楊生榛，劉冬冬，蒲萬芬，朱秋波，楊 洋

（1.中國石油克拉瑪依紅山油田有限責任公司，新疆克拉瑪依834000；2.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，四川成都610500）

蒸汽吞吐作為一種常規(guī)的熱力采油技術(shù)，在世界范圍內(nèi)被廣泛地應(yīng)用于稠油的開發(fā)[1-8]。由于蒸汽溫度較高，注入地下后會與原油發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)作用，降低原油的黏度。然而，在這一過程中，會伴隨產(chǎn)生一定量的有害氣體[9-12]。以克拉瑪依紅山油田有限責任公司（以下簡稱紅山油田）為例，紅山油田在蒸汽吞吐開采稠油過程中發(fā)現(xiàn)伴隨有CO 大量產(chǎn)出，根據(jù)中國國家職業(yè)衛(wèi)生標準GBZ 2.1—2007《工作場所有害因素職業(yè)接觸限值 第1 部分：化學(xué)有害因素》，生產(chǎn)場所中CO 的最高允許生成量僅為20 mg/m3，而紅山油田檢測到大量油井的CO 生成量明顯高于該標準，其中部分井的產(chǎn)出氣中CO的含量甚至達到1 000 mg/m3以上，對現(xiàn)場生產(chǎn)人員的人身安全造成了極大的危害。此外，CO屬于無色無味的氣體，難以被察覺，這進一步增加了生產(chǎn)人員受到危害的可能性，因而需要制定相應(yīng)的CO防治措施以保障人員安全。但是，國內(nèi)外關(guān)于蒸汽吞吐生產(chǎn)過程中CO 大量產(chǎn)出的問題鮮有報道，對于CO 在蒸汽吞吐過程中的產(chǎn)出規(guī)律的認識更是缺乏，這大大制約了相應(yīng)的CO 防治措施的制定。筆者研究團隊在前期研究中，通過室內(nèi)實驗初步研究了紅山油田CO生成量較高的成因[13]，發(fā)現(xiàn)紅山油田地層巖石礦物對水氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)的催化能力不足是CO 生成量較高的主要原因，并據(jù)此提出了添加催化劑的治理措施建議。然而，從工程角度來說，添加藥劑會大大增加生產(chǎn)成本，不利于稠油開發(fā)的經(jīng)濟效益。因此，在前期研究基礎(chǔ)上進行了進一步的研究，通過物理模擬分析了多工藝參數(shù)影響下CO的產(chǎn)出規(guī)律，以期找出對CO生成量影響較大的主控因素，通過主控因素的調(diào)節(jié)降低CO 生成量，為CO 防治措施的制定提供進一步的理論指導(dǎo)。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置及原料

WFS-0.25L型高溫高壓反應(yīng)釜，Agilent GC7890B氣相色譜儀，紅山油田紅003井區(qū)現(xiàn)場原油（50 ℃時黏度為12 884 mPa·s），紅山油田紅003 井區(qū)現(xiàn)場巖樣（巖樣礦物組成為：51 % SiO2、5 % CaCO3、10 %Cr2O3、11%CaF2、10%Cu5FeS4、13%Al2O3），純水。

1.2 實驗步驟

采用高溫高壓反應(yīng)釜對蒸汽吞吐時CO 的產(chǎn)出過程進行物理模擬，實驗具體步驟如下：①將90 g原油（原油中混入50 g現(xiàn)場巖樣碎屑）和20～60 g純水先后加入反應(yīng)釜中；②向反應(yīng)釜內(nèi)通氮氣除氧20 min后，利用氮氣將釜內(nèi)壓力加至5 MPa；③升高反應(yīng)釜溫度至150～270oC后，攪拌反應(yīng)1～5 d；④反應(yīng)完畢后，收集反應(yīng)釜內(nèi)產(chǎn)出氣并利用氣相色譜儀測定產(chǎn)出氣中CO生成量。

2 結(jié)果與討論

2.1 工藝參數(shù)對于CO生成量的影響規(guī)律分析

當蒸汽注入地下后，會與原油發(fā)生水熱裂解反應(yīng)[14]，該反應(yīng)十分復(fù)雜，由許多基元反應(yīng)組成，（圖1）[15]，可以看出，CO 主要是由含羰基物質(zhì)的脫羰基作用產(chǎn)生，隨后會通過水氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)生成CO2，因此，CO 只是水熱裂解反應(yīng)過程中的一個中間產(chǎn)物，水氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)的進行程度會直接影響CO 最終的生成量。水氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)作為一個平衡反應(yīng)，其反應(yīng)程度會受到多種因素的影響，而在蒸汽吞吐過程中，蒸汽溫度、注汽量、燜井時間等工藝參數(shù)均有可能影響水氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)的進行程度，因此，有必要針對上述因素進行分析。

圖1 水熱裂解反應(yīng)[15]Fig.1 Aquathermolysis reaction

單因素分析法是分析因素影響規(guī)律的常用方法，但是該方法無法分析出因素間所存在的交互作用以及各因素中的主次程度。為了更加全面地了解各因素對CO 產(chǎn)出的影響，采用響應(yīng)面法對CO 的產(chǎn)出因素進行研究。響應(yīng)面法作為一種統(tǒng)計建模方法，可以通過多元回歸方程擬合影響因素與響應(yīng)值之間的函數(shù)關(guān)系，并可利用回歸方程對參數(shù)的影響主次程度及交互作用進行分析，其模型基本形式如下：

式中：y為響應(yīng)值；xi、xj為自變量；β0為常數(shù)項；βi為一次項系數(shù)；βii為二次項系數(shù)；βij為交互作用項系數(shù)；ε為誤差項。

選擇蒸汽溫度、注汽量、燜井時間三因素構(gòu)建因素水平表，因素水平根據(jù)紅山油田實際生產(chǎn)過程中的工藝參數(shù)進行了確定，最終得到因素水平表（表1）。

表1 因素水平表Table1 Orthogonal table

根據(jù)因素水平表設(shè)計得到實驗方案及相應(yīng)結(jié)果（表2）。蒸汽溫度、燜井時間及注汽量的調(diào)整在室內(nèi)試驗中通過調(diào)整反應(yīng)釜溫度、反應(yīng)時間及加入反應(yīng)器內(nèi)的水量來實現(xiàn)。根據(jù)表2中數(shù)據(jù)利用最小二乘法進行參數(shù)估計，得到如表3所示的多種模型形式的響應(yīng)面回歸模型分析結(jié)果。模型分析結(jié)果中的P值通常用于判定模型響應(yīng)值與回歸方程關(guān)系顯著性，P≤0.05 說明影響顯著。從表3中可以看出，線性模型形式和二次方模型形式相對應(yīng)的P值均小于0.05，說明多元回歸關(guān)系顯著，而二因素交互模型形式對應(yīng)的P值大于0.05，說明回歸關(guān)系不顯著。此外，二次方模型形式所對應(yīng)的決定系數(shù)R2相對于線性模型形式所對應(yīng)的R2來說明顯更接近于1，說明二次方模型形式對于實驗數(shù)據(jù)的擬合度明顯高于線性模型形式，二次方模型形式對實驗數(shù)據(jù)的擬合效果更好。通過以上綜合對比最終選擇二次方模型形式用于建立響應(yīng)面模型，最終得到響應(yīng)面模型（表4）。

根據(jù)表4中響應(yīng)面模型三因素前系數(shù)的大小可比較出因素對于響應(yīng)值的影響能力，系數(shù)越大，影響能力越大。從表4可知，蒸汽溫度、燜井時間及注汽量三因素對于CO 生成量的影響能力大小為蒸汽溫度＞注汽量＞燜井時間，蒸汽溫度是其中的主控因素。此外，根據(jù)響應(yīng)面模型，得到三因素及其交互作用對CO 生成量的影響（圖2）。從圖2可以看出，隨著蒸汽溫度的增加，CO 生成量表現(xiàn)出增加的趨勢，無論燜井時間或注汽量在較高水平還是較低水平，這一趨勢并未有明顯變化，而燜井時間及注汽量的交互作用較為顯著，CO生成量隨燜井時間的增加先上升后下降，當注汽量較高時，CO 生成量的下降幅度更大，當燜井時間較短時，CO 生成量隨注汽量的增加而增加，但是當燜井時間較長時，CO 生成量隨注汽量的增加而減弱。產(chǎn)生以上變化規(guī)律的原因如下：蒸汽溫度的上升一方面會加速脫羰基反應(yīng)，加快CO 生成速度，另一方面會影響水氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)，由于水氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)是放熱反應(yīng)，其平衡常數(shù)會隨著溫度的升高而逐漸降低[16]，降低CO轉(zhuǎn)換率，兩方面共同作用造成了CO 生成量增加；脫羰基反應(yīng)速度相對較快，而水氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)作為一個平衡反應(yīng)，反應(yīng)速率相對較慢，隨著燜井時間的增加，CO 生成量先增加后減少，較長的燜井時間使CO有足夠的時間通過水氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)被消耗掉，當注汽量較高時，水氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)平衡向右移動，提高了CO 的轉(zhuǎn)化率，當燜井時間較短時，水氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)進行不充分，CO 來不及被消耗掉，因此，只有在較長的燜井時間下提高注汽量才能降低CO生成量。以上分析也進一步表明，蒸汽溫度作用主控因素，不易被其他因素所影響，而燜井時間及注汽量均會相互影響。

表2 實驗方案及結(jié)果Table2 Experimental schemes and results

表3 響應(yīng)面模型分析Table3 Analysis of response surface models

表4 響應(yīng)面模型Table4 Response surface models

圖2 各因素及其交互作用對CO生成量的影響Fig.2 Effect of factors and their interaction on carbon monoxide concentration

2.2 降低蒸汽溫度調(diào)控CO生成量的可行性

根據(jù)2.1部分的分析可知，工藝參數(shù)中主控因素蒸汽溫度的調(diào)整可以較為顯著地影響CO的生成量，因此，可以考慮將蒸汽溫度的調(diào)整作為一項減少CO產(chǎn)出的措施。然而，在生產(chǎn)過程中，蒸汽溫度的具體調(diào)整還需考慮蒸汽溫度變化對原油產(chǎn)量的影響。圖3是紅山油田1 411口蒸汽吞吐生產(chǎn)井生產(chǎn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果，可以看出，周期采油量隨蒸汽溫度的增加并未表現(xiàn)出明確的變化規(guī)律，但總體來看，當蒸汽溫度低于220oC后，周期采油量相對較低；另一方面，周期采油量隨注汽量的增加表現(xiàn)出明顯的增加趨勢，這可能是因為在生產(chǎn)過程中相對于蒸汽溫度，注汽量對于原油的產(chǎn)量影響更大。從紅山油田現(xiàn)場數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果推斷，如果蒸汽溫度降低至220oC以下，周期采油量會受到較大負面影響，但如果在降低蒸汽溫度的同時適當增加注汽量，將有可能使蒸汽溫度降低對原油產(chǎn)量的負面影響減弱甚至消除，同時根據(jù)2.1 部分的分析可知，當燜井時間足夠長時，增加注汽量也有助于進一步降低CO生成量。因此，在保證周期采油量不受到明顯影響的條件下，降低蒸汽溫度將成為一項可能的降低CO生成量的措施。

圖3 蒸汽溫度及注汽量與周期采油量的關(guān)系Fig.3 Relation between periodic oil production and steam temperature,steam injection,respectively

3 結(jié)論

1）蒸汽溫度、注汽量、燜井時間等工藝參數(shù)會影響CO 生成量，其中蒸汽溫度影響最大，注汽量影響其次，燜井時間影響最小。

2）降低蒸汽溫度可以有效減少CO 的生成量，但當蒸汽溫度降低至220oC 以下時周期采油量會發(fā)生較大程度的降低，適當增大注汽量可能在一定程度上減少周期采油量的降低幅度。

3）對于紅山油田CO 超標程度相對較低的井，建議將蒸汽溫度降低至220oC，使CO 生成量降低至20 mg/m3以下；對于CO超標程度相對較高的井，建議將蒸汽溫度降低至220oC以下，同時增大注汽量，在降低CO 生成量至20 mg/m3以下的同時保證周期采油量不發(fā)生明顯的降低。