程海清

(1.中國石油遼河油田分公司，遼寧 盤錦 124010；2.國家能源稠(重)油開采研發(fā)中心，遼寧 盤錦 124010)

0 引 言

火燒油層是一種重要的稠油熱采方法[1-5]，在國內(nèi)外已開展了多項礦場試驗，取得了顯著的生產(chǎn)效果，以新疆紅淺1井火驅(qū)試驗[6]為例，截至2017年連續(xù)運行了7 a，在注蒸汽的基礎(chǔ)上采收率提高了25%，預(yù)期最終采收率可達(dá)60%以上。由于火驅(qū)機(jī)理十分復(fù)雜，對油藏儲層發(fā)生的高溫氧化狀態(tài)缺乏直觀準(zhǔn)確的認(rèn)識，而明確地下燃燒狀態(tài)對火驅(qū)現(xiàn)場動態(tài)調(diào)控至關(guān)重要。國內(nèi)外專家學(xué)者[7-17]對火驅(qū)氧化狀態(tài)開展了大量研究，主要判識方法有尾氣組分分析法、觀察井溫度監(jiān)測法、現(xiàn)場取心分析法和數(shù)值模擬研究法。尾氣組分分析法只能判定地下發(fā)生了氧化反應(yīng)，但難以界定是否為高溫氧化反應(yīng)；觀察井溫度監(jiān)測法由于井位固定而只有火線接近觀察井時才能發(fā)揮效果；取心井分析是最直接、最有說服力的燃燒狀態(tài)判識方法，但因取心周期長而無法滿足實時監(jiān)測的需求；數(shù)值模擬研究法可預(yù)測火線波及情況及燃燒狀態(tài)，但需以明確地下真實燃燒狀態(tài)為前提。針對上述存在的問題，以室內(nèi)實驗為基礎(chǔ)，以流體分析為手段，根據(jù)氧化作用機(jī)理，開展火驅(qū)高溫氧化特征判識方法研究，提出了4項判識指標(biāo)，可為火驅(qū)動態(tài)調(diào)控提供有效的技術(shù)支持。

1 實驗裝置及實驗過程

1.1 實驗裝置

火燒油層物理模擬實驗系統(tǒng)[18]主要包括：注氣系統(tǒng)、點火系統(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)。模型本體尺寸為42.0 cm×9.6 cm×3.6 cm，軸向上分布3層溫度傳感器，共39支，可模擬開展不同條件下火燒油層模擬實驗。實驗巖心取自D66塊K039取心井天然油砂，取心井段為959.6～959.9 m，分別采用7890A型氣相色譜儀、7890B型原油全烴氣相色譜儀及傅立葉變換紅外光譜儀對實驗油氣樣品進(jìn)行測定分析。

1.2 實驗過程

實驗條件：點火方式為電點火，點火溫度為500 ℃；注氣速率為8 L/min,實驗設(shè)定回壓為1 MPa。實驗步驟：①將取樣的天然油砂裝入模型內(nèi)壓實，封蓋、測試氣密性；②向模型內(nèi)注N2，建立模型進(jìn)出端的連通性，啟動點火裝置至設(shè)定溫度；③向模型內(nèi)注入空氣，空氣流量控制在設(shè)定值，記錄模型內(nèi)溫度、壓力等實驗數(shù)據(jù)，根據(jù)實驗溫度進(jìn)行氣體取樣；④當(dāng)火線接近出口端時注N2滅火，保留火驅(qū)燃燒區(qū)帶的完整性；⑤拆開模型，觀察燃燒情況，在各個區(qū)帶內(nèi)取樣進(jìn)行有機(jī)地球化學(xué)分析。取樣位置1～7見圖1(圖中灰色圓點)，樣品相關(guān)信息見表1。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 氧氣轉(zhuǎn)化率

尾氣組分是最直接的儲層燃燒狀態(tài)判識的方法，常用的分析指標(biāo)有CO2濃度、氧氣利用率、視HC原子比。其中，氧氣利用率是描述O2參與氧化反應(yīng)程度的參數(shù)，其表達(dá)式為：

圖1火驅(qū)物模實驗溫場及不同區(qū)帶取樣點分布

表1 火驅(qū)后取樣樣品相關(guān)信息

(1)

式中：Y為氧氣利用率，%；c(O2)為尾氣中O2的濃度，%；c(N2)為尾氣中N2的濃度，%。

一般認(rèn)為，當(dāng)CO2濃度超過12%，視HC原子比為1～3，氧氣利用率大于85.00%時，即達(dá)到高溫氧化條件。由式(1)可知，氧氣利用率只能反映注入的O2參與反應(yīng)的程度，并不能界定參與反應(yīng)的具體類型，原油的低溫氧化也可產(chǎn)生一定的CO2和CO。在此基礎(chǔ)上，提出了氧氣轉(zhuǎn)化率參數(shù)，即分析火燒油層過程中參與高溫氧化反應(yīng)的O2生成CO2和CO的程度，其表達(dá)式為：

(2)

式中：Y′為氧氣轉(zhuǎn)化率，%；c(CO2)為尾氣中CO2的濃度，%；c(CO)為尾氣中CO的濃度，%。

表2為實驗過程中不同溫度條件下產(chǎn)出尾氣組分濃度及相關(guān)評價指標(biāo)。由表2可知：隨著溫度升高，CO2、CO濃度增大，O2濃度下降，即原油的氧化程度逐漸增強(qiáng)；由式(1)可得150 ℃下氧氣利用率已達(dá)到了89.56%，但視HC原子比遠(yuǎn)大于3、氧氣轉(zhuǎn)化率僅為12.13%，實際上仍處低溫氧化階段；綜合比較尾氣組分的3個評價指標(biāo)，視HC原子比與氧氣轉(zhuǎn)化率具有較好的一致性，當(dāng)氧氣轉(zhuǎn)化率超過50.00%時，可認(rèn)為達(dá)到了高溫氧化階段。

表2 不同溫度條件下氧化反應(yīng)產(chǎn)出尾氣組分濃度及評價指標(biāo)

2.2 加氧程度

氧化反應(yīng)是火驅(qū)過程中最主要的化學(xué)反應(yīng)，除了產(chǎn)生CO2、CO等氣體外，還生成羧酸、醛、酮、醇或過氧化物。不同頻率、不同強(qiáng)度的紅外光譜可反映不同的分子官能團(tuán)的結(jié)構(gòu)和相對含量。在紅外光譜中，1 700 cm-1表征-C=O羰基團(tuán)的伸展振動峰，1 600 cm-1表征芳烴骨架C=C雙鍵的振動吸收峰，通常選用1 700 cm-1頻帶吸收強(qiáng)度的變化程度反映原油氧化程度，但由于實際測量時樣品涂膜濃度很難一致，故采用官能團(tuán)吸收強(qiáng)度比值比較法——加氧程度指標(biāo)(A1700/A1600)描述火驅(qū)過程中原油氧化程度。實驗過程中7個樣品的加氧程度變化見表3。

表3 火驅(qū)不同區(qū)帶樣品加氧程度指標(biāo)變化

由表3可知：在已燃區(qū)內(nèi)加氧程度無法測定，這是因為火驅(qū)已燃區(qū)內(nèi)巖心幾乎看不到原油，含油飽和度小于2%[19]，原油無法抽提；在未波及區(qū)內(nèi)，巖心經(jīng)歷的最高溫度僅為114.3 ℃，原油的加氧程度與原始狀態(tài)基本一致，即在較低溫度內(nèi)(150 ℃以下)原油氧化反應(yīng)很微弱；在火線區(qū)與結(jié)焦帶內(nèi)，其溫度一般均高于350 ℃，原油的加氧程度指標(biāo)可達(dá)到1.521，是未波及區(qū)的近2倍，原油氧化反應(yīng)極為劇烈，即當(dāng)原油加氧程度高于原始狀態(tài)2倍時，可認(rèn)為處于高溫氧化階段。

2.3 主峰碳與輕重比

火驅(qū)過程中另一重要反應(yīng)是裂解反應(yīng)，即在高溫作用下原油中重質(zhì)組分分子鍵被破壞、分裂成2個或多個小分子鏈輕質(zhì)組分，宏觀表現(xiàn)為原油密度、黏度不同程度降低，微觀主要表現(xiàn)為原油短分子鏈正構(gòu)烷烴增多(圖2)。火驅(qū)前原油全烴色譜中主峰碳(全烴色譜鋒中質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大的正構(gòu)烷烴碳數(shù))為C25，呈后峰型分布，火驅(qū)后產(chǎn)出原油的全烴色譜中出現(xiàn)了豐富的低碳數(shù)系列正構(gòu)烷烴和異構(gòu)烴，主峰碳變?yōu)镃13，即火驅(qū)后的低分子烴類主要來源于原油中高分子化合物的裂解反應(yīng)。全烴色譜很直觀地展示了火驅(qū)前后原油正構(gòu)烷烴分子分布，仍無法定量反映火驅(qū)改質(zhì)效果，結(jié)合有機(jī)地球化學(xué)分析技術(shù)，提出了主峰碳和輕重比(∑21-/ ∑22+)2項火驅(qū)燃燒狀態(tài)判識指標(biāo)。

圖2 火驅(qū)前后原油全烴色譜對比

表4為實驗過程中7個樣品的主峰碳、輕重比數(shù)值。由表4可知：火線區(qū)內(nèi)(3、4號)，原油主峰碳前移，由25降至13，輕質(zhì)組分增多，輕重比由0.77增至1.53，即溫度越高，原油改質(zhì)效果越好[20-22]；在結(jié)焦帶內(nèi)因焦炭不斷生成，原油聚合導(dǎo)致重質(zhì)組分不斷增多，其主峰碳后移，輕重比降低；在未波及區(qū)內(nèi)，由于溫度較低，各種反應(yīng)都很微弱，原油分子鏈結(jié)構(gòu)沒有太大改變，即主峰碳、輕重比指標(biāo)與原始條件一致。

表4 火驅(qū)不同區(qū)帶樣品主峰碳、輕重比數(shù)據(jù)

3 應(yīng)用分析

D66塊油藏埋深為800.0～1 200.0 m，50 ℃地面脫氣原油黏度為300～2 800 mPa·s，為中孔、中滲薄互層普通稠油油藏。2005年，在6個井組開展火驅(qū)先導(dǎo)試驗，開井率大幅提高，油藏溫度及壓力具有上升趨勢，取得了明顯的增油效果。K039取心井是先導(dǎo)試驗區(qū)最早實施的火驅(qū)井，平面距原注氣井為20～35 m，縱向取心井段為上層系的35～50 m。為了認(rèn)識多層火驅(qū)燃燒特征及縱向波及狀況，利用室內(nèi)建立的評價指標(biāo)對取心井進(jìn)行燃燒狀態(tài)判識分析。

K039取心井縱向上高溫氧化波及特征見圖3。由圖3可知：在埋深為939.1～950.6 m處火驅(qū)高溫氧化判識指標(biāo)發(fā)生明顯變化，主峰碳由原始狀態(tài)的25最多降至13，發(fā)生明顯前移；輕重比較原始狀態(tài)增大，最大值接近3.00；加氧程度也較原始狀態(tài)增大1倍。上述指標(biāo)變化特征可判定在埋深為939.1～950.6 m處發(fā)生了高溫氧化反應(yīng)。該深度范圍在D66塊火驅(qū)目的層(杜家臺上層系)之杜12、杜13砂巖組，且以杜13為主，動用程度占火驅(qū)主力層段的40.3 %。綜合分析認(rèn)為，該區(qū)域還具有較大的調(diào)整潛力。在已發(fā)生高溫氧化的杜13砂巖組建議增大注氣強(qiáng)度，保證火驅(qū)燃燒持續(xù)穩(wěn)定推進(jìn)；在未發(fā)生高溫氧化的杜12、杜13砂巖組建議實施二次點火，重選注氣層段，積極跟蹤現(xiàn)場產(chǎn)出流體變化，利用上述判識方法，不斷優(yōu)化注氣參數(shù)，重新實現(xiàn)高溫氧化，確保火驅(qū)規(guī)模不斷擴(kuò)大，燃燒狀態(tài)得到顯著改善。

圖3 K039井火驅(qū)高溫氧化縱向波及特征

4 結(jié) 論

(1) 在現(xiàn)有尾氣組分分析基礎(chǔ)上，提出了氧氣轉(zhuǎn)化率判識指標(biāo)。該指標(biāo)可界定氧化反應(yīng)類型，當(dāng)氧氣轉(zhuǎn)化率大于50.00%時即為高溫氧化反應(yīng)。

(2) 根據(jù)氧化反應(yīng)對原油分子結(jié)構(gòu)官能團(tuán)的影響，提出了加氧程度指標(biāo)。該指標(biāo)可反應(yīng)氧化反應(yīng)程度，當(dāng)原油加氧程度高于原始狀態(tài)2倍時，可認(rèn)為處于高溫氧化階段。

(3) 根據(jù)火驅(qū)過程中裂解反應(yīng)對原油具有改質(zhì)效果，提出了主峰碳、輕重比指標(biāo)，主峰碳前移、輕重比增大，表明處于裂解反應(yīng)與高溫氧化反應(yīng)階段。

(4) 利用新建立的高溫氧化判識方法分析了K039井在埋深為939.1～950.6 m處發(fā)生高溫氧化反應(yīng)，縱向動用程度占火驅(qū)主力層段的40.3%，為D66塊火驅(qū)方案后續(xù)調(diào)整提供了參考依據(jù)。

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