龔姚進(jìn)，戶昶昊，宮宇寧，宋 楊

(中油遼河油田分公司，遼寧 盤錦 124010)

引 言

火驅(qū)開發(fā)技術(shù)是稠油油藏蒸汽吞吐后大幅度提高采收率技術(shù)之一，具有適用范圍廣、驅(qū)油效率高、成本低的優(yōu)勢[1]。國外已開展淺層單層火驅(qū)的工業(yè)化應(yīng)用[2]，國內(nèi)首先在遼河油田深層薄互層油藏實現(xiàn)規(guī)模應(yīng)用，取得較好的開發(fā)效果，同時也出現(xiàn)垂向燃燒率低、平面火線推進(jìn)不均等問題?，F(xiàn)場監(jiān)測資料表明，火驅(qū)高溫燃燒特征和開采效果存在一定差異，進(jìn)一步認(rèn)識普通稠油多層火驅(qū)的驅(qū)替機理，揭示火線波及規(guī)律是目前亟待解決的關(guān)鍵問題。

1 油藏概況

D66塊開發(fā)目的層為新生界古近系沙河街組沙四上段杜家臺油層，油藏埋深為800～1 200 m，平均有效厚度為44.5 m，單層厚度為1～2 m，平均孔隙度為19.3%，平均滲透率為774×10-3μm2，50℃地面脫氣原油黏度為300～2 000 mPa·s，為深層薄互層狀普通稠油油藏。該塊1986年采用200 m井距、正方形井網(wǎng)、2套層系實施蒸汽吞吐開發(fā)，經(jīng)過2次加密調(diào)整，形成100 m井距正方形井網(wǎng)。2005年采用100 m井距、反九點面積井網(wǎng)開展火驅(qū)先導(dǎo)試驗，2013年實現(xiàn)工業(yè)化推廣，目前實施規(guī)模達(dá)91個井組，日產(chǎn)油為670 t/d，空氣油比為640m3/t。

2 火驅(qū)驅(qū)替機理

火驅(qū)開發(fā)主要機理是高溫氧化、低溫氧化、高溫裂解、氣體驅(qū)動和加熱降黏，具有保持地層壓力，實現(xiàn)蒸汽驅(qū)、熱水驅(qū)、CO2驅(qū)以及混相驅(qū)等作用。

通過原油氧化實驗、物理模擬、數(shù)值模擬等方法，對D66塊油藏火驅(qū)機理開展深入研究。

2.1 氧化反應(yīng)特征研究

2.1.1 原油熱重分析

通過室內(nèi)熱重實驗分析，D66塊普通稠油油藏按失重反應(yīng)劃分為4個階段:第1階段溫度為40～110℃，原油中輕烴類揮發(fā)，未脫盡的水蒸發(fā);第2階段溫度為110～340℃，為低溫氧化階段，烴類和非烴類發(fā)生低溫氧化，生成水和部分氧化物，伴隨著原油中弱鍵的斷裂，氧化反應(yīng)相對簡單，反應(yīng)比較緩慢;第3階段溫度為340～370℃，為裂解階段，原油中的某些組分與氧氣發(fā)生不完全氧化，生成焦炭;第4階段溫度大于370℃，為高溫氧化階段，原油開始高溫氧化反應(yīng)，同時放出大量的熱，引起某些重組分(膠質(zhì)和瀝青質(zhì))發(fā)生熱裂化反應(yīng)(吸熱反應(yīng))，熱裂化后的產(chǎn)物(較小的烷烴和芳烴)繼續(xù)燃燒，直至反應(yīng)結(jié)束(圖1)。

從原油氧化反應(yīng)放熱曲線上可以看出(圖2)，溫度達(dá)到60℃時即開始發(fā)生放熱反應(yīng)，直至340℃放熱量較小，此階段是稠油一些輕組分的緩慢氧化反應(yīng);340～370℃放熱量減小，此時發(fā)生裂解反應(yīng)，產(chǎn)生焦炭;370℃時，出現(xiàn)一個陡峭的放熱峰，說明在該點溫度有明顯的放熱(370～550℃)。放熱量在一些溫度點出現(xiàn)不同程度的陡增，表明稠油中不同物質(zhì)組分發(fā)生劇烈的高溫氧化反應(yīng)。分析認(rèn)為，D66塊油藏原油溫度達(dá)到370℃，進(jìn)入高溫氧化階段。

圖1 D66塊油藏原油氧化反應(yīng)失重-失重速率曲線

圖2 D66塊油藏原油氧化反應(yīng)放熱曲線

2.1.2 原油組分變化分析

采用燃燒釜進(jìn)行不同溫度的低溫氧化實驗。常溫下注空氣至 4.5 MPa，反應(yīng)加熱至 90℃、300℃，反應(yīng)12 h后，分析反應(yīng)后油樣和氣樣。

通過對原油四組分的變化分析可以看出，低溫氧化反應(yīng)后，飽和烴、芳香烴含量降低，膠質(zhì)、瀝青質(zhì)含量增加，300℃低溫氧化反應(yīng)后，組分變化幅度較90℃低溫氧化反應(yīng)更大(表1)。

表1 低溫氧化原油組分變化

低溫氧化反應(yīng)明顯改變原油組分，并引起原油性質(zhì)的變化，原油密度基本不變，而黏度和苯胺點均會提高，殘?zhí)己可?表2)。

表2 低溫氧化原油性質(zhì)變化

從產(chǎn)出氣體組分分析，低溫氧化反應(yīng)后，O2含量下降，CO2、CH4、CO 含量少量增加，300℃ 低溫氧化反應(yīng)后氣體組分變化幅度較90℃低溫氧化反應(yīng)時更大(表3)。

表3 低溫氧化氣體組分變化

2.2 物理模擬實驗

按照比例模擬相似準(zhǔn)則[3]，對油藏與模型進(jìn)行比例模，建立三維物理模型。模擬D66塊油藏中反韻律組合情況，高滲層位于模型上部，厚度為36 cm，滲透率為 271 ×10-3μm2，低滲層位于模型下部，厚度為9 cm，滲透率為60 ×10-3μm2，滲透率級差為4.5;采用該塊油藏實際原油(黏度為2 023 mPa·s，密度為0.952 2 g/cm3)。重點開展縱向不同物性條件下的驅(qū)替特征研究。

物理模擬的溫度場(圖3)分析認(rèn)為，實驗可劃分為3個階段:第1階段是點火階段，上下層均點燃;第2階段是燃燒前緣推進(jìn)階段，隨上部油層燃燒的進(jìn)行，溫度達(dá)到400℃以上，發(fā)生高溫氧化反應(yīng)，火線形成后，受氣體超覆作用影響，向油層頂部發(fā)育，而下部油層溫度為200℃，僅發(fā)生低溫氧化反應(yīng);第3階段，隨著高溫氧化反應(yīng)的進(jìn)行，上部油層燃燒前緣到達(dá)生產(chǎn)井，下部油層由于低溫氧化產(chǎn)生膠質(zhì)封堵油層，無法進(jìn)行正常燃燒。分析實驗產(chǎn)出原油物性，原油密度變化不明顯，原油黏度降低，由2 023 mPa·s降至947 mPa·s，尾氣組分中O2含量降低，CO2、CO含量增加，符合高溫氧化反應(yīng)產(chǎn)出流體特征[4]。

圖3 物理模擬縱向溫度分布場

受縱向上油層不同物性條件制約，多層火驅(qū)具有高溫氧化與低溫氧化并存的特性，氣體主要從滲透率高的儲層通過，在點火升溫的過程中，低滲層因氣體通過量少，只能發(fā)生低溫氧化反應(yīng)，甚至火線難以推進(jìn)。

2.3 數(shù)值模擬研究

選用CMG熱采數(shù)模軟件建立100 m反九點面積多層火驅(qū)數(shù)值模型，網(wǎng)格節(jié)點為22×21×25=11 550，平面網(wǎng)格步長為10 m，縱向油層為13層，單層厚度為2.5 m，隔層為12層，單層厚度為2 m;參考該塊地層參數(shù)，模型中孔隙度為19%，滲透率為774×10-3μm2，考慮火驅(qū)過程中發(fā)生的原油裂解及高溫氧化燃燒等反應(yīng)[5]。模型中將原油劃分為重質(zhì)組分、中質(zhì)組分和輕質(zhì)組分，將注入的空氣劃分為N2和O22個組分。

根據(jù)數(shù)值模擬研究，普通稠油火驅(qū)開發(fā)分為火線形成上產(chǎn)階段、熱效驅(qū)替穩(wěn)產(chǎn)階段以及火線突破遞減階段(圖4)。

圖4 數(shù)值模擬火驅(qū)產(chǎn)量變化曲線

火線形成上產(chǎn)階段:點火后持續(xù)注入空氣，此時油層開始燃燒，火線初步形成，注入空氣優(yōu)先向高滲、低飽和度的油層推進(jìn)，填補原油蒸汽吞吐的虧空，燃燒產(chǎn)生的熱能和注入的空氣使地層能量得到補充，地層壓力由0.8 MPa升至2.0～3.0 MPa，油井產(chǎn)量不斷上升，由不足1 t/d升至2～3 t/d，空氣油比持續(xù)降低，由2 500 m3/t降至800 m3/t，此階段尾氣中CO2含量不斷升高，由5%升至12%，尾氣組分符合高溫氧化燃燒油井比例達(dá)60%～70%。

熱效驅(qū)替穩(wěn)產(chǎn)階段:注入空氣與原油發(fā)生高溫氧化反應(yīng)，燃燒放出大量的熱，前緣溫度可達(dá)400℃以上，原油黏度大幅降低，重質(zhì)組分裂解生成輕質(zhì)油，注入空氣、輕質(zhì)油、燃燒尾氣、水蒸汽共同驅(qū)動原油，地層壓力維持在2.0～3.0 MPa，此時油井產(chǎn)液量較為穩(wěn)定，邊井產(chǎn)油量可達(dá)4～5 t/d，角井產(chǎn)油量可達(dá)2～3 t/d，空氣油比保持在800 m3/t，此階段尾氣中CO2含量為14% ～17%，尾氣組分符合高溫氧化燃燒油井比例達(dá)90%以上。

火線突破遞減階段:隨著空氣的不斷注入，燃燒前緣推進(jìn)距離增大，火線優(yōu)先到達(dá)邊井，此時油井產(chǎn)量迅速降低，產(chǎn)出液含水上升，空氣油比升至3 000 m3/t，尾氣組分中氧含量超過安全范圍5%[6]，應(yīng)立即關(guān)井結(jié)束生產(chǎn)。

縱向上受多層油藏層間矛盾制約，不同層溫度差異較大。油層中部主力層滲透率為1 016×10-3μm2，溫度可達(dá)400℃，前緣推進(jìn)速度為5 cm/d;上部及下部非主力層滲透率平均為363×10-3μm2，溫度只有280℃，前緣推進(jìn)速度為3 cm/d。結(jié)合原油氧化反應(yīng)分析，主力層發(fā)生高溫氧化，放出大量的熱，非主力層發(fā)生低溫氧化，但由于溫度的升高，火線波及范圍內(nèi)原油黏度均降低。隨著火驅(qū)時間的延長，低滲層火線推進(jìn)緩慢，與物理模擬研究結(jié)果一致。

3 火線波及規(guī)律研究

3.1 平面波及規(guī)律

由于油層存在非均質(zhì)性，火驅(qū)過程中火線在各油井方向的推進(jìn)距離也存在差異。根據(jù)燃燒反應(yīng)物質(zhì)平衡原理，按某一方向燃燒所消耗的O2分別計算火線在該方向的推進(jìn)距離[8]:

其中:

式中:R為火線位置，m;Q分為各井方向分配的氣量，m3;Y為各井方向氧氣利用率;α為各井方向分配角度，(°);H為各井方向燃燒厚度，m;As為空氣耗量，m3/m3;hg為注氣井油層有效厚度，m;h為生產(chǎn)井油層有效厚度，m;ρ為垂向燃燒率。

經(jīng)計算，火線平面各方向波及不均勻，推進(jìn)距離為12～50 m，存在差異。微地震測試平面上燃燒前緣自注氣井開始向周邊擴(kuò)展，呈長軸沿北東方向的橢圓，不同方向燃燒推進(jìn)距離為38.8～55.2 m。

井距小、轉(zhuǎn)驅(qū)前產(chǎn)量高、油層厚度大的方向，火線推進(jìn)較快，是見效的主力方向。100 m井距油井較141 m及200 m井距油井見效時間更短，日產(chǎn)量更高;轉(zhuǎn)驅(qū)前產(chǎn)量與火驅(qū)后油井產(chǎn)氣量呈線性關(guān)系，是因為蒸汽吞吐開發(fā)形成的汽竄通道成為氣體的優(yōu)勢通道，是火線推進(jìn)的主力方向;油層厚度大、物性好也是影響火線推進(jìn)的主要因素。

3.2 縱向波及規(guī)律

井溫監(jiān)測資料表明，注氣井吸氣不均勻，縱向上各層吸氣量存在差異，儲層物性好的油層吸氣量大，溫度高。S43-043井多層點火注氣，點火井段內(nèi)滲透率級差為5.3，高滲層溫度可達(dá)200℃以上，低滲層溫度不到100℃。隨注氣時間增加，縱向燃燒溫度分異加劇。

根據(jù)吸氣剖面、井溫剖面等監(jiān)測資料綜合分析，火驅(qū)縱向動用程度為64.5%。其中，吸氣層平均滲透率為1 272×10-3μm2，不吸氣層平均滲透率為289×10-3μm2，同一測試井內(nèi)，滲透率級差大于4的油層多數(shù)難以動用;從油層厚度看，小于1.5 m油層占不吸氣層的57.4%，在吸氣層中，厚度小于1.5 m的油層僅占16.2%。綜合以上分析，油層厚度小于1.5 m、滲透率級差大于4，油層不易吸氣。

4 結(jié)論

(1)D66塊油藏普通稠油氧化反應(yīng)可分為輕烴揮發(fā)、低溫氧化、裂解、高溫氧化4個階段，其中烴類揮發(fā)溫度為40～110℃，低溫氧化溫度為110～340℃，裂解溫度為340～370℃，高溫氧化溫度為370～550℃。

(2)D66塊油藏原油組分主要由飽和烴、芳香性、膠質(zhì)組成，在低溫氧化時，主要為飽和烴和芳香烴發(fā)生氧化反應(yīng)生成膠質(zhì)，原油黏度增大。

(3)蒸汽吞吐后，低壓普通稠油油藏火驅(qū)具有升溫降黏和增壓驅(qū)替共同作用、高溫氧化和低溫氧化共存的開發(fā)機理，火驅(qū)開發(fā)過程可劃分為火線形成產(chǎn)量上升、熱效驅(qū)替產(chǎn)量穩(wěn)定、火線突破產(chǎn)量遞減3個階段。

(4)D66塊火驅(qū)開發(fā)后縱向上各層吸氣量存在差異，儲層物性好的油層吸氣量大，火線推進(jìn)速度快，呈高溫氧化狀態(tài);平面上火線波及相對均勻，火線推進(jìn)距離與周圍直井儲層物性、生產(chǎn)效果呈正比。

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