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        稠油火驅(qū)化學(xué)點(diǎn)火技術(shù)的改進(jìn)

        2016-12-20 07:14:03張守軍
        特種油氣藏 2016年4期
        關(guān)鍵詞:火驅(qū)助燃劑油砂

        張守軍

        (中國(guó)石油遼河油田分公司,遼寧 盤(pán)錦 124109)

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        稠油火驅(qū)化學(xué)點(diǎn)火技術(shù)的改進(jìn)

        張守軍

        (中國(guó)石油遼河油田分公司,遼寧 盤(pán)錦 124109)

        曙光油田薄互層狀稠油油藏杜66塊火驅(qū)原有的化學(xué)點(diǎn)火方法存在安全不可控、套管損壞率高的問(wèn)題,點(diǎn)火成功率僅為80%,平均點(diǎn)火見(jiàn)效期為96d。為安全快速點(diǎn)燃油層,開(kāi)展了以點(diǎn)火劑為核心的化學(xué)點(diǎn)火技術(shù)研究,結(jié)合原油油品特性,通過(guò)理論計(jì)算、數(shù)值模擬和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)等研究,開(kāi)發(fā)了具有催化、助燃功能的新點(diǎn)火劑。新點(diǎn)火劑可在240 ℃及有氧條件下快速點(diǎn)燃油層,并設(shè)計(jì)了N2攜帶、分段注入、層內(nèi)混合的施工工藝,保證了點(diǎn)火的安全性和成功率?,F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)點(diǎn)火成功率為100%,點(diǎn)火見(jiàn)效期為58d。該技術(shù)的成功可為火驅(qū)開(kāi)發(fā)打下良好基礎(chǔ)。

        稠油;火驅(qū);化學(xué)點(diǎn)火;杜66塊;遼河油田

        0 引 言

        火驅(qū)具有適用范圍廣、驅(qū)油效率高、成本低、綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)[1],作為稠油開(kāi)發(fā)接替技術(shù),在曙光油田薄互層狀稠油油藏杜66塊現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)取得了初步成功。目前火驅(qū)所采用的點(diǎn)火方式主要有自燃、電和化學(xué)點(diǎn)火3種方式[2]。稠油點(diǎn)火溫度高,且需要相匹配的空氣量來(lái)保證反應(yīng)溫度,自燃點(diǎn)火很難實(shí)現(xiàn);國(guó)內(nèi)普遍采用井下電加熱點(diǎn)火器的人工點(diǎn)火方式[3-5],其存在設(shè)備占用時(shí)間長(zhǎng)、易燒毀、點(diǎn)火成本高等問(wèn)題;杜66塊火驅(qū)初期引進(jìn)了美國(guó)的蒸汽預(yù)熱輔助化學(xué)點(diǎn)火技術(shù),蒸汽預(yù)熱后直接用空氣攜帶點(diǎn)火劑注入地層,其施工簡(jiǎn)單,但也存在諸多問(wèn)題,點(diǎn)火劑易在井口及井筒內(nèi)反應(yīng)放熱,增加安全風(fēng)險(xiǎn)和套管損壞幾率,且點(diǎn)火劑無(wú)效消耗導(dǎo)致點(diǎn)火成功率僅為80%,平均點(diǎn)火見(jiàn)效時(shí)間長(zhǎng)達(dá)96d。為安全快速點(diǎn)燃油層,對(duì)杜66塊化學(xué)點(diǎn)火技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)和試驗(yàn),為火驅(qū)開(kāi)發(fā)打下了良好基礎(chǔ)。

        1 化學(xué)點(diǎn)火機(jī)理

        化學(xué)點(diǎn)火方法是通過(guò)向油層中注入少量能夠發(fā)生放熱反應(yīng)的化學(xué)物質(zhì),增強(qiáng)點(diǎn)火區(qū)原油反應(yīng)活性,使其在初始油藏溫度下放熱速率大于散熱速率,油藏溫度持續(xù)升高,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火,其本質(zhì)是通過(guò)油井內(nèi)部產(chǎn)生熱量的方式使原油達(dá)到門檻溫度而燃燒。其點(diǎn)燃油層的機(jī)理[6-7]主要為:催化氧化反應(yīng),增加原油反應(yīng)活性;增加燃料濃度;提供初始點(diǎn)火能量。由于油層點(diǎn)火受多種因素影響,且實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定燃燒需要滿足一定的能量條件,因此,化學(xué)點(diǎn)火是通過(guò)加入點(diǎn)火劑的方法消除各種不利影響因素,并促進(jìn)能量蓄積,滿足點(diǎn)火要求。化學(xué)點(diǎn)火劑應(yīng)該具有與原油混合降低原油活化能,或是在一定溫度條件下自燃,提供初始點(diǎn)火能量的特性,從而實(shí)現(xiàn)點(diǎn)燃油層的目的。

        2 化學(xué)點(diǎn)火劑的研究

        2.1 催化劑的研究

        最簡(jiǎn)單的化學(xué)點(diǎn)火方法是使用催化劑降低原油氧化反應(yīng)活化能,加速氧化放熱,從而點(diǎn)燃油層。常用的催化劑主要為堿(堿土)金屬和過(guò)渡金屬化合物的鹽[8],其主要是通過(guò)金屬陽(yáng)離子的催化作用,降低原油的活化能和燃燒門檻溫度。經(jīng)過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研,兼顧經(jīng)濟(jì)性,初步選定鉻、鐵、銅和鋅等過(guò)渡金屬鹽,以及鉀和鈉等堿金屬鹽作為金屬催化劑。采用TGA-DSC(熱重分析-差示掃描量熱法)熱分析技術(shù)比較其催化效能(圖1)。將杜66塊原油樣品、原油樣品+不同成分催化劑等多個(gè)樣品進(jìn)行TGA-DSC分析。TGA-DSC熱分析儀為Mettler-Toledo公司生產(chǎn);樣品量為3~10mg;保護(hù)氣(N2)流速為20mL/min;吹掃氣(空氣)流速為50mL/min;樣品室為70μL帶蓋陶瓷坩堝;溫度范圍為25~600 ℃。

        圖1 杜66塊原油DSC測(cè)試曲線

        由圖1可知:亞鐵、鉻、銅、鋅等過(guò)渡金屬的鹽雖能夠大幅降低杜66塊原油高溫氧化反應(yīng)溫度、增加放熱量(提高燃燒效率),但催化劑開(kāi)始發(fā)揮較明顯作用時(shí)的溫度要達(dá)到320 ℃以上,僅依靠催化劑仍不足以實(shí)現(xiàn)快速點(diǎn)火,因此,從增大點(diǎn)火能量的角度需考慮添加助燃劑。

        2.2 助燃劑的研究

        助燃劑需要能夠在地層溫度250 ℃左右(蒸汽預(yù)熱后的地層溫度)及有氧條件下快速點(diǎn)燃原油。為此,助燃劑中應(yīng)該有熱敏感藥劑作為觸發(fā)劑,使其能在接近250 ℃條件下發(fā)生放熱反應(yīng),同時(shí)考慮選取有機(jī)或無(wú)機(jī)易燃物質(zhì),作為維持初始燃燒的燃料,從而有利于局部油層熱量積累達(dá)到原油燃燒的門檻溫度,促使油層從低溫氧化向高溫氧化發(fā)展,最終點(diǎn)燃油層。

        根據(jù)研究目的以及安全點(diǎn)火需要,初步確定不同助燃劑配方,再利用氧平衡和最小自由能原理對(duì)助燃劑配方進(jìn)行配比計(jì)算和模擬計(jì)算,分析不同類別助燃劑的燃燒特性參數(shù),并據(jù)此進(jìn)行配方設(shè)計(jì)和優(yōu)化,從中選出能產(chǎn)生高溫、高壓和較多灼熱固體殘?jiān)呐浞竭M(jìn)行助燃劑性能實(shí)驗(yàn),以確定滿足實(shí)際使用需求的助燃劑(表1)。

        表1 助燃劑的不同配方組成

        在此基礎(chǔ)上,利用填砂模型發(fā)火實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行助燃劑發(fā)火實(shí)驗(yàn),考察助燃劑的發(fā)火溫度和發(fā)火狀況(表2)。每次實(shí)驗(yàn)樣品質(zhì)量為3g,實(shí)驗(yàn)用油砂質(zhì)量比為1∶10。

        表2 不同配方發(fā)火實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        第1、2、4種配方加熱至300.0 ℃時(shí)尚未發(fā)火,達(dá)不到助燃目的。

        第3種配方在油砂加熱至229.3 ℃時(shí)樣品發(fā)火,發(fā)火后溫度升高8.0 ℃。樣品發(fā)火燃燒產(chǎn)生耀眼的白色火焰,燃燒速度非???,助燃劑燃燒之后出現(xiàn)穩(wěn)定持續(xù)的黃色燃燒火焰,但持續(xù)時(shí)間短。說(shuō)明助燃劑燃燒迅猛,放熱量大,瞬間產(chǎn)生的高溫能夠引燃油砂,可作為點(diǎn)火助燃劑,但其能否保持穩(wěn)定燃燒的傳播尚需進(jìn)行模擬油藏條件的點(diǎn)燃油層實(shí)驗(yàn)。

        第5種配方在油砂加熱至262.9 ℃時(shí),樣品瞬間騰起一個(gè)火球,并伴有“嘭”的劇烈爆炸聲。說(shuō)明該樣品發(fā)火后反應(yīng)速度非??欤芩查g產(chǎn)生大量的熱量和氣體。發(fā)火劑燃燒后出現(xiàn)短暫的穩(wěn)定燃燒火焰,但油砂內(nèi)部溫度幾乎不變。這種程度的燃燒過(guò)于劇烈,不適宜火驅(qū)采油施工現(xiàn)場(chǎng)。

        第6種配方在油砂加熱至259.1 ℃時(shí),樣品發(fā)火,燃燒產(chǎn)生明亮耀眼的火焰,并伴有“啪”的爆炸聲,發(fā)火后溫度升高5.0 ℃。發(fā)火劑燃燒后出現(xiàn)短暫的、持續(xù)的、穩(wěn)定燃燒火焰,說(shuō)明油砂被點(diǎn)燃,發(fā)火劑燃燒比較劇烈。由于發(fā)火所需溫度較高,且燃燒過(guò)于劇烈,不適用于現(xiàn)場(chǎng)。

        對(duì)比分析6種助燃劑發(fā)火實(shí)驗(yàn)結(jié)果,優(yōu)選第3種助燃劑為現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的助燃劑。

        2.3 點(diǎn)火劑性能測(cè)試

        利用化學(xué)助燃劑點(diǎn)燃模擬實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)第3種助燃劑進(jìn)行了點(diǎn)火性能測(cè)試。化學(xué)助燃劑點(diǎn)燃模擬實(shí)驗(yàn)裝置主要由燃燒管、加熱保溫系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、管閥件、壓力與溫度測(cè)量系統(tǒng)和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)等部分組成,實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)溫點(diǎn)分布見(jiàn)圖2。采用G語(yǔ)言編寫(xiě)數(shù)據(jù)軟件——ISC化學(xué)點(diǎn)火數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),記錄和儲(chǔ)存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),測(cè)試點(diǎn)火劑點(diǎn)燃油層情況。

        圖2 點(diǎn)燃模擬油層實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)溫點(diǎn)分布

        實(shí)驗(yàn)研究表明,杜66塊原油氧化反應(yīng)活化能隨壓力升高而降低,因此,壓力升高對(duì)點(diǎn)火更有利,故實(shí)驗(yàn)中采用常壓狀態(tài)點(diǎn)火。模擬儲(chǔ)層的孔隙度為25%,原油含水飽和度為49.31%,點(diǎn)火劑由催化劑、助燃劑混配而成,催化劑、助燃劑用量分別為3g和5g,加注方式為在240 ℃左右溫度條件下注入點(diǎn)火劑,再持續(xù)注空氣,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

        圖3 點(diǎn)火劑點(diǎn)燃含水油砂實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

        由圖3可知,1~6處測(cè)溫點(diǎn)依次監(jiān)測(cè)到溫度峰值且呈現(xiàn)升高趨勢(shì),各處溫度峰值均超過(guò)400 ℃,實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)模擬儲(chǔ)層內(nèi)的原油基本消耗干凈,說(shuō)明點(diǎn)火劑在240 ℃、有氧條件下發(fā)生放熱反應(yīng),其放出熱量能夠引燃實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)的原油。

        3 點(diǎn)火工藝研究

        3.1 施工參數(shù)設(shè)計(jì)原則

        根據(jù)流體物性、儲(chǔ)層參數(shù)和熱量損失等資料,以及預(yù)設(shè)地層預(yù)熱后的溫度,來(lái)設(shè)計(jì)注汽參數(shù);根據(jù)油層厚度及室內(nèi)實(shí)驗(yàn)用量來(lái)設(shè)計(jì)點(diǎn)火劑用量;按維持低溫氧化來(lái)計(jì)算點(diǎn)火期間最低注氣速度,按不導(dǎo)致降溫來(lái)計(jì)算點(diǎn)火期間最大注氣速度。

        3.2 施工工藝優(yōu)化

        針對(duì)助燃劑在一定溫度、有氧條件下即可發(fā)生放熱反應(yīng)的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了N2攜帶、分段注入(先注催化劑、再注助燃劑)、地下混合的施工工藝。同原有工藝對(duì)比,先注入N2降溫,可避免在井口附近發(fā)生反應(yīng),保障了施工安全;N2攜帶降低了助燃劑損失,有利于提高點(diǎn)火成功率;催化劑、助燃劑被N2攜帶到地層混合,避免在井筒內(nèi)放熱損壞套管。

        4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況

        該技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)3井次,點(diǎn)火后周圍井均見(jiàn)到明顯效果,平均見(jiàn)效時(shí)間為58d,點(diǎn)火成功率為100%,點(diǎn)火效果好于原有的化學(xué)點(diǎn)火技術(shù),且單井次措施成本在10.00×104元以下,對(duì)比原有的化學(xué)點(diǎn)火技術(shù)成本(14.27×104元)明顯下降。

        以曙1-38-055井為例。曙1-38-055井于1990年11月熱采投產(chǎn),轉(zhuǎn)驅(qū)前蒸汽吞吐生產(chǎn)15周期,轉(zhuǎn)火驅(qū)前累計(jì)注蒸汽1.28×104t,累計(jì)產(chǎn)油0.83×104t,累計(jì)產(chǎn)水3.18×104t,采注比為3.13。設(shè)計(jì)點(diǎn)火前注蒸汽量為500t,預(yù)熱后地層溫度可達(dá)到270 ℃以上;該井油層厚度為42.1m,射孔密度為16孔/m,考慮油層吸附損失,按1.5倍系數(shù)設(shè)計(jì)點(diǎn)火劑為8kg,其中催化劑為3kg,助燃劑為5kg;根據(jù)射孔厚度,計(jì)算點(diǎn)火期間注空氣最小速度應(yīng)該在7 000m3/d以上。

        該井按設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了改進(jìn)后的化學(xué)點(diǎn)火試驗(yàn),注入蒸汽500t后,在注入1 000m3N2后加入3kg催化劑,累計(jì)注入1 500m3N2后加入5kg助燃劑;累計(jì)注入2 000m3N2及點(diǎn)火劑后按照8 000m3/d的配注注入空氣,點(diǎn)火后見(jiàn)到明顯效果。

        (1) 井筒內(nèi)溫度明顯高于蒸汽加熱溫度。注蒸汽預(yù)熱時(shí)測(cè)試井下溫度為277 ℃,基本符合預(yù)熱設(shè)計(jì),點(diǎn)火后測(cè)試,井筒內(nèi)主力吸氣層最高溫度接近400 ℃,超過(guò)正常注蒸汽后井下溫度,說(shuō)明點(diǎn)火劑發(fā)生放熱反應(yīng),但部分射孔井段溫度在200 ℃以下。

        (2) 井組內(nèi)生產(chǎn)井尾氣組分表現(xiàn)出高溫燃燒狀態(tài)(表3)。點(diǎn)火52d后周圍4口鄰井明顯見(jiàn)到尾氣,且表現(xiàn)出高溫燃燒狀態(tài)[9]:N2含量超過(guò)70%,CO2含量大于12%,氣體指數(shù)為0.66~1.00。

        表3 點(diǎn)火52d后曙1-38-055井組受效井尾氣組分?jǐn)?shù)據(jù)

        5 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

        (1) 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明,復(fù)配了助燃劑、催化劑的新型化學(xué)點(diǎn)火劑具有在一定溫度和有氧條件下自燃的特性,可為點(diǎn)燃油層提供初始點(diǎn)火能量,且可以降低原油的活化能,可快速點(diǎn)燃油層。

        (2) 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明,新型化學(xué)點(diǎn)火技術(shù)安全可靠、操作簡(jiǎn)單、投入較少,具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì),對(duì)稠油油藏轉(zhuǎn)火驅(qū)開(kāi)發(fā)具有借鑒意義,應(yīng)用前景廣闊。

        (3) 監(jiān)測(cè)資料顯示部分油層點(diǎn)火效果不理想,下步需研究設(shè)計(jì)配套的點(diǎn)火管柱,提高縱向動(dòng)用程度,滿足多層火驅(qū)開(kāi)發(fā)需求。

        [1] 王元基,何江川,廖廣志,等.國(guó)內(nèi)火驅(qū)技術(shù)發(fā)展歷程與應(yīng)用前景[J].石油學(xué)報(bào),2012,33(5):909-914.

        [2] 舒華文,田相雷,蔣海巖,等.火燒油層點(diǎn)火方式研究[J].內(nèi)蒙古石油化工,2010,37(21):5-8.

        [3] 張宗源,繆體義.一種可靠的火燒油層點(diǎn)火工藝[J].油氣井測(cè)試,1998,7(2):51-54.

        [4] 李友平,蔡文斌,李淑蘭,等.SL-Ⅰ型大功率點(diǎn)火電爐的研制與應(yīng)用[J].石油機(jī)械,2006,34(5):25-26.

        [5] 余杰,潘竟軍,蔡罡,等.電點(diǎn)火工藝技術(shù)在新疆紅淺火驅(qū)的應(yīng)用研究[J].石油機(jī)械,2011,39(7):19-21.

        [6]CASTANIERLM,BRIGHAMWE.Modifyingin-situcombustionwithmetallicadditives[J].INSITU,1997,21(1):27-45.

        [7] 許敏,鄒瀅,翁惠新.不同陰、陽(yáng)離子對(duì)石油化工爐管燒焦助燃效應(yīng)的研究[J].化學(xué)世界,2001,56(6):286-288.[8] 袁士寶,孫希勇,蔣海巖,等.火燒油層點(diǎn)火室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用[J].油氣地質(zhì)與采收率,2012,19(4):53-55.

        [9] 袁士寶,寧奎,蔣海巖,等.火驅(qū)燃燒狀態(tài)判定試驗(yàn) [J].中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)( 自然科學(xué)版),2012,36(5):114-117.

        編輯 孟凡勤

        20160311;改回日期:20160512

        國(guó)家科技重大專項(xiàng)“渤海灣盆地遼河坳陷中深層稠油開(kāi)發(fā)技術(shù)示范工程(二期)”(2011ZX05503)

        張守軍(1963-),男,教授級(jí)高級(jí)工程師,《特種油氣藏》編委,1986年畢業(yè)于江漢石油學(xué)院采油工程專業(yè),1999年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院油氣田開(kāi)發(fā)工程專業(yè),獲碩士學(xué)位,現(xiàn)從事油田開(kāi)發(fā)技術(shù)管理工作。

        10.3969/j.issn.1006-6535.2016.04.033

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