火燒油層技術(shù)研究現(xiàn)狀與應(yīng)用前景

黃 俊，魯軍輝，張譽(yù)才

（1.長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院油氣鉆采工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430100；2.上海海洋石油局第三海洋地質(zhì)調(diào)查大隊(duì)，上海 200137；3.湖北省天然氣發(fā)展有限公司，湖北武漢 430000）

火燒油層又稱層內(nèi)燃燒，是指將空氣或氧氣注入油層使原油持續(xù)燃燒的采油方法，能夠有效提高原油采收率，適用于多種類型的油藏，尤其是稠油油藏及瀝青礦藏。

火燒油層技術(shù)的原理是將事先預(yù)熱的空氣注入到井底附近，借助井底電加熱器或通過(guò)化學(xué)反應(yīng)使油層溫度達(dá)到原油燃點(diǎn)，然后連續(xù)注空氣或氧氣，通過(guò)燃燒少量的地層原油（主要是重質(zhì)組分）產(chǎn)生熱量和壓力，降低地層原油的粘度。火燒油層是注空氣采油的一種形式，在國(guó)外已商業(yè)運(yùn)作近50年[1]，然而，判斷火燒油層項(xiàng)目是否取得成功的最基本原則還未能確定。通常，人們根據(jù)室內(nèi)燃燒管實(shí)驗(yàn)預(yù)測(cè)油田現(xiàn)場(chǎng)的火燒油層能否成功，需要注入多少空氣等，并以此設(shè)計(jì)試驗(yàn)區(qū)塊火燒油層的過(guò)程[2]。

火燒油層技術(shù)由于原油組分多，燃燒情況復(fù)雜，難以精確描述，加之反應(yīng)形式多樣，實(shí)驗(yàn)?zāi)M難度大，因此，研究工作要求強(qiáng)化對(duì)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)及相關(guān)學(xué)科知識(shí)的深入了解。

1 室內(nèi)研究進(jìn)展

火燒油層的采收率一般在50%以上，可以在比蒸汽驅(qū)采油更復(fù)雜、更苛刻的地層條件下應(yīng)用，但其實(shí)施工藝難度大，地下燃燒不易控制，如果燃燒不充分會(huì)使油層性質(zhì)急劇變化，將來(lái)應(yīng)用其他方法更難，因此，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施前有必要進(jìn)行針對(duì)性的室內(nèi)研究。本文介紹了用于火燒油層研究的最新方法及其成果，包括從室內(nèi)研究向現(xiàn)場(chǎng)推廣的研究流程、原油組分效應(yīng)及組分對(duì)反應(yīng)路徑的影響、含水燃燒管實(shí)驗(yàn)及燃燒參數(shù)的確定。

1.1 綜合化的研究流程

Bazargan[3]等提出一種綜合研究流程以預(yù)測(cè)油藏火燒油層的成功，研究流程圖（見(jiàn)圖1）。該流程綜合了動(dòng)力反應(yīng)實(shí)驗(yàn)、燃燒管實(shí)驗(yàn)、原油組分分析、高分辨率物理模型及用于預(yù)測(cè)油藏規(guī)模下火燒油層的針對(duì)性燃燒實(shí)驗(yàn)。

動(dòng)力反應(yīng)實(shí)驗(yàn)用以探究燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理，為開(kāi)展等轉(zhuǎn)化率分析工作，需要在不同升溫速率下完成一系列實(shí)驗(yàn)，所有其他參數(shù)，如壓力、初始溫度、空氣注入流速等在這一系列實(shí)驗(yàn)中均是固定不變的。至少需要五組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[4]。

火燒油層反應(yīng)速率由燃料含量和O2分壓決定[5]，由于碳?xì)浠衔镅趸磻?yīng)復(fù)雜，反應(yīng)模擬困難，燃燒速度方程難以準(zhǔn)確建立。等轉(zhuǎn)化率法[6]不必假設(shè)反應(yīng)機(jī)理函數(shù)就可以計(jì)算出反應(yīng)活化能，回避了上述問(wèn)題。Cinar[7]等研究表明，在有效燃燒的情況下，560 K溫度下發(fā)生的低溫氧化反應(yīng)（LTO）由負(fù)溫度梯度區(qū)（NTGR）主導(dǎo)（以600 K為中心）。該區(qū)域內(nèi)有效活化能不斷降低直至最小，然后進(jìn)入高溫氧化反應(yīng)（HTO）。圖2、圖3均為有效活化能（縱坐標(biāo)）與轉(zhuǎn)化率（橫坐標(biāo)左）及平均溫度（橫坐標(biāo)右）的關(guān)系。負(fù)溫度梯度區(qū)向高溫氧化反應(yīng)區(qū)平滑過(guò)渡是燃燒效果好的標(biāo)志（見(jiàn)圖2），而不適宜采用火燒油層的油藏在低溫氧化反應(yīng)區(qū)呈現(xiàn)出明顯的間斷（見(jiàn)圖3）。

通過(guò)等轉(zhuǎn)化率分析不僅可以判別燃燒過(guò)程的不同反應(yīng)區(qū)，得到樣品在不同溫度和燃燒狀態(tài)下的動(dòng)力學(xué)基本參數(shù)，還可以直觀看出燃燒前緣的推進(jìn)是否成功，而燃燒前緣的成功推進(jìn)正是火燒油層項(xiàng)目成功實(shí)施的必備條件。

1.2 SARA組分熱氧化敏感性研究

火燒油層復(fù)雜的燃燒反應(yīng)給室內(nèi)研究帶來(lái)了種種困難，人們尚不清楚究竟要開(kāi)展多少組實(shí)驗(yàn)及怎樣從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中獲取相關(guān)參數(shù)的有效數(shù)值。一直以來(lái)，SARA（飽和烴、芳烴、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)）組分模型被用于實(shí)驗(yàn)室研究火燒油層提高原油采收率技術(shù)。

Priyanka[8]等在前人研究基礎(chǔ)上，開(kāi)展了SARA組分的熱氧化敏感性研究，包括SARA模型的14組反應(yīng)模式：膠質(zhì)、芳烴、瀝青質(zhì)的高溫分解或裂解反應(yīng)；飽和烴、芳烴、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)低溫氧化反應(yīng)；高溫裂解形成的焦炭、低溫氧化反應(yīng)形成的氧化瀝青質(zhì)、氧化膠質(zhì)、氧化芳烴、氧化飽和烴及膠質(zhì)、芳烴的高溫氧化反應(yīng)。該研究旨在探究組分效應(yīng)及組分對(duì)反應(yīng)路徑的影響。結(jié)果表明，瀝青質(zhì)作為原油中最重的組分之一最難被氧化，而飽和烴最易被氧化?？諝庾⑷胨俣?、氧氣濃度和反應(yīng)活化能對(duì)原油采收率影響很大，注入過(guò)量空氣或高速注空氣會(huì)使燃燒前緣降溫，降低原油采收率；提高氧氣濃度可以提高采收率，而且，氧氣濃度增加有利于氧化反應(yīng)的進(jìn)行，而低的氧氣濃度則促進(jìn)重質(zhì)組分的裂解反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)中還觀察到氧氣濃度增加可以擴(kuò)大蒸汽帶的范圍及其推進(jìn)速度，實(shí)現(xiàn)了更有效的蒸汽驅(qū)。

1.3 考慮含水的燃燒管實(shí)驗(yàn)

火燒油層過(guò)程的模擬需要對(duì)許多現(xiàn)象，如相變化、化學(xué)反應(yīng)、質(zhì)熱交換、流體性質(zhì)等進(jìn)行精確描述。低溫氧化反應(yīng)一般發(fā)生在350℃以下，反應(yīng)組分為輕質(zhì)組分，一般生成如羧酸、醛、酮、乙醇和過(guò)氧化物等氧化物，該反應(yīng)使原油沸點(diǎn)、粘度和密度增加[9]。高溫氧化反應(yīng)發(fā)生在350℃以上，反應(yīng)組分為焦炭和部分低揮發(fā)性碳?xì)浠衔?，主要生成CO、CO2和H2O。非氧化反應(yīng)以原油高溫裂解反應(yīng)為主，以低溫氧化反應(yīng)為起點(diǎn)，貫穿于整個(gè)燃燒過(guò)程。

Lapense[10-11]等在前期工作中研究了含水對(duì)原油氧化反應(yīng)的影響，結(jié)果表明，與干式燃燒相比，水蒸氣影響低溫氧化反應(yīng)，能夠顯著降低耗氧量，延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間；水蒸氣也直接影響高溫氧化反應(yīng)，延長(zhǎng)耗氧時(shí)間，可以產(chǎn)生更多的CO2，并減少由焦炭燃燒產(chǎn)生的CO量。他們還進(jìn)行了含水時(shí)的重油燃燒管實(shí)驗(yàn)，通過(guò)比較干式燃燒與濕式燃燒，旨在進(jìn)一步優(yōu)化火燒油層模擬模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在相同條件下，濕式燃燒過(guò)的區(qū)域溫度更低，熱能利用率更高，因此，在建立火燒油層模擬模型時(shí)需要考慮含水的影響。

1.4 最小空氣通量研究

為成功實(shí)施火燒油層項(xiàng)目，油藏內(nèi)必須存在持續(xù)推進(jìn)的燃燒前緣，因此，需要充足的空氣維持?jǐn)噫I反應(yīng)，否則會(huì)發(fā)生不利的加氧反應(yīng)（如原油低溫氧化），不僅消耗了O2，而且不利于原油流動(dòng)，最終導(dǎo)致火燒油層項(xiàng)目的失敗。因此，將維持燃燒前緣持續(xù)推進(jìn)的最小空氣通量定量化對(duì)于確定油藏體積（將用于熱力采油區(qū)）下注空氣設(shè)備的容量是很有必要的。

Moore[12]等認(rèn)為，如果火燒油層項(xiàng)目進(jìn)行順利，采油速度應(yīng)接近注空氣速度，但現(xiàn)場(chǎng)操作時(shí)人們常常忽略這一事實(shí)，如果油田生產(chǎn)出現(xiàn)問(wèn)題，人們一般是將注空氣速度盡可能降低，而這極有可能導(dǎo)致燃燒前緣持續(xù)推進(jìn)的失敗。他們還指出，即使項(xiàng)目操作順利，最小空氣通量仍難以確定。

起初，研究人員利用一維燃燒管實(shí)驗(yàn)開(kāi)展了最小空氣通量的研究[13-15]。Alamatsaz[16]等認(rèn)為一維燃燒管實(shí)驗(yàn)不適用于確定最小空氣通量，主要是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的燃燒管熱容量不夠有效，而且在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中減小空氣通量可能會(huì)引起短暫的波動(dòng)，而燃燒管的長(zhǎng)度不足以維持該過(guò)程的穩(wěn)定。英國(guó)卡爾加里大學(xué)設(shè)計(jì)了具有高效熱容量的燃燒管（抗壓可達(dá)41.4 MPa，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中維持絕熱）及圓錐形燃燒反應(yīng)器（見(jiàn)圖4），該燃燒反應(yīng)器可以確保在氧化或燃燒前緣推進(jìn)時(shí)減小空氣通量而維持注空氣速率的穩(wěn)定。Alamatsaz等利用上述燃燒管及燃燒反應(yīng)器開(kāi)展了燃燒管實(shí)驗(yàn)，在空氣通量低至3 m3/（m2·h），實(shí)驗(yàn)壓力3.55 MPa時(shí)不僅維持了阿薩巴斯卡瀝青砂燃燒前緣的推進(jìn)，而且70%的初始油量以液體態(tài)產(chǎn)出。然而，由于實(shí)驗(yàn)中注空氣速率范圍小，該研究依然未能獲得在火燒油層中維持?jǐn)噫I反應(yīng)所需的最小空氣通量。

2 應(yīng)用前景探討

火燒油層技術(shù)作為EOR方法的一種，可以提高稠油油藏和瀝青質(zhì)礦藏的采收率。印度Balol油田地層原油粘度介于0.15～1 Pa·s，瀝青質(zhì)含量高，一次采收率低于13%，其1 000 m埋深、平均凈產(chǎn)層小于5 m等特點(diǎn)限制了蒸汽驅(qū)的應(yīng)用。采用濕式燃燒，原油產(chǎn)量由350 m3/d增加到700 m3/d[17]，展現(xiàn)了火燒油層技術(shù)良好的應(yīng)用前景。在現(xiàn)場(chǎng)操作中，還可以根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整注入介質(zhì)，或與其他方法共同作用以達(dá)到更好的增產(chǎn)效果。

2.1 優(yōu)化注入介質(zhì)

我國(guó)高升油田某區(qū)塊試驗(yàn)了火燒油層技術(shù)，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，油井產(chǎn)氣量劇增，引發(fā)了因氣體導(dǎo)致的泵效等問(wèn)題，導(dǎo)致油井負(fù)荷增加，無(wú)法正常生產(chǎn)[18]。由于油井產(chǎn)出氣中N2占主要部分，因此，除去空氣中的N2，即改為富氧注入，必定會(huì)極大地減少燃燒產(chǎn)生的氣體量，并獲得高的O2分壓，有利于燃燒反應(yīng)的推進(jìn)。

在注入介質(zhì)中加入能夠催化空氣原油氧化反應(yīng)的催化劑對(duì)于火燒油層的應(yīng)用也有獨(dú)特效果。催化劑的使用可以提高氧氣利用率，加快氧化反應(yīng)，提高稠油降粘率[19]。在火燒油層實(shí)施5個(gè)月后注入泡沫減少氣竄則可以提高體積波及系數(shù)，增強(qiáng)火驅(qū)效果。

2.2 火燒油層技術(shù)下的SAGD

蒸汽輔助重力泄油簡(jiǎn)稱SAGD，是利用水平井、浮力、重力及蒸汽開(kāi)采稠油的一種技術(shù)，現(xiàn)在通常采用的是雙水平井SAGD技術(shù)，即在靠近油藏底部位置鉆一對(duì)上下平行的水平井，經(jīng)油層預(yù)熱形成熱連通后，蒸汽由上部水平井注入，下部平行水平井生產(chǎn)。

SAGD已成為商業(yè)開(kāi)采瀝青礦的成功方法，已經(jīng)將加拿大廣闊的瀝青礦砂體轉(zhuǎn)化為可開(kāi)采油藏，然而，由于操作上的限制及油藏非均質(zhì)性的影響，蒸汽推進(jìn)速度及熱效不夠理想。Oskouei[20]等研究了在SAGD中運(yùn)用火燒油層技術(shù)的效果，即首先在SAGD模型蒸汽腔產(chǎn)生大量蒸汽，然后通過(guò)“水平井”將空氣從模型頂部注入到SAGD腔中，在“注入井”附近建立燃燒前緣。結(jié)果表明，該方法比單獨(dú)的SAGD法增產(chǎn)20%以上。

3 結(jié)語(yǔ)

火燒油層技術(shù)可以有效提高稠油油藏或?yàn)r青質(zhì)礦藏的采收率，在某些情況下比蒸汽驅(qū)更具有適用性，是稠油油藏開(kāi)發(fā)最具有應(yīng)用前景的方法之一?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)可以根據(jù)需要調(diào)整注入劑及其注入方式，或與其他方法（如蒸汽驅(qū)等）相結(jié)合以達(dá)到更好的增產(chǎn)效果。

火燒油層燃燒情況的精確描述牽涉知識(shí)面廣，給室內(nèi)模擬研究帶來(lái)諸多困難，限制了該技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室向油田現(xiàn)場(chǎng)的大面積推廣。今后，不僅要進(jìn)一步探究燃燒過(guò)程，結(jié)合數(shù)值模擬技術(shù)加強(qiáng)物理模擬以實(shí)現(xiàn)燃燒過(guò)程的精確描述，而且要確定火燒油層過(guò)程中維持燃燒前緣持續(xù)推進(jìn)的最小空氣通量，并研究含水對(duì)維持有效驅(qū)替的最小空氣通量的影響以成功設(shè)計(jì)注氣工藝的核心部分-空壓機(jī)的額定排量和額定壓力。

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