張守軍

(中國石油遼河油田分公司，遼寧 盤錦 124109)

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稠油火驅(qū)化學(xué)點(diǎn)火技術(shù)的改進(jìn)

張守軍

(中國石油遼河油田分公司，遼寧 盤錦 124109)

曙光油田薄互層狀稠油油藏杜66塊火驅(qū)原有的化學(xué)點(diǎn)火方法存在安全不可控、套管損壞率高的問題，點(diǎn)火成功率僅為80%，平均點(diǎn)火見效期為96d。為安全快速點(diǎn)燃油層，開展了以點(diǎn)火劑為核心的化學(xué)點(diǎn)火技術(shù)研究，結(jié)合原油油品特性，通過理論計(jì)算、數(shù)值模擬和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)等研究，開發(fā)了具有催化、助燃功能的新點(diǎn)火劑。新點(diǎn)火劑可在240 ℃及有氧條件下快速點(diǎn)燃油層，并設(shè)計(jì)了N2攜帶、分段注入、層內(nèi)混合的施工工藝，保證了點(diǎn)火的安全性和成功率?，F(xiàn)場試驗(yàn)點(diǎn)火成功率為100%，點(diǎn)火見效期為58d。該技術(shù)的成功可為火驅(qū)開發(fā)打下良好基礎(chǔ)。

稠油；火驅(qū)；化學(xué)點(diǎn)火；杜66塊；遼河油田

0 引 言

火驅(qū)具有適用范圍廣、驅(qū)油效率高、成本低、綠色環(huán)保等優(yōu)勢[1]，作為稠油開發(fā)接替技術(shù)，在曙光油田薄互層狀稠油油藏杜66塊現(xiàn)場試驗(yàn)取得了初步成功。目前火驅(qū)所采用的點(diǎn)火方式主要有自燃、電和化學(xué)點(diǎn)火3種方式[2]。稠油點(diǎn)火溫度高，且需要相匹配的空氣量來保證反應(yīng)溫度，自燃點(diǎn)火很難實(shí)現(xiàn)；國內(nèi)普遍采用井下電加熱點(diǎn)火器的人工點(diǎn)火方式[3-5]，其存在設(shè)備占用時(shí)間長、易燒毀、點(diǎn)火成本高等問題；杜66塊火驅(qū)初期引進(jìn)了美國的蒸汽預(yù)熱輔助化學(xué)點(diǎn)火技術(shù)，蒸汽預(yù)熱后直接用空氣攜帶點(diǎn)火劑注入地層，其施工簡單，但也存在諸多問題，點(diǎn)火劑易在井口及井筒內(nèi)反應(yīng)放熱，增加安全風(fēng)險(xiǎn)和套管損壞幾率，且點(diǎn)火劑無效消耗導(dǎo)致點(diǎn)火成功率僅為80%，平均點(diǎn)火見效時(shí)間長達(dá)96d。為安全快速點(diǎn)燃油層，對杜66塊化學(xué)點(diǎn)火技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)和試驗(yàn)，為火驅(qū)開發(fā)打下了良好基礎(chǔ)。

1 化學(xué)點(diǎn)火機(jī)理

化學(xué)點(diǎn)火方法是通過向油層中注入少量能夠發(fā)生放熱反應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)，增強(qiáng)點(diǎn)火區(qū)原油反應(yīng)活性，使其在初始油藏溫度下放熱速率大于散熱速率，油藏溫度持續(xù)升高，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火，其本質(zhì)是通過油井內(nèi)部產(chǎn)生熱量的方式使原油達(dá)到門檻溫度而燃燒。其點(diǎn)燃油層的機(jī)理[6-7]主要為：催化氧化反應(yīng)，增加原油反應(yīng)活性；增加燃料濃度；提供初始點(diǎn)火能量。由于油層點(diǎn)火受多種因素影響，且實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定燃燒需要滿足一定的能量條件，因此，化學(xué)點(diǎn)火是通過加入點(diǎn)火劑的方法消除各種不利影響因素，并促進(jìn)能量蓄積，滿足點(diǎn)火要求?；瘜W(xué)點(diǎn)火劑應(yīng)該具有與原油混合降低原油活化能，或是在一定溫度條件下自燃，提供初始點(diǎn)火能量的特性，從而實(shí)現(xiàn)點(diǎn)燃油層的目的。

2 化學(xué)點(diǎn)火劑的研究

2.1 催化劑的研究

最簡單的化學(xué)點(diǎn)火方法是使用催化劑降低原油氧化反應(yīng)活化能，加速氧化放熱，從而點(diǎn)燃油層。常用的催化劑主要為堿(堿土)金屬和過渡金屬化合物的鹽[8]，其主要是通過金屬陽離子的催化作用，降低原油的活化能和燃燒門檻溫度。經(jīng)過文獻(xiàn)調(diào)研，兼顧經(jīng)濟(jì)性，初步選定鉻、鐵、銅和鋅等過渡金屬鹽，以及鉀和鈉等堿金屬鹽作為金屬催化劑。采用TGA-DSC(熱重分析-差示掃描量熱法)熱分析技術(shù)比較其催化效能(圖1)。將杜66塊原油樣品、原油樣品+不同成分催化劑等多個(gè)樣品進(jìn)行TGA-DSC分析。TGA-DSC熱分析儀為Mettler-Toledo公司生產(chǎn)；樣品量為3～10mg；保護(hù)氣(N2)流速為20mL/min；吹掃氣(空氣)流速為50mL/min；樣品室為70μL帶蓋陶瓷坩堝；溫度范圍為25～600 ℃。

圖1 杜66塊原油DSC測試曲線

由圖1可知：亞鐵、鉻、銅、鋅等過渡金屬的鹽雖能夠大幅降低杜66塊原油高溫氧化反應(yīng)溫度、增加放熱量(提高燃燒效率)，但催化劑開始發(fā)揮較明顯作用時(shí)的溫度要達(dá)到320 ℃以上，僅依靠催化劑仍不足以實(shí)現(xiàn)快速點(diǎn)火，因此，從增大點(diǎn)火能量的角度需考慮添加助燃劑。

2.2 助燃劑的研究

助燃劑需要能夠在地層溫度250 ℃左右(蒸汽預(yù)熱后的地層溫度)及有氧條件下快速點(diǎn)燃原油。為此，助燃劑中應(yīng)該有熱敏感藥劑作為觸發(fā)劑，使其能在接近250 ℃條件下發(fā)生放熱反應(yīng)，同時(shí)考慮選取有機(jī)或無機(jī)易燃物質(zhì)，作為維持初始燃燒的燃料，從而有利于局部油層熱量積累達(dá)到原油燃燒的門檻溫度，促使油層從低溫氧化向高溫氧化發(fā)展，最終點(diǎn)燃油層。

根據(jù)研究目的以及安全點(diǎn)火需要，初步確定不同助燃劑配方，再利用氧平衡和最小自由能原理對助燃劑配方進(jìn)行配比計(jì)算和模擬計(jì)算，分析不同類別助燃劑的燃燒特性參數(shù)，并據(jù)此進(jìn)行配方設(shè)計(jì)和優(yōu)化，從中選出能產(chǎn)生高溫、高壓和較多灼熱固體殘?jiān)呐浞竭M(jìn)行助燃劑性能實(shí)驗(yàn)，以確定滿足實(shí)際使用需求的助燃劑(表1)。

表1 助燃劑的不同配方組成

在此基礎(chǔ)上，利用填砂模型發(fā)火實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行助燃劑發(fā)火實(shí)驗(yàn)，考察助燃劑的發(fā)火溫度和發(fā)火狀況(表2)。每次實(shí)驗(yàn)樣品質(zhì)量為3g，實(shí)驗(yàn)用油砂質(zhì)量比為1∶10。

表2 不同配方發(fā)火實(shí)驗(yàn)結(jié)果

第1、2、4種配方加熱至300.0 ℃時(shí)尚未發(fā)火，達(dá)不到助燃目的。

第3種配方在油砂加熱至229.3 ℃時(shí)樣品發(fā)火，發(fā)火后溫度升高8.0 ℃。樣品發(fā)火燃燒產(chǎn)生耀眼的白色火焰，燃燒速度非常快，助燃劑燃燒之后出現(xiàn)穩(wěn)定持續(xù)的黃色燃燒火焰，但持續(xù)時(shí)間短。說明助燃劑燃燒迅猛，放熱量大，瞬間產(chǎn)生的高溫能夠引燃油砂，可作為點(diǎn)火助燃劑，但其能否保持穩(wěn)定燃燒的傳播尚需進(jìn)行模擬油藏條件的點(diǎn)燃油層實(shí)驗(yàn)。

第5種配方在油砂加熱至262.9 ℃時(shí)，樣品瞬間騰起一個(gè)火球，并伴有“嘭”的劇烈爆炸聲。說明該樣品發(fā)火后反應(yīng)速度非?？?，能瞬間產(chǎn)生大量的熱量和氣體。發(fā)火劑燃燒后出現(xiàn)短暫的穩(wěn)定燃燒火焰，但油砂內(nèi)部溫度幾乎不變。這種程度的燃燒過于劇烈，不適宜火驅(qū)采油施工現(xiàn)場。

第6種配方在油砂加熱至259.1 ℃時(shí)，樣品發(fā)火，燃燒產(chǎn)生明亮耀眼的火焰，并伴有“啪”的爆炸聲，發(fā)火后溫度升高5.0 ℃。發(fā)火劑燃燒后出現(xiàn)短暫的、持續(xù)的、穩(wěn)定燃燒火焰，說明油砂被點(diǎn)燃，發(fā)火劑燃燒比較劇烈。由于發(fā)火所需溫度較高，且燃燒過于劇烈，不適用于現(xiàn)場。

對比分析6種助燃劑發(fā)火實(shí)驗(yàn)結(jié)果，優(yōu)選第3種助燃劑為現(xiàn)場應(yīng)用的助燃劑。

2.3 點(diǎn)火劑性能測試

利用化學(xué)助燃劑點(diǎn)燃模擬實(shí)驗(yàn)裝置對第3種助燃劑進(jìn)行了點(diǎn)火性能測試?；瘜W(xué)助燃劑點(diǎn)燃模擬實(shí)驗(yàn)裝置主要由燃燒管、加熱保溫系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、管閥件、壓力與溫度測量系統(tǒng)和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)等部分組成，實(shí)驗(yàn)裝置測溫點(diǎn)分布見圖2。采用G語言編寫數(shù)據(jù)軟件——ISC化學(xué)點(diǎn)火數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，記錄和儲存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，測試點(diǎn)火劑點(diǎn)燃油層情況。

圖2 點(diǎn)燃模擬油層實(shí)驗(yàn)裝置測溫點(diǎn)分布

實(shí)驗(yàn)研究表明，杜66塊原油氧化反應(yīng)活化能隨壓力升高而降低，因此，壓力升高對點(diǎn)火更有利，故實(shí)驗(yàn)中采用常壓狀態(tài)點(diǎn)火。模擬儲層的孔隙度為25%，原油含水飽和度為49.31%，點(diǎn)火劑由催化劑、助燃劑混配而成，催化劑、助燃劑用量分別為3g和5g，加注方式為在240 ℃左右溫度條件下注入點(diǎn)火劑，再持續(xù)注空氣，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 點(diǎn)火劑點(diǎn)燃含水油砂實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果

由圖3可知，1～6處測溫點(diǎn)依次監(jiān)測到溫度峰值且呈現(xiàn)升高趨勢，各處溫度峰值均超過400 ℃，實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)模擬儲層內(nèi)的原油基本消耗干凈，說明點(diǎn)火劑在240 ℃、有氧條件下發(fā)生放熱反應(yīng)，其放出熱量能夠引燃實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)的原油。

3 點(diǎn)火工藝研究

3.1 施工參數(shù)設(shè)計(jì)原則

根據(jù)流體物性、儲層參數(shù)和熱量損失等資料，以及預(yù)設(shè)地層預(yù)熱后的溫度，來設(shè)計(jì)注汽參數(shù)；根據(jù)油層厚度及室內(nèi)實(shí)驗(yàn)用量來設(shè)計(jì)點(diǎn)火劑用量；按維持低溫氧化來計(jì)算點(diǎn)火期間最低注氣速度，按不導(dǎo)致降溫來計(jì)算點(diǎn)火期間最大注氣速度。

3.2 施工工藝優(yōu)化

針對助燃劑在一定溫度、有氧條件下即可發(fā)生放熱反應(yīng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了N2攜帶、分段注入(先注催化劑、再注助燃劑)、地下混合的施工工藝。同原有工藝對比，先注入N2降溫，可避免在井口附近發(fā)生反應(yīng)，保障了施工安全；N2攜帶降低了助燃劑損失，有利于提高點(diǎn)火成功率；催化劑、助燃劑被N2攜帶到地層混合，避免在井筒內(nèi)放熱損壞套管。

4 現(xiàn)場試驗(yàn)情況

該技術(shù)現(xiàn)場試驗(yàn)3井次，點(diǎn)火后周圍井均見到明顯效果，平均見效時(shí)間為58d，點(diǎn)火成功率為100%，點(diǎn)火效果好于原有的化學(xué)點(diǎn)火技術(shù)，且單井次措施成本在10.00×104元以下，對比原有的化學(xué)點(diǎn)火技術(shù)成本(14.27×104元)明顯下降。

以曙1-38-055井為例。曙1-38-055井于1990年11月熱采投產(chǎn)，轉(zhuǎn)驅(qū)前蒸汽吞吐生產(chǎn)15周期，轉(zhuǎn)火驅(qū)前累計(jì)注蒸汽1.28×104t，累計(jì)產(chǎn)油0.83×104t，累計(jì)產(chǎn)水3.18×104t，采注比為3.13。設(shè)計(jì)點(diǎn)火前注蒸汽量為500t，預(yù)熱后地層溫度可達(dá)到270 ℃以上；該井油層厚度為42.1m，射孔密度為16孔/m，考慮油層吸附損失，按1.5倍系數(shù)設(shè)計(jì)點(diǎn)火劑為8kg，其中催化劑為3kg，助燃劑為5kg；根據(jù)射孔厚度，計(jì)算點(diǎn)火期間注空氣最小速度應(yīng)該在7 000m3/d以上。

該井按設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了改進(jìn)后的化學(xué)點(diǎn)火試驗(yàn)，注入蒸汽500t后，在注入1 000m3N2后加入3kg催化劑，累計(jì)注入1 500m3N2后加入5kg助燃劑；累計(jì)注入2 000m3N2及點(diǎn)火劑后按照8 000m3/d的配注注入空氣，點(diǎn)火后見到明顯效果。

(1) 井筒內(nèi)溫度明顯高于蒸汽加熱溫度。注蒸汽預(yù)熱時(shí)測試井下溫度為277 ℃，基本符合預(yù)熱設(shè)計(jì)，點(diǎn)火后測試，井筒內(nèi)主力吸氣層最高溫度接近400 ℃，超過正常注蒸汽后井下溫度，說明點(diǎn)火劑發(fā)生放熱反應(yīng)，但部分射孔井段溫度在200 ℃以下。

(2) 井組內(nèi)生產(chǎn)井尾氣組分表現(xiàn)出高溫燃燒狀態(tài)(表3)。點(diǎn)火52d后周圍4口鄰井明顯見到尾氣，且表現(xiàn)出高溫燃燒狀態(tài)[9]：N2含量超過70%，CO2含量大于12%，氣體指數(shù)為0.66～1.00。

表3 點(diǎn)火52d后曙1-38-055井組受效井尾氣組分?jǐn)?shù)據(jù)

5 結(jié)論與認(rèn)識

(1) 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，復(fù)配了助燃劑、催化劑的新型化學(xué)點(diǎn)火劑具有在一定溫度和有氧條件下自燃的特性，可為點(diǎn)燃油層提供初始點(diǎn)火能量，且可以降低原油的活化能，可快速點(diǎn)燃油層。

(2) 現(xiàn)場試驗(yàn)表明，新型化學(xué)點(diǎn)火技術(shù)安全可靠、操作簡單、投入較少，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，對稠油油藏轉(zhuǎn)火驅(qū)開發(fā)具有借鑒意義，應(yīng)用前景廣闊。

(3) 監(jiān)測資料顯示部分油層點(diǎn)火效果不理想，下步需研究設(shè)計(jì)配套的點(diǎn)火管柱，提高縱向動(dòng)用程度，滿足多層火驅(qū)開發(fā)需求。

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編輯 孟凡勤

20160311；改回日期：20160512

國家科技重大專項(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(二期)”(2011ZX05503)

張守軍(1963-)，男，教授級高級工程師，《特種油氣藏》編委，1986年畢業(yè)于江漢石油學(xué)院采油工程專業(yè)，1999年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院油氣田開發(fā)工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)從事油田開發(fā)技術(shù)管理工作。

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.04.033

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