火驅過程中稠油組分變化特征研究

2021-10-26 01:52:40蔣海巖李天月袁士寶張喻鵬

特種油氣藏 2021年4期

蔣海巖，李天月，杜坤，袁士寶，張喻鵬

(1.西安石油大學，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.中國石油長慶油田分公司，甘肅慶城 745100；4.中國石油塔里木油田分公司，新疆庫爾勒 841000)

0 引言

火驅是以地層稠油中的重質組分為燃料，以注入空氣或富氧氣體為助燃劑，通過自燃或人工點火等方法使地層溫度達到稠油燃點，并在氧氣的持續注入下維持穩定燃燒，利用燃燒產生的能量和氣體等在混合驅替作用下，將稠油從油井產出的高效熱采方法。蔣海巖[1]等采用熱重實驗將稠油氧化階段劃分為低溫氧化前期、低溫氧化后期、燃料沉積段和高溫氧化段4個階段，各階段溫度變化范圍、發生的反應均不相同，因此，稠油組分變化程度也不同。Adegbesan[2]使用SARA組分劃分方法研究了阿薩巴斯卡瀝青在低溫氧化過程中的組分變化。文萍[3]等對塔里木油田的3種稠油油樣進行了紅外光譜分析，研究了油樣的4個擬組分。基于前期大量研究，已對火驅各組分間的轉化有了較清晰的認識，但大多都是采用傳統的定量色譜分析技術，而該技術只能給出C1-C6(或C1-C10)等碳氫化合物組分組成[4]。為了提高油氣烴類系統相態預測的準確性，有必要將Cn+重組分劈分成一定數量的輕質組分。除此之外，火驅燃燒過程中產生大量熱量，部分區帶溫度可達600.00～700.00 ℃，如此高的溫度下，重質組分斷鍵裂解成輕質組分[5]，區帶內發生復雜的物理化學反應，導致各區帶內的油氣烴類體系性質也存在較大差異。針對以上問題，有必要對火驅過程中各區帶間的組分轉化與遷移進行研究，并對整個烴類體系進行合理劃分，分析不同區帶的相圖特征，以期提高火驅過程中各區帶相態預測的準確性。

1 火驅機理及各區帶反應特征分析

1.1 火驅稠油反應機理

為了更方便地利用實驗分析火驅各區帶的組分變化，將火驅過程中稠油的反應分為兩大類[6]，一類是由于氧氣存在引起的氧化反應，另一類是由于溫度引起的熱反應。氧化反應可進一步細分為低溫氧化反應(發生在120.00～300.00 ℃)和高溫氧化反應(一般發生在360.00 ℃以上)。熱反應又可分為裂解和聚合2個過程。一般情況下，當反應溫度超過150.00 ℃時，稠油就會表現出不穩定性，發生化學鍵的斷裂和自由基的聚合[7]。

1.2 基于熱重的氧化特征分析

熱重曲線是指在程序控制溫度情況下，樣品質量百分數隨溫度變化的曲線，由遼河某區塊稠油熱重曲線(圖1)可以看出，稠油氧化反應過程階段性明顯，稠油氧化反應可以分為低溫氧化前期、低溫氧化后期、焦炭沉積階段、高溫氧化階段4個階段[1]。各反應階段持續時間不同，低溫氧化的持續時間大約為63%，燃料沉積時間約為21%，高溫氧化時間約為16%。

圖1 遼河某區塊稠油的典型熱重曲線

1.3 基于氧化實驗的組分變化分析

采用氧化反應釜模擬不同地層條件下的靜態低溫氧化實驗，在91.50～250.00 ℃下分析了稠油油樣肇43-241[8]與空氣氧化反應后族組分變化特征(表1)。

表1 油樣肇43-241不同溫度下反應后族組分組成

由表1可知：溫度低于120.00 ℃條件下，以“加氧反應”為主，飽和烴、芳香烴發生氧化反應轉化成膠質、瀝青質；溫度高于120.00 ℃條件下，以“鍵裂解反應”為主，部分膠質、瀝青質發生裂解向飽和烴、芳香烴組分轉化。該實驗很好地驗證了低溫氧化的反應機理。

1.4 基于紅外光譜的組分遷移分析

取新疆紅淺1井區地下547.84 m處的某稠油油樣[9]，使用德國Bruker公司IFS 66/S型傅立葉變換近紅外光譜儀(FT-NIR)對其進行紅外光譜測定，分析火驅過程中分子結構和化學鍵的變化，并通過GC-MS分析進一步確定不同區帶的物質組成，得到各區帶的物質組成(表2)。

(1) 原始油區組分特征。原始油樣中存在飽和烷烴、環烷烴、烷基側鏈、膠質、瀝青質、芳環等組分，并通過原始油段的GC-MS分析可知，原始油帶中膠質、瀝青質等重質組分含量較高，且環結構較為復雜。

(2) 油墻區組分特征。油墻區域主要由于蒸餾冷凝作用富集一些輕質油，以物理變化為主。

(3) 結焦帶組分特征。結焦帶發生了碳氫鍵的斷裂，原本與芳環相連的非烴類側鏈斷裂，芳香族化合物向脂肪族化合物轉化，芳環的鄰位被取代，芳香結構有所減少，脂肪族的含量不斷增加。這主要是由低溫氧化和熱反應引起。

在低溫氧化過程中，飽和烴/芳環烷基側鏈發生加氧反應，生成醇類、醛類等物質，醇類物質進一步脫水生成醚。在熱反應過程中，燃料沉積階段經歷高溫，芳環結構減少，芳環鄰位發生取代，而受裂解影響形成的自由基則進一步聚合，縮合成分子量更大的分子。部分稠環芳烴聚合成膠質瀝青質。

總結以上反應過程，該區帶有熱裂解和熱聚合反應發生，是形成焦炭的主要階段。該段的物質變化主要有：飽和烴和芳香烴側鏈發生加氧反應形成醛、酮、醇類等烴類含氧化合物，飽和烴含量減少至40.99%；稠環芳香烴由于熱裂解反應形成大量自由基，自由基共聚生焦，導致芳香烴多環結構減少至19.48%，稠油組分發生由飽和烴、芳香烴向膠質瀝青質的轉化，膠質含量增加到30.23%，瀝青質含量增加至9.88%。

(4) 燃燒帶組分特征。既發生高溫氧化反應又發生熱裂解，以高溫氧化反應為主焦炭燃燒積累大量熱量，使得瀝青質和膠質達到自燃點開始燃燒，稠油組分氧化程度加深，導致飽和烷烴等輕質組分增多至92.00%，而膠質、瀝青質等重質組分由于達到其燃點大量燃燒，膠質、瀝青質等含量降至8.00%。可用以下反應表示：

瀝青質/膠質/焦炭+氧氣→一氧化碳+二氧化碳+水

(5) 已燃區組分特征。已燃區位于燃燒帶之后，呈現出原油完全被驅替狀態，該區幾乎不存在原油，因此不再討論該區帶的組分變化。火燒過程中各區帶的組分遷移見表3。

表3 火燒過程中各區帶的組分遷移

2 火驅過程中各區帶的相態變化分析

2.1 基于組分變化的相態變化分析

為了進一步驗證各區帶間組分的轉化特征，以某稠油油樣[10-15]為例，其API比重為11，相對密度為0.993，油樣具有代表性。基于實驗分析所得的火驅過程中不同區帶各組分變化特征[16-21]，由宏觀定性到定量，確定原始油樣經過火驅后的各組分含量變化，應用CMG軟件中的Winprop模塊進行模擬，得到火驅過程中各個區帶的組分含量百分比(表4)和各區帶P-T相圖(圖2)。

表4 各區帶組分含量百分比

由圖2可知，火驅過程中不同區帶流體的相包絡線形態、臨界點位置以及曲線分布情況都呈現出不同的特征，以下是基于組分變化的火驅相態變化分析。

圖2 各區帶P-T相圖

(1) 原始油區特征分析。由原始油區P-T相圖可知，該油樣相圖臨界點為570.27 ℃、1312.74 kPa，在70.00 ℃以下，氣液兩相區面積較小，單液相區面積較大。分析認為油藏內的烴類物質大多以液相存在，說明該油樣中重質組分較多，油樣黏度較大，符合稠油基本特征。原始油樣組分組成主要集中在C30+，重質組分含量多，占原始油樣組分含量的53.8%以上，這與稠油油樣組分特征相一致。

(2) 油墻區帶特征分析。油墻帶P-T相圖中，70.00～150.00 ℃范圍內包含了單相液區和氣液兩相區，氣液兩相區面積有所增大，此時相圖臨界點為564.23℃、1 575.87 kPa，相對于原始相圖臨界點向左上方移動。該區主要是油墻區，富集了可動油，包含過熱蒸汽、輕烴、氣體，具有明顯的油墻效應。該區帶油樣組分含量與原始油樣相比，CO2含量明顯增多，C30+等重質組分含量減少，由53.80%降至總組分含量的38.50%，輕質組分含量增加。

(3) 結焦帶特征分析。結焦帶P-T相圖臨界點為589.47 ℃、1 220.57 kPa，相對于原始相圖臨界點向右下方移動。在200.00～400.00 ℃溫度范圍內，該區域的P-T相圖包含了單相液區和氣液兩相區，且兩相區面積相對于原始區油樣變大。結焦帶油樣重質組分C30+組分含量顯著提高，組分含量占比上升至79.00%。分析認為，在該溫度范圍內，部分輕烴類氣體逐漸溶解于輕質油中，輕質組分聚合生焦轉變為重質組分。

2.2 基于飽和度場圖的相態變化分析

將原始油樣組分含量數據導入CMG軟件中的Builder模塊，建立如下火驅模型。模型中，3口注入井和3口生產井呈排狀分布。采用直角坐標，網格數為35×20×3，網格步長為5 m×5 m×3 m，滲透率為350 mD，孔隙度和含油飽和度分別為25.00%和65.00%。數模中考慮以下幾個反應模型(表5)[15]，并得到火驅不同階段的油氣水三相飽和度場圖(圖3)。

表5 火驅數值模擬模型化學反應模型

從注入井到生產井依次出現純氣相(紅色)、氣液兩相(紫紅色)、油氣水三相(藍色)、油水兩相(綠色)。由圖3可以看出，隨著火驅燃燒反應的進行，火線向前推進，油藏溫度逐漸升高，氣液兩相區(紫紅色)逐漸增大，為保證燃燒足夠充分，燃燒帶的空氣必須充足，因此也出現單相氣區(紅色)，油墻帶富集一些蒸餾冷凝的輕質油(綠色)，進一步考察各個區帶組分變化，考察燃燒、相變與驅油的關系而不是單純地考察燃燒與驅油關系，能夠較客觀地分析區帶演變特征從而指導生產。