輕質油藏注空氣最小空氣流量研究

編譯:余唐 (西南石油大學國家重點實驗室)

審校:熊偉 (西南油氣田分公司重慶氣礦)

輕質油藏注空氣最小空氣流量研究

編譯:余唐 (西南石油大學國家重點實驗室)

審校:熊偉 (西南油氣田分公司重慶氣礦)

火燒油層技術在稠油油藏中的應用早在上個世紀早期就已經開始了,如今研究重點放在了確定能夠維持燃燒前緣的最小空氣流量上面。得到的最小空氣流量將用于設計空氣壓縮機的規模。Nelson和McNeil對稠油油藏的最小空氣流量做過研究,但在輕質油藏中的燃燒機理不同于稠油油藏,通常輕質油藏中的燃燒前緣不如稠油油藏中的穩定,因此最小空氣流量的確定方法又有所不同。本文使用熱采模擬器來確定最小空氣流量,在模擬之前,做了高壓變溫氧化實驗來確定火燒參數。模擬數據全來自于實驗數據。

輕質油藏 注空氣 HP-RTO反應速率 數值模擬

1 簡介

注空氣是提高原油采收率的方法之一。空氣作為一種廉價而常見的介質,將其注入到稠油油藏中的工藝技術稱為火驅或火燒油層。

由于注空氣包含了燃燒過程,所以在研究注空氣時,不僅要考慮相態的變化,還要考慮化學反應。為此,需要做多項實驗以滿足火燒油層技術的需要,例如加速速率量熱儀 (ARC)實驗、熱重壓差掃描量熱儀 (TG/PDSC)實驗和燃燒管(CT)實驗。ARC實驗是為了確定在高溫和低溫下,化學反應的激烈程度以及持續性;TG/PDSC實驗是為了確定原油與氧氣反應時的溫度范圍;而CT實驗的目的主要有三點:①評價原油的燃燒性質 (如燃點);②測量增加噸油空氣和燃料的消耗量以及其他相關屬性;③測量產出氣的組分,產出油和水的性質,為以后的現場應用提供參考。

2 ARC及CT實驗參數及結果

ARC實驗表明,Minami-Aga原油在 170～300℃之間能夠發生持續的化學反應,此時,其點燃溫度超過了103℃。這說明在Minami-Aga實施注空氣必須考慮點火方式,因此在ARC實驗中,還評價了氧氣段塞和亞麻籽油的點燃效果。

分別在低含水飽和度下和高含水飽和度下做了CT實驗,在兩種情況下都有穩定的燃燒過程、原油產出量、氧氣消耗量。還做了Minami-Aga原油的三維模型煙道氣巖心驅替,在水驅之后的煙道氣驅采不出任何原油。此時,采用了數值模擬方法來理解驅油機理,結果顯示,熱效應對Minami-Aga原油的驅替影響較大。為了提高原油采收率,必須維持一個穩定的燃燒前緣,這就需要確定能夠維持穩定燃燒前緣的最小注氣速度。

3 高壓變溫氧化實驗

HP-RTO實驗是等熱產出氣組分分析的一種,HP-RTO實驗設備包括一個長49 cm、直徑2.54 cm的圓柱型反應器。注空氣之前,反應器中充滿巖屑和原油。注氣結束后,測量反應器的溫度、產出氣的組分、產出液體的體積。等熱產出氣組分分析可以獲得模擬所需的火燒參數。實驗壓力為250 KSCG,溫度分別為103、120、140℃,注氣通量為3 STm3/m2h。各個溫度下的實驗初期都是等熱過程,但在實驗溫度為103℃時,反應器溫度先升至170℃,后又升至360℃;實驗溫度為120℃時,反應器溫度直接升至360℃;實驗溫度為140℃時,反應器溫度升至450℃。

4 實驗結果

實驗溫度為103℃和120℃時,產出氣的組分大致相同。實驗溫度為120℃時,在溫度高達360℃的高溫區域形成之前,氣相色譜 (GC)就失敗了;實驗溫度為140℃時,在44～88 h后,溫度升高了6℃,產生了摩爾體積為10%的CO2,盡管隨后CO2含量大體保持穩定,甚至有所降低,但由于燃燒只發生了一次,所以CO2驅有可能是主要的驅油機理。

分子量的斷裂和燃燒極有可能是發生在溫度為170℃和360℃的高溫區域。當氣相產生時,170℃區域會發生移動,而360℃區域有可能隨氣相移動而移動,也有可能停留在固體殘渣區域。

實驗溫度為103℃和120℃時,產出氣的組分有所變化。在這兩種實驗方案中,都沒有放熱反應發生,因此氧氣的消耗量和CO2的產出量都微乎其微。盡管如此,為了理解低溫下的化學反應過程,必須做一些分析:由于CO2的產出量很少,所以即使是微小的體積變化,都會影響分析結果。為此,設定了如下的注入氣組分和每個實驗剩余時間的標準:

由于低溫下 HP-RTO的實驗結果顯示組分只有微小的變化,因此注入氣的初始組分對結果的影響很大。在 HP-RTO實驗設備中,氣相色譜和反應器出口之間有大片的不流動區域。由于不流動區域的存在,使得氣相色譜開始形成時間的組分分析延遲了數小時,因為此次研究注入速度較慢,延遲的時間影響就較大。故在分析中,必須考慮延遲時間。假設加熱反應器時反應開始,接著氣體組分變化,此時氣相色譜儀測得的組分變化時間稱為 GC開始時間,103℃、120℃、140℃下的 GC開始時間分別為7.38 h、7.05 h、6.61 h。可以假設在實驗開始和 GC開始之間的時間段內氣體組分保持不變。遵照以上定律,就可以確定各個實驗的注入氣組分,表1給出了注入氣的初始組分。

表1 初始組分

實驗開始時,反應器內已存在部分空氣,這些空氣會通過加熱的反應器到達出口。同實驗開始后注入空氣的反應時間相比,已存在空氣的反應時間很短,因此如果注氣速度很大,這些“已存在空氣”的影響就可以忽略不計。但是此次實驗的注氣速度很小:1 PV空氣通過反應器的時間為10 h,此時如果不考慮“已存在空氣”的組分,分析結果就會出錯。因此把“已存在空氣”在反應器中的流動時間稱為“過渡時間”?！斑^渡時間”可以通過反應器的孔隙體積和注氣速度來計算,“過渡時間”后氣體組分的分析結果見表2。

表2 過渡時間

5 反應速率的計算

為了確定產出氣的體積,假設N2的體積保持不變 (注入量=產出量),反應速率由以下公式計算:

式中 k——m3/(kg·h)

X ——組分 (O2或CO2)

Q ——注氣速率 (m3/h)

[Xprd]、[N2prd]——產出氣組分 (摩爾含量)

Wrock——巖石質量 (kg)

最后將反應速率的單位由m3(O2)/(kg·h)變為 kg(O2)/(kg·h)。

燃燒反應可由如下的化學反應方程式表示:

此次研究沒有考慮CO的產生,因此方程右邊的CO項可以忽略,又因為N2的體積保持不變,所以N2項也可以忽略。此時,方程 (2)變為:

a、b、c、x、y 可通過氧氣的消耗量和 CO2的產出量計算,見表3。

表3 HP-RTO實驗化學常數

方程 (3)中的高H/C比表明將有大量的水產生,而事實上實驗溫度為103℃時,高 H/C比是氧化反應的特征,而不能表示有水產生。實驗中也沒有產生水,在實驗開始時也沒有水。

根據Arrhenius方程:

式中 k——反應速率,m3(ST)/h

f ——頻率因子

E ——活化能,J/g·mol

[CHx]、[O2] ——摩爾分數

m、n ——反應級數

R——氣體阿伏伽德羅常數 [8.31447 J(k·g·mol)]

T ——溫度 ,K

方程 (4)也可改寫為:

方程 (5)中的活化能 E表示反應速率受溫度影響的程度,可以通過反應速率與溫度的關系式求得E。HP-RTO實驗結果顯示了氧氣消耗量和CO2產出量的另外一種變化趨勢,表4給出了相應的活化能,基于氧氣消耗量計算的活化能值很小。當溫度由103℃變化到120℃時,CO2產出量增加,氧氣消耗量減少;當溫度由120℃變化到140℃時,氧氣消耗量又有所增加。即,氧氣消耗量和溫度之間沒有線性關系。因此,如果使用基于氧氣消耗量計算的活化能來進行數值模擬,就會出現誤差。氧氣消耗量和CO2產出量之間的差異表明溫度由103℃變化到120℃時,氧化反應占主導地位。

表4 活化能

實驗溫度為140℃時的反應速率對基于CO2產出量計算的活化能影響很大,140℃時的反應速率是根據上個反應算出的,在實驗初期會發生放熱反應,這會導致剩余油組分發生變化,很難點燃。研究實驗初始反應狀態時發現,在20～26 h之間產出氣的組分保持穩定,或者更為精確地說,是CO2產出量緩慢升高,從103℃、120℃、140℃所計算的活化能均為87.535 J/g·mol,其值同基于103℃、120℃反應速率所計算的活化能值很接近。實驗溫度為140℃,在44～48 h之間存在一個氣相燃燒區域,但在這個區域形成之前會發生殘余油組分的燃燒,因此在44～48 h之后,氧氣消耗和CO2產出機理就會有很大不同。在氣相點燃之前,還存在一個感應期。

6 數值模擬研究

使用熱采模擬器是計算最小空氣流量最好的方法之一。使用的熱采模擬器為 CMG公司的STARS。通常熱采反應有三種計算方法:火焰面模型、Arrhenius方程模型、元素反應模型。

火焰面模型是最簡單的模型,而元素反應模型是最復雜的模型。元素反應方法要計算燃燒包含的所有元素反應,這又不切合實際,因為燃燒涉及到的反應極多,而Arrhenius方程模型是根據方程(4)中的經驗公式來計算反應速率。STARS使用了Arrhenius方程來計算化學反應,能夠維持燃燒前緣的最小空氣流量應當考慮低溫下的反應,因此在使用模型計算最小空氣流量時,反應速率同溫度應是線性關系。對于前面所估計的最小空氣流量,反過來檢查了反應速率同溫度之間的線性關系。

7 HP-RTO實驗擬合

數值模擬使用的火燒參數來自 HP-RTO實驗結果。氧氣和原油的頻率因子和反應次序都根據HP-RTO實驗結果做了調整,在本次數值模擬中,對原油使用了6個擬組分 (C1、C2-C3、C4-C6、C7-C11、C12-C17、C18+),各組分都使用相同的頻率因子和反應次序。CT實驗的模擬結果:高溫下的火燒參數值太大,導致溫度剖面擬合不好,所以根據CT實驗擬合結果,調整了C18+的參數。C1-C17使用了另一套值,只使用了C18+的參數擬合結果,盡管根據CT實驗對參數進行了調整,但由于C1-C17也使用了和C18+一樣的參數,所以擬合結果也不是很好。由于輕質組分的影響,燃燒前緣的推進會越來越快,從CO2產出速率模擬結果來看,相對于實驗結果,CO2的計算所得產出速率就太大。這是因為活化能受溫度影響很大,無法同時考慮低溫下和高溫下的所有反應,所以擬合結果會出現偏差。

數值模擬研究總結如下:考慮到反應機理的變化,除非有單獨的氣相燃燒方程以及氧化方程,否則CT實驗不可能擬合好。熱采模擬器可以很好地評價模型的敏感性,但由于缺乏180℃和360℃下的GC數據,所以無法與RTO所有的實驗結果很好地擬合。

8 結論

◇HP-RTO實驗所得的低溫下的活化能與高溫下的活化能有差別;

◇使用HP-RTO實驗低溫下的參數對CT實驗進行擬合,未得到較好的擬合結果;

◇CT實驗擬合不僅需要低溫下的液相燃燒數據,也需要高溫下的氣相燃燒數據,這樣才能獲得較好的擬合結果。

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.3.005

資料來源于美國《SPE 116530》

2009-01-04)