新疆重18區(qū)超稠油火驅(qū)燃燒特性物理模擬研究

陳青松，李猛，趙決順，代宸宇，岳圣杰

（中國(guó)石油大學(xué)，北京102249）

新疆重18區(qū)超稠油火驅(qū)燃燒特性物理模擬研究

陳青松，李猛，趙決順，代宸宇，岳圣杰

（中國(guó)石油大學(xué)，北京102249）

超稠油資源量大可以作為稠油開發(fā)的接替資源。火驅(qū)技術(shù)是提高原油采收率的重要方法之一，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)證明，其采收率可達(dá)到70%～80%，有望作為超稠油開發(fā)的接替技術(shù)。本文以新疆鳳城重18區(qū)蒸汽吞吐后的原油為研究對(duì)象，進(jìn)行了一維燃燒管物理模擬實(shí)驗(yàn)，求取超稠油火驅(qū)燃燒基礎(chǔ)參數(shù)，并對(duì)超稠油燃燒特性和火驅(qū)燃燒前緣傳播的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)中求得視H/C原子比為1.27，燃燒過程中高溫氧化反應(yīng)起主導(dǎo)作用；燃料沉積量為26.64 kg/m3，火驅(qū)前緣趨于穩(wěn)定。火驅(qū)實(shí)驗(yàn)驅(qū)油效率達(dá)到91%，空氣油比為1 022 m3/t，具有較高的驅(qū)油效率和較低的空氣油比。

超稠油；火驅(qū)；物理模擬實(shí)驗(yàn)

超稠油資源量大，開采方式以蒸汽吞吐為主[1]，目前出現(xiàn)吞吐輪次高，單井產(chǎn)量低，油氣比低的問題，需要探索接替開發(fā)技術(shù)。火驅(qū)技術(shù)近幾年頻頻實(shí)現(xiàn)突破[2-6]，新疆紅淺火驅(qū)試驗(yàn)區(qū)的成功說明火驅(qū)技術(shù)是可行的替代技術(shù)。本文將通過一維物理模擬實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證超稠油火驅(qū)能否驅(qū)得動(dòng)，并求取火驅(qū)燃燒參數(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

燃燒管實(shí)驗(yàn)臺(tái)包括注入系統(tǒng)、模型本體、信號(hào)采集及測(cè)控系統(tǒng)及產(chǎn)出系統(tǒng)四部分[7，8]（見圖1）。燃燒管主體長(zhǎng)度為80 cm，均勻分為16段，也就是每5 cm一段，每段在巖心中部裝有一根熱電偶，用來檢測(cè)巖心溫度。外側(cè)壁面也裝有熱電偶用來測(cè)量每段壁面溫度，貼著壁面有加熱器。加熱器加熱壁面，使壁面溫度對(duì)巖心溫度進(jìn)行跟蹤，解決了模型徑向散熱問題。本次實(shí)驗(yàn)裝置模型選用新疆鳳城重18區(qū)蒸汽吞吐后原油及石英砂制成，可以模擬實(shí)際油藏溫度壓力條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。與常規(guī)巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)裝置相比，本裝置有以下三個(gè)優(yōu)勢(shì)：（1）內(nèi)置高效電點(diǎn)火裝置，能實(shí)現(xiàn)該油藏條件下火驅(qū)技術(shù)高效點(diǎn)火；（2）具有氮?dú)鈬鷫嚎山鉀Q火驅(qū)過程中的氣竄問題；（3）具有精確的傳熱控制能力，熱補(bǔ)償技術(shù)解決了模型散熱問題。

圖1 一維火驅(qū)物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)流程圖

1.2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備及方法

實(shí)驗(yàn)選取新疆鳳城重18區(qū)蒸汽吞吐后的原油，模擬砂是根據(jù)地層巖心顆粒分布與成分相同的黏土成分及含量分析數(shù)據(jù)，選擇粒度相似的石英砂與成分相同的黏土按比例均勻混合而成。最終經(jīng)過飽和度模擬后得到具有與原始地層相同含油飽和度的人工油砂。其初始含油飽和度為0.78。

火驅(qū)動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)步驟如下：（1）燃燒管在N2下進(jìn)行升溫，當(dāng)點(diǎn)火器達(dá)到500℃后注入空氣，當(dāng)油層被點(diǎn)燃后，關(guān)閉點(diǎn)火器；（2）利用測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過程的在線監(jiān)測(cè)，記錄實(shí)驗(yàn)過程產(chǎn)出液的量、產(chǎn)出氣的組分組成、注入壓力、空氣流量等數(shù)據(jù)；（3）根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，確定實(shí)驗(yàn)的結(jié)束；（4）對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置逐漸進(jìn)行泄壓、降溫，達(dá)到常溫、常壓。

2 實(shí)驗(yàn)過程記錄與分析

2.1 火驅(qū)前緣穩(wěn)定性分析

實(shí)驗(yàn)開始后，選用點(diǎn)火器和燃燒管的前3段作為點(diǎn)火段，通入N2并升溫，當(dāng)點(diǎn)火器達(dá)到500℃后注入空氣，油層點(diǎn)燃后關(guān)閉點(diǎn)火器。燃燒管測(cè)控系統(tǒng)自動(dòng)記錄每個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度變化過程，可得實(shí)驗(yàn)過程溫度剖面曲線[9-14]（見圖2）。

前3段巖心最高溫度超過480℃，油砂被成功點(diǎn)燃，從第4個(gè)點(diǎn)開始進(jìn)入穩(wěn)定燃燒階段，溫度在500℃左右，后3段由于產(chǎn)出端法蘭在高壓N2圍壓條件下散熱大，溫度在500℃以下。從圖2上可以看出高溫燃燒前緣可以穩(wěn)定地向前傳播。

2.2 火驅(qū)燃燒基礎(chǔ)參數(shù)求取

取第4段到第10段作為階段火驅(qū)階段，來求取超稠油火驅(qū)燃燒的基礎(chǔ)參數(shù)[15-20]。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)過程記錄，實(shí)驗(yàn)開始時(shí)間（t0）為9∶40，階段開始時(shí)間（t1）為11∶15，階段結(jié)束時(shí)間（t2）為13∶25，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)間（tend）是15∶25，因此可知階段實(shí)驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)（t2-t1）為130 min，整個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)為345 min。氣體流量為2.56 L/min，實(shí)驗(yàn)過程中煙道氣含量在煙氣分析儀上讀出，并記錄（見表1）。

圖2 溫度剖面圖

表1 燃燒管出口氣體濃度表

根據(jù)表1，可以做出燃燒管尾氣濃度圖（見圖3）。

圖3 燃燒管尾氣組分濃度圖

由火線推進(jìn)公式：

式中：V－火線推進(jìn)速度數(shù)值，mm/h；LS1S2－S1與S2之間的距離數(shù)值，mm。

由于每段距離為5 cm，因此階段距離為300 mm，階段時(shí)間為130 min，可計(jì)算出推進(jìn)速度為138.5 mm/h。

根據(jù)表1可以把t1-t2階段氣體產(chǎn)出過程分為7段，前6階段每20 min一段，最后一段為10 min，編號(hào)為1～7，然后結(jié)合氣體流量可以算出每個(gè)階段的不同氣體組分的體積（見表2）。

表2 階段產(chǎn)出氣體體積

由表2可以得出階段累積產(chǎn)O2體積為8.110 4 L，累積產(chǎn)CO體積VCO為13.947 0 L，累積產(chǎn)CO2體積VCO2為37.994 2 L。

計(jì)算t1到t2階段內(nèi)消耗燃料CxHy中Cx的質(zhì)量，可由公式：

式中：mCx-t1到t2時(shí)間段內(nèi)消耗燃料CxHy中Cx的質(zhì)量數(shù)值，kg；MC-碳原子摩爾質(zhì)量，g/mol；VCO2-t1到t2時(shí)間段內(nèi)生成的CO2在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積數(shù)值，L；VCO-t1到t2時(shí)間段內(nèi)生成的CO在標(biāo)準(zhǔn)狀況下體積數(shù)值，L。

因此可以計(jì)算出mCx=0.027 826 kg。

計(jì)算t1到t2階段內(nèi)消耗燃料CxHy中Hy的質(zhì)量，可由公式：

式中：VO2-t1到t2時(shí)間段內(nèi)生成的O2在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積數(shù)值，L；到t2時(shí)間段內(nèi)通過燃燒帶的未被消耗的氧氣在標(biāo)準(zhǔn)狀況下體積數(shù)值，L；到t2時(shí)間段內(nèi)與燃料中的氫元素發(fā)生反應(yīng)的O2在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積數(shù)值，L；mHy-t1到t2階段內(nèi)消耗燃料CxHy中Hy的質(zhì)量，kg；MH-氫原子的摩爾質(zhì)量，g/mol。

經(jīng)過計(jì)算得：VO2=69.56 L，，進(jìn)而得到mHy=0.002 942 kg。

計(jì)算視H/C原子比公式如下：

式中：RH/C－視H/C原子比的數(shù)值，無量綱。

經(jīng)過計(jì)算得：RH/C=1.27。

計(jì)算燃料消耗量的公式如下：

式中：λf－燃料消耗量數(shù)值，kg/m3；VS1S2－S1與S2之間巖心體積的數(shù)值，m3。

經(jīng)過計(jì)算得VS1S2=0.001 155 m3，進(jìn)而得到λf=26.64 kg/m3。

計(jì)算燃料消耗率的公式如下：

式中：Rf-燃料消耗率，%；ρo-原油密度值，kg/m3。由于ρo=965 kg/m3，Soi=78%，Φ=41%，VS1S2=0.001 155 m3，進(jìn)而得Rf=8.64%。

計(jì)算空氣消耗量的公式：

式中：λair-空氣消耗量數(shù)值，m3/m3；Vair-t1到t2時(shí)間段內(nèi)累計(jì)通過燃燒面的空氣在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積數(shù)值，m3。經(jīng)過計(jì)算得Vair=0.332 8 m3，進(jìn)而得到λair=288.25 m3/m3。

計(jì)算累計(jì)空氣油比的公式如下：

式中：AORt-整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中累計(jì)空氣油比數(shù)值，m3/t；Vairt-整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中累計(jì)注入空氣在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積數(shù)值，L；moil-整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中累計(jì)產(chǎn)油量的質(zhì)量數(shù)值，kg。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程時(shí)長(zhǎng)為345 min，經(jīng)過計(jì)算可以得到Vairt=883.2 L，累計(jì)產(chǎn)油量moil=0.85 kg，進(jìn)而得到AORt=1 039 m3/t。

計(jì)算階段空氣油比的公式：

式中：AORs-t1到t2階段內(nèi)空氣油比數(shù)值，m3/t；Vair-t1到t2階段內(nèi)累計(jì)注入空氣在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積數(shù)值，L。

經(jīng)計(jì)算得Vair=332.8 m3，進(jìn)而得到AORs=1 022 m3/t。

計(jì)算t1到t2階段氧氣利用率的公式：

代入數(shù)據(jù)就算得：RO2=88.34%。

計(jì)算火驅(qū)驅(qū)油效率的公式：

由于Rf=8.64%，因此驅(qū)油效率ED=91.36%。

根據(jù)以上計(jì)算過程，可以把超稠油火驅(qū)基礎(chǔ)參數(shù)匯總（見表3）。

表3 新疆重18區(qū)超稠油火驅(qū)基礎(chǔ)參數(shù)表

3 結(jié)論

（1）對(duì)于該區(qū)塊超稠油填裝模型，火驅(qū)過程中可以形成穩(wěn)定的燃燒前緣，燃燒前緣溫度穩(wěn)定在500℃左右，燃燒穩(wěn)定推進(jìn)，也就是說超稠油在室內(nèi)可以驅(qū)得動(dòng)。

（2）從尾氣組分來看，O2含量小于3%，CO2含量在10%～13%，CO含量穩(wěn)定在4%左右，表明火驅(qū)過程中燃燒比較充分。

（3）視H/C原子比為1.27，表明燃燒過程高溫氧化反應(yīng)起主導(dǎo)作用。

（4）實(shí)驗(yàn)求得的燃料沉積量為26.64 kg/m3，明顯高于一般稠油火驅(qū)過程中燃料沉積量（20 kg/m3左右），這是因?yàn)槌碛椭心z質(zhì)、瀝青質(zhì)等重質(zhì)組分含量較大，這樣在熱裂解過程中有較多的重質(zhì)組分參與反應(yīng)。另外超稠油火驅(qū)過程中由于黏度高、阻力大，需要更多的燃料供給。

（5）實(shí)驗(yàn)過程中燃料消耗率為8.64%，驅(qū)油效率達(dá)到91.36%，空氣油比為1 022 m3/t，具有較高的驅(qū)油效率和較低的空氣油比。

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寧夏石化開展尿素裝置環(huán)保升級(jí)改造

5月底，寧夏石化一化肥裝置年度22天計(jì)劃?rùn)z修工作開始陸續(xù)開展進(jìn)行。此次尿素裝置環(huán)保升級(jí)改造是檢修工程的重中之重。

寧夏石化公司化肥一廠尿素裝置始建于上世紀(jì)80年代，原設(shè)計(jì)環(huán)保指標(biāo)不能滿足現(xiàn)在的要求。為此，寧夏石化公司決定下大力氣進(jìn)行環(huán)保升級(jí)改造，投資2094萬元，這個(gè)項(xiàng)目由中國(guó)寰球工程公司設(shè)計(jì)，由中國(guó)石油第七工程建設(shè)有限公司承擔(dān)施工建設(shè)任務(wù)，對(duì)工藝尾氣、解吸水解、二氧化碳脫氫等單元進(jìn)行技術(shù)改造，以達(dá)到現(xiàn)在的國(guó)家環(huán)保指標(biāo)要求，促進(jìn)公司可持續(xù)發(fā)展。此次環(huán)保改造，主要對(duì)脫氫裝置、尾氣氨回收裝置、解吸水解裝置進(jìn)行升級(jí)改造，進(jìn)一步回收其中的氨，降低解吸廢水指標(biāo)，使其排放符合環(huán)保排放指標(biāo)，同時(shí)對(duì)解吸廢水進(jìn)行二次利用，達(dá)到節(jié)能減排降耗的目的。據(jù)了解，脫氫系統(tǒng)改造實(shí)施后，二氧化碳?xì)怏w中氫氣的含量，解吸廢水中氨含量、尿素含量等重點(diǎn)監(jiān)控指標(biāo)均低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，完全滿足環(huán)保排放要求。

（摘自中國(guó)石油新聞中心2017-06-13）

Physical simulation study of ultra heavy oil in-situ combustion in Xinjiang Zhong 18 district

CHEN Qingsong，LI Meng，ZHAO Jueshun，DAI Chenyu，YUE Shengjie
（China University of Petroleum，Beijing 102249，China）

Ultra heavy oil has large reserves and can be a replacement technology of the heavy oil recovery.In-situ combustion is one of the improved recovery methods.The laboratory experiment shows that the recovery of ISC technology can be 70%～80%.The ISC technology has a wide range of application and it has the potential to be a replacement technology in the ultra heavy oil recovery.This paper takes the Xinjiang Zhong 18 area ultra heavy oil as research object which experienced steam huff and puff period.Doing the onedimensional combustion tube physical simulation experiments to analyses the combustion characteristic and the stability of the combustion front.The one-dimensional physical simulation experiment shows that the apparent H/C atomic ratio is 1.27,which means that the high temperature oxidation plays a leading role in the combustion period.The fuel consumption is 26.64 kg/m3and the front of the in-situ combustion is stable.The oil displacement efficiency is 91%and the air-oil ratio is 1 022 m3/t in the experiment,having a high oil displacement efficiency and low air-oil ratio.

ultra heavy oil；in-situ combustion；physical simulation experiment

TE357.44

A

1673-5285（2017）06-0034-05

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.06.008

2017-04-19

陳青松，男（1993-），中國(guó)石油大學(xué)（北京）碩士研究生，郵箱：18682527197@163.com。