燃燒條件對火驅(qū)效果的影響

楊永洪，姚團(tuán)軍，李濤，李麗，朱文光

（中油新疆油田分公司，新疆克拉瑪依834000）

燃燒條件對火驅(qū)效果的影響

楊永洪，姚團(tuán)軍，李濤，李麗，朱文光

（中油新疆油田分公司，新疆克拉瑪依834000）

對火驅(qū)燃燒條件的認(rèn)識與評價是火驅(qū)油藏的重要環(huán)節(jié)。針對目前火驅(qū)過程中存在的燃燒過程不清楚及燃燒條件對火驅(qū)開發(fā)效果的影響不清楚等問題，進(jìn)行了一系列室內(nèi)模擬研究。研究了在不同的孔隙度、點火溫度、注汽壓力和注氣量等燃燒條件對火驅(qū)效果的影響。實驗結(jié)果表明，孔隙度越大火驅(qū)前緣的推進(jìn)速度越快；預(yù)熱溫度和火驅(qū)前緣溫度呈正相關(guān)關(guān)系；提高注氣壓力不僅可以維持火驅(qū)前緣正常推進(jìn)和提高火驅(qū)前緣溫度，還可以彌補(bǔ)低孔隙度油砂火驅(qū)技術(shù)的限制；隨著注氣流量的提供，前緣溫度和前緣推進(jìn)速度也在穩(wěn)定提高。此次模擬實驗為下一步提高油層產(chǎn)量、降低成本、提高產(chǎn)出比提供了一定的理論基礎(chǔ)和研究路線。

火驅(qū)；物理模擬；燃燒條件；火驅(qū)效果

隨著稠油資源開發(fā)的重要性日益增大，火燒油層技術(shù)的研究也不斷深入，美國、加拿大、羅馬尼亞、印度等國進(jìn)行了大量的礦場試驗［1］，國內(nèi)勝利、遼河、新疆等油田也陸續(xù)開展火驅(qū)技術(shù)礦場試驗。國外火驅(qū)技術(shù)主要用于原始未開發(fā)油藏，而目前國內(nèi)遼河油田、新疆油田主要對注蒸汽開發(fā)后的油藏進(jìn)行火驅(qū)開發(fā)［2-3］，相比之下其開發(fā)機(jī)理更加復(fù)雜，工藝水平要求更高，開發(fā)生產(chǎn)規(guī)律需要重新認(rèn)識。新疆油田開展的火驅(qū)先導(dǎo)試驗，目前處于高溫穩(wěn)定燃燒階段，取得了較好的開發(fā)效果［4-5］。但是也面臨很多問題，如火驅(qū)燃燒過程不清楚，燃燒條件對火驅(qū)開發(fā)效果的影響不清楚等問題。利用取心樣品開展了一維火驅(qū)物理模擬實驗，通過對改變孔隙度、點火溫度、注汽壓力和注氣量等單因素變化情況，研究對火驅(qū)效果的影響，取得的研究成果提升了對火驅(qū)機(jī)理的認(rèn)識。

1　火驅(qū)實驗?zāi)M裝置

一維燃燒管物理模擬裝置，主要包括注氣系統(tǒng)、模型本體、測控系統(tǒng)、計量檢測系統(tǒng)。該物理模擬裝置具有預(yù)熱溫度多段控制，模型本體升溫速度可調(diào)，注氣流量及壓力可控，火驅(qū)前緣溫度實時采集，火驅(qū)燃燒后巖礦樣品能迅速降溫、保持巖礦本征特性等特點。

2　燃燒條件對火驅(qū)效果的影響

2.1火驅(qū)實驗孔隙度的優(yōu)選

火驅(qū)能否正常推進(jìn)受孔隙度和滲透性影響較大。根據(jù)現(xiàn)有成功的火驅(qū)項目，孔隙度都需要大于20%。在高孔隙度和高滲透性的油藏中開展火驅(qū)采油技術(shù)，需要的空氣量和燃料亦相對較低。通過室內(nèi)模擬實驗裝置，采用不同粒度的油砂進(jìn)行配置，分析在不同孔隙度下能夠正常開展火驅(qū)實驗所對應(yīng)的樣品管中油砂填充量及填充粒度［6-7］。為后面的火驅(qū)效果研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

實驗設(shè)計在樣品管中填充6～30目1 000 g和30目以下100 g、6～30目1 000 g和30目以上150 g、6～30目1 000 g和30目以上200 g、6～30目1 000 g和30目以上250 g、6～30目1 000 g和30目以上300 g等不同粒級的油砂樣品，分別在0.4 MPa、0.6 MPa、0.7 MPa、0.8 MPa、0.9 MPa、1.2 MPa、1.6 MPa、2.0 MPa、2.4 MPa、2.8 MPa等注氣壓力下燃燒。觀察樣品管燃燒情況，實驗結(jié)果（見表1）。

表1　不同孔隙度下油砂樣燃燒情況表Table1 The oil sample combustion under different porosity table

從表1中可以看出，孔隙度大的儲層，油砂燃燒更充分，火驅(qū)前緣穩(wěn)定推進(jìn)。隨著孔隙度的降低，油砂不能充分燃燒，容易形成油墻，堵塞孔隙，提高注氣壓力也不能使火驅(qū)前緣繼續(xù)推進(jìn)?？紫抖冗^低，火驅(qū)前緣甚至不能推進(jìn)，油砂就熄滅。

因此，選擇火驅(qū)前緣能穩(wěn)定推進(jìn)的6～30目1 000 g和＞30目100 g的實驗樣品進(jìn)行配比，進(jìn)行火驅(qū)效果的研究比較合適。

圖1　實驗?zāi)M裝置Fig.1 Simulating experiment device

2.2點火溫度對火驅(qū)效果的影響

油層點火需要滿足加熱預(yù)熱范圍內(nèi)巖石至燃點的熱量、加熱原油并使之蒸餾的熱量、加熱水并使之蒸餾的熱量以及點火過程中的熱損失。單憑加熱棒加熱要將油砂、樣品管及模型本體預(yù)熱至點火溫度，耗時、耗電，效率低，且油砂容易發(fā)生結(jié)焦反應(yīng)。為了提高預(yù)熱效率，減少因預(yù)熱時間過長而導(dǎo)致的油砂氧化，采用外加熱的方式將模型本體、樣品管及管內(nèi)油砂預(yù)熱至設(shè)定溫度。

實驗設(shè)計：利用一維燃燒管物理模擬裝置，將含油量為9.1%的油砂樣品，進(jìn)行隔絕空氣預(yù)熱到270℃，然后以流量為2.4 L/min注入空氣。利用監(jiān)控系統(tǒng)，觀察樣品管內(nèi)前緣溫度和著火點之間的關(guān)系。利用同樣的方法將含油量為9.1%的油砂樣品預(yù)熱到250℃后，以同樣的流量注入空氣，觀察前緣溫度和著火點之間的關(guān)系。

圖2　點火溫度為270℃燃燒管內(nèi)前緣溫度變化曲線Fig.2 The combustion tube front temperature change curve under the ign ition temperature of 270℃

當(dāng)油砂預(yù)熱至270℃，并且從預(yù)熱到點火時間為60 min時進(jìn)行點火實驗（見圖2），由圖2可見，樣品管中油砂燃燒至55 mm處，最高峰值溫度近370℃。從點火開始至燃燒完全的全部實驗時間為110 min，樣品管中的油砂燃燒速度較快。

圖3　點火溫度為250℃燃燒管內(nèi)前緣溫度變化曲線Fig.3 The combustion tube front temperature change curve under the ignition temperature of 250℃

當(dāng)油砂預(yù)熱至250℃時，并且從預(yù)熱到點火時間為55 min時進(jìn)行點火實驗（見圖3），由圖3可見，樣品燃燒至330 mm處，最高溫度達(dá)到330℃。從點火開始至燃燒完全的全部實驗時間為200 min，樣品管中的油砂燃燒速度較慢。

油砂預(yù)熱溫度在250℃和270℃兩種溫度下，樣品雖然能燃燒至結(jié)束，火驅(qū)效果迥異。預(yù)熱溫度低，火驅(qū)前緣溫度明顯的降低；預(yù)熱溫度高，相應(yīng)的火驅(qū)前緣燃燒速率大，油砂中的稠油發(fā)生高溫氧化速度快。這一方面是由于油砂預(yù)熱溫度低，相應(yīng)火驅(qū)燃燒過程中產(chǎn)生的油烴粘度較高，流動速度慢，火驅(qū)前緣推進(jìn)速度低，另一方面是由于油砂的預(yù)熱溫度低，油砂中的稠油發(fā)生高溫氧化需要的活化能高，在吸收高熱值后才能燃燒，所以火驅(qū)前緣推進(jìn)速度慢，同時也說明了油砂預(yù)熱溫度低，也會導(dǎo)致火驅(qū)前緣溫度較低。

2.3注氣壓力對火驅(qū)效果的影響

實驗設(shè)計：利用一維燃燒管物理模擬裝置，樣品采用6～30目1 000 g和30目以下150 g油砂樣品混合，預(yù)熱溫度270℃，預(yù)熱30 min后將高壓空氣充入反應(yīng)管，點燃預(yù)熱油砂，注氣壓力分別為0.4 MPa、0.8 MPa、1.2 MPa、1.6 MPa、2.0 MPa、2.8 MPa。

在注氣壓力為0.4 MPa時，室內(nèi)燃燒不充分，油砂燃燒30%后即發(fā)生熄滅，火驅(qū)前緣最高溫度達(dá)到370℃。至140 mm處燃燒良好。140 mm至300 mm僅上部少部分油砂燃燒，底部顆粒結(jié)焦。樣品管300 mm以后部分未能燃燒（見圖4）。

圖4　在0.4 MPa下油砂燃燒情況Fig.4 The oil sample combustion under 0.4 MPa

注氣壓力繼續(xù)提高至1.6 MPa時，樣品管內(nèi)油砂部分燃燒，未燃燒油砂處有結(jié)焦現(xiàn)象，火驅(qū)前緣推進(jìn)至225 mm處，火驅(qū)前緣最高溫度達(dá)到400℃，火驅(qū)前緣仍不能正常推進(jìn)（見圖5）。

圖5　在1.6 MPa下油砂燃燒情況Fig.5 The oil sample combustion under 1.6 MPa

當(dāng)注氣壓力增加至2.0 MPa后，樣品管內(nèi)油砂完全發(fā)生高溫氧化，火驅(qū)前緣推進(jìn)至400 mm處，火驅(qū)前緣最高溫度的達(dá)到436℃，最后段油砂部分有結(jié)焦現(xiàn)象（見圖6）。

當(dāng)注氣壓力提高至2.8 MPa時，火驅(qū)前緣最高溫度可達(dá)到470℃，油砂樣品中的重油完全被驅(qū)替（見圖7）。

圖7　在2.8 MPa下油砂燃燒情況Fig.7 The oil sample combustion under 2.8 MPa

從圖4到圖7的實驗結(jié)果可見，在一定范圍內(nèi)增加注氣壓力，提高氧氣濃度，可以促進(jìn)火驅(qū)前緣的正常推進(jìn)。隨著壓力的繼續(xù)增加，火線推進(jìn)不明顯，但提高了火驅(qū)前緣溫度。

圖8　注氣流量1.0 L/min時油砂燃燒情況Fig.8 The oil sample combustion under 1.0 L/min

2.4注汽流量對火驅(qū)效果的影響

實驗設(shè)計：利用一維燃燒管物理模擬裝置，樣品采用6～30目1 000 g和30目以下100 g油砂樣品混合，在燃燒壓力1.0MPa下，改變空氣流量，1.0 L/min、1.5 L/min、2.0 L/min、2.5 L/min、3.0 L/min（見圖8，圖9）。觀察燃燒情況，實驗結(jié)果（見表2）。

圖9　注氣流量3.0 L/min時油砂燃燒情況Fig.9 The oil sample combustion under 3.0 L/min

表2　不同注汽流量下油砂樣燃燒情況表Table2 The oil sample combustion under different steam injection flow

從不同的注氣流量下油砂樣的燃燒情況可以看出，空氣注入速度與火線距離成正比。注氣速度較小時，燃燒速度變慢，火線溫度低，甚至?xí)斐捎蛯泳植肯ɑ鸬目赡?。注氣速度過大，造成空氣耗量增加，也會導(dǎo)致火驅(qū)成本升高的不良結(jié)果。

3　結(jié)論

（1）孔隙度越大，火驅(qū)前緣的推進(jìn)速度越快，推進(jìn)越穩(wěn)定。對于開發(fā)后期稠油油藏，儲層物性越好，火驅(qū)效果越明顯。

（2）預(yù)熱溫度低，火驅(qū)前緣溫度明顯的降低；預(yù)熱溫度高，相應(yīng)的火驅(qū)前緣燃燒速率大，油砂中的稠油發(fā)生高溫氧化速度快。

（3）在一定的注氣壓力范圍內(nèi)，燃燒帶推進(jìn)速度與注氣壓力呈正相關(guān)，維持火驅(qū)前緣正常推進(jìn)和提高火驅(qū)前緣溫度。

（4）隨著注氣流量的提供，樣品管后端的前緣溫度和火驅(qū)前緣推進(jìn)速度也在穩(wěn)定提高。注氣流量的調(diào)節(jié)對火驅(qū)效果比注氣壓力更為敏感。

［1］Turta A T，Chattopadhyay S K，Bhattacharya R N，et al.Current status of commercial in situ combustion projects worldwide［J］.JCPT，2007，46（11）：8-14.

［2］黃繼紅，關(guān)文龍，席長豐，等.注蒸汽后油藏火驅(qū)見效初期生產(chǎn)特征［J］.新疆石油地質(zhì)，2010，31（5）：517-520.

［3］劉應(yīng)忠，胡士清.高3-6-18塊火燒油層跟蹤效果評價［J］.長江大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2009，6（1）：52-56.

［4］王延杰，顧鴻君，程宏杰，等.注蒸汽開發(fā)后期稠油油藏火驅(qū)燃燒特征評價方法［J］.石油天然氣學(xué)報，2012，34（10）：125-128.

［5］程宏杰，顧鴻君，刁長軍，等.注蒸汽開發(fā)后期稠油藏火驅(qū)高溫燃燒特征［J］.成都理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2012，39（4）：426-429.

［6］楊德偉，王世虎，王彌康，等.火燒油層的室內(nèi)實驗研究［J］.石油大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2003，27（2）：51-55.

［7］王艷輝，陳亞平，李少池.火燒驅(qū)油特征實驗研究［J］.石油勘探與開發(fā)，2000，27（4）：69-71.

Influence of combustion conditions on in-situ combustion effect

YANG Yonghong，YAO Tuanjun，LI Tao，LI Li，ZHU Wenguang
（CNPC Xinjiang Oilfield Company，Karamay Xinjiang 834000，China）

On the understanding and evaluation of fire flooding combustion condition is an important link of fireflooding reservoir.Onto the problems of fire flooding during the combustion process is not clear and influence of combustion conditions on in-situ combustion effect is not clear，a series of laboratory simulation studies have been carried out.Study the influence of combustion conditions such as porosity，ignition temperature，steam injection pressure and the volume of gas injection，on fire flooding effect.The results show that the porosity，the greater the fire flooding front advance faster，preheat temperature and fire flooding front temperature into positive correlation，to improve the gas injection pressure not only can maintain normal fire flooding front advancement and improvement of fire flooding front temperature，also can make up for the low porosity sands fire flooding technology limited，with steam injection flow increase，front temperature and front advance speed is steady increase.The simulation for the next step to improve the oil production，reduce the cost，improve the ratio of output to provide a theoretical basis and research route.

fire flooding；physical simulation experiment；combustion conditions；in-situ combustion effect

10.3969/j.issn.1673-5285.2015.03.009

TE357.44

A

1673-5285（2015）03-0036-05

2015－01-08

國家重大科技專項“火燒驅(qū)油技術(shù)研究與應(yīng)用”，項目編號：2011ZX05012-002。

楊永洪，男（1987-），助理工程師，碩士研究生，目前主要從事油氣田開發(fā)工作，郵箱：yyhlemuel@163.com。