火驅油藏工程分析與設計

白 玉，趙黎明，張喻鵬，杜 坤

（1.西安石油大學石油工程學院，陜西西安 710065；2.陜西省油氣田特種增產技術重點實驗室，陜西西安 710065；3.中國石化西北油田分公司，新疆烏魯木齊 830001）

火驅是一種具有明顯技術優勢和潛力的稠油熱力開采方式，目前全世界已有100 多個油田開展了較大規模的工業性開采實驗[1-3]。相對于其他熱采方法，火驅能耗低、效率高，采收率可達到50 %～80 %，可以適應比蒸汽驅、蒸汽吞吐更復雜的油藏。但其本身就具有極大的復雜性，火驅設計、實施、操作、控制難度大，技術要求高，對巖石物性的改變很大，工作過程難以控制，對現場操作管理有很高的要求[4-6]。火驅失敗的原因有很多，但是關鍵的原因是缺乏系統的火驅油藏篩選標準、效果預測以及相應的油藏工程設計。

本文給出了一個系統的火驅開發方案設計流程。首先給出了火驅項目的篩選流程，簡單介紹了火驅室內實驗的方法及基本原理，歸納了不同室內實驗在火驅過程中承擔的角色。在對火驅驅油認識的基礎上，進行了火驅油藏工程參數設計，給出了工程參數設計的基本范圍，最后介紹了火驅的監測及評價方法。

1 火驅項目實施流程

一個火驅項目的實施流程可以清晰地劃分為四個主要階段：油藏篩選、實驗室實驗研究、現場工程設計與施工、火驅監測與評價（見圖1）。火驅項目以對于油層資料的清晰認識及原油的氧化和燃燒研究為基礎，在此基礎上才能進行現場實驗的設計和施工，進而通過各項指標的監測結果來評價火驅效果。火驅項目設計相較其他提高采收率技術涉及的基礎參數和礦場操作參數更為復雜，因此一個系統科學的火驅開發方案設計對火驅的礦場實驗十分重要。因此，這里給出火驅項目的實施流程。

圖1 火驅項目實施流程Fig.1 Fire flooding project implementation process

2 火驅開發方案設計

2.1 火驅油藏篩選流程

任何提高原油采收率方法的成功都取決于油藏條件，火燒也不例外。對于一個給定的油藏是否可以使用火驅工藝進行開發，這類問題的解決需要有一個適當的標準。國外幾十年火驅的理論研究、實驗室和現場實驗已累積了大量的資料和經驗。研究表明，油藏地質對火驅效果起主要作用，對油藏地質的篩選是火燒項目的成功設計和實施必不可少的條件。因此，這里給出火驅篩選程序框圖（見圖2）。對于待篩選的火驅目標油藏，要經過多道程序進行篩選，全部符合者為篩選合格油藏，有任何一輪不合格將被淘汰。

（1）第一步，確定適用火驅開采的首選候選油藏類型；

（2）第二步，確定候選油藏的開采歷史對火驅是否產生影響；

（3）第三步，確定候選油藏是否在適用于火驅開采的參數范圍內；

（4）第四步，預測候選油藏火驅開采效果，利用空氣油比、采收率等指標進行技術評價；

（5）第五步，篩選出合格的油藏。

圖2 篩選程序框圖Fig.2 Filter block diagram

2.2 室內實驗評價研究

在進行火燒油層前需進行室內實驗，目前的實驗手段主要有燃燒實驗和氧化實驗，主要是確定火燒油層熱采的油層物理變化特征。不同的火驅實驗在室內評價過程中承擔著不同的角色。以下問題是室內實驗評價過程中需要解決的：

（1）原油黏度、密度對溫度的敏感性及相互關系；

（2）不同溫度下油-水、油-氣相對滲透率曲線及其端點值；

（3）巖石/水配伍性，巖石礦物演化；

（4）燃燒管實驗確定空氣耗量、燃料耗量、驅油效率及殘余油飽和度等工程計算參數；

（5）火驅對儲層巖礦影響的實驗、確定其對火驅開發可能造成的不利影響；

表1 不同火驅實驗對比Tab.1 Comparison of different fire flooding experiments

（6）靜態氧化及熱分析實驗確定原油氧化動力學參數、燃燒可持續性等。

燃燒實驗主要有驅替實驗和熱分析實驗，氧化實驗主要有火驅靜態氧化實驗。不同火驅室內實驗的優缺點及用途（見表1）。

不同的火驅實驗在室內評價過程中承擔著不同的角色，火驅燃燒管實驗為火驅工程設計提供了基本參數。靜態氧化實驗可用于火驅氧化路徑分析、耗氧速率計算。熱分析實驗可計算得到點火溫度、氧化階段的劃分、動力學參數計算。當然這些實驗只是火驅室內實驗的一部分，一個完整的火驅室內實驗還需要做絕熱實驗、干式燃燒、濕式燃燒等實驗。

2.3 油藏工程參數設計

2.3.1 井網問題 井網模式直接影響到火驅注采動態及開發效果。通常采用的井網模式有線性井網和面積井網兩種[9]。當地層存在較大傾角（一般大于10°）時應采用線性火驅模式，從構造高部位向構造低部位驅掃，可充分利用重力作用，使前緣形成活塞式驅替，最大限度地提高縱向動用程度。線性火驅是一個井間/區間接替的收割式開采過程，其燃燒帶推進的速度相對較快。線性井網的優勢有：平面波及系數高、理論采收率高、地面設施建設及管理相對容易、油藏管理及配套工藝相對簡單、容易實現燃燒前緣的目的性調控。線性井網有線性平行井網和線性交錯井網兩種類型。與線性火驅不同，面積井網火驅所有生產井的生產周期均與全油藏的生產周期同步。從各井組的中心注氣井點火時刻開始，全油藏即進入火驅開發階段。當油墻突破到生產井時，生產井關井。火驅開發結束。盡管受平面非均質性等影響，各生產井遭遇油墻突破的時間會有先后，但完全不同于線性井網條件下的井間/區間接替。與線性火驅相比，面積火驅也具有一定優勢。面積火驅的優勢有：火驅階段累積空氣油比低、火驅階段油藏總的采油速度高、在稠油老區實施能夠降低地及油藏管理風險。面積井網有反五點、反七點和反九點三種井網類型。

2.3.2 點火方式 要實施火驅采油提高原油采收率，首先要解決點燃油層的問題，而油層點燃程度的好壞，又直接影響著火驅的成功與否。因此，點燃油層是關鍵技術之一。點火方式有層內自燃點火和人工點火兩大類。一般深井利用層內自燃點火，淺井常用人工點火。人工點火又包括電熱器、井下燃燒器、化學劑以及注熱介質等多種方法。目前，普遍采用井下電加熱點火器的人工點火方式，使用電纜將井下電加熱點火器送入油井內通過對注入空氣加熱，獲得熱源，提高油層溫度，從而點燃油層。

2.3.3 注采參數設計 對每個具體的稠油油藏，在所選定的開發系統條件下，采用火驅開采，注采參數設計極為重要，它將直接關系到火驅效果的好壞及其成敗。注采參數確定一般可參考國內外同類型油田經驗界限值，應用數值模擬進行優化設計。火驅設計的參數主要有：（1）點火功率與時間；（2）注氣速度、注氣壓力；（3）生產井排氣速度與排注比等。

點火功率是火驅能否成功點火的關鍵，點火階段地層所需的熱量基本都是通過點火器提供。通常情況下，點火器的功率越大，地層升溫速率就越快，點火效果就越好。所以盡可能選擇大功率的點火器，可以大大縮短火驅的加熱時間和成功機率。點火時間應控制在一定范圍，過短則沒有達到高溫燃燒的門限溫度，過長則地層積碳過多，在一定程度上降低油藏采收率。

注氣速度直接影響燃燒前緣推進速度，同時也是地層內能否維持燃燒的重要因素，注氣速度偏低則不足以維持油層穩定的燃燒，甚至出現滅火；而注氣速度偏高則氧氣利用率偏低，經濟效益變差。因此，空氣注入速度的選擇對于火驅是非常關鍵的。通常點火階段注氣速度保持一個較低的水平，在0.3 m3/（m3·d）～0.5 m3/（m3·d）。穩定燃燒階段注氣速度保持一個較高的水平，在0.5 m3/（m3·d）～1.5 m3/（m3·d）[10，11]。注氣壓力是選擇注氣設備的重要依據。確定注入壓力最可靠的辦法是從開發區油井的試注資料中獲取。在無實測的試注壓力時，可采用氣體在多孔介質中的平面徑向流動原理推導。一般情況下，注氣壓力不高于地層破裂壓力。

注氣量和排氣量的匹配是保證火驅正常生產的必要條件。在對注氣量優選的基礎上，對排氣量也要進行優選。排氣量較小時，向地層注氣比較困難，火線推進速度緩慢。排氣量較大時，有利于空氣的注入，火線推進速度也較快。一般情況下，火驅排注比應大于1，才不會影響火線前緣的均勻推進。

2.4 火驅監測和評價

2.4.1 常規數據監測 在火驅過程中，為更好的利用熱能，油藏監測十分的關鍵，要充分利用油藏監測進行有效分析，準確掌握隨時間變化的油藏中的熱量分布。油藏監測資料主要包括：壓力和溫度測試數據、日產量、注氣和產氣量數據、關井時間和情況、所用的添加劑類型和情況。這些數據必須定期準確的收集，以便及時評價油田的生產動態，從而確定最合適的各種生產方法和增產措施，實現經濟、有效地開采油田。

2.4.2 燃燒前緣監測 確定火驅燃燒前緣位置的方法有計算方法、綜合分析方法和直接測試法三類。計算方法利用不穩定試井、物質平衡和能量守恒的方法均可以計算燃燒前緣的位置，但是由于油藏的非均質性影響，單純通過計算方法來分析火線燃燒前緣位置是不可靠的。綜合動態分析方法是根據火線在不同位置時生產井的井底溫度，油氣水的產量及其性質的變化規律，與現場正常見火井獲得的變化規律進行對比分析，來確定火線的位置。該方法與物質平衡法相結合，是目前行之有效的方法。直接測試法通過測量儀器直接監測地層火線推進情況，得到的結果是目前所有方法中最為精確的，但需要耗費大量的資金。該方法主要包括熱電偶測溫法、紅外照相法、地球物理電測法、磁法、電位法和地震法。

2.4.3 火驅效果分析和預測 火驅效果的分析和預測方法主要有數值模擬方法和油藏工程方法。數值模擬方法是應用較為廣泛、結果較為可信的一種研究法。目前，火驅開采研究與設計常用的熱采模擬軟件有：美國科學軟件公司的THERM 模型和加拿大計算機模擬軟件公司的STARS 模型。除了數值模擬方法，傳統的數理統計方法也可以進行火驅方案效果預測，比較著名的就是朱杰的統計方法[12]。

3 結論

（1）將一個火驅項目的實施流程劃分為四個主要階段：油藏篩選、實驗室實驗、現場工程設計與施工、監測與評價，并制作出了火驅項目流程圖。

（2）對比了不同火驅實驗的優缺點及用途，為火驅方案設計、火驅狀態認識和調整火驅效果提供了理論依據。