程海清

(1.中國(guó)石油遼河油田分公司，遼寧 盤(pán)錦 124010；2.國(guó)家能源稠(重)油開(kāi)采研發(fā)中心，遼寧 盤(pán)錦 124010)

0 引 言

火燒油層是一種重要的稠油熱采方法[1-5]，在國(guó)內(nèi)外已開(kāi)展了多項(xiàng)礦場(chǎng)試驗(yàn)，取得了顯著的生產(chǎn)效果，以新疆紅淺1井火驅(qū)試驗(yàn)[6]為例，截至2017年連續(xù)運(yùn)行了7 a，在注蒸汽的基礎(chǔ)上采收率提高了25%，預(yù)期最終采收率可達(dá)60%以上。由于火驅(qū)機(jī)理十分復(fù)雜，對(duì)油藏儲(chǔ)層發(fā)生的高溫氧化狀態(tài)缺乏直觀準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)，而明確地下燃燒狀態(tài)對(duì)火驅(qū)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)調(diào)控至關(guān)重要。國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者[7-17]對(duì)火驅(qū)氧化狀態(tài)開(kāi)展了大量研究，主要判識(shí)方法有尾氣組分分析法、觀察井溫度監(jiān)測(cè)法、現(xiàn)場(chǎng)取心分析法和數(shù)值模擬研究法。尾氣組分分析法只能判定地下發(fā)生了氧化反應(yīng)，但難以界定是否為高溫氧化反應(yīng)；觀察井溫度監(jiān)測(cè)法由于井位固定而只有火線接近觀察井時(shí)才能發(fā)揮效果；取心井分析是最直接、最有說(shuō)服力的燃燒狀態(tài)判識(shí)方法，但因取心周期長(zhǎng)而無(wú)法滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需求；數(shù)值模擬研究法可預(yù)測(cè)火線波及情況及燃燒狀態(tài)，但需以明確地下真實(shí)燃燒狀態(tài)為前提。針對(duì)上述存在的問(wèn)題，以室內(nèi)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，以流體分析為手段，根據(jù)氧化作用機(jī)理，開(kāi)展火驅(qū)高溫氧化特征判識(shí)方法研究，提出了4項(xiàng)判識(shí)指標(biāo)，可為火驅(qū)動(dòng)態(tài)調(diào)控提供有效的技術(shù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

火燒油層物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[18]主要包括：注氣系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、模型本體、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、產(chǎn)液氣分離及回收系統(tǒng)。模型本體尺寸為42.0 cm×9.6 cm×3.6 cm，軸向上分布3層溫度傳感器，共39支，可模擬開(kāi)展不同條件下火燒油層模擬實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)巖心取自D66塊K039取心井天然油砂，取心井段為959.6～959.9 m，分別采用7890A型氣相色譜儀、7890B型原油全烴氣相色譜儀及傅立葉變換紅外光譜儀對(duì)實(shí)驗(yàn)油氣樣品進(jìn)行測(cè)定分析。

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)條件：點(diǎn)火方式為電點(diǎn)火，點(diǎn)火溫度為500 ℃；注氣速率為8 L/min,實(shí)驗(yàn)設(shè)定回壓為1 MPa。實(shí)驗(yàn)步驟：①將取樣的天然油砂裝入模型內(nèi)壓實(shí)，封蓋、測(cè)試氣密性；②向模型內(nèi)注N2，建立模型進(jìn)出端的連通性，啟動(dòng)點(diǎn)火裝置至設(shè)定溫度；③向模型內(nèi)注入空氣，空氣流量控制在設(shè)定值，記錄模型內(nèi)溫度、壓力等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)溫度進(jìn)行氣體取樣；④當(dāng)火線接近出口端時(shí)注N2滅火，保留火驅(qū)燃燒區(qū)帶的完整性；⑤拆開(kāi)模型，觀察燃燒情況，在各個(gè)區(qū)帶內(nèi)取樣進(jìn)行有機(jī)地球化學(xué)分析。取樣位置1～7見(jiàn)圖1(圖中灰色圓點(diǎn))，樣品相關(guān)信息見(jiàn)表1。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 氧氣轉(zhuǎn)化率

尾氣組分是最直接的儲(chǔ)層燃燒狀態(tài)判識(shí)的方法，常用的分析指標(biāo)有CO2濃度、氧氣利用率、視HC原子比。其中，氧氣利用率是描述O2參與氧化反應(yīng)程度的參數(shù)，其表達(dá)式為：

圖1火驅(qū)物模實(shí)驗(yàn)溫場(chǎng)及不同區(qū)帶取樣點(diǎn)分布

表1 火驅(qū)后取樣樣品相關(guān)信息

(1)

式中：Y為氧氣利用率，%；c(O2)為尾氣中O2的濃度，%；c(N2)為尾氣中N2的濃度，%。

一般認(rèn)為，當(dāng)CO2濃度超過(guò)12%，視HC原子比為1～3，氧氣利用率大于85.00%時(shí)，即達(dá)到高溫氧化條件。由式(1)可知，氧氣利用率只能反映注入的O2參與反應(yīng)的程度，并不能界定參與反應(yīng)的具體類型，原油的低溫氧化也可產(chǎn)生一定的CO2和CO。在此基礎(chǔ)上，提出了氧氣轉(zhuǎn)化率參數(shù)，即分析火燒油層過(guò)程中參與高溫氧化反應(yīng)的O2生成CO2和CO的程度，其表達(dá)式為：

(2)

式中：Y′為氧氣轉(zhuǎn)化率，%；c(CO2)為尾氣中CO2的濃度，%；c(CO)為尾氣中CO的濃度，%。

表2為實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不同溫度條件下產(chǎn)出尾氣組分濃度及相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)。由表2可知：隨著溫度升高，CO2、CO濃度增大，O2濃度下降，即原油的氧化程度逐漸增強(qiáng)；由式(1)可得150 ℃下氧氣利用率已達(dá)到了89.56%，但視HC原子比遠(yuǎn)大于3、氧氣轉(zhuǎn)化率僅為12.13%，實(shí)際上仍處低溫氧化階段；綜合比較尾氣組分的3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，視HC原子比與氧氣轉(zhuǎn)化率具有較好的一致性，當(dāng)氧氣轉(zhuǎn)化率超過(guò)50.00%時(shí)，可認(rèn)為達(dá)到了高溫氧化階段。

表2 不同溫度條件下氧化反應(yīng)產(chǎn)出尾氣組分濃度及評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.2 加氧程度

氧化反應(yīng)是火驅(qū)過(guò)程中最主要的化學(xué)反應(yīng)，除了產(chǎn)生CO2、CO等氣體外，還生成羧酸、醛、酮、醇或過(guò)氧化物。不同頻率、不同強(qiáng)度的紅外光譜可反映不同的分子官能團(tuán)的結(jié)構(gòu)和相對(duì)含量。在紅外光譜中，1 700 cm-1表征-C=O羰基團(tuán)的伸展振動(dòng)峰，1 600 cm-1表征芳烴骨架C=C雙鍵的振動(dòng)吸收峰，通常選用1 700 cm-1頻帶吸收強(qiáng)度的變化程度反映原油氧化程度，但由于實(shí)際測(cè)量時(shí)樣品涂膜濃度很難一致，故采用官能團(tuán)吸收強(qiáng)度比值比較法——加氧程度指標(biāo)(A1700/A1600)描述火驅(qū)過(guò)程中原油氧化程度。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中7個(gè)樣品的加氧程度變化見(jiàn)表3。

表3 火驅(qū)不同區(qū)帶樣品加氧程度指標(biāo)變化

由表3可知：在已燃區(qū)內(nèi)加氧程度無(wú)法測(cè)定，這是因?yàn)榛痱?qū)已燃區(qū)內(nèi)巖心幾乎看不到原油，含油飽和度小于2%[19]，原油無(wú)法抽提；在未波及區(qū)內(nèi)，巖心經(jīng)歷的最高溫度僅為114.3 ℃，原油的加氧程度與原始狀態(tài)基本一致，即在較低溫度內(nèi)(150 ℃以下)原油氧化反應(yīng)很微弱；在火線區(qū)與結(jié)焦帶內(nèi)，其溫度一般均高于350 ℃，原油的加氧程度指標(biāo)可達(dá)到1.521，是未波及區(qū)的近2倍，原油氧化反應(yīng)極為劇烈，即當(dāng)原油加氧程度高于原始狀態(tài)2倍時(shí)，可認(rèn)為處于高溫氧化階段。

2.3 主峰碳與輕重比

火驅(qū)過(guò)程中另一重要反應(yīng)是裂解反應(yīng)，即在高溫作用下原油中重質(zhì)組分分子鍵被破壞、分裂成2個(gè)或多個(gè)小分子鏈輕質(zhì)組分，宏觀表現(xiàn)為原油密度、黏度不同程度降低，微觀主要表現(xiàn)為原油短分子鏈正構(gòu)烷烴增多(圖2)。火驅(qū)前原油全烴色譜中主峰碳(全烴色譜鋒中質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大的正構(gòu)烷烴碳數(shù))為C25，呈后峰型分布，火驅(qū)后產(chǎn)出原油的全烴色譜中出現(xiàn)了豐富的低碳數(shù)系列正構(gòu)烷烴和異構(gòu)烴，主峰碳變?yōu)镃13，即火驅(qū)后的低分子烴類主要來(lái)源于原油中高分子化合物的裂解反應(yīng)。全烴色譜很直觀地展示了火驅(qū)前后原油正構(gòu)烷烴分子分布，仍無(wú)法定量反映火驅(qū)改質(zhì)效果，結(jié)合有機(jī)地球化學(xué)分析技術(shù)，提出了主峰碳和輕重比(∑21-/ ∑22+)2項(xiàng)火驅(qū)燃燒狀態(tài)判識(shí)指標(biāo)。

圖2 火驅(qū)前后原油全烴色譜對(duì)比

表4為實(shí)驗(yàn)過(guò)程中7個(gè)樣品的主峰碳、輕重比數(shù)值。由表4可知：火線區(qū)內(nèi)(3、4號(hào))，原油主峰碳前移，由25降至13，輕質(zhì)組分增多，輕重比由0.77增至1.53，即溫度越高，原油改質(zhì)效果越好[20-22]；在結(jié)焦帶內(nèi)因焦炭不斷生成，原油聚合導(dǎo)致重質(zhì)組分不斷增多，其主峰碳后移，輕重比降低；在未波及區(qū)內(nèi)，由于溫度較低，各種反應(yīng)都很微弱，原油分子鏈結(jié)構(gòu)沒(méi)有太大改變，即主峰碳、輕重比指標(biāo)與原始條件一致。

表4 火驅(qū)不同區(qū)帶樣品主峰碳、輕重比數(shù)據(jù)

3 應(yīng)用分析

D66塊油藏埋深為800.0～1 200.0 m，50 ℃地面脫氣原油黏度為300～2 800 mPa·s，為中孔、中滲薄互層普通稠油油藏。2005年，在6個(gè)井組開(kāi)展火驅(qū)先導(dǎo)試驗(yàn)，開(kāi)井率大幅提高，油藏溫度及壓力具有上升趨勢(shì)，取得了明顯的增油效果。K039取心井是先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)最早實(shí)施的火驅(qū)井，平面距原注氣井為20～35 m，縱向取心井段為上層系的35～50 m。為了認(rèn)識(shí)多層火驅(qū)燃燒特征及縱向波及狀況，利用室內(nèi)建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)取心井進(jìn)行燃燒狀態(tài)判識(shí)分析。

K039取心井縱向上高溫氧化波及特征見(jiàn)圖3。由圖3可知：在埋深為939.1～950.6 m處火驅(qū)高溫氧化判識(shí)指標(biāo)發(fā)生明顯變化，主峰碳由原始狀態(tài)的25最多降至13，發(fā)生明顯前移；輕重比較原始狀態(tài)增大，最大值接近3.00；加氧程度也較原始狀態(tài)增大1倍。上述指標(biāo)變化特征可判定在埋深為939.1～950.6 m處發(fā)生了高溫氧化反應(yīng)。該深度范圍在D66塊火驅(qū)目的層(杜家臺(tái)上層系)之杜12、杜13砂巖組，且以杜13為主，動(dòng)用程度占火驅(qū)主力層段的40.3 %。綜合分析認(rèn)為，該區(qū)域還具有較大的調(diào)整潛力。在已發(fā)生高溫氧化的杜13砂巖組建議增大注氣強(qiáng)度，保證火驅(qū)燃燒持續(xù)穩(wěn)定推進(jìn)；在未發(fā)生高溫氧化的杜12、杜13砂巖組建議實(shí)施二次點(diǎn)火，重選注氣層段，積極跟蹤現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)出流體變化，利用上述判識(shí)方法，不斷優(yōu)化注氣參數(shù)，重新實(shí)現(xiàn)高溫氧化，確?；痱?qū)規(guī)模不斷擴(kuò)大，燃燒狀態(tài)得到顯著改善。

圖3 K039井火驅(qū)高溫氧化縱向波及特征

4 結(jié) 論

(1) 在現(xiàn)有尾氣組分分析基礎(chǔ)上，提出了氧氣轉(zhuǎn)化率判識(shí)指標(biāo)。該指標(biāo)可界定氧化反應(yīng)類型，當(dāng)氧氣轉(zhuǎn)化率大于50.00%時(shí)即為高溫氧化反應(yīng)。

(2) 根據(jù)氧化反應(yīng)對(duì)原油分子結(jié)構(gòu)官能團(tuán)的影響，提出了加氧程度指標(biāo)。該指標(biāo)可反應(yīng)氧化反應(yīng)程度，當(dāng)原油加氧程度高于原始狀態(tài)2倍時(shí)，可認(rèn)為處于高溫氧化階段。

(3) 根據(jù)火驅(qū)過(guò)程中裂解反應(yīng)對(duì)原油具有改質(zhì)效果，提出了主峰碳、輕重比指標(biāo)，主峰碳前移、輕重比增大，表明處于裂解反應(yīng)與高溫氧化反應(yīng)階段。

(4) 利用新建立的高溫氧化判識(shí)方法分析了K039井在埋深為939.1～950.6 m處發(fā)生高溫氧化反應(yīng)，縱向動(dòng)用程度占火驅(qū)主力層段的40.3%，為D66塊火驅(qū)方案后續(xù)調(diào)整提供了參考依據(jù)。

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