火燒油層化學機理研究

韓冠永 劉永建 耿志剛

摘 要：研究火燒油層化學機理，是為了改善火燒油層燃燒性能參數，而認識火燒油層技術最直接、最有效的研究手段之一是物理模擬實驗，所以，借助火燒油層物理模擬實驗來開展火燒油層化學機理及其改善方法研究是行之有效的。火燒油層復雜的化學機理使得火驅工藝過程的復雜性大大增加，對火燒油層化學反應的定性及定量分析是完善和發展火驅采油技術的基本途徑。

關 鍵 詞：火燒油層；化學機理；模擬實驗；改善

中圖分類號：TE 122 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2015）07-1583-03

Research on In-situ Combustion Chemistry Mechanism

HAN Guan-yong， LIU Yong-jan， GENG Zhi-gang

（Northeast Petroleum University， Heilongjiang Daqing 163318， China）

Abstract： In-situ combustion chemistry mechanism was studied in order to improve the combustion performance parameters of fire flooding. One of the most direct and effective research methods to understand the technology of fire flooding technology is the physical simulation experiment. The complex chemical mechanism of in-situ combustion makes the complexity of fire flooding process greatly increase. The basic way to improve and develop the technology of the fire flooding oil recovery is the qualitative and quantitative analysis of in-situ combustion chemical reaction.

Key words： In-situ combustion； Chemical mechanism； Simulation experiment； Improvement

火燒油層[1-3]過程開始的標志是將空氣注入到注氣井。當空氣進入油層并將其加熱到適當溫度時，燃燒現象就能在油層中開始發生，燃燒溫度取決于著火原油的氧化特性。燃燒前緣在注入氣的推動下不斷向生產井移動。燃燒前緣中的原油在發生氧化反應之后，輕質組分分離出來并且被驅走，而焦炭物質沉積下來形成主要的燃料，為燃燒過程提供動力。當這些燃料燃燒完全以后，燃燒前緣才會向前移動，這樣才能在油層中進行連續的燃燒過程。

1 火燒油層過程中的化學反應

在火燒油層過程中，當油層溫度在100 ℃以下時，油層內主要發生物理反應。當溫度高于100 ℃以后，油層中發生了一系列化學反應，概括說火燒油層過程中存在著三種類型的反應：

原油的低溫氧化反應：當溫度處于100～300 ℃時，原油主要進行低溫氧化反應，該過程有少量熱產生。

油的熱裂解反應：根據溫度的高低，熱裂解后會生成不同性質的產物。如果溫度超過350 ℃，原油中的一大部分可能變為焦炭。

第三種反應稱為熱裂解產物的燃燒，也可以稱之為焦炭的燃燒：這里說的熱裂解產物主要是指沉積于油層多孔介質孔隙體積中的物質，即人們常說的燃料。焦炭燃燒或高溫氧化過程的反應式可用下式描述

（1）

式（1）中略去了燃料中硫、氮等的含量。x是單位碳原子的平均氫原子數，稱之為H/X原子比； 是CO與（CO+CO2）的摩爾比。

如果令 和 分別表示產出氣體中的氧氣和氮氣的濃度，則根據物料平衡關系，可得燃燒的氧氣濃度 為：

O2c= 0.2682N2-O2P （2）

有人假設油層內的礦物質和水是不起化學反應的，但實際并非如此。Poettma等[4]指出，地下黃鐵礦的存在增加了火燒油層的空氣需要量。在蒸汽吞吐和蒸汽驅中產出氣體的分析表明，這兩種采油技術的產出物中存在碳的氧化物、硫化氫和氫氣，這就說明蒸汽和原油之間能夠起反應[5]。

綜合以上分析，由于低溫氧化反應、礦物質的反應及水/有機燃料的反應均沒有考慮在式（1）中，所以，可以認為前面的式（1）只能是近似地反映包括氧、碳和氫的反應，但即使如此，通常還是將式（1）當作估算燃料消耗量的H/C比的理論基礎。

2 火驅燃料氧化反應理論模型研究

為了深入分析在油藏多孔介質中發生的氧化反應，研究顆粒表面積對反應的影響，今采用簡化模型進行研究，即變球形狀燃料幾何模型，如圖1所示。假設燃料是均勻地堆積在球狀的砂粒表面上。隨著溫度的升高，蒸發掉了水和輕烴，留下了重油餾分，由于氧氣過剩，殘渣經過低溫氧化，形成氧化了的燃料。

在高溫氧化中，燃料經過氧化形成碳氧化合物和水，燃料質量及其球形顆粒半徑逐漸減小，直到燃料被完全氧化。

t =0 t =t0 t =tc t =te

圖1 幾何模型圖

Fig.1 The geometry model diagram

如圖1所示，變球形狀燃料幾何模型，燃料由兩部分組成，最初燃料覆蓋在整個砂粒表面上。由于表面積較大，堆積在砂粒表面上的燃料的氧化速度要比堆積在砂粒連接處的燃料的氧化速度更快。經過一段時間，在tc時刻時，只有砂粒的連接處存有燃料。從此時一直到燃料被完全氧化，砂粒連接處的燃料形狀可以看做為一個逐漸收縮的環形接觸區。燃料氧化的化學平衡方程，式（3）

（3）

每秒消耗燃料的量 為

（4）

式中的 為排出氣體的流量（L/min）。在變球形狀燃料幾何模型中，燃料形狀是隨時間變化的（見圖1）。最初，燃料堆積在整個砂粒表面。經一段時間后，到達 時刻時，燃料只存在于砂粒間的連接處，燃料的形狀接近于環形。

2.1 燃料在環形部分

當 時，在時 刻的環形部分的高度為 ，砂粒中從 到 的球缺體積為

（5）

砂粒間連接處到環形部分表面的垂直距離為

（6）

每顆砂粒在粒間連接處的燃料體積為

（7）

忽略 和高次項。另外因為立方堆積的平均孔隙度為 ，菱形體集結的平均孔隙度為 。

多孔介質中的燃料總體積為 ，有

（8）

當 時，有 ；當 時，有 。

顆粒連接處環形部分的燃料表面積為

（9）

多孔介質中環形部分的燃料總表面積為 ，有 （10）

式（10）成立的必要條件是

與前面處理思路一樣，可得和燃料表面積相關的氧化反應速率方程為

（11）

上式中

式（11）也可以用 來表示，即有

（12）

2.2 燃料在非環形部分

當 時，燃料的表面積為S，其包括環形部分的表面積 和直接堆積在砂粒表面的燃料的表面積。表面積S可以認為是隨著溫度的降低而增加，假設它們之間呈如下指數關系

（13）

式中的 是在 時刻的溫度， 是比例系數。式（13）滿足必要條件，即當 時， 為環形部分的表面積。有

（14）

其中

式（14）的物理意義可解釋為，當 時，在以 為橫坐標，以式（14）左側部分的自然對數為縱坐標的圖形中，一條以 為斜率， 為截距的直線。說明表面積越大，活化能將越低。

3 油層內燃燒區帶劃分

本文的物理模擬實驗為燃燒管實驗，實驗使用的原油粘度為38 670 mPa?s，原油取自遼河油田。通過對現場數據進行分析，繪制出火驅開采過程中地下各個區域帶分布特征，如圖2所示。

圖2 各區帶分布情況

Fig.2 The distribution in each zone

已燃區：該區段內充滿了空氣，區內有機燃料基本消耗完，砂粒具有較高的溫度。雖然有大量的空氣流經該區段，但燃燒反應熱仍然不能全部被帶走。

燃燒前緣：即燃燒區。該區段內的溫度較高，一般在400 ℃以上，是地層中溫度最高的區域。該區段內的巖層砂粒上沉積了大量原油裂解后殘余的重質餾分（即焦炭），這部分重質餾分會與空氣發生劇烈的氧化反應，反應會放出大量的熱，并產生燃燒氣體，反應之中生成的水通常以過熱蒸汽的形式出現。

結焦帶：該區域的含油飽和度經氯仿瀝青質含量分析測試為5%～15%，有這些焦炭作為燃料足以推動燃燒前緣不斷前進。通過對結焦帶的油砂巖心進行分析，發現焦炭是充填在孔喉結構之中，附著在砂粒表面的。因此，開采過程中注氣壓力上升的一個主要原因就是焦炭沉積降低了孔喉結構的滲流能力。

凝結區：進入該區段的氣體可以分成兩部分：一部分是由原油蒸餾與裂解產生的氣態烴；另一部分是地層原生水與生成水經燃燒產生的過熱蒸汽。該區段還可稱之為蒸汽平穩段。

油墻：由于該區段聚集了所有從上游驅替下來的原油，所以該區段含油飽和度最高，溫度逐漸接近原始地層溫度。

原始油區：該區段處于油墻下游，因此，與油墻相比，區段內的含油飽和度基本上沒變化。

伴隨著燃燒前緣逐漸由注氣井向生產井方向移動，原始油區不斷縮小，所有產物從生產井采出。該處描繪的火燒油層過程中地下各個區帶是假定可以明顯地區分開來的，但在實際情況中并非如此，各個區帶之間都由過渡帶進行連接。不僅可以判斷出某一特定區內哪種現象占優勢，而且可以看出相鄰區帶之間的過渡帶的變化情況。

4 結 論

（1）分析了火燒油層驅油過程中各個溫度區間內發生的化學反應；

（2）建立了可定量分析油層多孔介質中燃料氧化反應速率和耗氧量的理論模型。本文的這些結論為研究火燒油層機理和油藏數值模擬提供了所需的基本控制參數與條件。

（3）通過對含油飽和度數據進行分析，可以把火燒油層地層劃分成4個區帶：已燃區、燃燒前緣、結焦帶、未燃區。描述了火燒油層地層區帶分布特征，并對各個區帶的特點進行了分析。

參考文獻：

[1]劉永建，胡紹彬，聞守斌，等.地質催化稠油水熱裂解反應可行性研究[J].2007，14（5）：84-87.

[2]劉永建，鐘立國.水熱裂解開采稠油技術研究的進展[J].燃料化學學報，2004，32（1）：117-122.

[3]劉喜林.難動用儲量開發稠油開采技術[M].北京：石油工業出版社，2005.

[4]Poettma， F. H. ，Schilson， R. E.， Surkalo， H.：“Philosophy and Technology of In-Situ Combuston in light Oil Reservoirs，”[C].Proc.， Seventh World Pet. Cong.， Mexico City 1967-03：487.

[5]趙法軍，劉喜林，劉永建.稠油井下改質降粘技術原理與應用[M].北京：石油工業出版社，2009.