任韶然, 裴樹峰, 張攀鋒, 王喬波,黃麗娟, 張 亮, 廖廣志

(1.非常規(guī)油氣開發(fā)教育部重點實驗室(中國石油大學(華東)) ,山東青島 266580; 2.中國石油大學(華東) 石油工程學院, 山東青島 266580; 3.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451; 4.中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300459; 5.中國石油勘探和生產(chǎn)分公司,北京 100007)

地下原位裂解改質(zhì)工藝是一項富有創(chuàng)造性的新技術(shù),適用于超稠油、油頁巖等的開發(fā)[1-3]。該技術(shù)通過地下電加熱使超稠油發(fā)生熱裂解反應(yīng),產(chǎn)生輕質(zhì)油、焦炭、烴類氣體等,實現(xiàn)其原位改質(zhì)。反應(yīng)生成的輕質(zhì)油和氣體易被采出,可減少地面輸送及后續(xù)煉化問題;地下加熱無需水資源消耗,有利于環(huán)保[4-5]?；陔娂訜岬脑桓馁|(zhì)技術(shù)已在油頁巖及超稠油油藏進行了礦場先導試驗,取得了較好的效果[6-7]。傳統(tǒng)的原位裂解改質(zhì)工藝通過井筒電加熱電纜加熱儲層,熱量傳遞方式主要為熱傳導,加熱速率較慢,加熱井控溫范圍有限,且后期地層能量不足,裂解的輕質(zhì)油難以有效產(chǎn)出,亟需提高其工藝效率與經(jīng)濟性[8]。油田注空氣工藝已被廣泛應(yīng)用,包括輕質(zhì)油藏高壓注空氣[9-11]、稠油油藏火燒油層及注空氣輔助蒸汽吞吐技術(shù)等[12-14]。綜合注空氣強化采油工藝原理和稠油氧化放熱的特性,提出注空氣輔助地下改質(zhì)工藝技術(shù)。注入空氣的對流效應(yīng)能提高傳熱速率,同時氧氣與原油發(fā)生氧化反應(yīng)的熱效應(yīng)有利于提高地層溫度,而且注氣能有效補充地層能量。筆者進行超稠油在高壓空氣條件下的熱裂解試驗,研究超稠油的熱裂解溫度條件、反應(yīng)產(chǎn)物及反應(yīng)動力學,并建立注空氣輔助地下改質(zhì)采油工藝的油藏模擬模型,研究注空氣對超稠油原位裂解反應(yīng)過程的影響,揭示注空氣輔助提高傳熱速率和提高采收率的機制,分析超稠油注空氣輔助原位裂解改制工藝的增效機制及應(yīng)用潛力。

1 超稠油熱裂解試驗

1.1 試驗材料及設(shè)備

本試驗采取的超稠油油樣來自遼河油田,其主要性質(zhì):20 ℃密度為1.007 g·cm-3,50 ℃黏度為191 600 mPa·s,飽和分、芳香分、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)4組分質(zhì)量分數(shù)分別為13.5%、22.0%、15.5%和49.0%。

原油熱裂解試驗所采用的主要設(shè)備和儀器包括高溫高壓反應(yīng)釜、高溫烘箱、壓力和溫度控制及沖蝕系統(tǒng)等。試驗裝置示意圖如圖1所示。其中高溫高壓反應(yīng)釜體積為417 mL (高度為134 mm,直徑為63 mm,耐壓70 MPa,耐溫500 ℃)。溫度和壓力控制和測試精度分別為0.2 ℃和0.02 MPa。

圖1 熱裂解試驗設(shè)備示意圖Fig.1 Schematic diagram of thermal cracking experimental equipment

1.2 試驗過程

超稠油熱裂解試驗需要在高于300 ℃的條件下進行。首先,20 g超稠油油樣放入反應(yīng)釜中,然后通入高壓氮氣或空氣至3.2 MPa, 接著反應(yīng)釜放入烘箱中加熱至預定的溫度,在加熱過程中,超稠油油樣與氧氣發(fā)生低溫氧化反應(yīng),將消耗掉氧氣;當預定的反應(yīng)時間到達后,停止反應(yīng)并將反應(yīng)釜冷卻至室溫;試驗結(jié)束后需要測量產(chǎn)出氣、輕質(zhì)油、剩余的超稠油和焦炭的質(zhì)量。產(chǎn)出氣通過質(zhì)量流量計測量質(zhì)量并通過氣體色譜測試組分。產(chǎn)出的輕質(zhì)油分離后,通過甲苯溶解剩余殘渣中的超稠油并過濾,將殘余的焦炭烘干并測量質(zhì)量。

2 超稠油熱裂解反應(yīng)動力學模擬

超稠油的熱裂解反應(yīng)被認為是一級反應(yīng),其反應(yīng)速率與每種油組分的質(zhì)量分數(shù)呈正相關(guān),同時油組分之間沒有化學相互作用[15]。在動力學模擬過程中,所考慮的超稠油的熱裂解反應(yīng)模式為

(1)

其中

式中,HO、LO、HCgas和Coke分別為稠油、輕質(zhì)油、烴類氣體和焦炭;a和b分別為單位質(zhì)量的超稠油組分熱裂解反應(yīng)后生成輕質(zhì)油和烴類氣體的質(zhì)量分數(shù);K為熱裂解反應(yīng)的速率常數(shù),d-1;k0為指前因子,d-1;Ea為反應(yīng)的化學能,kJ/mol;R為通用氣體常數(shù),8.314 J/(mol·K);T為絕對溫度,K。

試驗過程中測試不同溫度及不同時間條件下的試驗后每種反應(yīng)組分的質(zhì)量分數(shù),通過MATLAB擬合每種組分的質(zhì)量分數(shù),使模擬值與實際值誤差的總平方和最小,來求取不同溫度條件下的反應(yīng)速率和相關(guān)的動力學參數(shù)。在應(yīng)用MATLAB求取動力學參數(shù)的過程中,在某一固定溫度條件下,通過曲線擬合得到相關(guān)參數(shù)。由于試驗過程中進行了不同溫度條件下的熱裂解反應(yīng),因此會得到多個a、b和K值。用多次擬合后得到的不同的a和b的平均值,作為最終的a和b,并帶入曲線擬合過程得到不同溫度下的熱裂解反應(yīng)速率常數(shù)K,并通過式(1),在等式兩邊取對數(shù)后,得到稠油熱裂解反應(yīng)的指前因子k0和活化能Ea。每種組分的反應(yīng)速率即其質(zhì)量分數(shù)隨時間的變化可表示為

(2)

式中,vG、vL、vH和vC分別為烴類氣體、輕質(zhì)油、稠油和焦炭的反應(yīng)速率;wG、wL、wH和wC分別為烴類氣體、輕質(zhì)油、稠油和焦炭的質(zhì)量分數(shù),%。

3 熱裂解試驗及動力學模擬

3.1 試 驗

圖2為在空氣氛圍中,不同溫度條件下熱裂解試驗反應(yīng)釜中壓力的變化,隨著反應(yīng)時間增長,超稠油的稠油組分不斷裂解生成烴類氣體和輕質(zhì)油,從而導致反應(yīng)釜中壓力的增長?？梢钥闯?反應(yīng)溫度越高,反應(yīng)釜內(nèi)的壓力上升速率越快。在反應(yīng)溫度為325 ℃時,超稠油的裂解反應(yīng)速率和烴類氣體生成的速率比較慢,導致30 d后,僅在收集的尾氣中檢測出少量烴類氣體,而在反應(yīng)釜中沒有收集到裂解產(chǎn)生的輕質(zhì)油。

圖2 空氣中不同溫度條件下的熱裂解試驗 壓力的變化Fig.2 Pressure changes during thermal cracking experiments at different temperature in air

在350 ℃、3.2 MPa空氣條件下,超稠油經(jīng)過30 d熱裂解反應(yīng)后產(chǎn)生的輕質(zhì)油和焦炭如圖3所示。

圖3 超稠油及其裂解反應(yīng)生成的輕質(zhì)油和焦炭Fig.3 Ultra heavy oil and light oil and coke produced by cracking reaction

由于混合物的重力作用,產(chǎn)生的輕質(zhì)油很容易地分離出來。輕質(zhì)油在室溫條件下的密度和黏度分別為0.8 g/cm3和1.5 mPa·s。試驗結(jié)果表明,在350 ℃以上的溫度下,超稠油能夠在空氣中有效裂解成氣體、輕質(zhì)油和焦炭類物質(zhì),其中產(chǎn)生的輕質(zhì)油組分質(zhì)量分數(shù)為40%～60%。在空氣氣氛中,超稠油及熱裂解產(chǎn)生的輕質(zhì)油的烴分布如圖4所示,可以看出相比超稠油,裂解反應(yīng)生成輕質(zhì)油C5～C15組分的質(zhì)量分數(shù)增加,C16+組分的質(zhì)量分數(shù)明顯減少。產(chǎn)生的H2、N2、O2、CO2、C1、C2、C3、C4～C6體積分數(shù)分別為1.503%、73.125%、1.031%、10.026%、9.453%、2.497%、1.601%、0.763%,其中由C1～C3組成的烴類氣體和CO2是超稠油熱裂解反應(yīng)的主要氣體產(chǎn)物。

圖4 超稠油及熱裂解生成的輕質(zhì)油的組分分布Fig.4 Hydrocarbon distribution of ultra heavy oil and produced light oil by thermal cracking

在350 ℃的條件下,超稠油在空氣和氮氣中熱裂解反應(yīng)生成的烴類氣體、輕質(zhì)油和焦炭質(zhì)量分數(shù)如表1所示。結(jié)果表明,相比于在氮氣中,超稠油在

表1 超稠油在不同氛圍中的熱裂解試驗后生成物組成Table 1 Compositional characterization of reaction products during thermal cracking experiments in different atmospheres

空氣氛圍中熱裂解生成的烴類氣體和輕質(zhì)油的質(zhì)量分數(shù)分別降低3%～4%和5%～9%,而產(chǎn)生的焦炭的質(zhì)量分數(shù)略微增加。這是因為超稠油經(jīng)過低溫氧化反應(yīng)后,飽和烴和芳香烴會向膠質(zhì)、瀝青質(zhì)的方向轉(zhuǎn)變,導致超稠油中重組分的質(zhì)量分數(shù)增加,輕組分的質(zhì)量分數(shù)降低,因此在熱裂解反應(yīng)后檢測得到的烴類氣體和輕質(zhì)油降低[10-11,16]。

3.2 化學反應(yīng)模型

圖5為熱裂解反應(yīng)模型(2)對不同組分的模擬情況。擬合程度較好,反應(yīng)模型能夠比較準確地表達出烴類氣體、輕質(zhì)油、重質(zhì)油和焦炭在不同溫度、不同時間下的質(zhì)量分數(shù)變化,從而得到超稠油在氮氣和空氣氛圍中熱裂解反應(yīng)方程式和相關(guān)動力學參數(shù),如表2所示。結(jié)果表明,超稠油經(jīng)過與空氣的低溫氧化反應(yīng)后,熱裂解反應(yīng)速率降低20%～30%,活化能由233 kJ/mol升高到248 kJ/mol。

圖5 參加反應(yīng)的各組分的質(zhì)量分數(shù)的試驗值和擬合值Fig.5 Experimental results and modeling results for oil components during thermal cracking of heavy oil sample

低溫氧化反應(yīng)模型采用了文獻[17]中的反應(yīng)模型,即

(3)

其中λ和γ為系數(shù),γ可以通過試驗中O2-CO2的轉(zhuǎn)化率計算得到;而λ通過質(zhì)量守恒計算。熱裂解試驗反應(yīng)得到O2-CO2的轉(zhuǎn)化率為0.5,通過計算得到γ和λ,超稠油低溫氧化反應(yīng)模型為

(4)

其指前因子為3.9×104/d,反應(yīng)的活化能為28.72 kJ/mol,反應(yīng)焓為406 kJ/mol。

表2 超稠油在不同氛圍中的熱裂解反應(yīng)模型

4 超稠油注空氣輔助電加熱原位裂解改質(zhì)油藏數(shù)值模擬

4.1 數(shù)值模擬模型

采用油藏模擬軟件CMG STARS模擬了超稠油電加熱原位裂解改質(zhì)過程。模型中的地質(zhì)資料為對中國遼河油田杜80-20-60井的生產(chǎn)歷史進行擬合的結(jié)果[16-17]。目標稠油油藏的深度和厚度分別為873和10 m,原始壓力和溫度分別為8 500 kPa和33 ℃。所用地質(zhì)模型尺寸為15 m×15 m×10 m,同時將模型離散化為規(guī)則的笛卡爾網(wǎng)格,每個網(wǎng)格塊在x、y、z方向上分別為1 m×1 m×1 m。該區(qū)塊的平均孔隙率和水平滲透率分別為0.3和1 000×10-3μm2,標準偏差分別為0.05和50×10-3μm2。儲層流體和組分包括水、烴類氣體、氮氣、二氧化碳、氧氣、輕油、稠油和焦炭,通過CMG Winprop對超稠油和生成的輕質(zhì)油的性質(zhì)進行回歸得到各組分的PVT性質(zhì)。地層中初始含油飽和度為0.6,初始含水飽和度為0.4。

模型采用典型的五點井網(wǎng)(圖6),由4口加熱井和一口生產(chǎn)井組成。加熱井采用恒溫加熱(350 ℃)和恒定氣體注入速率模式(1 000 m3/d),而生產(chǎn)井采用定壓(2 MPa)生產(chǎn)模式。

圖6 模型中所用的井網(wǎng)模型Fig.6 Well pattern used in model

4.2 油藏數(shù)值模擬結(jié)果

4.2.1 注空氣對熱傳遞的影響

超稠油電加熱原位裂解改質(zhì)和注空氣輔助過程的平均地層溫度變化如圖7所示。注氮氣輔助電加熱原位裂解改質(zhì)過程的溫度曲線也包括在內(nèi),以作為對比?？梢钥闯?注空氣能夠顯著加快地層的加熱速率,1 a后注空氣輔助過程的地層平均溫度為250 ℃,高于注氮氣輔助過程(150 ℃)和單純的電加熱原位裂解過程(116 ℃)。

圖7 超稠油電加熱原位裂解改質(zhì)和注氮氣、 空氣輔助過程平均溫度的變化Fig.7 Changes of average reservoir temperature of ISU, N2 injection assisted ISU and AAISU of ultra heavy oil

為了定量研究注空氣過程不同傳熱方式對熱傳遞的影響,定義S1/(S1+S2+S3)、S2/(S1+S2+S3)、S3/(S1+S2+S3)分別為注空氣輔助過程中熱傳導、熱對流和低溫氧化的熱效應(yīng)對熱傳遞的貢獻,其中S1、S2、S3分別為圖7中兩條曲線之間的面積。

注空氣輔助過程總生產(chǎn)時間為1 a,熱傳導、熱對流和低溫氧化反應(yīng)的熱效應(yīng)對熱傳遞的影響如圖8所示。熱傳導在開始時占主導地位,然而隨著氣體注入,熱傳導的影響下降,熱對流和低溫氧化的熱效應(yīng)的影響持續(xù)增加。直到半年后,三者的影響達到穩(wěn)定狀態(tài)。在生產(chǎn)結(jié)束時熱傳導、熱對流和低溫氧化熱效應(yīng)的影響分別為40%、11%和49%?？諝庾⑷雽鳠岬挠绊懓釋α餍?yīng)和低溫氧化反應(yīng)的熱效應(yīng)。總體上注入空氣對原位裂解改制工藝過程中熱傳遞的貢獻接近60%。

4.2.2 注空氣對油氣產(chǎn)量的影響

電加熱過程和注空氣輔助過程的日產(chǎn)油量和采收率如圖9所示。純電加熱過程和注空氣輔助過程的采收率分別為53%和74%,注空氣可使原油采收率提高21%。注空氣輔助過程的日產(chǎn)油量要高于電加熱過程。

圖8 注空氣輔助過程中熱傳導、熱對流和低溫 氧化熱效應(yīng)對熱傳遞的貢獻Fig.8 Relative contribution of heat conduction, heat convection and thermal effect of LTO on heat transfer

圖9 電加熱和注空氣輔助過程累積輕質(zhì)油 產(chǎn)量和采收率Fig.9 Cumulative light oils and oil recovery efficiency for ISU and AAISU processes

4.2.3 注空氣對能量轉(zhuǎn)換效率的影響

由于原位裂解是一個高耗能的過程,因此能量效率對超稠油地下電加熱原位裂解工藝及其重要。能量效率是指產(chǎn)出油氣所具有的化學能與消耗的總能量之比。本文中,消耗的能量考慮了電加熱消耗的熱能和空氣壓縮所需要的能量,沒有考慮現(xiàn)場操作所需的其他額外能量(例如用于人工舉升、氣體處理和分離、流體儲存和運輸?shù)哪芰?。根據(jù)單位體積原油燃燒釋放的能量,產(chǎn)生的烴類氣體、液體油的能量含量分別為36 MJ/m3和40 GJ/m3[18-19]。能量效率計算式為

(5)

式中,Renergy為能量轉(zhuǎn)換效率;Eout為生產(chǎn)的石油和天然氣所擁有的化學能,GJ;Eheat為由電加熱器提供的熱能,GJ;Eair為空氣壓縮所需要的能量,GJ;VHCgas為產(chǎn)出烴類氣體的體積,m3;Voils為累積產(chǎn)油體積,m3;Ihk為導熱指數(shù),J/(d·℃);Tw為加熱井溫度,℃;Tk為加熱井所在的網(wǎng)格溫度,℃;psc和pinj分別為大氣壓力和空氣的注入壓力,MPa;Vair為標準條件下(20 ℃,101.325 kPa)的累積空氣注入量,m3。

通過式(5)計算得到單純電加熱原位裂解工藝的能量效率為6.34,而注空氣輔助工藝的能量效率為9.72,能量效率提高了53%,這主要是因為注空氣能夠提高累積產(chǎn)油和產(chǎn)氣量,同時油藏中超稠油的低溫氧化反應(yīng)釋放的熱量能夠提高地層傳熱速率,降低加熱器的能量供應(yīng)。加熱器加熱和低溫氧化反應(yīng)提供的能量如圖10所示。在1 a以內(nèi),低溫氧化反應(yīng)提供的能量高于加熱器提供的能量。能量效率的提高表明,注空氣輔助過程的經(jīng)濟可行性遠大于單純電加熱的。

圖10 注空氣輔助過程中低溫氧化反應(yīng)和 加熱器提供的能量Fig.10 Energy provided by heater and LTO reaction during AAISU process

5 結(jié) 論

(1)原油能在350 ℃有效裂解為烴類氣體、輕質(zhì)油和焦炭。裂解產(chǎn)物中輕質(zhì)組分(C5～C30)的質(zhì)量分數(shù)為40%～60%,焦炭剩余物約為30%,其熱裂解反應(yīng)的活化能為248 kJ/mol。相比于在氮氣中,超稠油在空氣氛圍中熱裂解生成的烴類氣體和輕質(zhì)油的質(zhì)量分數(shù)分別降低3%～4%和5%～9%,而產(chǎn)生的焦炭的質(zhì)量分數(shù)略微增加,同時熱裂解反應(yīng)速率稍有降低。

(2)注空氣輔助能顯著提升井下電加熱原位裂解工藝熱傳遞速率,有效縮短油層的加熱升溫時間,提高原油采收率。當加熱溫度為350 ℃,單井空氣注入速率為1 000 m3/d時,由于對流傳熱及氧化反應(yīng)的熱效應(yīng),注空氣輔助對熱傳遞的貢獻可達到60%,原油采收率提高21%,能量轉(zhuǎn)換效率由6.34上升到9.51,提高53%。