劉 海, 潘 一, 冷 俊

（遼寧石油化工大學(xué), 遼寧 撫順 113001）

國(guó)內(nèi)外火燒油層研究進(jìn)展與應(yīng)用

劉 海, 潘 一, 冷 俊

（遼寧石油化工大學(xué), 遼寧 撫順 113001）

隨著常規(guī)油氣資源開采的枯竭,我國(guó)各大油田已經(jīng)進(jìn)入了二次,三次采油時(shí)期。稠油作為一種非常規(guī)石油資源具有極大的開采價(jià)值。火燒油層技術(shù)是稠油開采的重要手段,因此對(duì)火燒技術(shù)的研究有助于稠油資源的開發(fā)。文章在調(diào)研國(guó)內(nèi)外火燒油層研究與試驗(yàn)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,對(duì)國(guó)內(nèi)外火燒油層技術(shù)進(jìn)行了全面的總結(jié)和概括,介紹了火燒技術(shù)的室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用,提出下一步火驅(qū)發(fā)展的方向?yàn)榉磻?yīng)原理的研究與現(xiàn)場(chǎng)操作的實(shí)施規(guī)劃。

火燒油層；稠油；室內(nèi)試驗(yàn)；研究應(yīng)用；提高采收率

1 火燒油層技術(shù)介紹

1.1 簡(jiǎn)介

火燒油層又稱火驅(qū)是提高原油采收率的一種重要方法,是利用外部添加的氧氣源和人工加熱點(diǎn)火手段把地下油層點(diǎn)燃,儲(chǔ)層燃燒后的重質(zhì)成分可以當(dāng)做下一步燃燒的物質(zhì),達(dá)到進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)的作用[1-3]。

1.2 火驅(qū)過(guò)程

整個(gè)燃燒過(guò)程可以分為低溫氧化、燃料沉積和燃燒3個(gè)階段。將空氣作為氧源,把熱空氣注入注入井把油層點(diǎn)燃。形成一個(gè)徑向移動(dòng)的燃燒前緣及一個(gè)燃燒區(qū),在燃燒前緣的前方,原油受高溫高壓熱作用,最后剩下的裂解產(chǎn)物—焦炭作為火燒的燃料,維持油層向前燃燒[4]。原油不斷發(fā)生復(fù)雜化學(xué)反應(yīng),生成氣相和液相產(chǎn)物,進(jìn)而引起各種熱物理反應(yīng)并改善地層滲透率驅(qū)動(dòng)原油運(yùn)移。

2 國(guó)外研究與應(yīng)用

2.1 國(guó)外理論研究

20世紀(jì)初美國(guó)人J.O.里維斯第一次闡述了以提高油層采收率為目的的注驅(qū)替液和熱力理論。1923年Wolcott和Howard提出用空氣作助燃劑使油層燃燒生成熱氣降低地層黏度是油層持續(xù)燃燒的重要措施[5],這是最早有關(guān)火驅(qū)理論的認(rèn)識(shí)。

1959年, 對(duì)于干式正向燃燒的效率與燃燒體積的關(guān)系,tadema做了初步的評(píng)估并研究了氣體用量的數(shù)學(xué)公式。Benhand和Poettmann,Larken和Bailey等人在這期間也提出了這方面的分析結(jié)果[6]。這些工作奠定了火燒油層理論分析和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的初步基礎(chǔ)。1960 年Read和Willson[7]等模擬了正向燃燒物理實(shí)驗(yàn),提出了實(shí)驗(yàn)的影響要 素和相關(guān)的理論公式。20世紀(jì)60年代初亞歷山大[8]等進(jìn)行了原油密度與燃料的關(guān)系、原始含油飽和度對(duì)燃燒的影響等試驗(yàn),探討了影響火燒油層的主要因素。1963 年朱杰（Chu C.）[9]和托馬斯[10]為了估算 最少燃料用量和位于注入井附近的溫度刨面,兩人創(chuàng)建了火驅(qū)數(shù)學(xué)模型。1965 年葛待弗雷德[11]建立了一個(gè)不完善的一維數(shù)模,該數(shù)模考慮了流體力學(xué)的一些因素（三相流、導(dǎo)熱、對(duì)流）但忽略了毛細(xì)管力及質(zhì)量。1968年 Kuo[12]建立了考慮熱流前緣與燃燒前緣的數(shù)學(xué)模型。這些理論研究對(duì)火燒油層各區(qū)域的確定奠定了基礎(chǔ)。

70-80年代年代國(guó)外學(xué)者對(duì)火燒油氧化原理,模式以及燃料沉淀量都有很多研究[13],這些都為以后的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)奠定了理論基礎(chǔ)。

2.2 國(guó)外火燒技術(shù)試驗(yàn)

1942年美國(guó)進(jìn)行了世界上第一次火燒現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。之后美國(guó)又實(shí)施了70多個(gè)火驅(qū)項(xiàng)目. 此外前蘇聯(lián),加拿大等多個(gè)國(guó)家也先后進(jìn)行了火燒油技術(shù)的相關(guān)項(xiàng)目[14]。

在國(guó)外,通過(guò)對(duì)燃料、氣體用量、空氣與石油比例、原油采收率的研究為干式正向燃燒的現(xiàn)場(chǎng)操作提供了豐富的經(jīng)驗(yàn)。研究表明火驅(qū)具有注入氣維持儲(chǔ)層壓力的作用 且面積波及系數(shù)比氣驅(qū)要高得多。大的濕式正向燃燒項(xiàng)目雖沒有干式燃燒那么多,但從成功的現(xiàn)場(chǎng)項(xiàng)目可得知有利的條件參數(shù)如表1所示 。

表1 火驅(qū)技術(shù)有利條件參數(shù)Table 1In-situ combustion favorable condition parameters

這些數(shù)據(jù)為以后的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)提供重要的了參考依據(jù)。

經(jīng)過(guò)多年的理論研究與室內(nèi)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),火驅(qū)已成三次采油的一種有效手段,如東歐的Suplaeu油田,中亞的Karazhan油田,北美的Mobil,MidwaySunset油田等,原油采收率都提高到了近 60%[15],均取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

3 國(guó)內(nèi)研究與應(yīng)用

3.1 國(guó)內(nèi)理論研究

20世紀(jì)50年代末大量的室內(nèi)壓力燃燒試驗(yàn)在新疆油田進(jìn)行。進(jìn)入60年代后又相繼開發(fā)了汽油與電熱點(diǎn)火器,使之成為我國(guó)較早開展火驅(qū)研究的油田。

中石油勘探開發(fā)研究院于 80年代陸續(xù)建立了燃燒釜等火驅(qū)物理實(shí)驗(yàn)設(shè)備。90年代中期勝利油田為了研究室內(nèi)火燒油試驗(yàn)也建立了一維火燒模擬設(shè)備。進(jìn)入21世紀(jì)為了開展大型火驅(qū)油層的數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn),我國(guó)購(gòu)進(jìn)了CMG公司的stars數(shù)值軟件[16]。2001年,勝利油田分公司采油工藝研究院的蔡文斌等人[17]利用火燒油層燃燒管物理模擬技術(shù),對(duì)河口油區(qū)稠油開展了濕式燃燒實(shí)驗(yàn),研究了濕式燃燒下的空氣需要量、燃燒前緣推進(jìn)速度、視氫碳原子比和燃料消耗量等技術(shù)參數(shù),以及注空氣與注水量的比值對(duì)火燒油層效率的影響[18]。為了充分利用已燃區(qū)的熱能,應(yīng)當(dāng)采用濕式燃燒,研究表明濕式燃燒可以有效減少空氣需要量與燃料消耗,提高采收率[19]。

2005年,趙東偉、蔣海巖、張琪通過(guò)室內(nèi)火驅(qū)一維模擬裝置分析了遼河油田原油樣品的產(chǎn)出氣體成分以及液體物性。為下一步的數(shù)模建立提供了地層溫度、氣液性質(zhì)等必須的數(shù)據(jù)和控制條件[20-23]。

2006年中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司建立稠油開采重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。完成了火驅(qū)室內(nèi)試驗(yàn)的系統(tǒng)化。2006、2007年中石化與中石油分別成功完成了國(guó)內(nèi)首次火驅(qū)三維模擬試驗(yàn)與水平井條件下的重力泄油三維物理試驗(yàn)。

2011年,東北石油大學(xué)劉其成、劉永建和劉喜林等[24]進(jìn)行了火燒油層室內(nèi)實(shí)驗(yàn)及驅(qū)油機(jī)理研究工作。實(shí)驗(yàn)結(jié)合了遼河油田實(shí)際情況,研究了溫度分布特點(diǎn)與燃燒帶的劃分,以及各種厚度條件下的火燒波及面積和驅(qū)替效率。并且隨著火燒內(nèi)部重要追蹤化合物的研究進(jìn)展,成功找到了火驅(qū)進(jìn)程中石油黏性,密度等物性減小的主要原因。

3.2 國(guó)內(nèi)火燒技術(shù)實(shí)驗(yàn)

50年代末之后國(guó)內(nèi)分別在新疆,玉門,勝利,遼河等油田進(jìn)行火燒油藏現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn),其中克拉瑪依油田的火驅(qū)規(guī)模最大,進(jìn)展最好。具體項(xiàng)目見表2[25,26]。

表2 克拉瑪依油田火驅(qū)項(xiàng)目表Table 2 Karamay oilfield fireflood projects list

但由于受當(dāng)時(shí)眾多原因和環(huán)境的影響,最終以失敗告終。在火燒油層項(xiàng)目停滯了二十多年后,新疆克拉瑪依油田,勝利油田,遼河油田又先后開展了火燒油層現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

進(jìn)入 21世紀(jì)中石化和中石油都進(jìn)行了火驅(qū)開發(fā)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn): 2003年勝利油田鄭408區(qū)塊火驅(qū)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)火成功[27], 2009年中石油為了研究稠油油層注蒸汽開發(fā)后期接替方案所開展的新疆紅淺1井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)點(diǎn)火成功。11年中石油為了研究傳統(tǒng)蒸汽輔助重力泄油（SAGD）以外的開采技術(shù),通過(guò)并實(shí)施了新疆風(fēng)城水平井火驅(qū)-重力泄油實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

4 結(jié) 論

火驅(qū)工藝作為三次采油的中重要的熱力采油技術(shù),囊括了氣體驅(qū)、熱力驅(qū)、混相和非混相等驅(qū)替機(jī)理[28]。如能有效認(rèn)識(shí)火驅(qū)的反應(yīng)復(fù)雜性,解決前期投資費(fèi)用高的問(wèn)題,充分發(fā)揮火驅(qū)驅(qū)替效率與熱利用率高的特點(diǎn),火驅(qū)將成為繼稠油注水和蒸汽吞吐后提高原油采收率的另一個(gè)重要技術(shù)方法。進(jìn)一步的研究應(yīng)側(cè)重于對(duì)反應(yīng)原理的研究和規(guī)劃設(shè)計(jì)方面的全面認(rèn)識(shí)。

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Research Progress and Application of the In-situ Combusion Technology at Home and Aboard

LIU Hai，PAN Yi，LENG Jun
（Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China）

With depleting of the conventional oil and gas resources, China's major oil fields have entered the second, third recovery periods. Heavy oil as a kind of unconventional oil resource has great exploitation value. In-situ combustion technology is an important method for heavy oil recovery, thus development of the in-situ combustion can contribute to the recovery of the heavy oil resources. In this paper, based on research and experimental literatures of the in-situ combustion technology, domestic and foreign in-situ combustion technologies were summarized, the laboratory test and field application of the in-situ combustion technology were introduced. It’s pointed out that the development direction of in-situ-combustion technology should be the study on its reaction principle and field operation plan.

In-situ combustion; Heavy oil；Laboratory test；Research application；Enhanced oil recovery

TE 357

: A

: 1671-0460（2015）03-0545-03

2014-10-15

劉海（1990-）, 男, 遼寧石油化工大學(xué)在讀碩士，研究方向: 油氣田開發(fā)工程。E-mail:183187972@qq.com。