超稠油燃燒基礎參數特征研究

程海清，趙慶輝，劉寶良，吳 拓，彭 旭

(中油遼河油田公司，遼寧 盤錦 124010)

超稠油燃燒基礎參數特征研究

程海清，趙慶輝，劉寶良，吳 拓，彭 旭

(中油遼河油田公司，遼寧 盤錦 124010)

針對超稠油油藏開展火燒油層技術可行性研究的需要，利用自行設計研制的火燒油層物理模擬實驗裝置，分別采用超稠油、特稠油、普通稠油開展了火燒油層燃燒基礎參數物理模擬實驗。對比了不同類型稠油門檻溫度、燃料消耗量等燃燒基礎參數，結合產出油組分及溫度場發育特征，分析了超稠油燃燒基礎參數特征。研究認為，超稠油油藏開展火燒油層試驗是可行的，超稠油門檻溫度、燃料消耗量等燃燒基礎參數值均高于其他類型稠油;稠油火燒油層的驅油效率與黏度相關，黏度越大其燃料消耗量越大，其最終的驅油效率相對較低;火燒后原油性質發生了明顯改善。

超稠油;火燒油層;燃燒基礎參數;物理模擬

引言

火燒油層是一種大幅度提高原油采收率的重要熱采技術［1－3］，具有油藏適應范圍廣、物源充足、成本低、采收率高的特點。火燒油層的驅油效果與地層、原油性質，注空氣的通風強度，點火溫度和燃燒溫度等因素都有密切的聯系，因此在決定對某油藏實施火燒油層現場試驗之前，有必要開展原油的燃燒基礎參數測定實驗［4－8］，認識原油的燃燒基礎參數特征，為現場試驗提供技術支持，降低現場試驗的成本與風險。目前，火燒油層的篩選標準面向的是普通稠油、部分特稠油油藏，而火燒油層技術在超稠油油藏是否可行，超稠油燃燒基礎參數有何特征等問題亟待解決，為此，結合國內外火燒油層物理模擬研究的現狀，采用自行設計研制的火燒油層物理模擬實驗裝置［9－10］，針對超稠油燃燒基礎參數進行了深入分析研究。

1 實驗裝置及方法

1.1 實驗裝置

火燒油層物理模擬實驗系統主要包括5部分:注氣系統、點火系統、模型本體、數據采集系統、產液氣分離及回收系統(圖1)。模型本體具有旋轉功能，可開展不同地層條件下的干式和濕式火燒油層模擬實驗。在軸向上分布3層溫度傳感器共39支，各個測溫點軸向間距為32 mm。其中在靠近模擬注氣井一側插入電加熱棒，與調壓器、電源等相連構成點火系統，實驗過程中通過點火系統來控制點火溫度。注氣系統由空氣壓縮機、干燥器、流量計等設備組成，可以滿足實驗過程中對注氣強度調整的需要，并且實現對注氣速率進行精確計量與控制。熱電偶、數據采集板與計算機組成的數據采集系統，可以對實驗過程中各個測溫點溫度變化情況實時顯示并自動記錄。

1.2 實驗準備及方法

為了深入認識超稠油的燃燒基礎參數特征，分別選擇具有代表性的超稠油、特稠油、普通稠油作為實驗用油，實驗用砂采用顆粒粒徑與油層相近、能反映地下儲層巖心物性特征的石英砂，將選用的原油與石英砂按一定比例混合配制，得到具有相同含油飽和度的人工油砂，其初始含油飽和度為56%。

火燒實驗步驟如下:①將配制好的油砂裝入模型內;②模型封蓋，并測試氣密性;③調試溫度采集系統并建立初始溫度場;④啟動點火系統和注氣系統，設計點火溫度為500℃，進行火燒油層物理模擬實驗;⑤燃燒結束后仍繼續通風，使模型本體的溫度降至室溫;⑥拆開模型，觀察燃燒情況。

圖1 火燒油層一維物理模擬實驗系統示意圖

2 實驗結果分析

2.1 燃燒穩定性評價

(1)溫度場特征。在相同的通風強度、點火溫度條件下，針對不同類型的稠油，開展了多組火燒油層燃燒基礎參數測試實驗，通過監測實驗過程中溫度場變化，發現不同類型稠油的火線形成、拓展特征類似，具體見圖2。圖2中紅色區域為高溫區

圖2 火線形成與拓展溫度場

域，即火線，火線首先形成于注氣井處，在火線處主要發生劇烈的高溫氧化反應，放出大量的熱量，保證了火線穩定地向前拓展，在拓展過程中，火線向上方拓展的趨勢明顯，這主要是由于受重力影響，氣體在模型上部推進較快，使燃燒產生了超覆現象。

(2)尾氣組分。實驗過程中，采用煙氣分析儀實時監測產出尾氣組分，具體見圖3。可見，當火線形成時，O2的含量由21%迅速下降到3%左右，而CO2、CO也隨之產生，并且其含量迅速升高，分別達到了10%和2%。在火線拓展階段，O2、CO2、CO的含量始終維持在大致穩定的狀態，通過計算，O2利用率為83.93%，視H/C原子比為1.413，表明高溫氧化反應始終穩定存在并處于主導地位。

圖3 火燒油層實驗尾氣組分隨時間變化曲線

通過實驗溫度場與尾氣組分對比發現，超稠油、特稠油、普通稠油的火線形成、拓展特征類似，能保證穩定地推進，并且尾氣組分變化趨勢一致，這表明超稠油、特稠油與普通稠油一樣，都可以實施火燒油層技術。

2.2 門檻溫度的測定

門檻溫度是在連續恒速注入空氣條件下，能在1 h內使油砂點燃的最低點火溫度，是火燒油層現場試驗點火階段加熱器功率及其加熱時間設計的最重要參數。在模型中段選擇一系列溫度測點進行數據分析，繪制溫度與時間的關系曲線及對應的溫度變化速率與時間的關系曲線(圖4)。由圖4分析可以發現，在油砂被點燃之前，油砂主要靠熱傳導傳熱，升溫速率相對穩定且緩慢。在油砂被點燃后，燃燒將會產生大量的熱量，燃燒帶處的局部范圍內熱量會產生聚集，溫升速率會急劇上升，隨著火線的向前移動，溫升速率開始下降。因此油砂點燃的瞬間溫升速率出現極大值，在與其對應溫度－時間關系曲線上可求得門檻溫度值。

圖4 火燒油層門檻溫度的確定

不同類型原油的門檻溫度數據見表1。從表1可以看出，門檻溫度隨著原油黏度的增大而升高。分析認為，火燒油層的燃料主要為原油中的重質組分經裂解反應而產生的焦炭，原油黏度越大，其含有的重質組分結構也越復雜，發生裂解需要更高的溫度，因此其門檻溫度也越高。

表1 不同類型稠油的門檻溫度

2.3 燃料消耗量的測定

燃燒消耗量，亦稱燃料生成量，是指在某種燃燒條件下，每立方米油藏所含的焦炭量，是判斷油層是否能實施火燒采油的依據之一。應當指出的是，在火燒油層中實際燃燒的燃料并不是油層中的原油，而是原油經過熱裂解后附著在巖石砂粒上可用來燃燒的焦炭類物質。焦炭與空氣發生高溫氧化反應，其燃燒產物主要是CO、CO2和H2O。因此可以根據燃燒尾氣中各組分的濃度及通風強度、燃燒前緣推進速率、視H/C原子比來確定燃燒消耗量。

不同類型稠油的燃料消耗量數據見表2。從表2可以看出，在相同的實驗條件下，原油的燃料消耗量隨著黏度的增大而增大。這主要是因為超稠油中含有膠質、瀝青質等重質組分較多，在熱裂解過程中有更多的重質組分參與反應，生成了更多的富含炭殘渣，富含炭殘渣進一步聚合、結焦，形成了火燒油層的燃料——焦炭類物質。

表2 不同類型稠油的燃料消耗量

2.4 驅油效率分析

火燒油層的驅油效率是指從燃燒帶掃過的油藏單元體積中被驅替出的那部分石油儲量占該單元體積地質儲量的質量百分數。拆開模型，觀察火燒后油砂分布情況發現，被火線波及過的油砂顏色明顯變白。對其進行氯仿瀝青測定，發現其含油飽和度接近0，這也表明在火線波及過的區域，除了少量原油中的重質組分經高溫裂解作用聚合結焦成焦炭類物質，作為高溫燃燒的燃料消耗掉，其余的大部分原油都被氣、熱、混相等多種驅替方式驅替出來。

不同類型稠油的驅油效率見表3。可以看出，火燒油層的驅油效率隨著黏度升高而降低，這主要是因為原油黏度越高，其含有的重質組分也越多，在火燒過程中消耗的燃料也越多，因此其最終驅油效率就相對較低。

表3 不同類型稠油火燒油層的驅油效率

2.5 產出油組分分析

在火燒油層過程中，燃燒的主要是原油中重質組分經高溫裂解、聚合而成的焦炭類物質。換言之，火燒油層過程中燃燒掉的部分主要是少量的原油重質組分，原油中絕大部分組分都被驅替出來，而驅替出來的產出油組分將發生明顯變化。

對實驗后的產出油樣進行物理化學性質分析，結果見表4。火燒后的原油密度、黏度較火燒前都有顯著的降低。原油族組分分析結果表明，火燒后原油中飽和烴相對含量增大，芳烴、膠質、瀝青質相對含量降低，原油性質發生了明顯改善。經分析認為，原油品質得到改善的主要原因是原油中膠質、瀝青質等重質組分參與了裂解、高溫氧化反應，使其含量下降，其中部分反應產物轉變成飽和烴、芳烴，導致其含量明顯增加。

表4 不同類型稠油火燒油層前后原油物化性質分析數據

3 結 論

(1)結合溫度場、尾氣組分和產出原油組分分析了超稠油火燒油層的燃燒基礎參數特征，超稠油能夠實現點火并維持穩定燃燒。

(2)超稠油門檻溫度、燃料消耗量等燃燒基礎參數均高于其他類型稠油，主要原因是超稠油中膠質、瀝青質等重質組分含量較多，結構復雜。在油藏工程設計及數值模擬研究中應予以重視。

(3)稠油火燒油層的驅油效率與黏度相關，黏度越大其燃料消耗量越大，其最終的驅油效率相對較低。

(4)火燒后原油的密度、黏度都明顯降低，飽和烴相對含量增大，芳烴、膠質、瀝青質相對含量降低，原油性質發生了明顯改善。

［1］張方禮.火燒油層技術綜述［J］.特種油氣藏，2011，18(6):1－5.

［2］張方禮，劉其成，劉寶良，等.稠油開發實驗技術與應用［M］.北京:石油工業出版社，2007:1－6.

［3］王彌康，張毅，黃善波，等.火燒油層熱力采油［M］.東營:石油大學出版社，1998:9－18.

［4］Coatsr，Lorimers，Ivoryj.Experimental and numerical simulations of top down in－situ combustion process［C］.SPE30295，1995:487－498.

［5］Burger J G，et al.Laboratory research on wet combustion［J］.Journal of Petroleum Technology，1993，25(10): 1130－1136.

［6］楊俊印.火燒油層(干式燃燒)室內實驗研究［J］.特種油氣藏，2011，18(6):96－99.

［7］關文龍，蔡文斌，王世虎，等.鄭408塊火燒油層物理模擬研究［J］.石油大學學報:自然科學版，2005，29 (5):58－61.

［8］楊德偉，王世虎，王彌康，等.火燒油層的室內實驗研究［J］.石油大學學報:自然科學版，2003，27(2):51－54.

［9］謝志勤，賈慶升，蔡文斌，等.火燒驅油物理模型的研究及應用［J］.石油機械，2002，30(8):4－6.

［10］關文龍，王世虎，蔡文斌，等.新型火燒油層物理模型的研制與應用［J］.石油儀器，2005，19(4):5－7.

編輯 王 昱

TE357.44

A

1006－6535(2012)04－0107－04

10.3969/j.issn.1006－6535.2012.04.027

20120224;改回日期:20120515

大型油氣田及煤層氣開發科技重大專項“渤海灣盆地遼河坳陷中深層稠油開發技術示范工程”部分內容(2008ZX05053)

程海清(1982－)，男，工程師，2005年畢業于石油大學(華東)熱能與動力工程專業，2008年畢業于中國石油大學(華東)流體力學專業，獲碩士學位，現從事稠油熱采室內實驗研究工作。