思 娜， 安 雷， 趙 陽， 吳 非

(1.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京100101；2.中國石化國際石油勘探開發(fā)有限公司，北京 100029)

重油、油砂原位燃燒技術(shù)進展及發(fā)展思考

思 娜1， 安 雷2， 趙 陽1， 吳 非1

(1.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京100101；2.中國石化國際石油勘探開發(fā)有限公司，北京 100029)

重油、油砂原位燃燒技術(shù)具有成本低、熱能利用率高和采收率高等優(yōu)點，是目前重油和油砂開發(fā)的研究熱點。在技術(shù)調(diào)研的基礎(chǔ)上，對常規(guī)原位燃燒技術(shù)的燃燒機理、燃燒類型和技術(shù)特點進行了總結(jié)分析,并詳細介紹了水驅(qū)正向燃燒法、水平井火燒油層法、頂部燃燒重力驅(qū)油法、燃燒輔助重力驅(qū)油法和氧添加蒸汽輔助重力驅(qū)油法等最新原位燃燒技術(shù)的驅(qū)油原理、井網(wǎng)幾何結(jié)構(gòu)、適用性、優(yōu)缺點和工程難點。研究認為，目前原位燃燒技術(shù)的創(chuàng)新研究主要集中于井網(wǎng)幾何結(jié)構(gòu)創(chuàng)新和與其他工程及增產(chǎn)措施融合，一方面避開了傳統(tǒng)原位燃燒技術(shù)的難點，有利于該技術(shù)的快速發(fā)展和現(xiàn)場應(yīng)用；另一方面可以融合注蒸汽法和原位燃燒法的技術(shù)特點，改善驅(qū)油效果，提高重油、油砂油藏采收率，早日實現(xiàn)效益產(chǎn)出。原位燃燒技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展對我國正在起步的重油、油砂資源開采具有一定的指導作用，為我國原位燃燒后續(xù)技術(shù)儲備及創(chuàng)新提供了借鑒。

重油 油砂 原位燃燒

隨著全球經(jīng)濟的日益發(fā)展，對石油的需求量迅猛增長，常規(guī)油氣資源大規(guī)模開發(fā)之后，重油、油砂等非常規(guī)資源及其開發(fā)技術(shù)也隨之受到關(guān)注。在眾多的開采技術(shù)中，蒸汽驅(qū)技術(shù)和原位燃燒技術(shù)(in situ combustion，ISC,也叫火燒油層)是研究最多的2種技術(shù)。

美國于1942年在伯特勒斯維爾油田進行了第一次ISC現(xiàn)場試驗，目前已累計開展了70多個火燒油層項目。前蘇聯(lián)、荷蘭、羅馬尼亞、匈牙利、德國和印度等40多個國家也先后開展了火燒油層采油的相關(guān)研究工作。盡管經(jīng)歷了數(shù)十年的現(xiàn)場試驗，但ISC的發(fā)展和應(yīng)用還是受諸多限制。據(jù)美國能源部統(tǒng)計，北美油田大約一半以上的ISC試驗都是失敗的[1]。我國油砂稠油地質(zhì)儲量為59.70×108t，可開采資源量為22.58×108t，從1958年起，先后在新疆、玉門、勝利、吉林和遼河等油田開展了ISC試驗[2-4]，但受當時試驗和生產(chǎn)條件的限制，ISC技術(shù)的發(fā)展明顯滯后于注蒸汽驅(qū)技術(shù)，截至目前現(xiàn)場應(yīng)用很少[5]。

筆者在技術(shù)調(diào)研的基礎(chǔ)上，介紹了常規(guī)ISC技術(shù)的原理及特點，總結(jié)分析了幾種ISC新技術(shù)的作用原理、特點、適用條件及創(chuàng)新等，以期為我國重油、油砂開發(fā)技術(shù)的發(fā)展提供借鑒。

1 ISC技術(shù)原理

ISC技術(shù)是指將空氣注入到油層中，使油層在地下部分燃燒而產(chǎn)生驅(qū)替剩余原油動力的驅(qū)油技術(shù)，具有成本低和驅(qū)油效果明顯的特點。

ISC技術(shù)的主要作用機理是高溫裂解、加熱降黏和氣體驅(qū)動，通常把在熱裂解反應(yīng)過程中沉淀在礦物基質(zhì)上的類焦炭作為燃料。通過注氣井點燃油層后,向油層連續(xù)注入空氣或富氧氣體助燃,形成移動燃燒帶；燃燒帶前方原油受熱降黏、蒸餾,蒸餾后的輕質(zhì)油、蒸汽及燃燒所產(chǎn)生的CO2等氣體在熱力作用下向生產(chǎn)井運動,未被蒸餾的重質(zhì)成分在高溫條件下裂化、分解生成焦炭,成為維持油層燃燒的燃料；高溫下,油層束縛水、蒸汽吞吐冷凝水及燃燒生成的水汽化形成水蒸氣,攜帶大量熱量向前運動,再次驅(qū)替原油,形成將原油驅(qū)向生產(chǎn)井的多種驅(qū)動作用并存的復雜過程(見圖1)[5]。

1.1 燃燒類型

原位燃燒過程中，有正向/反向燃燒、干式/濕式燃燒和低溫/高溫氧化等3種類型。

1.1.1 正向/反向燃燒

按照空氣注入方向和燃燒前緣的移動方向，可以將ISC分為正向燃燒和反向燃燒。

當空氣的注入方向與燃燒前緣的移動方向相同時，稱為正向燃燒[6]。其優(yōu)點是作為燃料的是原油中無價值的焦油(焦炭)；缺點是被加熱原油必須通過油藏的低溫區(qū)流向生產(chǎn)井，對于超稠原油，可能形成流體阻塞，高黏原油尤其明顯，且熱能利用率低。

當空氣的注入方向與燃燒前緣的移動方向相反時，稱為逆向燃燒或反向燃燒。反向燃燒初期與正向燃燒相同，但在點火井向外燃燒一段距離之后，便轉(zhuǎn)為向鄰近井注空氣，驅(qū)動原油向原來的點火井流動，而燃燒前緣卻從點火井向鄰近井移動，與原油流動方向正好相反。反向燃燒主要用于開采特稠油，但需要大量的氧氣，耗氣量約為正向燃燒的2倍，且燃燒的不是正向燃燒中的重質(zhì)組分，而是相對較輕的原油餾分。

1.1.2 干式/濕式燃燒

按照燃燒過程中是否有水/水蒸氣注入，可以將ISC分為干式燃燒和濕式燃燒。

干式燃燒是指在燃燒過程中僅注入壓縮空氣或富氧氣體混合物。其缺點是具有強腐蝕性，會生成大量有害的燃燒產(chǎn)物。

濕式燃燒是指在有水存在的情況下進行高溫高壓氧化。在干式燃燒一段時間后，伴隨著壓縮空氣交替注入液態(tài)水，產(chǎn)生蒸汽。濕式燃燒耗氧量約為干式燃燒法的三分之二[7]。

與正向/反向燃燒相結(jié)合，燃燒方式可分為干式/濕式正向燃燒和反向燃燒。濕式正向燃燒比反向燃燒耗氣量少，且采收率高。反向燃燒由于空氣消耗量約為正向燃燒的2倍，且容易轉(zhuǎn)變?yōu)檎蛉紵?，因此實際生產(chǎn)中一般不采用反向燃燒。

1.1.3 高溫/低溫氧化

按照燃燒發(fā)生溫度的不同，可將ISC分為低溫氧化和高溫氧化2種方式。

低溫氧化大約發(fā)生在150～300 ℃，是不完全氧化過程，部分氧氣可能會進入生產(chǎn)井，產(chǎn)生酸液造成腐蝕，注入單位體積氧氣燃燒所釋放的熱量很低。

高溫氧化發(fā)生在400～800 ℃，燃燒充分，且大量氧氣助燃產(chǎn)生了大量的氣體，如CO2、CO和水蒸氣等，注入單位體積氧氣燃燒所釋放的熱量得以最大化，所以高溫氧化技術(shù)更有利于稠油熱采。

1.2 技術(shù)特點

從ISC技術(shù)室內(nèi)試驗及現(xiàn)場實際應(yīng)用效果來看，該技術(shù)具有以下優(yōu)點：1)注氣保持地層壓力,有助于建立生產(chǎn)壓差和驅(qū)動壓差；2)燃燒產(chǎn)生的CO2形成CO2驅(qū),增強了熱驅(qū)效果，節(jié)省了CO2的制造和作業(yè)費用；3)燃燒過程中10%的燃料為原油中的重質(zhì)組分，大大提高了剩余油的品質(zhì)；4)在現(xiàn)場條件和地質(zhì)條件上，ISC采油比注蒸汽采油有更廣泛的適應(yīng)性，尤其對于埋藏較深的油層；5)ISC兼有火驅(qū)、蒸汽驅(qū)和熱水驅(qū)的特點,熱能利用率更高[8]。此外，高溫蒸餾和裂解作用還可提高產(chǎn)出原油的輕質(zhì)組分含量。

但是，ISC技術(shù)也存在一些缺點：1)井下燃燒產(chǎn)生的熱量不僅用于加熱原油，而且有部分熱量用來加熱基巖和蓋層，降低了加熱效率，還可能引起其他油藏問題；2)產(chǎn)出液中的酸性氣體會加速生產(chǎn)井管柱及地面設(shè)施的腐蝕；3)生產(chǎn)井出砂和井壁坍塌，引起油井破壞；4)熱裂解和原油蒸發(fā)導致生產(chǎn)井井筒附近區(qū)域中的蠟、瀝青沉淀，堵塞地層和井筒；5)高溫易導致生產(chǎn)管柱破壞[9]。

ISC技術(shù)在現(xiàn)場應(yīng)用中存在以下難點：1)燃燒前緣推進方向難以控制，易引起單方向火竄、火線超覆，造成平面及縱向波及系數(shù)低，導致采收率低；2)難以注入維持持續(xù)高溫氧化所需的空氣；3)對于開發(fā)后期的稠油油藏，由于剩余油零散分布和儲層具有非均質(zhì)性，ISC技術(shù)的工程設(shè)計更加復雜[9]。

2 ISC新技術(shù)

針對室內(nèi)及現(xiàn)場試驗過程中ISC技術(shù)面臨的缺點和難點，將傳統(tǒng)ISC技術(shù)與其他工程或增產(chǎn)措施相結(jié)合，形成了許多ISC新技術(shù)。例如，在正向燃燒的基礎(chǔ)上，為了提高熱效率和采收率，提出了結(jié)合正向燃燒與濕式燃燒特點的水驅(qū)正向燃燒技術(shù)；在直井網(wǎng)火驅(qū)的基礎(chǔ)上，將水平井技術(shù)應(yīng)用于ISC采油，將重力泄油理論與傳統(tǒng)的火驅(qū)技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)出了“趾端到跟端”的火驅(qū)技術(shù)(THAI)和頂部燃燒重力驅(qū)技術(shù)；通過優(yōu)化井網(wǎng)幾何結(jié)構(gòu)提高采收率，提出由均勻分布的注入直井和生產(chǎn)水平井組成的燃燒輔助重力驅(qū)技術(shù)；或者將幾種不同原理的技術(shù)結(jié)合使用，如在SAGD注蒸汽過程中混合注入氧氣的氧添加蒸汽輔助重力驅(qū)油技術(shù)。

2.1 水驅(qū)正向燃燒

在正向燃燒過程中，壓縮空氣需求量大、成本高，且約1/5的生成熱量被注入的空氣吸收，造成熱量利用率不高。1969年，泛美石油公司提出了水驅(qū)正向燃燒法(combination of forward combustion and water flooding，COFCAW)，就是在正向燃燒生成一個小的燃燒腔后，在注氣過程中向地層間歇或連續(xù)注水，降低油藏內(nèi)部的峰值溫度，擴大高溫區(qū)波及范圍，提高熱效率，降低過高的溫度對地層及井筒的傷害，以提高驅(qū)油效率和降低空氣油比。COFCAW最顯著的特點是至少減少了1/3的空氣注入量。

與常規(guī)干式燃燒相比，其控制過程相對復雜；與常規(guī)濕式燃燒不同，只要有足夠熱量來補償熱量損失，COFCAW就不會“熄火”，注入水會提高燃燒效率。然而，在空氣水比很低的情況下，會造成部分“淬火”，這樣高溫氧化燃燒區(qū)域就會消失，無法達到形成水蒸汽或者是裂解原油的溫度條件[7]。

2.2 水平井火燒油層

水平井火燒油層(toe to heel air injection，THAI)技術(shù)由一口水平井和一口或者多口距離水平井趾端一定距離的空氣注入直井組成，可以大幅提高重油、油砂的采收率[10]。目前THAI技術(shù)主要應(yīng)用于重油開發(fā)。

生產(chǎn)水平井部署在油層下部，注氣直井(或者注氣水平井)部署在靠近生產(chǎn)水平井趾端部位，向直井內(nèi)注入空氣或者氧氣，燃燒帶由水平井趾端向跟端推進，燃燒前緣加熱的原油在重力作用下泄流到底部生產(chǎn)水平井中產(chǎn)出(見圖2)。

該技術(shù)充分利用原油改質(zhì)及重力作用，使注入的空氣沿著指定的通道燃燒，原油加熱后黏度降低，直接流入生產(chǎn)水平井段采出。此外，水平井完井時，可以在水平段加入裂解催化物質(zhì)，強化就地改質(zhì)過程，進一步改善采出原油的性質(zhì)。

THAI具有以下優(yōu)點：1)燃燒前緣穩(wěn)定，易控制，受油層非均質(zhì)性影響小；2)燃燒效率較高，三維物理模擬結(jié)果表明產(chǎn)出氣中氧氣含量低；3)采收率高，物理模擬試驗中采收率達到80%以上；4)由于高溫裂解作用，改善了采出原油的性質(zhì)，API重度一般可提高50% 左右；5)可以控制氣體超覆，并能有效提高儲量動用程度[1,10-11]。

2.3 頂部燃燒重力驅(qū)

頂部燃燒重力驅(qū)(combustion overhead gravity drainage,COGD)技術(shù)是由K.E.Kisman 和E.C.Lau 于20 世紀90年代初首先提出的，也叫COSH[12](combustion override split production horizontal well)，是重力泄油與火驅(qū)技術(shù)結(jié)合的另一種形式，井網(wǎng)結(jié)構(gòu)一般采用直井-水平井的組合形式，注入直井在生產(chǎn)水平井的正上方(見圖3)。

燃燒過程中，一般將氣體注入到油層上部，首先在各注入井的周圍形成分散的燃燒腔，隨著燃燒的進行，各個小燃燒腔向外擴展形成連續(xù)的燃燒腔，加熱的原油在重力作用下泄流到靠近油層底部的生產(chǎn)水平井中，其泄油機理與常規(guī)的蒸汽輔助重力驅(qū)油機理相近。

與THAI技術(shù)不同的是，該技術(shù)是從油藏上部到下部的燃燒，其井網(wǎng)結(jié)構(gòu)包括一口或多口注入壓縮空氣的頂部注入直井和分離的一口或多口排氣直井或水平井(用來去除燃燒氣體，位于井網(wǎng)結(jié)構(gòu)的側(cè)面)。氣體和液體在油藏中分別通過不同的井排出，生產(chǎn)水平井只生產(chǎn)液體。目前，COGD(或COSH)還僅停留在室內(nèi)試驗階段，無現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)[1,5，11]。

2.4 燃燒輔助重力驅(qū)

2008年，William C.Pfefferle提出了燃燒輔助重力驅(qū)(combustion assistant gravity drainage，CAGD)的概念，并申請了專利[13]。該技術(shù)利用具有特定方位的雙水平井系統(tǒng)進行開采，有助于燃燒腔的形成和燃燒前端的穩(wěn)定增長(見圖4)。

傳統(tǒng)的原位燃燒是通過2口直井來提供燃燒所需的大量空氣，盡管可以通過增加注入壓力來增加氣體注入量，但會引起氣體指進和高氣油比等一系列問題;另外，可流動的原油流入生產(chǎn)井之前必須流經(jīng)低溫區(qū)域，降低了原油采收率。CAGD技術(shù)促進了ISC技術(shù)的發(fā)展，能讓空氣在地層中的分布區(qū)域更寬，形成更大的燃燒腔。

目前，研究人員已分別對SAGD、THAI和CAGD進行了油田級別的實驗室數(shù)值模擬。結(jié)果表明，在原油產(chǎn)量相同的前提下，CAGD的累計氣油比最低；THAI的燃燒前緣影響的油藏區(qū)域較小，且開發(fā)水平井只有很小一段水平段被用于開發(fā)，因此，盡管在氣體腔室中可以產(chǎn)生高溫，但是原油生產(chǎn)率要低于SAGD和CAGD，且隨著燃燒前緣逐漸遠離注入井，氣體腔室的平均溫度下降，會進一步減弱THAI的開采效果[1,13]。

2.5 氧添加蒸汽輔助重力驅(qū)

傳統(tǒng)的注氧氣ISC技術(shù)已經(jīng)在一些油田進行了現(xiàn)場試驗。它的優(yōu)點是注入能量更高，燃燒產(chǎn)物接近純CO2，且部分CO2可以溶入原油降低原油黏度；缺點是安全性較差，腐蝕性較高，開發(fā)成本和低溫氧化風險較高。

針對不適于采用SAGD的油藏，如薄瀝青油藏、低油品瀝青和深部瀝青區(qū)域，Nexen公司提出了氧添加蒸汽輔助重力驅(qū)(steam assisted gravity drainage with the addition of oxygen injection,SAGDOX)技術(shù)。它結(jié)合了SAGD和ISC的特點，目前還處在實驗室探索和物理模型試驗的發(fā)展初期。該技術(shù)通過優(yōu)化蒸汽與氧氣的比例，在保持燃燒效率和生產(chǎn)率的同時，降低了注入成本。它采用與SAGD類似的井網(wǎng)幾何結(jié)構(gòu)(見圖5)，不同的是SAGDOX技術(shù)通過封隔器隔離環(huán)空分別注入蒸汽和氧氣，并分別排出瀝青+水和氣體。

對于薄油藏，因為SAGDOX操作成本較低、井身結(jié)構(gòu)適用性更強，比SAGD更具有優(yōu)勢。厚度小于15 m的較薄瀝青油藏沒有足夠的空間容納2口水平井，所以適合采用“趾端到根端”SAGDOX(toe to heel SAGDOX,THSAGDOX)和“單井”SAGDOX(single well SAGDOX,SWSAGDOX)的井網(wǎng)幾何結(jié)構(gòu)(見圖6)。

對于埋藏較深或者高壓油藏，如果井筒與油藏流體的接觸和地層能量都很充足，燃燒生成的CO2可以溶解于生產(chǎn)流體中或者保留在油藏中,因此，優(yōu)化的SAGDOX井網(wǎng)結(jié)構(gòu)中無需單獨的廢氣處理系統(tǒng)。

SAGDOX是一種新的提高采收率的熱采方法，既保留了注蒸汽的優(yōu)點,又達到了降低開發(fā)成本的目的。在達到經(jīng)濟上限之前，停止注入蒸汽，進行原位燃燒，產(chǎn)生的蒸汽和汽化的原生水，可以大大降低蒸汽注入量，因此具有開采成本低和采收率高的雙重優(yōu)點。在同等條件下，SAGDOX的CO2排放量比SAGD約高20%，但是SAGDOX能通過單獨的排出氣井分離出純CO2，因此釋放量要比SAGD少很多[1,14-15]。

3 發(fā)展思考及建議

1) 當前，ISC技術(shù)的創(chuàng)新主要是優(yōu)化井網(wǎng)幾何結(jié)構(gòu)，擴大燃燒腔，提高能量利用率，進而提高采收率。研究過程中通過融合注蒸汽和ISC技術(shù)的優(yōu)點，實現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新，達到經(jīng)濟有效開發(fā)重油、油砂的目的。

2) 根據(jù)我國的ISC技術(shù)現(xiàn)狀，結(jié)合我國老油田開發(fā)及增產(chǎn)技術(shù)的優(yōu)勢，建議重點加強傳統(tǒng)ISC技術(shù)與適用于我國重油、油砂油藏特征的工程及增產(chǎn)措施相結(jié)合方面的研究，同時針對ISC技術(shù)的難點，加大科研力度。

3) 在當前實際油田生產(chǎn)過程中，鑒于ISC技術(shù)燃燒控制難度較大，建議在蒸汽輔助重力驅(qū)達到經(jīng)濟極限后，以ISC技術(shù)為增產(chǎn)措施，提高原油采收率。

4) 將來需重視ISC燃燒過程發(fā)展及控制、地層各向異性對ISC過程影響等方面的研究。

5) 在深入研究燃燒驅(qū)油機理基礎(chǔ)上，針對目前現(xiàn)場試驗總結(jié)的技術(shù)缺點，追本溯源，各個擊破,對技術(shù)難點開展專項技術(shù)攻關(guān)，努力實現(xiàn)技術(shù)突破。

6) 我國致密油、頁巖油等非常規(guī)資源具有巖性致密、油質(zhì)較輕、含蠟量低等特點，可將ISC技術(shù)在重油、油砂油藏開采過程中的應(yīng)用經(jīng)驗和做法用于致密油和頁巖油的開發(fā)，如借鑒ISC新技術(shù)的井網(wǎng)幾何結(jié)構(gòu)，擴大油藏接觸面積，改善原油的流動性，提高致密油、頁巖油的采收率。

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[編輯 滕春鳴]

Advance and Future Development of ISC for Heavy Oil and Oil Sand Development

Si Na1, An Lei2, Zhao Yang1, Wu Fei1

(1.SinopecResearchInstituteofPetroleumEngineering,Beijing, 100101,China; 2.SinopecInternationalPetroleumExplorationandDevelopmentCorporation,Beijing, 100029,China)

In situ combutiom (ISC) technology of heavy oil and oil sand reservoirs presents low cost, high utilization rate of thermal energy and high recovery rate. currently,it is deemed a technical research hotspot in heavy oil and oil sands development. Based on technical investigations, combustion principles and types, technical characteristics of conventional ISC were summarized and analyzed in this paper. The latest research on ISC, oil displacement principles of ISC, well patterns, applicability, advantages and disadvantages of the technology, and engineering difficulties were introduced in detail. These technologies include COFCAW, THAI, COGD, CAGD, and SAGDOX. The studies suggested that the innovation research of ISC technology mainly focused on well pattern and integration with other projects and well stimulation measures. As a result, it had no such technical difficulties as in traditional ISC, which promoted its rapid development and field application. On the other hand, it could integrate the technical characteristics of steam injection method and in-situ combustion method to improve oil displacement effects and heavy oil and oil sands reservoir recovery efficiency. The innovation and development of ISC technology would provide guidance in the exploitation of heavy oil in oil sands in China and also provide technical references for the subsequent technology reserve and innovation of ISC.

heavy oil； oil sand； in situ combustion

2015-01-21；改回日期：2015-06-28。

思娜(1983—)，女，陜西榆林人，2007年畢業(yè)于西安石油大學石油工程專業(yè)，2010年獲中國石油大學(北京)油氣井工程專業(yè)碩士學位，主要從事石油工程技術(shù)前瞻研究及戰(zhàn)略規(guī)劃研究。

中國石化科技攻關(guān)項目“非常規(guī)油氣工程新技術(shù)調(diào)研”(YK51403)資助。

?油氣開采?

10.11911/syztjs.201505018

TE349

A

1001-0890(2015)05-0106-06

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