劉莎莎 閆暄崎 游靖 謝剛 穆化巍 王冠 杜金秀 戴坤秀

1.中國石油華北油田公司工程技術(shù)研究院；2.中國石油華北油田公司開發(fā)部；3.西南石油大學(xué)

0 引言

火驅(qū)作為提高采收率的有效技術(shù)［1］，始于1947 年，至20 世紀(jì)80 年代達到全盛，羅馬尼亞、美國、加拿大、印度等國都開展過規(guī)模性應(yīng)用［2］。我國火驅(qū)技術(shù)起步較晚，1958 年開始關(guān)鍵技術(shù)研究，至1993 年，火驅(qū)技術(shù)才陸續(xù)在遼河、勝利、新疆油田逐步開展［3］。勝利油田的蔡文斌等［4］、張宗源等［5］建立了比較成熟的點火、注氣、監(jiān)測配套系統(tǒng)。關(guān)文龍等［6-7］系統(tǒng)研究了稠油老區(qū)直井火驅(qū)的驅(qū)替特征，并開展了稠油油藏直井井網(wǎng)火驅(qū)過程中各個地層的宏觀熱力學(xué)特征以及壓力場、溫度場、飽和度場的分布規(guī)律研究。目前，我國多個稠油油藏通過火驅(qū)開發(fā)已取得很好效果，新疆紅山嘴油田紅淺1 區(qū)火驅(qū)后預(yù)計可在注蒸汽基礎(chǔ)上提高采收率37%［8］，遼河曙光油田杜66 斷塊火驅(qū)后預(yù)計采收率提高25%［9-10］。火驅(qū)采油技術(shù)已成為稠油油藏大幅度提高采收率的高效手段之一。

華北油田蒙古林礫巖油藏屬于普通稠油油藏，原來采用注水開發(fā)，水驅(qū)標(biāo)定采收率僅16.11%。自1983 年開發(fā)以來，經(jīng)歷過打彈性隔板、橫向驅(qū)、錐間帶加密、滾動擴邊、調(diào)驅(qū)等措施后，目前綜合含水率為91.9%，已進入水驅(qū)開發(fā)后期，依靠水驅(qū)進一步提高采收率的潛力較小，亟需改變開發(fā)方式。為了進一步大幅度提高采收率，在該油藏區(qū)塊開展了火驅(qū)先導(dǎo)試驗。試驗區(qū)設(shè)計6 注22 采，井距為150 m，含油面積為0.36 km2，地質(zhì)儲量為67.24×104t，預(yù)測全生命周期累計產(chǎn)油為30.21×104t，最終采收率可達62.24%，較基礎(chǔ)井網(wǎng)水驅(qū)提高了46.13%。在礦場試驗過程中，針對蒙古林礫巖油藏原油黏度低、油層厚度大、中孔中高滲等特點，借鑒國內(nèi)稠油火驅(qū)礦場實踐經(jīng)驗，優(yōu)化了注氣及點火工藝，并取得較好的現(xiàn)場應(yīng)用效果。

1 蒙古林礫巖油藏特征

蒙古林礫巖油藏地層位于阿爾善組阿三段，油藏埋深760～900 m，地層溫度37.2 ℃，壓力7.58 MPa，為正常溫度壓力系統(tǒng)。儲層以礫巖、砂礫為主，厚度較大（10～25 m），平均孔隙度為18%，平均空氣滲透率為211×10?3μm2，屬于中孔中高滲儲層。地面原油密度為0.899 6 g/cm3，黏度為113.63 mPa·s，膠質(zhì)、瀝青質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30.56%，含蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11.77%，凝固點23 ℃；地層原油密度為0.87 g/cm3，黏度為102.1 mPa·s，原始?xì)庥捅葹? m3/t，屬于普通稠油油藏。

該油藏注水開發(fā)階段采用正三角形井網(wǎng)，井距300 m，邊緣底部注水保持壓力，標(biāo)定采收率為16.11%，火驅(qū)試驗前地質(zhì)儲量采出程度為15.39%，綜合含水率為91.9%。為了探索稠油油藏提高采收率的有效技術(shù)途徑，于2019 年開始火驅(qū)提高采收率的可行性研究。

通過與火驅(qū)基本篩選條件對比，蒙古林礫巖油藏滿足火驅(qū)礦場試驗所需的參數(shù)要求，其油層具有較好的橫向連通，目的層發(fā)育穩(wěn)定，巖性和物性變化不大，油藏埋深、厚度、孔滲條件、原油黏度等均在火驅(qū)油藏篩選范圍內(nèi)，地層傾角4°～5°，滿足火驅(qū)小于15°的要求。但與國內(nèi)其他火驅(qū)成功區(qū)塊對比，蒙古林礫巖油藏具有原油黏度低、油層厚度大、孔滲偏低等特點，具體對比數(shù)據(jù)見表1。

表1 蒙古林礫巖油藏與國內(nèi)其他火驅(qū)區(qū)塊油藏參數(shù)對比Table 1 Comparison of reservoir parameters between Menggulin conglomerate reservoir and other domestic fire flooding blocks

針對蒙古林原油特點，通過開展室內(nèi)點火物理模擬實驗，明確點火工藝的技術(shù)關(guān)鍵［11］。將地層油砂置于燃燒釜中，將溫度設(shè)定在330 ℃左右，測定不同時間點釜內(nèi)溫度及壓力值。當(dāng)釜內(nèi)溫度到達280 ℃時，地層油砂溫度上升幅度增大，開始燃燒，釜內(nèi)壓力持續(xù)上升。釜內(nèi)溫度達到400 ℃時，原油燃燒溫度達到最高值370 ℃，同時釜內(nèi)壓力最高16.5 MPa［12］。由此可知，蒙古林礫巖油藏原油較易點燃，地層油砂加熱到280 ℃可點燃油層，為確保穩(wěn)定燃燒，建議點火器溫度設(shè)置450 ℃以上。

2 火驅(qū)現(xiàn)場試驗工藝優(yōu)化

2.1 注氣工藝

現(xiàn)場工藝管柱借鑒遼河、新疆油田的成功經(jīng)驗，采用油管下入油層頂部完井，滿足油管或環(huán)空注入的條件。遼河、新疆油田采用4 階段注氣方式，油管預(yù)注氮氣、環(huán)空注氮氣保護段塞、油管注空氣、持續(xù)注空氣點火。MH-1 井通過前2 階段注入氮氣，注氣壓力已經(jīng)達到了13 MPa 以上，考慮到蒙古林礫巖油藏原油輕質(zhì)組分較高，第3 階段較長時間注空氣，近井地帶易造成氧氣聚集，存在井筒燃爆的風(fēng)險。因此，合并了注空氣、注空氣點火2 個階段，將4 階段注氣改進為3 階段注氣。油管注空氣時間由3 d 縮短為1～2 h，然后持續(xù)注空氣點火，提升了點火施工的安全性，保護了點火工具。

2.2 點火工藝

稠油油藏火驅(qū)開發(fā)的最關(guān)鍵因素就是油層點火，利用井底電加熱點火器點火是最為常見的點火方法，勝利油田［13］、新疆紅淺1 區(qū)［14］、遼河油田［15］均采用電點火工藝。蒙古林油田借鑒遼河油田電點火工藝，油管、套管同時注氣，在正常注氣量達到6 000 Nm3/d 條件下點火，初期方案設(shè)計4 階段逐級升溫點火工藝(圖1a)。蒙古林礫巖油藏與遼河油田相比，埋深更淺(油層頂深為760 m)、原油黏度更低(113.6 mPa·s)、燃點相對較低(表1)，因此將4 階段逐級升溫點火工藝改進為一階升溫點火工藝(圖1b)，縮短點火時間，并提升點火期間溫度上升速度，提高點火效率，避免了油層內(nèi)自發(fā)產(chǎn)生低溫氧化反應(yīng)。從MH395 井點火過程溫度變化曲線可看出，點火器功率從20 kW提升至80 kW，點火24 h 后點火器溫度即上升到400 ℃，36 h 溫度上升到400 ℃以上，最高420 ℃，達到油層燃燒要求，整個點火時間相較原方案縮短了3 d。點火后對應(yīng)的部分采油井監(jiān)測到產(chǎn)氣量明顯增加，初步見氣，且產(chǎn)出氣中氧氣含量始終處于較低水平，表明氧氣在地層中燃燒充分。點火后注氣壓力明顯抬升，隨著燃燒半徑擴大呈現(xiàn)出下降趨勢，符合高溫燃燒礦場見效反應(yīng)。

圖1 蒙古林油田火驅(qū)點火方案對比Fig.1 Comparison of fire flooding ignition schemes for Menggulin reservoir

3 蒙古林礫巖油藏火驅(qū)初期見效特征

3.1 見效周期短

蒙古林礫巖油藏火驅(qū)試驗共設(shè)計6 口注氣井，自2022 年7 月底至9 月底陸續(xù)完成了點火工作。MH395 井(7 月26 日點火)、MH334 井(8 月5 日點火)、MH394 井(8 月9 日點火)共對應(yīng)采油井13 口，截至2022 年10 月中旬，雖然措施時間較短，但已有10 口井火驅(qū)初步見效。見效最快的MY424 井對應(yīng)點火井MH395 井，點火14 d 后即見效，產(chǎn)油量持續(xù)上升，含水率持續(xù)下降，見效一個月后，日產(chǎn)油由0.12 t 上升到0.86 t，綜合含水率由94.3%下降至63%，下降31.3 個百分點。

蒙古林礫巖油藏火驅(qū)試驗初期見效反應(yīng)快于新疆紅淺1 井區(qū)［8］，分析其原因，一是紅淺1 井區(qū)在火驅(qū)前采用蒸汽吞吐開發(fā)方式，階段后期采出程度為28.9%，地下明顯存在虧空，地層能量低，而蒙古林礫巖油藏目前采出程度僅達到15.4%，油藏潛力更大［16］；二是蒙古林礫巖油藏油品性質(zhì)相對較好，其地下原油黏度為102.1 mPa·s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于紅淺1 井區(qū)原油黏度7 400～26 000 mPa·s，飽和烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)為52.3%，膠質(zhì)、瀝青質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30.56%，蠟質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11.77%，原油輕質(zhì)組分含量較高，流動性相對較強，原油性質(zhì)明顯優(yōu)于紅淺1 井區(qū)，在井距較大(150 m)的情況下，見效反應(yīng)較快。蒙古林礫巖油藏從點火開始燃燒到見效，火線的平均推進速度為0.09～0.11 m/d，燃燒半徑為6.2～7.9 m。新疆紅淺1 井區(qū)見效前火線推進速度0.07～0.08 m/d，見效期間平均推進速度0.03～0.04 m/d，通過比較可知蒙古林火線推進速度明顯較快。

3.2 初期產(chǎn)氣以氮氣為主

在點火前注氮氣階段，即有部分油井產(chǎn)氣量上升，地層內(nèi)形成明顯通道，點火后單井日產(chǎn)氣呈逐漸上升趨勢，試驗區(qū)大部分油井目前產(chǎn)氣量為300～6 000 m3。產(chǎn)氣以氮氣為主，呈上升趨勢，含量在70%～80%之間；氧氣含量維持在較低水平(小于0.5%)，表明氧氣在地層中燃燒充分；二氧化碳含量維持在1%左右。現(xiàn)場油井取樣有微弱煙道氣溶解跡象，分析其原因，一是地層壓力較大，注入壓力高；二是注采井井距大，蒙古林礫巖火驅(qū)采用反七點面積井網(wǎng)，井距150 m；三是原油黏度相對較小，導(dǎo)致二氧化碳溶解于產(chǎn)出液中，根據(jù)二氧化碳在油水混合物中的溶解度公式計算，在40 ℃條件下，目前有73%的二氧化碳溶解在產(chǎn)出液中。

3.3 井底溫度上升

火驅(qū)后對3 口生產(chǎn)井和1 口觀察井的井下溫度進行了監(jiān)測，結(jié)果見表2，可以看出，3 口生產(chǎn)井見效較為明顯，這是因為對應(yīng)注氣井點火時間較早，已點火4～5 個月；1 口觀察井溫度未發(fā)生明顯變化，該井距離較近的注氣井點火時間較晚，僅點火2 個月，因此溫度無明顯變化。

表2 井下溫度監(jiān)測結(jié)果Table 2 Results of downhole temperature monitoring

3.4 原油改質(zhì)明顯

蒙古林油田火驅(qū)見效井原油性質(zhì)發(fā)生明顯改變。MH424 井點火前后井口取樣原油如圖2 所示，火驅(qū)前原油為黑色、流動性差；火驅(qū)見效后原油呈乳化狀態(tài)，顏色為黃褐色，室溫下具有良好流動性，無游離水。該井原油組分變化如圖3 所示，飽和烴和芳香烴含量略有升高，膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等重質(zhì)組分含量呈下降趨勢，平均原油黏度由133 mPa·s 下降到121 mPa·s。蒙古林油田原油性質(zhì)變化與紅淺1 井區(qū)類似，但紅淺1 井區(qū)原油黏度下降幅度較大，由16 500 mPa·s 下降到3 381 mPa·s［8］，分析其原因，一是蒙古林火驅(qū)仍處于初期階段，油品性質(zhì)仍處于變化初期；二是蒙古林原油黏度本身偏低，基礎(chǔ)值較小?；痱?qū)過程中原油改質(zhì)應(yīng)該是連續(xù)的，后續(xù)將持續(xù)監(jiān)測。

圖2 MH424 火驅(qū)見效井點火前后產(chǎn)出油外觀對比Fig.2 Comparison of the appearance of produced oil before and after ignition in MH424 fire flooding response well

圖3 MH424 井原油組分變化Fig.3 Changes in crude oil composition in Well MH424

4 礦場試驗

截至2023 年5 月，火驅(qū)井組共6 口注氣井、23 口采油井，其中見效井15 口，見效率93.8%。火驅(qū)井組綜合含水率由90.3%下降到73.8%，下降了16.5 個百分點，平均日產(chǎn)油由16.7 t 上升到55.2 t，增油幅度230.5%，累計增油5 264 t，仍在持續(xù)上升，措施見效十分顯著。

蒙古林礫巖油藏火驅(qū)單井日產(chǎn)氣量持續(xù)上升，部分井產(chǎn)氣量在3 000 m3以上，氣液比范圍達到100～1 200 m3/t。較高的氣液比影響油井正常生產(chǎn)，造成部分油井出現(xiàn)液量明顯下降甚至無液的情況，已采用下氣錨的方式進行恢復(fù)［17］。在油藏火驅(qū)開發(fā)中，高氣液比生產(chǎn)是常態(tài)，預(yù)計隨著試驗的推進，氣液比可能進一步增加，需要對采油工藝、計量方式等開展適應(yīng)性研究。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)點火溫度、產(chǎn)出氣組分、注入壓力等監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，火驅(qū)現(xiàn)場試驗6 口井均點火成功，驗證了優(yōu)化后的稠油油藏火驅(qū)三階段注氣工藝及一階升溫點火工藝的可行性，改進后的試驗工藝減少了油管注氣時間，縮短點火時間，提升點火期間溫度上升速度，避免了油層低溫氧化，保障了井筒安全性。

(2)蒙古林礫巖油藏火驅(qū)見效時間早，見效速度快，火驅(qū)見效時間受油品性質(zhì)、地層本身能量和油藏潛力的影響較大。油品性質(zhì)越好，地層能量越充足，油藏儲層潛力越大，火驅(qū)見效期出現(xiàn)時間越早，速度越快。

(3)蒙古林礫巖油藏火驅(qū)初期產(chǎn)出氣主要以氮氣為主，氧氣、二氧化碳含量較低，現(xiàn)場油井取樣有微弱煙道氣溶解的跡象，表明在火驅(qū)初期，氧氣在地下燃燒充分，較大的地層壓力、井距及較低的原油黏度造成了部分二氧化碳溶解在原油中。