普通稠油多層火驅驅替機理及波及規律研究

龔姚進，戶昶昊，宮宇寧，宋 楊

(中油遼河油田分公司，遼寧 盤錦 124010)

引 言

火驅開發技術是稠油油藏蒸汽吞吐后大幅度提高采收率技術之一，具有適用范圍廣、驅油效率高、成本低的優勢[1]。國外已開展淺層單層火驅的工業化應用[2]，國內首先在遼河油田深層薄互層油藏實現規模應用，取得較好的開發效果，同時也出現垂向燃燒率低、平面火線推進不均等問題。現場監測資料表明，火驅高溫燃燒特征和開采效果存在一定差異，進一步認識普通稠油多層火驅的驅替機理，揭示火線波及規律是目前亟待解決的關鍵問題。

1 油藏概況

D66塊開發目的層為新生界古近系沙河街組沙四上段杜家臺油層，油藏埋深為800～1 200 m，平均有效厚度為44.5 m，單層厚度為1～2 m，平均孔隙度為19.3%，平均滲透率為774×10-3μm2，50℃地面脫氣原油黏度為300～2 000 mPa·s，為深層薄互層狀普通稠油油藏。該塊1986年采用200 m井距、正方形井網、2套層系實施蒸汽吞吐開發，經過2次加密調整，形成100 m井距正方形井網。2005年采用100 m井距、反九點面積井網開展火驅先導試驗，2013年實現工業化推廣，目前實施規模達91個井組，日產油為670 t/d，空氣油比為640m3/t。

2 火驅驅替機理

火驅開發主要機理是高溫氧化、低溫氧化、高溫裂解、氣體驅動和加熱降黏，具有保持地層壓力，實現蒸汽驅、熱水驅、CO2驅以及混相驅等作用。

通過原油氧化實驗、物理模擬、數值模擬等方法，對D66塊油藏火驅機理開展深入研究。

2.1 氧化反應特征研究

2.1.1 原油熱重分析

通過室內熱重實驗分析，D66塊普通稠油油藏按失重反應劃分為4個階段:第1階段溫度為40～110℃，原油中輕烴類揮發，未脫盡的水蒸發;第2階段溫度為110～340℃，為低溫氧化階段，烴類和非烴類發生低溫氧化，生成水和部分氧化物，伴隨著原油中弱鍵的斷裂，氧化反應相對簡單，反應比較緩慢;第3階段溫度為340～370℃，為裂解階段，原油中的某些組分與氧氣發生不完全氧化，生成焦炭;第4階段溫度大于370℃，為高溫氧化階段，原油開始高溫氧化反應，同時放出大量的熱，引起某些重組分(膠質和瀝青質)發生熱裂化反應(吸熱反應)，熱裂化后的產物(較小的烷烴和芳烴)繼續燃燒，直至反應結束(圖1)。

從原油氧化反應放熱曲線上可以看出(圖2)，溫度達到60℃時即開始發生放熱反應，直至340℃放熱量較小，此階段是稠油一些輕組分的緩慢氧化反應;340～370℃放熱量減小，此時發生裂解反應，產生焦炭;370℃時，出現一個陡峭的放熱峰，說明在該點溫度有明顯的放熱(370～550℃)。放熱量在一些溫度點出現不同程度的陡增，表明稠油中不同物質組分發生劇烈的高溫氧化反應。分析認為，D66塊油藏原油溫度達到370℃，進入高溫氧化階段。

圖1 D66塊油藏原油氧化反應失重-失重速率曲線

圖2 D66塊油藏原油氧化反應放熱曲線

2.1.2 原油組分變化分析

采用燃燒釜進行不同溫度的低溫氧化實驗。常溫下注空氣至 4.5 MPa，反應加熱至 90℃、300℃，反應12 h后，分析反應后油樣和氣樣。

通過對原油四組分的變化分析可以看出，低溫氧化反應后，飽和烴、芳香烴含量降低，膠質、瀝青質含量增加，300℃低溫氧化反應后，組分變化幅度較90℃低溫氧化反應更大(表1)。

表1 低溫氧化原油組分變化

低溫氧化反應明顯改變原油組分，并引起原油性質的變化，原油密度基本不變，而黏度和苯胺點均會提高，殘碳含量升高(表2)。

表2 低溫氧化原油性質變化

從產出氣體組分分析，低溫氧化反應后，O2含量下降，CO2、CH4、CO 含量少量增加，300℃ 低溫氧化反應后氣體組分變化幅度較90℃低溫氧化反應時更大(表3)。

表3 低溫氧化氣體組分變化

2.2 物理模擬實驗

按照比例模擬相似準則[3]，對油藏與模型進行比例模，建立三維物理模型。模擬D66塊油藏中反韻律組合情況，高滲層位于模型上部，厚度為36 cm，滲透率為 271 ×10-3μm2，低滲層位于模型下部，厚度為9 cm，滲透率為60 ×10-3μm2，滲透率級差為4.5;采用該塊油藏實際原油(黏度為2 023 mPa·s，密度為0.952 2 g/cm3)。重點開展縱向不同物性條件下的驅替特征研究。

物理模擬的溫度場(圖3)分析認為，實驗可劃分為3個階段:第1階段是點火階段，上下層均點燃;第2階段是燃燒前緣推進階段，隨上部油層燃燒的進行，溫度達到400℃以上，發生高溫氧化反應，火線形成后，受氣體超覆作用影響，向油層頂部發育，而下部油層溫度為200℃，僅發生低溫氧化反應;第3階段，隨著高溫氧化反應的進行，上部油層燃燒前緣到達生產井，下部油層由于低溫氧化產生膠質封堵油層，無法進行正常燃燒。分析實驗產出原油物性，原油密度變化不明顯，原油黏度降低，由2 023 mPa·s降至947 mPa·s，尾氣組分中O2含量降低，CO2、CO含量增加，符合高溫氧化反應產出流體特征[4]。

圖3 物理模擬縱向溫度分布場

受縱向上油層不同物性條件制約，多層火驅具有高溫氧化與低溫氧化并存的特性，氣體主要從滲透率高的儲層通過，在點火升溫的過程中，低滲層因氣體通過量少，只能發生低溫氧化反應，甚至火線難以推進。

2.3 數值模擬研究

選用CMG熱采數模軟件建立100 m反九點面積多層火驅數值模型，網格節點為22×21×25=11 550，平面網格步長為10 m，縱向油層為13層，單層厚度為2.5 m，隔層為12層，單層厚度為2 m;參考該塊地層參數，模型中孔隙度為19%，滲透率為774×10-3μm2，考慮火驅過程中發生的原油裂解及高溫氧化燃燒等反應[5]。模型中將原油劃分為重質組分、中質組分和輕質組分，將注入的空氣劃分為N2和O22個組分。

根據數值模擬研究，普通稠油火驅開發分為火線形成上產階段、熱效驅替穩產階段以及火線突破遞減階段(圖4)。

圖4 數值模擬火驅產量變化曲線

火線形成上產階段:點火后持續注入空氣，此時油層開始燃燒，火線初步形成，注入空氣優先向高滲、低飽和度的油層推進，填補原油蒸汽吞吐的虧空，燃燒產生的熱能和注入的空氣使地層能量得到補充，地層壓力由0.8 MPa升至2.0～3.0 MPa，油井產量不斷上升，由不足1 t/d升至2～3 t/d，空氣油比持續降低，由2 500 m3/t降至800 m3/t，此階段尾氣中CO2含量不斷升高，由5%升至12%，尾氣組分符合高溫氧化燃燒油井比例達60%～70%。

熱效驅替穩產階段:注入空氣與原油發生高溫氧化反應，燃燒放出大量的熱，前緣溫度可達400℃以上，原油黏度大幅降低，重質組分裂解生成輕質油，注入空氣、輕質油、燃燒尾氣、水蒸汽共同驅動原油，地層壓力維持在2.0～3.0 MPa，此時油井產液量較為穩定，邊井產油量可達4～5 t/d，角井產油量可達2～3 t/d，空氣油比保持在800 m3/t，此階段尾氣中CO2含量為14% ～17%，尾氣組分符合高溫氧化燃燒油井比例達90%以上。

火線突破遞減階段:隨著空氣的不斷注入，燃燒前緣推進距離增大，火線優先到達邊井，此時油井產量迅速降低，產出液含水上升，空氣油比升至3 000 m3/t，尾氣組分中氧含量超過安全范圍5%[6]，應立即關井結束生產。

縱向上受多層油藏層間矛盾制約，不同層溫度差異較大。油層中部主力層滲透率為1 016×10-3μm2，溫度可達400℃，前緣推進速度為5 cm/d;上部及下部非主力層滲透率平均為363×10-3μm2，溫度只有280℃，前緣推進速度為3 cm/d。結合原油氧化反應分析，主力層發生高溫氧化，放出大量的熱，非主力層發生低溫氧化，但由于溫度的升高，火線波及范圍內原油黏度均降低。隨著火驅時間的延長，低滲層火線推進緩慢，與物理模擬研究結果一致。

3 火線波及規律研究

3.1 平面波及規律

由于油層存在非均質性，火驅過程中火線在各油井方向的推進距離也存在差異。根據燃燒反應物質平衡原理，按某一方向燃燒所消耗的O2分別計算火線在該方向的推進距離[8]:

其中:

式中:R為火線位置，m;Q分為各井方向分配的氣量，m3;Y為各井方向氧氣利用率;α為各井方向分配角度，(°);H為各井方向燃燒厚度，m;As為空氣耗量，m3/m3;hg為注氣井油層有效厚度，m;h為生產井油層有效厚度，m;ρ為垂向燃燒率。

經計算，火線平面各方向波及不均勻，推進距離為12～50 m，存在差異。微地震測試平面上燃燒前緣自注氣井開始向周邊擴展，呈長軸沿北東方向的橢圓，不同方向燃燒推進距離為38.8～55.2 m。

井距小、轉驅前產量高、油層厚度大的方向，火線推進較快，是見效的主力方向。100 m井距油井較141 m及200 m井距油井見效時間更短，日產量更高;轉驅前產量與火驅后油井產氣量呈線性關系，是因為蒸汽吞吐開發形成的汽竄通道成為氣體的優勢通道，是火線推進的主力方向;油層厚度大、物性好也是影響火線推進的主要因素。

3.2 縱向波及規律

井溫監測資料表明，注氣井吸氣不均勻，縱向上各層吸氣量存在差異，儲層物性好的油層吸氣量大，溫度高。S43-043井多層點火注氣，點火井段內滲透率級差為5.3，高滲層溫度可達200℃以上，低滲層溫度不到100℃。隨注氣時間增加，縱向燃燒溫度分異加劇。

根據吸氣剖面、井溫剖面等監測資料綜合分析，火驅縱向動用程度為64.5%。其中，吸氣層平均滲透率為1 272×10-3μm2，不吸氣層平均滲透率為289×10-3μm2，同一測試井內，滲透率級差大于4的油層多數難以動用;從油層厚度看，小于1.5 m油層占不吸氣層的57.4%，在吸氣層中，厚度小于1.5 m的油層僅占16.2%。綜合以上分析，油層厚度小于1.5 m、滲透率級差大于4，油層不易吸氣。

4 結論

(1)D66塊油藏普通稠油氧化反應可分為輕烴揮發、低溫氧化、裂解、高溫氧化4個階段，其中烴類揮發溫度為40～110℃，低溫氧化溫度為110～340℃，裂解溫度為340～370℃，高溫氧化溫度為370～550℃。

(2)D66塊油藏原油組分主要由飽和烴、芳香性、膠質組成，在低溫氧化時，主要為飽和烴和芳香烴發生氧化反應生成膠質，原油黏度增大。

(3)蒸汽吞吐后，低壓普通稠油油藏火驅具有升溫降黏和增壓驅替共同作用、高溫氧化和低溫氧化共存的開發機理，火驅開發過程可劃分為火線形成產量上升、熱效驅替產量穩定、火線突破產量遞減3個階段。

(4)D66塊火驅開發后縱向上各層吸氣量存在差異，儲層物性好的油層吸氣量大，火線推進速度快，呈高溫氧化狀態;平面上火線波及相對均勻，火線推進距離與周圍直井儲層物性、生產效果呈正比。

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