劉其成，劉寶良，程海清

(1.中油遼河油田分公司，遼寧 盤錦 124010;2.國(guó)家能源稠(重)油開采研發(fā)中心，遼寧 盤錦 124010)

引 言

火燒油層[1－3]是一種重要的稠油熱采方法，常規(guī)火燒油層是利用直井注氣點(diǎn)火和生產(chǎn)，在生產(chǎn)過程中驅(qū)替的原油需要運(yùn)移整個(gè)井距的距離，在到達(dá)生產(chǎn)井之前一直溫度較低。這種長(zhǎng)距離驅(qū)替往往伴隨許多問題，如氣體超覆導(dǎo)致的燃燒不均勻、地層非均質(zhì)造成的氧氣過早突破等。因此一些專家學(xué)者提出了直井注氣、水平生產(chǎn)井采油的火燒油層新技術(shù)[4－9]——火驅(qū)輔助重力泄油。其技術(shù)關(guān)鍵在于縮小了反應(yīng)區(qū)和生產(chǎn)井的距離，是反應(yīng)產(chǎn)物和流動(dòng)的原油與生產(chǎn)井通過重力和井底壓差直接連通，有利于形成穩(wěn)定火燒反應(yīng)帶。該技術(shù)目前還處于探索階段，雖然有礦場(chǎng)試驗(yàn)，也取得一定效果，但對(duì)火驅(qū)輔助重力泄油過程中穩(wěn)火、控火等難點(diǎn)認(rèn)識(shí)還不夠清楚。針對(duì)以上問題，筆者利用自主研制的大型火燒油層比例模擬實(shí)驗(yàn)裝置，從室內(nèi)實(shí)驗(yàn)角度對(duì)火驅(qū)輔助重力泄油技術(shù)進(jìn)行了分析研究。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

1.1 火燒油層比例模擬實(shí)驗(yàn)裝置

火燒油層比例模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由模型本體及輔助裝置構(gòu)成，其中輔助裝置包括空氣與水蒸汽注入、點(diǎn)火控制、溫度與壓力數(shù)據(jù)采集、產(chǎn)出流體分離計(jì)量。模型本體中溫度監(jiān)測(cè)采用熱電偶，壓力和壓差監(jiān)測(cè)采用相應(yīng)傳感器，通過與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)聯(lián)用，可判斷火線前緣在平面和縱向上的展布規(guī)律。

1.2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備及方法

(1)物理模擬實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)。圍繞超稠油油藏火驅(qū)輔助重力泄油是否可行、如何實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定泄油的目的，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。

(2)物理模型的比例模化。選取相似準(zhǔn)則[10－11]，比例?；繕?biāo)區(qū)塊油藏物性參數(shù)、幾何參數(shù)及注采參數(shù)等。模型井網(wǎng)布置見圖1。

(3)模型裝填。在模型相應(yīng)位置布設(shè)注氣井、水平生產(chǎn)井、排氣井及點(diǎn)火器，排布適當(dāng)數(shù)量的溫度、壓力測(cè)點(diǎn)，以捕獲火線的展布規(guī)律;實(shí)驗(yàn)用油選擇S1－38－32塊超稠油，與石英砂混合配制得到一定含油飽和度的油砂。

(4)實(shí)驗(yàn)流程連接:將模型與輔助裝置連接。

首先分別對(duì)注氣井、生產(chǎn)井多輪次蒸汽吞吐預(yù)熱，建立井間熱連通，當(dāng)井間溫度達(dá)到了實(shí)驗(yàn)用油的拐點(diǎn)溫度時(shí)預(yù)熱階段結(jié)束;啟動(dòng)點(diǎn)火器，開始低速注空氣、點(diǎn)火;火線形成后，根據(jù)實(shí)時(shí)溫度場(chǎng)及尾氣組分變化，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)調(diào)控;當(dāng)實(shí)驗(yàn)達(dá)到預(yù)期目標(biāo) 時(shí)，向模型內(nèi)注入氮?dú)膺M(jìn)行滅火、降溫，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

圖1 火驅(qū)輔助重力泄油比例模擬三維模型結(jié)構(gòu)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 可行性分析

原油燃燒反應(yīng)放出足夠高的熱量是火驅(qū)輔助重力泄油技術(shù)實(shí)現(xiàn)泄油的先決條件。S1－38－32塊超稠油TG及DSC放熱特性實(shí)驗(yàn)見圖2。由圖2可知，150℃時(shí)原油低溫氧化反應(yīng)開始加速，反應(yīng)的活化能為25.689 kJ/mol，放熱量為554.35 J/g;330～420℃ TG曲線出現(xiàn)明顯變化，意味著氧化反應(yīng)與裂解反應(yīng)并存，且裂解反應(yīng)明顯加快，放熱量為944.23 J/g;420～573℃為高溫氧化區(qū)間，反應(yīng)活化能為196.23 kJ/mol，總放熱量為4899.36 J/g。

圖2 S1－38－32塊超稠油TG及DSC曲線

原油持續(xù)燃燒的條件是有足量空氣供應(yīng)和燃燒放出熱量能使燃燒前緣保持足夠高的溫度。一維燃燒管實(shí)驗(yàn)條件:20℃原油密度為0.985 g/cm3，50℃原油黏度為73580 mPa·s，初始含油飽和度為 56%，通風(fēng)強(qiáng)度為 80 m3·m－2·h－1，空氣流量為0.282 m3/h，點(diǎn)火溫度為500℃，出口壓力為1.0 MPa。S1－38－32塊超稠油可以與空氣發(fā)生高溫氧化反應(yīng)，門檻溫度為360℃，燃料消耗量為28.99 kg/m3，空氣消耗量為298.6 m3/m3，即油藏中有14.73%的原油參與氧化反應(yīng)而被消耗掉，被消耗原油放出的熱量可使燃燒前緣溫度達(dá)到500～600℃。在較高的溫度下，原油黏度大幅度下降，可流動(dòng)的原油與燃燒產(chǎn)物不需經(jīng)過冷油區(qū)，在重力和氣驅(qū)作用下直接進(jìn)入生產(chǎn)井，避免了常規(guī)火燒油層工藝長(zhǎng)距離驅(qū)替的缺點(diǎn)，使火驅(qū)開發(fā)特、超稠油成為可能。

2.2 穩(wěn)定泄油條件

火驅(qū)輔助重力泄油技術(shù)是通過注氣直井點(diǎn)火并連續(xù)注入空氣，火線前緣為結(jié)焦帶，結(jié)焦帶之前是溫度較高的可流動(dòng)油區(qū)，可流動(dòng)油區(qū)的原油受重力作用，向下流入水平生產(chǎn)井被采出，因此該技術(shù)成功實(shí)施的關(guān)鍵是形成穩(wěn)定泄油。

(1)初始溫度場(chǎng)的建立。通過垂直注氣井點(diǎn)火并連續(xù)注氣，火線首先形成于注氣井附近，此時(shí)可流動(dòng)油區(qū)雖然已經(jīng)形成，但由于離水平井段還有一定距離，原油下泄運(yùn)移過程中，又因溫度降低導(dǎo)致黏度增大而停滯、聚集，形成高含油飽和度區(qū)域，堵塞了氣體通道，抑制了高溫氧化反應(yīng)進(jìn)行，影響了火線移動(dòng)與拓展，甚至可引起熄火等嚴(yán)重后果。因此，在點(diǎn)火操作之前，注氣直井與水平生產(chǎn)井之間必須要形成可流動(dòng)油區(qū)，即建立初始煙氣通道，保證受火線影響的原油在重力作用下穩(wěn)定泄入水平井段。為達(dá)到上述目的，先在注氣直井多輪次蒸汽吞吐，適時(shí)開展水平井蒸汽吞吐，然后轉(zhuǎn)入直井注汽水平井產(chǎn)液的循環(huán)預(yù)熱模式，使井間形成熱連通。轉(zhuǎn)注空氣時(shí)，垂直井射孔位置應(yīng)位于油層中上部，點(diǎn)火后形成燃燒區(qū)域有利于火線的形成和拓展。該階段因燃燒區(qū)域小注氣量不宜過大，在靠近垂直井的油層頂部形成碗型火腔是火驅(qū)輔助重力泄油的重要基礎(chǔ)。

圖3 泄油通道的建立

(2)泄油通道的建立?；鹁€在注氣井與水平井壓差作用下，沿著先前建立的熱通道向生產(chǎn)井發(fā)展;受氣體超覆影響，火線向上方、側(cè)上方擴(kuò)展。受氣體驅(qū)替與超覆共同作用，火線與水平井呈一定角度的斜面，該斜面即是原油下泄的主要通道，見圖3。由于熱流體只有水平生產(chǎn)井一個(gè)出口，氣體在壓差作用下極易突破燃燒前緣進(jìn)入水平井。如果空氣中氧氣在燃燒前緣消耗不充分，容易將火引向水平生產(chǎn)井，導(dǎo)致水平井段被燒毀。氧氣在生產(chǎn)井筒中與原油發(fā)生低溫氧化，原油黏度急劇升高導(dǎo)致井筒堵塞。為此，保持泄油通道穩(wěn)定推進(jìn)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定泄油的前提條件為:①燃燒帶加熱形成的高溫可動(dòng)油能及時(shí)被采出;②在水平井上方或兩側(cè)需布設(shè)排氣井，牽引火線，排放尾氣;③避免引火燒毀水平生產(chǎn)井。

3 穩(wěn)火與控火調(diào)控措施

3.1 注氣井射孔位置的選擇

火線首先由注氣井射孔位置處形成，受氣體超覆影響，火線會(huì)向上拓展。若射孔位置位于油藏中部或下部，部分可流動(dòng)油區(qū)位置將處于火線的上方、側(cè)上方(圖4a)，原油在重力作用下會(huì)與火線相向而行，即“火上澆油”。監(jiān)測(cè)同一位置的溫度變化曲線會(huì)出現(xiàn)雙峰、多峰或峰值平緩的現(xiàn)象(圖4b)，即二次燃燒。射孔位置處于油藏上部1/3時(shí)，二次燃燒消耗原油占火線波及區(qū)域原始儲(chǔ)量的3.2%;射孔位置處于油藏中部時(shí)，二次燃燒消耗原油增為8.16%。由此可見，可將注氣井射孔井段調(diào)整至油藏上部，使受火線波及影響的可流動(dòng)油沿著斜面下泄，盡量避免流入已燃區(qū)域，減少二次燃燒對(duì)原油的消耗。

圖4 二次燃燒實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

3.2 排氣井排氣量的控制

燃燒產(chǎn)生的尾氣通過水平井排出，極易引起火線沿著尾氣通道產(chǎn)生竄流，造成燃燒帶加熱形成的高溫可動(dòng)油不能及時(shí)被采出，以及尾氣中殘留的氧氣與井筒中原油發(fā)生低溫氧化結(jié)焦堵塞井筒，甚至引火燒毀水平生產(chǎn)井的后果。在水平井上方或兩側(cè)布設(shè)排氣井(圖1)，對(duì)火線有橫向拽拉作用(圖5a)，避免了火線突破水平生產(chǎn)井，有利于擴(kuò)大火線波及范圍。排氣井的開啟時(shí)機(jī)很重要，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，火線形成后即開啟就近排氣井，排氣井的排氣量應(yīng)大于水平井的產(chǎn)出氣量。排氣井與水平生產(chǎn)井排氣比例為7∶3時(shí)，既有利于火線與水平井腳尖方向呈斜面135°左右穩(wěn)定推進(jìn)(圖5b)，又有助于水平井筒上方形成一薄層結(jié)焦帶，防止注入氣體因短路效應(yīng)直接進(jìn)入水平井內(nèi)。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)排氣井井底溫度變化，當(dāng)溫度超過250℃時(shí)，表明火線前緣已接近，此時(shí)應(yīng)關(guān)閉該排氣井，開啟下一口井，實(shí)現(xiàn)火線水平方向連續(xù)拽拉。

3.3 水平井生產(chǎn)井注水蒸汽

為了將燃燒帶加熱形成的高溫可動(dòng)油及時(shí)采出，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)既可注水蒸汽又可采油的水平井管柱。注入水蒸汽，可對(duì)水平井循環(huán)預(yù)熱，使下泄至井筒的原油保持良好的流動(dòng)性，有利于舉升采出。當(dāng)水平井段某處溫度超過200℃時(shí)，意味火線前緣接近水平井，此時(shí)應(yīng)連續(xù)注入150～200℃水蒸汽，火線前緣與水蒸汽相遇，溫度迅速下降，火線推進(jìn)受到抑制，封堵了氣體進(jìn)入水平井的通道。同時(shí)增加排氣井排氣量，減少水平生產(chǎn)井生產(chǎn)氣量，防止火線突破水平井“引火燒身”，造成火驅(qū)輔助重力泄油技術(shù)失敗。

圖5 比例物理模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

(1)原油燃燒反應(yīng)放出足夠高的熱量是火驅(qū)輔助重力泄油技術(shù)實(shí)現(xiàn)泄油的先決條件。S1－38－32塊超稠油高溫氧化總放熱量為4899.36 J/g，門檻溫度為360℃，燃燒消耗的原油放出的熱量可使燃燒前緣溫度達(dá)到500～600℃。受熱后可流動(dòng)的原油與燃燒產(chǎn)物不需經(jīng)過冷油區(qū)，在重力和氣驅(qū)作用下直接進(jìn)入生產(chǎn)井，使得超稠油油藏實(shí)施火驅(qū)輔助重力泄油成為可能。

(2)保持泄油通道穩(wěn)定推進(jìn)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定泄油的前提條件為:燃燒帶加熱形成的高溫可動(dòng)油能及時(shí)被采出;在水平井上方或兩側(cè)需布設(shè)排氣井，牽引火線，排放尾氣;避免引火燒毀水平生產(chǎn)井。

(3)水平生產(chǎn)井注水蒸汽可防止火線突破生產(chǎn)井，又對(duì)水平井進(jìn)行循環(huán)預(yù)熱，有利于原油產(chǎn)出。注氣井合理的射孔位置可以減少二次燃燒;排氣井對(duì)火線有橫向拽拉作用，排氣井與水平生產(chǎn)井排氣比例為7∶3，有利于火線穩(wěn)定推進(jìn)，發(fā)揮重力泄油作用。

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