據(jù)見表2。從表2可以看出，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，原油的燃料消耗量隨著黏度的增大而增大。這主要是因?yàn)槌碛椭泻心z質(zhì)、瀝青質(zhì)等重質(zhì)組分較多，在熱裂解過程中有更多的重質(zhì)組分參與反應(yīng)，生成了更多的富含炭殘?jiān)?，富含炭殘?jiān)M(jìn)一步聚合、結(jié)焦，形成了火燒油層的燃料——焦炭類物質(zhì)。

表2 不同類型稠油的燃料消耗量

2.4 驅(qū)油效率分析

火燒油層的驅(qū)油效率是指從燃燒帶掃過的油藏單元體積中被驅(qū)替出的那部分石油儲量占該單元體積地質(zhì)儲量的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。拆開模型，觀察火燒后油砂分布情況發(fā)現(xiàn)，被火線波及過的油砂顏色明顯變白。對其進(jìn)行氯仿瀝青測定，發(fā)現(xiàn)其含油飽和度接近0，這也表明在火線波及過的區(qū)域，除了少量原油中的重質(zhì)組分經(jīng)高溫裂解作用聚合結(jié)焦成焦炭類物質(zhì)，作為高溫燃燒的燃料消耗掉，其余的大部分原油都被氣、熱、混相等多種驅(qū)替方式驅(qū)替出來。

不同類型稠油的驅(qū)油效率見表3?？梢钥闯?，火燒油層的驅(qū)油效率隨著黏度升高而降低，這主要是因?yàn)樵宛ざ仍礁?，其含有的重質(zhì)組分也越多，在火燒過程中消耗的燃料也越多，因此其最終驅(qū)油效率就相對較低。

表3 不同類型稠油火燒油層的驅(qū)油效率

2.5 產(chǎn)出油組分分析

在火燒油層過程中，燃燒的主要是原油中重質(zhì)組分經(jīng)高溫裂解、聚合而成的焦炭類物質(zhì)。換言之，火燒油層過程中燃燒掉的部分主要是少量的原油重質(zhì)組分，原油中絕大部分組分都被驅(qū)替出來，而驅(qū)替出來的產(chǎn)出油組分將發(fā)生明顯變化。

對實(shí)驗(yàn)后的產(chǎn)出油樣進(jìn)行物理化學(xué)性質(zhì)分析，結(jié)果見表4?；馃蟮脑兔芏?、黏度較火燒前都有顯著的降低。原油族組分分析結(jié)果表明，火燒后原油中飽和烴相對含量增大，芳烴、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)相對含量降低，原油性質(zhì)發(fā)生了明顯改善。經(jīng)分析認(rèn)為，原油品質(zhì)得到改善的主要原因是原油中膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等重質(zhì)組分參與了裂解、高溫氧化反應(yīng)，使其含量下降，其中部分反應(yīng)產(chǎn)物轉(zhuǎn)變成飽和烴、芳烴，導(dǎo)致其含量明顯增加。

表4 不同類型稠油火燒油層前后原油物化性質(zhì)分析數(shù)據(jù)

3 結(jié) 論

(1)結(jié)合溫度場、尾氣組分和產(chǎn)出原油組分分析了超稠油火燒油層的燃燒基礎(chǔ)參數(shù)特征，超稠油能夠?qū)崿F(xiàn)點(diǎn)火并維持穩(wěn)定燃燒。

(2)超稠油門檻溫度、燃料消耗量等燃燒基礎(chǔ)參數(shù)均高于其他類型稠油，主要原因是超稠油中膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等重質(zhì)組分含量較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。在油藏工程設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬研究中應(yīng)予以重視。

(3)稠油火燒油層的驅(qū)油效率與黏度相關(guān)，黏度越大其燃料消耗量越大，其最終的驅(qū)油效率相對較低。

(4)火燒后原油的密度、黏度都明顯降低，飽和烴相對含量增大，芳烴、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)相對含量降低，原油性質(zhì)發(fā)生了明顯改善。

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編輯 王 昱

TE357.44

A

1006－6535(2012)04－0107－04

10.3969/j.issn.1006－6535.2012.04.027

20120224;改回日期:20120515

大型油氣田及煤層氣開發(fā)科技重大專項(xiàng)“渤海灣盆地遼河坳陷中深層稠油開發(fā)技術(shù)示范工程”部分內(nèi)容(2008ZX05053)

程海清(1982－)，男，工程師，2005年畢業(yè)于石油大學(xué)(華東)熱能與動力工程專業(yè)，2008年畢業(yè)于中國石油大學(xué)(華東)流體力學(xué)專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)從事稠油熱采室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究工作。