楊俊印，閆紅星，劉家林，張 鴻，齊先有

(中國石油遼河油田分公司，遼寧 盤錦 124010)

0 引 言

杜66塊開發(fā)層位為新生界古近系沙河街組沙四上段杜家臺油層，縱向上劃分為2套層系 4個油層組，分別為杜0層、杜Ⅰ層、杜Ⅱ?qū)印⒍泞髮?，劃分?0個砂巖組。原油性質(zhì)變化存在較大的差異，50 ℃地面脫氣原油黏度為325～2 846 mPa·s，為普通稠油。主要受埋藏深度影響，隨著深度增加，原油黏度降低。該區(qū)塊從20世紀80年代投入開發(fā)，經(jīng)歷了常規(guī)開采、注水開發(fā)、蒸汽吞吐開發(fā)[1]幾個階段。由于區(qū)塊產(chǎn)量逐漸下降，2005年開展6個井組火驅(qū)先導試驗，而后規(guī)模逐步擴大，目前已成為遼河油田規(guī)模最大的火驅(qū)開發(fā)基地[2]?；痱?qū)作為稠油蒸汽吞吐后期可選擇的一種有效接替的開發(fā)方式[3-5]，已在遼河油田進行了二十多年實踐和探索，但總體上仍處于礦場試驗階段?；痱?qū)燃燒狀態(tài)與動態(tài)特征是火驅(qū)評價的重要內(nèi)容。目前應用于火驅(qū)燃燒狀態(tài)判識最經(jīng)濟和普遍的方式是采用流體監(jiān)測，但以往單純進行尾氣監(jiān)測，僅能籠統(tǒng)認識火驅(qū)燃燒狀態(tài)。為此，建立了針對火驅(qū)復雜氣體分析方法，拓展組分分析范圍和實際應用。篩選出反映原油組成變化的全烴色譜分析方法，該方法快捷直觀有效，為火驅(qū)流體監(jiān)測工作開展提供了完善的分析手段。

研究表明[6]：生物降解、氧化及水洗作用是導致杜66塊原油稠化的主要機制。該區(qū)塊火驅(qū)先導試驗區(qū)共包含6個井組，采用100 m×141 m反九點井網(wǎng)，2005年開始火驅(qū)實驗，點火井段為943.0～984.0 m，火驅(qū)方式采用火驅(qū)+蒸汽吞吐。2014年開始對其中的曙1-47-039、曙1-47-037、曙1-46-039、曙1-46-037井組共21口生產(chǎn)井產(chǎn)出的流體跟蹤監(jiān)測。長期流體跟蹤監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，火驅(qū)生產(chǎn)井產(chǎn)出的流體特征十分復雜，通過產(chǎn)出流體的變化特征判識原油火驅(qū)燃燒狀態(tài)，建立兩者對應關系，為火驅(qū)開發(fā)過程中認識火驅(qū)燃燒狀態(tài)和動態(tài)提供技術路線與分析方法。

1 實驗設備與方法

1.1 實驗設備

Agilent 7890B 氣相色譜儀附帶FID 檢測器，用于開展原油全烴氣相色譜分析；Agilent7890多維氣相色譜儀器附帶2個TCD檢測器和1個FID檢測器，采用5閥7柱，即5根填充柱和2根毛細柱組成，組分依靠閥切換使不同的組分用不同色譜柱加以分離，用于火驅(qū)氣體分析。

1.2 實驗方法

利用Agilent 7890B 開展全烴氣相色譜分析，參照SY/T 5779-2008《石油和沉積有機質(zhì)烴類氣相色譜分析方法》進行測定。檢測組分包括氧氣、氮氣、氬氣、氫氣、一氧化碳、二氧化碳、烷烴類氣體、烯烴類氣體等，基本涵蓋了火驅(qū)氣體常量組分。定量計算參照GB/T 10410-2008《人工煤氣和液化石油氣常量組分氣相色譜分析法》。

2 實驗結果與應用

2.1 原油高溫氧化的氣體組成特征

一般認為火燒油層主要化學反應分為2種：一是原油的氧化反應，分為低溫氧化反應和高溫氧化反應；二是原油自身的熱裂解反應[7-9]。這2種化學反應伴隨火燒油層的整個過程。原油高溫氧化反應是原油與氧反應直接生成一氧化碳、二氧化碳和水的過程，氣體組分變化規(guī)律可反映原油燃燒狀態(tài)。在綜合室內(nèi)和現(xiàn)場大量火驅(qū)試驗基礎上，總結出火驅(qū)產(chǎn)出氣體高溫氧化特征參數(shù)及數(shù)值：氮氣含量為70.00%～82.00%，二氧化碳含量為12.00%～18.00%，氧氣轉化率為70.00%～100.00%，視氫碳原子比為0.00～2.00。

(1)

(2)

式中：C為對應組分的百分比濃度。

2.1.1 單井氣體燃燒狀態(tài)參數(shù)變化特征

圖1為曙1-46-40井在監(jiān)測期間的氣體參數(shù)變化。該井的監(jiān)測處于火驅(qū)開發(fā)的中后期，氮氣含量為75.95%～82.48%，二氧化碳含量為14.31%～17.36%，視氫碳原子比為0.63～1.45，氧氣轉化率為73.31%～86.43%。一氧化碳含量在后期呈上升趨勢，變化較為明顯。另外，氣體中均含有少量的烯烴，與室內(nèi)火驅(qū)實驗結果基本一致，反映出原油具有高溫氧化的特征。

圖1 曙1-46-40井監(jiān)測期間產(chǎn)出氣體參數(shù)變化

2.1.2 一氧化碳含量變化反映火驅(qū)火線動態(tài)過程

在氣體組成參數(shù)變化方面，由于氣體擴散速度快，大多數(shù)氣體參數(shù)變化不明顯，無法清晰反映火線運移的動態(tài)過程。長期監(jiān)測分析認為，一氧化碳的濃度變化是判定火線運移動態(tài)過程較為有效的參數(shù)。由于一氧化碳是一種還原性氣體，化學性質(zhì)不穩(wěn)定，一方面原油高溫氧化產(chǎn)生一氧化碳可繼續(xù)與氧發(fā)生二次反應，另一方面一氧化碳也與儲層的礦物質(zhì)反應而被消耗[10]。在火驅(qū)中后期，一氧化碳的濃度能較好地反映其動態(tài)過程 。由圖1c可知，2014年開始對曙1-46-40井監(jiān)測時，原油明顯發(fā)生改質(zhì)現(xiàn)象，但在氣體組分中并沒有檢測到一氧化碳，2015年1月28日首次檢測到一氧化碳濃度為0.019%，隨后濃度逐漸增高，表明火線向生產(chǎn)井推進，至2018年3月27日氣體中的一氧化碳濃度已升至0.469%，綜合分析認為，火線已到達該井。2018年5月，該井停產(chǎn)。

2.2 原油高溫氧化組成變化特征

火驅(qū)過程包含原油的裂解過程，原油裂解實際上是易發(fā)生裂解反應的大分子歧化反應，一方面包括含雜原子脫除、稠環(huán)芳烴所帶有大量側鏈烷基斷裂和大分子單體烴自身分子鏈斷裂等，形成輕質(zhì)組分，另一方面在裂解反應的同時也經(jīng)歷芳構化過程和多環(huán)芳烴的縮合反應，再進一步形成大分子芳香核片的交聯(lián)，逐步脫氫形成焦炭[11-12]，火驅(qū)過程實現(xiàn)了原油改質(zhì)。

通過多種有機地化分析方法篩選認為，利用原油全烴色譜分析手段是判定原油改質(zhì)最直觀和有效的方法。改質(zhì)后原油輕質(zhì)組分增加，主峰碳前移。對于生物降解的原油，正構烷烴含量增加，原油全烴參數(shù)Pr/C17與Ph/C18比值明顯降低(表1)。

通過對位于先導試驗區(qū)曙1-46-037井組內(nèi)的曙1-46-K037取心井(井深為958.86～1 066.77 m)原油全烴色譜分析可知，該取心段原油均不同程度存在生物降解現(xiàn)象，其中，杜0層至杜Ⅰ1砂巖組原油中正構烷烴幾乎完全被降解，杜Ⅰ2、杜Ⅰ3、杜Ⅱ1、杜Ⅱ2、杜Ⅱ3、杜Ⅲ砂巖組原油中正構烷烴含量逐漸增加，降解程度逐漸減弱。由于低碳數(shù)比高碳數(shù)的正構烷烴更易降解，主峰碳從C25逐漸前移至C21。

表1 室內(nèi)火燒實驗前后原油全烴參數(shù)對比

圖2為曙1-46-40井原油全烴色譜分析結果。該井生產(chǎn)層位為杜0層至杜Ⅰ2砂巖組，監(jiān)測期間發(fā)現(xiàn)原油單體烴中正構烷烴含量明顯增加(圖2a)，主峰碳為C13～C17，明顯前移，與原始狀態(tài)的原油相比呈現(xiàn)改質(zhì)特征。用Pr/C17描述原油改質(zhì)程度，可消除火驅(qū)時熱蒸餾和氣驅(qū)等因素對原油組成變化的影響，更準確反應火驅(qū)對原油改質(zhì)的影響。杜0層至杜Ⅰ2砂巖組原始狀態(tài)的Pr/C17約為6～10。

圖2 曙1-46-40井原油全烴色譜分析結果

由圖2b可知：近5 a連續(xù)監(jiān)測原油全烴參數(shù)Pr/ C17變化大部分為2%～5%，反映出原油改質(zhì)的特征；當火線向生產(chǎn)井持續(xù)推進過程中，原油改質(zhì)應該是一個連續(xù)過程，而在監(jiān)測期間內(nèi)，曙1-46-40 井Pr/C17參數(shù)變化有2處異常點，Pr/C17值明顯偏高，全烴組成特征與杜Ⅰ2砂巖組原始狀態(tài)原油一致，表明原油并未改質(zhì)。通過對現(xiàn)場開發(fā)情況了解，出現(xiàn)這2次原油未改質(zhì)現(xiàn)象時間段為2014年7月16日至2014年8月29日和2016年3月17日至2016年4月12日，現(xiàn)場實施蒸汽吞吐。正常情況下，該井產(chǎn)出原油主要是火線沿生產(chǎn)井推進的方向，而蒸汽吞吐產(chǎn)出的原油主要是環(huán)繞生產(chǎn)井周圍一定范圍原油，另外蒸汽吞吐也可改變生產(chǎn)井的生產(chǎn)層位，在監(jiān)測曙1-46-040井時正常火驅(qū)生產(chǎn)層位在杜Ⅰ2砂巖組，而在吞吐期間主要生產(chǎn)層位為杜0層和杜Ⅰ1砂巖組，可見，蒸汽吞吐可改變生產(chǎn)井原油的來源。因此，在不考慮蒸汽吞吐對原油來源的影響時，火驅(qū)過程原油改質(zhì)應是連續(xù)的。

由于采用直井-直井火驅(qū)方式，火線向生產(chǎn)井推進過程中，原油裂解產(chǎn)生輕質(zhì)組分，受熱蒸餾和氣驅(qū)作用，運移速度要快于重質(zhì)組分，輕質(zhì)組分首先到達生產(chǎn)井。曙1-46-40井監(jiān)在監(jiān)測初期為改質(zhì)原油到達生產(chǎn)井前期，為了揭示在火驅(qū)開發(fā)過程中原油組成的變化規(guī)律，將原油烴類組成C1～C10定義為輕質(zhì)組分[13]，用以觀察輕質(zhì)組分變化趨勢。由圖2c可知，輕質(zhì)組分含量由最高22.6%降至2.0%，原油的輕質(zhì)組分含量呈逐漸降低的規(guī)律。

3 結 論

(1) 利用氣體組分分析及原油全烴色譜分析是火驅(qū)流體監(jiān)測的有效手段，能較好地了解火驅(qū)開發(fā)過程中原油的燃燒狀態(tài)。氣體監(jiān)測可在一定程度上反映火驅(qū)開發(fā)整個過程中的原油燃燒狀態(tài)。火驅(qū)中后期，根據(jù)原油改質(zhì)程度可更直觀識別火驅(qū)燃燒狀態(tài)。

(2) 當火線向生產(chǎn)井持續(xù)推進過程中，氣體組成特征參數(shù)和原油改質(zhì)所呈現(xiàn)的火驅(qū)高溫氧化特征各自在不同時期內(nèi)具有連續(xù)性。

(3) 利用改質(zhì)原油輕質(zhì)組分變化以及一氧化碳含量變化規(guī)律可了解火驅(qū)動態(tài)，改質(zhì)原油到達生產(chǎn)井時前期含量高，后期含量逐漸降低。在火驅(qū)中后期可檢測到一氧化碳，其含量變化規(guī)律由低向高，當達到峰值時表明火線到達生產(chǎn)井。

(4) 現(xiàn)場油藏特征、火驅(qū)開發(fā)方式和開發(fā)動態(tài)等因素會導致產(chǎn)出流體發(fā)生變化。其中，蒸汽吞吐過程中，原油改質(zhì)不明顯，而火驅(qū)過程中，原油改質(zhì)程度較高。