化學(xué)生熱體系參數(shù)優(yōu)化及驅(qū)油效率試驗(yàn)研究

殷丹丹，楊勝來，趙東鋒，孫曉旭，廖長(zhǎng)霖

（中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249）

化學(xué)生熱體系參數(shù)優(yōu)化及驅(qū)油效率試驗(yàn)研究

殷丹丹，楊勝來，趙東鋒，孫曉旭，廖長(zhǎng)霖

（中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249）

在一定條件下，NaNO2/NH4Cl化學(xué)體系可反應(yīng)生成大量的熱和N2，向高黏低滲油藏注入該體系，可提高油藏溫度，降低原油黏度，減少有機(jī)堵塞。但影響該生熱體系放熱速率的因素復(fù)雜，文中通過正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，對(duì)影響NaNO2/NH4Cl化學(xué)生熱體系的溫度峰值、壓力峰值、達(dá)到溫度峰值的時(shí)間等因素進(jìn)行了直觀分析和極差分析，得到影響溫度峰值和壓力峰值的主要因素是反應(yīng)物濃度，其次是pH值，最后是初始反應(yīng)溫度；影響到達(dá)溫度峰值時(shí)間的主要因素是pH值，其次是初始反應(yīng)溫度，最后是反應(yīng)物濃度；優(yōu)選了適合該生熱體系在油層熱化學(xué)升溫過程中各物質(zhì)的最佳組合方案，并利用該組合方案，對(duì)高黏低滲油藏進(jìn)行了室內(nèi)驅(qū)油物理模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)證明：該生熱體系與60℃水驅(qū)相比，驅(qū)油效率提高了19.082百分點(diǎn)。

化學(xué)生熱；參數(shù)優(yōu)化；正交實(shí)驗(yàn)；驅(qū)油效率；高黏低滲油藏

長(zhǎng)期以來，采用常規(guī)水驅(qū)進(jìn)行高黏低滲油藏的開發(fā)無法達(dá)到預(yù)期產(chǎn)量。其中一個(gè)原因是，注入地層的冷流體使油層中的原油冷卻，黏度增大，甚至原油析蠟或凝固，堵塞了一部分流動(dòng)通道，對(duì)儲(chǔ)層造成了冷傷害，同時(shí)也降低了多孔介質(zhì)的導(dǎo)流能力。因此，對(duì)高黏低滲油藏的開發(fā)，可采用注入化學(xué)生熱體系?；瘜W(xué)生熱體系是在常規(guī)水驅(qū)的基礎(chǔ)上，添加一定量的NaNO2、NH4Cl、鹽酸及緩蝕劑。在NaNO2/NH4Cl生熱劑中加入催化劑鹽酸時(shí)，會(huì)發(fā)生化學(xué)放熱反應(yīng)，釋放出大量熱和N2，從而使注入的液體溫度升高，進(jìn)而提高油層溫度，并且產(chǎn)生的N2可沖破地層的堵塞［1-6］。措施前，一方面要確定生熱劑和催化劑的濃度及注入流體的初始溫度，以確保注入的流體反應(yīng)后的溫度高于原油的析蠟溫度，并降低原油的黏度；另一方面又要找出影響生熱的關(guān)鍵因素，降低經(jīng)濟(jì)成本。

本文在NaNO2和NH4Cl反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程的基礎(chǔ)上，研究了影響生熱劑生熱的主要因素。采用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，分析了影響生熱劑用量的各種因素的主次關(guān)系，優(yōu)化了生熱劑用量，并利用該化學(xué)體系的最優(yōu)組合方案，對(duì)滲透率較低的高黏油巖心進(jìn)行了室內(nèi)驅(qū)油模擬試驗(yàn)。

1 生熱劑反應(yīng)原理及動(dòng)力學(xué)方程

NaNO2和NH4Cl反應(yīng)的物質(zhì)的量之比為1∶1，用鹽酸作為催化劑，化學(xué)反應(yīng)方程式為

該反應(yīng)過程放熱為332.58 kJ/mol。

結(jié)合理論研究和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)可得NaNO2和NH4Cl的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程為［3］

由式（1）可知：NaNO2和NH4Cl生熱體系的反應(yīng)物濃度c和催化劑濃度c（HCl）越大，初始反應(yīng)溫度T越高，則化學(xué)反應(yīng)速率越快；反應(yīng)速率越快，升溫越快，生熱溫度峰值 （反應(yīng)過程中反應(yīng)體系溫度達(dá)到的最大值）也越高。

2 正交實(shí)驗(yàn)參數(shù)優(yōu)化

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)在油氣田開發(fā)方案優(yōu)化［7-10］、水平井礫石充填參數(shù)優(yōu)化［11］、整體壓裂方案［12］等方面應(yīng)用廣泛。在參數(shù)優(yōu)化過程中，各單因素為最佳參數(shù)不代表組合后仍是最佳參數(shù)，而且將給定參數(shù)作為最佳參數(shù)的方法存在一定經(jīng)驗(yàn)性和隨機(jī)性，易導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果不夠客觀。各單因素在相互作用下影響其作用效果，僅使用單因素分析不能說明它們各自的影響程度。因此，引入正交實(shí)驗(yàn)［13-15］來進(jìn)一步分析各因素對(duì)結(jié)果影響的主次關(guān)系。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法及結(jié)果

設(shè)計(jì)pH值、c和T的3因素5水平實(shí)驗(yàn)（見表1），分析這3個(gè)因素對(duì)t（達(dá)到溫度峰值時(shí)反應(yīng)時(shí)間），ΔTmax（溫度峰值），Δpmax（壓力峰值）影響的主次關(guān)系。用L25（53）正交表安排實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)步驟：1）按表1配制不同濃度的NaNO2和NH4Cl溶液各200 mL。2）用鹽酸調(diào)節(jié)NH4Cl溶液的不同pH值。由于鹽酸和NaNO2混合會(huì)發(fā)生反應(yīng)，所以鹽酸不應(yīng)加入NaNO2溶液中。3）按表2中的組合，將配制好的不同濃度、不同pH值的溶液倒入500 mL的高壓容器內(nèi)（按表1的溫度設(shè)計(jì)高壓容器的初始溫度），立刻密封容器，同時(shí)用磁力攪拌器勻速攪拌反應(yīng)溶液。4）通過溫度與壓力傳感器記錄反應(yīng)過程中不同時(shí)間對(duì)應(yīng)的溫度和壓力。

由于pH值小于2時(shí)，NaNO2與鹽酸接觸會(huì)發(fā)生反應(yīng)，生成紅棕色的NO2氣體，不僅浪費(fèi)NaNO2，還影響生熱量，因此pH值不可小于2。

依據(jù)表1中各種條件對(duì)應(yīng)的順序組合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，注意各種條件的控制，共需進(jìn)行25組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)安排及結(jié)果見表2。

對(duì)表2中25個(gè)方案的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行直觀分析，結(jié)果如表3所示。表3中的RΔTmax，RΔpmax，Rt分別為不同水平下的pH，T，c對(duì)ΔTmax，Δpmax，t的極差。

參數(shù)極差的大小反映了參數(shù)水平變化時(shí)溫度峰值、壓力峰值及達(dá)到溫度峰值的時(shí)間變化幅度。不同因素的水平所對(duì)應(yīng)的極差較大時(shí)，此因素對(duì)結(jié)果影響較大，反之亦然。

表2 25個(gè)方案對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.3 最佳方案

根據(jù)極差大小決定因素對(duì)指標(biāo)影響的原則，3因素對(duì)各指標(biāo)影響的主次關(guān)系為：影響溫度峰值和壓力峰值的主要因素是c，其次是pH值，最后是T；影響到達(dá)溫度峰值時(shí)間的主要因素是pH值，其次是T，最后是c。

對(duì)于淺層低滲稠油油藏，應(yīng)盡可能提高地層溫度，降低原油黏度，溶解地層中的有機(jī)堵塞，因此應(yīng)著重考慮達(dá)到較大溫度峰值的條件。根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)的結(jié)果以及油藏本身的條件，結(jié)合對(duì)溫度峰值影響因素的主次情況，確定最佳方案為：pH=2，NaNO2和NH4Cl濃度均為4 mol/L，初始反應(yīng)溫度60℃。

由于正交實(shí)驗(yàn)中沒有該最佳參數(shù)組合，所以按照2.2的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行該組合下的生熱實(shí)驗(yàn)。將實(shí)驗(yàn)測(cè)定的溫度和壓力繪成曲線，如圖1所示。

表3 水平極差表

圖1 最優(yōu)組合下溫度、壓力的變化

由圖1可知：溫度和壓力在短時(shí)間內(nèi)迅速上升至峰值。達(dá)到峰值的時(shí)間為6 min，溫度峰值為210℃，與實(shí)驗(yàn)初始溫度60℃相比，上升了150℃。

3 室內(nèi)驅(qū)油模擬試驗(yàn)

將優(yōu)化得到的化學(xué)生熱體系，采用高黏原油飽和的低滲巖心進(jìn)行熱化學(xué)驅(qū)油試驗(yàn)。巖心基本物性見表4，地層溫度45℃時(shí)的原油黏度為213.8 mPa·s，50℃時(shí)黏度為166.7 mPa·s。

表4 巖心基本參數(shù)

實(shí)驗(yàn)步驟：1）在地層溫度下將排列好的巖心飽和地層水，原油驅(qū)水造束縛水；2）分別將裝有NaNO2和NH4Cl溶液和地層水的釜放在恒溫箱中恒溫至60℃；3）分別采用化學(xué)生熱體系間歇驅(qū)替和60℃水驅(qū)。2種不同驅(qū)替流體下最終驅(qū)油效率對(duì)比如圖2所示。

圖2 60℃水驅(qū)與生熱體系間歇驅(qū)油效率對(duì)比

由圖2可知，與60℃水驅(qū)相比，采用生熱劑燜井間歇驅(qū)的最終驅(qū)油效率有很大程度的提高。水驅(qū)驅(qū)油效率為28.125%，生熱劑燜井間歇驅(qū)的最終驅(qū)油效率為47.207%，比60℃水驅(qū)高出19.082百分點(diǎn)。這是由于該生熱體系可以提高油層溫度，加熱原油，降低原油黏度，解除地層的有機(jī)堵塞，提高原油的流動(dòng)能力，同時(shí)提高了地層的滲透率。

4 結(jié)論

1）NaNO2和NH4Cl生熱體系的濃度低于3 mol/L時(shí)，反應(yīng)的熱效應(yīng)不明顯。應(yīng)用于油井時(shí)，濃度要高，以免在井下沖稀而降低效果。

2）對(duì)NaNO2和NH4Cl生熱體系反應(yīng)達(dá)到的溫度峰值影響最大的因素是反應(yīng)物的濃度，其次是pH值，最后是初始反應(yīng)溫度。但考慮成本和化學(xué)劑的溶解性，不能一直增大濃度，pH值不能小于2，所以可以對(duì)配制的溶液預(yù)熱。這樣既可加快固體藥品溶解，又可提高初始反應(yīng)溫度，增大溫度峰值。

3）對(duì)于高黏低滲油藏，應(yīng)盡可能提高地層溫度。針對(duì)油藏實(shí)際條件進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，優(yōu)選出的生熱體系配方為：c（NaNO2）=4 mol/L，c（NH4Cl）=4 mol/L，pH=2，實(shí)驗(yàn)前可恒溫預(yù)熱化學(xué)劑溶液至60℃。

4）室內(nèi)模擬驅(qū)油實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，化學(xué)生熱體系間歇燜井驅(qū)油最終驅(qū)油效率比水驅(qū)高。

［1］ Mitchell T L.Field application of a chemical heat and nitrogen generating system［R］.SPE 12776，1984.

［2］ 劉蜀知，孫艾茵，劉福建，等.自生熱壓裂生熱劑用量?jī)?yōu)化方法［J］.石油鉆采工藝，2003，25（1）：45-50.

［3］ 殷方好，王慶，張彬，等.克拉瑪依油田304斷塊氮?dú)馀菽{(diào)驅(qū)正交優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.斷塊油氣田，2011，18（2）：267-269.

［4］ 劉秋杰，朱學(xué)謙，王熙華，等.對(duì)無能量補(bǔ)充井采收率影響因素的初步探討［J］.斷塊油氣田，2001，8（2）：36-38.

［5］ 吳安明，陳茂濤，顧樹人，等.NaNO2與NH4Cl反應(yīng)動(dòng)力學(xué)及其在油田的應(yīng)用研究［J］.石油鉆采工藝，1995，17（5）：60-64.

［6］ 王厲強(qiáng)，王洪輝，向陽，等.開發(fā)概念方案優(yōu)化的正交設(shè)計(jì)缺陷及解決方法［J］.天然氣工業(yè)，2007，27（4）：101-103.

［7］ 李迎環(huán).正交試驗(yàn)法優(yōu)化超稠油水平井界限參數(shù)［J］.斷塊油氣田，2010，17（1）：76-78.

［8］ 董長(zhǎng)銀，張琪，曲占慶.水平井礫石充填參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的正交數(shù)值試驗(yàn)法［J］.石油鉆采工藝，2004，26（2）：42-44.

［9］ 劉應(yīng)紅，李宗田，趙碧華.利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法優(yōu)選低滲油藏整體壓裂方案［J］.斷塊油氣田，2000，7（3）：46-50.

［10］Ashton J P.In-situ heat system stimulates paraffinic crude producers in Gulf of Mexico［R］.SPE 15660，1985.

［11］張小平，佘躍惠，余維初，等.GS固砂劑在青海尕斯油田的應(yīng)用［J］.斷塊油氣田，2001，8（1）：62-65.

［12］韓興剛，徐文，劉海鋒.正交試驗(yàn)法在油氣田開發(fā)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.天然氣工業(yè)，2005，25（4）：116-118.

［13］吳曉東，張玉豐，劉彥輝.蒸汽吞吐井注汽工藝參數(shù)正交優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.石油鉆探技術(shù)，2007，35（3）：1-5.

［14］耿站立，姜漢橋，李杰，等.正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法在優(yōu)化注聚參數(shù)研究中的應(yīng)用［J］.石油學(xué)報(bào)，2007，29（5）：119-121.

［15］趙普春.用正交試驗(yàn)法確定最佳調(diào)剖施工參數(shù)［J］.西安石油學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，1996，11（4）：42-44.

（編輯 孫薇）

Parameter optimization and oil displacement efficiency test on chemical heat generation system

Yin Dandan,Yang Shenglai,Zhao Dongfeng,Sun Xiaoxu,Liao Changlin
(MOE Key Laboratory of Petroleum Engineering,China University of Petroleum,Beijing 102249,China)

The chemical system of NaNO2/NH4Cl generates vast amounts of heat energy and N2under suitable reaction conditions. Injection of the system to low permeability reservoir and heavy oil reservoir can increase the reservoir temperature to reduce the oil viscosity and to reduce the organic block.But the factors affecting the heat release rate of heat generation system are complex.Based on the orthogonal experimental design,the temperature peak of affecting the chemical heat generation system of NaNO2/NH4Cl,the time of attaining the temperature peak and factors of pressure peak are analyzed with intuition and with range.It is believed that the main factor of affecting temperature peak and pressure peak is initial reaction temperature,then reaction concentration and finally pH value.Main impact factor of reaching the time of temperature peak is pH value,then initial reaction temperature,finally reaction concentration.Optimal combination scheme of various materials is optimized in the process of thermochemistry temperature increasing of reservoir for the heat system.Through the use of heat generation system of this combination,oil displacement of low permeability and heavy oil reservoir is simulated in laboratory,which demonstrates that the heat generation system can improve the oil displacement efficiency of 19.082 percentage points,compared with conventional waterflooding.

chemical heat generation;parameter optimization;orthogonal experiment;oil displacement efficiency;oil reservoir with high viscosity and low permeability

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“超深層油氣藏巖石物性垂向分布規(guī)律及滲流特征研究”（50874114）

TE39

A

10.6056/dkyqt201204023

2012-01-22；改回日期：2012-05-19。

殷丹丹，女，1984年生，流體力學(xué)專業(yè)在讀碩士研究生，2009年畢業(yè)于東北石油大學(xué)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)，主要從事油氣田開發(fā)工作。E-mail：aayindan@163.com。

殷丹丹，楊勝來，趙東鋒，等.化學(xué)生熱體系參數(shù)優(yōu)化及驅(qū)油效率試驗(yàn)研究［J］.斷塊油氣田，2012，19（4）：500-503.

Yin Dandan，Yang Shenglai，Zhao Dongfeng，et al.Parameter optimization and oil displacement efficiency test on chemical heat generation system［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2012，19（4）：500-503.