溶劑萃取后火驅開采超稠油可行性研究

張 弦，車洪昌，劉以勝，張華北

(1.東北石油大學石油工程學院，黑龍江大慶 163318；2.中油國際中東公司，北京 100120)

稠油是21世紀最重要的接替能源之一。在石油資源日益枯竭、成熟新能源形態發展緩慢的今天，稠油以其兩倍于常規石油資源的儲量，在我國的能源戰略中占有極其重要的地位。但是，稠油尤其是超稠油(地層溫度條件下脫氣原油黏度大于50 000 mPa·s)中膠質和瀝青質含量高，流動性極差，水驅與化學驅等常規技術難以達到預期的開采效果，因此主要應用注蒸汽、火燒油層等熱采技術，或者注入溶劑溶解超稠油中部分組分來進行開采[1-5]。

注烴類溶劑在超稠油以及瀝青開采中具有較強的技術優勢。注入油藏后，烴類溶劑打破原有體系的平衡狀態，并溶解大部分原油組分，使溶解后的原油流動性增強，從而增加采收率[6-8]。如果烴類溶劑的濃度足夠大，會使原油中的瀝青質脫離沉降，從而導致原油黏度進一步降低。當與低分子量的烴類溶劑混合時，由于瀝青質在低分子量環境中的穩定性變差而進一步脫離沉降，原油的平均分子量將大幅降低。采出的原油具有較低的密度、黏度、重質組分含量，達到就地改質的目的。注烴類溶劑的優點是投入成本低、適應性廣、熱損失可忽略不計、溶劑可循環利用，并且能夠較好地實現就地改質。但是，經過溶劑萃取后，超稠油中的重質組分(瀝青質等)沉積滯留在巖石孔隙內，很難采出，造成較大的資源浪費。

火驅是一種行之有效的稠油熱采技術，在注氣井中點燃油層后，通過不斷向油層注入適量空氣或富氧助燃，形成徑向移動的燃燒前緣。燃燒前緣前方的原油受熱降黏、蒸餾，蒸餾后的輕質油、汽與燃燒煙氣驅向前方，留下未被蒸餾的重質成分在高溫下裂解，裂解產物焦炭作為燃料，維持燃燒；在高溫下，油層水、注入水及燃燒生成水變成蒸汽，攜帶大量的熱量傳遞給前方油層，從而將原油驅向生產井。火驅過程伴隨著復雜的傳熱、傳質過程和物理化學變化，具有蒸汽驅、熱水驅、煙道氣驅等多種開采機理[9-11]。火驅開采出的原油是燃燒過程中揮發及裂解的輕質組分，極大地改善了油品，被認為是經濟效益最佳的超稠油開采方式之一。

基于注烴類溶劑與火驅各自的技術優勢，有學者提出注烴類溶劑后轉火驅開采稠油技術[12]。通過溶劑的抽提將稠油中飽和分和芳香分等相對輕質的組分采出，再將沉積的瀝青質等重質組分點燃，由于稠油組分的簡單化，使得火燒過程可控程度增加。萃取后的溶解油經分離后，溶劑可循環利用，稠油因重質組分的剝離而使品質大幅提高。重質組分經火燒后經歷氧化、裂解等一系列反應，生成的小分子產物被采出，因此大幅改善了采出油的品質。不但提高了原油采收率，而且將溶劑萃取后沉積在巖石孔隙的瀝青質采出，既避免了能源浪費，又減輕了油層污染。

由于注烴類溶劑萃取后轉火驅的技術較新，對溶劑+火驅原位改質并提高超稠油采收率的機理還缺乏試驗和理論認識。為此，有必要開展相關試驗和理論研究，探討開采過程中的控制機理，為下一步配套技術開發和現場應用奠定理論基礎。本文開展不同烴類溶劑萃取后轉火驅開采超稠油試驗，探討該技術的可行性。

1 烴類溶劑輔助火驅試驗

1.1 試驗樣品

試驗選取戊烷、煤油、癸烷作為萃取溶劑。遼河油田杜84區塊原油的性質見表1。稠油黏度為脫氣黏度，用HAAKE流變儀測定，族組成采用液固吸附色譜法測定。50 ℃脫氣稠油的黏度為58 013 mP·s，屬超稠油。

表1 杜84區塊的原油性質Table 1 The properties of the heavy crude oil from Du84 block

1.2 試驗設備及方法

溶劑萃取轉火燒試驗設備由溶劑注入與回收裝置、點火裝置、燃燒管、供氣系統、采集系統和尾氣分析儀組成，如圖1所示。該裝置最高溫度為900 ℃，最高耐壓為5 MPa。燃燒管由內管和外管組成，長70 cm，內管內徑為6 cm，壁厚0.4 cm。內外管之間填充保溫材料，以減少熱損失。燃燒管軸向布置15個熱電偶和1個壓力傳感器，以采集溫度和壓力數據。試驗中將油砂按比例混合后填裝模型，通過注入氮氣增壓，檢查燃燒管系統的密封性。在室溫下從試驗管頂部以設計量混合氮氣注入溶劑，并回收改質后的原油。然后開啟加熱器，注氮氣確認注采井之間的熱連通，并建立初始溫度場，再注入空氣點火進行火燒試驗。在轉注空氣的瞬間，將會觀察到萃余物燃燒。通過監測的溫度變化，以及產出氣體組分的變化來確認燃燒是否有效持續進行。試驗過程中持續觀測產出氣組分的變化，液體通過分離器分離后收集。溫度采集用于分析溫度剖面的變化以及前緣推進的特征。尾氣中CO2和CO的含量也幫助確認燃燒是否有效。

圖1 溶劑萃取轉火燒油層試驗裝置示意Fig.1 The scheme of the experimental system of in-situ combustion post solvent injection

2 動力學試驗結果及分析

2.1 無溶劑條件下原油動力學試驗

圖2 純火驅尾氣組分濃度以及溫度隨時間的變化Fig.2 The fraction of effluent gases and temperature profile in relation to time of pure in-situ combustion

圖2給出了動力學試驗中純火驅尾氣組分濃度以及溫度隨時間的變化。可以看出，在300 ℃左右首先觀察到低溫氧化反應，少量的氧氣被消耗。高溫氧化反應(燃燒)在400 ℃時開始，燃燒使溫度快速升高到650 ℃以上，高溫氧化反應消耗大量氧氣，生成CO和CO2；曲線表現為O2濃度出現低峰而CO和CO2濃度出現高峰。高溫反應放出大量的熱，能夠使燃燒持續進行，當燃料逐漸耗盡，則表現為O2濃度逐漸恢復至初始水平，CO和CO2濃度逐漸降低到初始水平。

2.2 溶劑萃取后萃余物動力學試驗

圖3 注入不同溶劑后萃余物燃燒溫度與時間的關系Fig.3 Temperature profile in relation to time of the combustion of the residue post solvents injection

為了與純火驅進行對比，進行了3種不同類型的溶劑萃取后再火驅試驗。圖3給出了燃燒階段的溫度剖面。在高溫氧化反應中，燃料燃燒，生成CO和CO2。火驅燃料一般是由瀝青質中的重質組分形成的，當燃料燃燒時，溫度升高。原油中重質組分含量越高，就會生成越多的燃料，燃燒放熱反應也更加劇烈。由于在試驗中始終保持氧氣量充足，因此燃料生成量是影響溫度升高幅度的最重要因素。高溫燃燒反應中溫度的升高幅度與動力學試驗中燃燒前重質組分的含量有關。比較各試驗高溫氧化反應中溫度的升高幅度可評價注入不同的溶劑后燃料的生成量。溶劑是否萃取了過多的重質組分，萃余物是否能夠放出足夠的熱量來維持燃燒，是評價在溶劑萃取后是否能有效進行火驅的重要指標。在高溫氧化反應中產生的熱量是維持燃燒的必要條件，如果高溫反應不能產生足夠的熱量，則不能有足夠的燃料生成，燃燒將會熄滅。

由圖3可知，純火驅試驗中燃燒的放熱是最劇烈的。由于沒有溶劑提前注入，無組分被萃取出來，所以在動力學試驗管中燃料最大限度地沉積，能夠提供最大的放熱量。在有溶劑提前注入的試驗中，部分重質組分被萃取出來，使燃料生成量減少。較少的燃料沉積導致較低的高溫反應放熱量。與煤油和癸烷相比，戊烷萃取后萃余物的高溫氧化反應釋放了更多的熱量。隨著高溫反應的開始，溫度升高了235 ℃。煤油和癸烷萃取后燃燒的溫度升高幅度則較小。對煤油而言，幾乎沒有明顯的升溫幅度，對癸烷則溫度僅僅升高了140 ℃。因此，這兩種情形下升溫幅度可能難以維持有效燃燒。

所有的試驗，除了溶劑不同外，其余初始條件皆相同，但是高溫氧化反應卻有較大差異。戊烷萃余物的高溫氧化反應放熱量遠遠高于癸烷和煤油萃余物的高溫氧化反應。分析認為，輕質烴類溶劑戊烷萃取輕質組分的能力高于萃取重質組分，更多的輕質組分被萃取出來，而煤油和癸烷能溶解更多的重質組分。戊烷能夠溶解膠質，卻不能溶解瀝青質。因此，當戊烷萃取時，萃余物中含有更多的瀝青質，因而在動力學試驗中生成了更多的燃料。而癸烷和煤油可溶解少量瀝青質，因此萃余物中沉積的瀝青質含量相對降低，生成的燃料也相應減少。二者相比，煤油能夠溶解更多的瀝青質，因此癸烷萃取后萃余物燃燒的放熱量較煤油條件下萃余物的放熱量多。

2.3 萃余物動力學試驗影響因素

在確定戊烷為較合適的溶劑之后，分別考察了溶劑體積(常壓，50 mL戊烷與100 mL戊烷)與回壓(50 mL戊烷，常壓與0.5 MPa回壓)對萃余物動力學試驗的影響(圖4)。常壓下50 mL和100 mL戊烷萃取后萃余物的高溫氧化反應放熱量差別不大，說明兩個試驗的燃料生成量接近，多注入50 mL戊烷并沒有溶解更多的重質組分。原油在戊烷萃取后萃余物中仍存在大量的重質組分，能較好地維持燃燒。在動力學試驗中，戊烷的最佳注入量更接近于50 mL。

當施加0.5 MPa的回壓時，50 mL戊烷萃取后萃余物的高溫氧化反應更加劇烈，放出更多的熱量。施加回壓使戊烷萃取后有更多的瀝青質沉積，燃料生成量增大，從而使高溫氧化反應更加劇烈。一般來說，當壓力在原油泡點以下，原油的溶解能力隨著壓力的升高而降低。試驗中當壓力升高，戊烷的溶解能力下降，所以有更多的瀝青質沉積。

圖4 不同溶劑體積與不同回壓下萃余物燃燒溫度與時間的關系Fig.4 Temperature profile in relation to time of the combustion of the residue post solvents injection by different solvent volume and back pressures

3 燃燒試驗結果與分析

3.1 燃燒尾氣

應用戊烷為萃取溶劑，開展溶劑萃取后火燒油層一維燃燒管試驗。燃燒尾氣通過氣體分析儀實時記錄，尾氣中除了CO2、CO和O2外，還檢測到CH4的持續存在，分析認為是由殘存的戊烷在高溫下裂解產生。尾氣中各氣體濃度隨時間的變化關系如圖5所示。試驗結果表明，萃余物燃燒共進行了330 min。在燃燒初始階段，尾氣中的O2含量急劇下降，同時CO2與CO含量明顯上升，證明發生了劇烈的氧化反應；尾氣中出現CH4，含量升高至一定水平后，在整個燃燒階段幾乎保持不變。在55～290 min時段燃燒基本保持穩定，表現為CO2、CO和O2含量的波動幅度不大。隨著時間的推移，在290 min時尾氣中O2含量開始迅速上升，CO2和CO含量迅速減少，并在330 min達到初始水平，燃燒結束。在燃燒逐漸減弱之時，由于燃燒前緣附近區間的溫度仍然很高，足以使戊烷裂解，因此尾氣中CH4的含量未受到影響，直至殘存的戊烷消耗殆盡，CH4含量才急劇下降。

圖5 戊烷萃取后萃余物火驅燃燒管試驗尾氣含量變化Fig.5 Effluent gases trend by the combustion of the residue post n-Pentane injection in the combustion tube

3.2 溫度分布與燃燒前緣推進

圖6 戊烷萃取后燃燒管試驗的溫度分布Fig.6 Temperature profile by the combustion of the residue post n-Pentane injection in the combustion tube

從點燃萃余物50 min開始，每隔40 min記錄一次燃燒管內布置熱電偶位置的溫度數據，從而評價燃燒過程中溫度在燃燒管軸向的分布，如圖6所示。燃燒過程中萃余物能夠維持較高的溫度，使燃燒前緣平穩向前推進。當燃燒進行到330 min時，在燃燒管末端觀測到了前緣的突破，燃燒結束。前緣推進速度為0.212 cm/min，燃燒區的平均溫度為471 ℃。在燃燒穩定階段，燃燒前緣平穩向前推進，但前緣溫度相差較大。隨著燃燒時間的推進，燃燒前緣溫度趨于平穩。隨著已燃區溫度的逐漸降低，燃燒前緣前方的區域因受熱溫度逐漸升高，并可明顯觀察到在燃燒前緣前方形成了一道約125 ℃左右的蒸汽帶。溫度分布曲線形似波浪向前推進，直至前緣突破，燃燒結束。燃燒前緣在試驗管內能夠實現平穩推進，并順利突破進入生產井，中途無熄滅跡象，說明經戊烷萃取后的超稠油萃余物能夠以火驅的方式進行開采。

4 結論及建議

通過開展動力學試驗和燃燒管試驗，探討了烴類溶劑萃取后轉火驅開發超稠油的可行性，結論如下：

(1)動力學試驗表明，與煤油和癸烷相比，戊烷萃取后萃余物的高溫氧化反應釋放了更多的熱量。隨著高溫反應的開始，溫度升高了235 ℃。煤油和癸烷萃取后燃燒的溫度升高幅度則較小，難以維持有效燃燒。

(2)燃燒管試驗表明，萃余物燃燒平穩持續了330 min，直至前緣突破。燃燒尾氣中除了CO2、CO和O2外，還檢測到由殘存戊烷裂解生成的CH4。燃燒過程中萃余物能夠維持較高的溫度，使燃燒前緣平穩向前推進。前緣推進速度為0.212 cm/min，燃燒區的平均溫度為471 ℃。

(3)戊烷萃取后的超稠油萃余物能夠以火驅的方式進行開采，證實了烴類溶劑萃取后轉火驅開發技術的可行性。