指紋分析技術(shù)在火驅(qū)燃燒狀態(tài)識(shí)別中的應(yīng)用

張方禮，趙慶輝，閆紅星，楊俊印，劉家林

(國家能源稠(重)油開采研發(fā)中心 中國石油遼河油田分公司，遼寧 盤錦 124010)

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指紋分析技術(shù)在火驅(qū)燃燒狀態(tài)識(shí)別中的應(yīng)用

張方禮，趙慶輝，閆紅星，楊俊印，劉家林

(國家能源稠(重)油開采研發(fā)中心 中國石油遼河油田分公司，遼寧 盤錦 124010)

為判識(shí)原油改質(zhì)程度和原油火驅(qū)過程中燃燒狀態(tài)，對(duì)稠油火驅(qū)前后樣品的全烴色譜指紋特征進(jìn)行分析，探索了火驅(qū)開發(fā)過程中燃燒狀態(tài)的識(shí)別方法，并對(duì)稠油高、低溫氧化特征進(jìn)行了研究，取得的成果在Du66塊火驅(qū)取心井分析中得到應(yīng)用。研究表明，全烴色譜指紋技術(shù)可對(duì)比火驅(qū)反應(yīng)前后樣品的微小特征變化。稠油在低溫氧化階段，姥鮫烷與nC17、植烷與nC18比值增大，正構(gòu)烷烴相比姥鮫烷、植烷更易受低溫氧化作用的影響，CPI和OEP升高；在高溫氧化階段，原油明顯改質(zhì)，原油輕重比顯著增大。利用該技術(shù)方法判識(shí)Shu1-46-K037取心井火燒層段，分析認(rèn)為埋深約為978.15 m的巖心具有高溫氧化的特征，可能是火驅(qū)的過火層段。稠油火驅(qū)過程中，全烴色譜指紋分析技術(shù)可作為識(shí)別燃燒狀態(tài)的有效手段，為火驅(qū)效果綜合評(píng)價(jià)奠定了基礎(chǔ)。

指紋分析技術(shù)；全烴色譜；火驅(qū) ；稠油油藏；燃燒狀態(tài)；Du66塊

0 引 言

火燒油層是繼蒸汽吞吐、蒸汽驅(qū)、SAGD后稠油油藏有效開發(fā)的一種提高采收率技術(shù)，其具有適應(yīng)性強(qiáng)、開采成本低、采收率高等諸多優(yōu)勢(shì)[1-2]。經(jīng)過調(diào)研，火驅(qū)過程中原油燃燒狀態(tài)對(duì)火驅(qū)開發(fā)效果有直接影響，因此，評(píng)價(jià)火驅(qū)燃燒狀態(tài)顯得十分重要和必要。

由于火驅(qū)作用機(jī)理復(fù)雜，火驅(qū)過程中燃燒狀態(tài)難以快速判定，這是火驅(qū)開發(fā)的技術(shù)難點(diǎn)。原油在火驅(qū)過程中經(jīng)歷了非常復(fù)雜的物理化學(xué)變化，低溫氧化與高溫氧化可能同時(shí)存在，不能用簡單的低溫、高溫氧化反應(yīng)或者某一個(gè)簡單的方程式來表述火驅(qū)過程[3-7]。通過大量的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，建立了利用全烴色譜指紋技術(shù)捕捉原油樣品火燒前后微小特征變化的方法，以達(dá)到判識(shí)原油改質(zhì)程度和原油火驅(qū)過程中燃燒狀態(tài)的目的。該方法已在火驅(qū)取心井樣品分析中得到了應(yīng)用，為火驅(qū)效果綜合評(píng)價(jià)奠定了基礎(chǔ)。

1 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)用油

低溫與高溫氧化實(shí)驗(yàn)以Shu1-43-32井原油為實(shí)驗(yàn)樣品，50 ℃原油脫氣黏度為902 mPa·s，以下該井樣品簡稱稠油樣品。

1.2 設(shè)備與方案

為了獲取低溫與高溫氧化條件下的稠油樣品，分別開展了原油的低溫與高溫氧化反應(yīng)室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)。低溫氧化實(shí)驗(yàn)采用低溫氧化罐進(jìn)行物理模擬，將稠油樣品加入氧化罐后密封，升溫至90 ℃后恒溫120 h，待充分反應(yīng)后冷卻至室溫采集稠油樣品；高溫氧化實(shí)驗(yàn)采用一維驅(qū)替模型，點(diǎn)火溫度為500 ℃，燃燒結(jié)束后繼續(xù)通風(fēng)，驅(qū)替過程中采集產(chǎn)出的油樣。

采集的油樣在Agilent6890上進(jìn)行全烴色譜分析。色譜柱規(guī)格為30.00 m×250.00 μm×0.25 μm，升溫程序?yàn)橄?0 ℃恒溫4 min，然后以6 ℃/min的升溫速率升至320 ℃，該溫度下保持30 min，檢測(cè)器為FID，載氣為氦氣，進(jìn)樣量約1～2 μL。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

全烴色譜指紋分析技術(shù)可對(duì)不同稠油樣品烷烴分布特征進(jìn)行定性描述，圖1是稠油原始樣品全烴色譜指紋圖。由圖1可知，正構(gòu)烷烴分布特征，主峰碳較大(nC19)，碳數(shù)分布范圍較小(nC13～nC34)，nC5～nC13之間較輕的正構(gòu)烷烴未檢測(cè)到，C22以后高碳數(shù)正構(gòu)烷烴含量下降較緩慢，峰型為明顯的單峰特征。異構(gòu)烷烴中的姥鮫烷(Pr)、植烷(Ph)含量低于相鄰的正構(gòu)烷烴(nC17、nC18)。

圖1 稠油原樣全烴色譜指紋圖

圖2是稠油90 ℃低溫氧化后全烴色譜指紋圖。由圖2可知，在經(jīng)歷90 ℃低溫氧化后主峰碳無變化(nC19)，正構(gòu)烷烴分布范圍略微縮小(nC14～nC31)，峰型依然保持單峰型，但從nC16開始基線逐漸抬起，出現(xiàn)明顯的大包絡(luò)，表明稠油在低溫氧化階段難以分辨的復(fù)雜化合物明顯增加，反應(yīng)機(jī)理較復(fù)雜[8]。另外，異構(gòu)烷烴中植烷含量增加，明顯大于相鄰的正構(gòu)烷烴(nC18)含量，姥鮫烷則略小于相鄰的正構(gòu)烷烴(nC17)含量。

圖2 稠油90℃低溫氧化后全烴色譜指紋圖

圖3是稠油高溫氧化后全烴色譜指紋圖。在經(jīng)歷高溫氧化后稠油改質(zhì)特征明顯，表現(xiàn)為主峰碳由之前的nC19前移至nC15，碳數(shù)分布范圍明顯增大(nC7～nC37)，低碳數(shù)正構(gòu)烷烴明顯占優(yōu)勢(shì)，尤其是nC15之前低碳數(shù)正構(gòu)烷烴明顯增加，nC22之后高碳數(shù)正構(gòu)烷烴含量明顯降低，說明稠油在高溫氧化過程中長鏈烷烴發(fā)生斷裂，生成了分子質(zhì)量較小的短鏈烷烴，而峰型依然為單峰型。異構(gòu)烷烴中的姥鮫烷、植烷相對(duì)含量低于相鄰的正構(gòu)烷烴(nC17、nC18)。

圖3 稠油高溫氧化后全烴色譜指紋圖

全烴色譜指紋技術(shù)可對(duì)稠油樣品烷烴分布形態(tài)進(jìn)行定性描述，對(duì)不同烷烴之間相對(duì)含量進(jìn)行定量分析，表1是稠油樣品火燒前后的全烴色譜參數(shù)。碳優(yōu)勢(shì)指數(shù)(CPI)和奇偶優(yōu)勢(shì)比(OEP)可粗略估算原油的成熟度，由表1可知，稠油原樣的CPI和OEP均大于1.00，分別為1.08和1.09，略呈奇碳優(yōu)勢(shì)，表現(xiàn)為成熟有機(jī)質(zhì)的特征。此外，稠油低溫氧化后CPI和OEP值表現(xiàn)出升高的特征，奇碳優(yōu)勢(shì)明顯，說明稠油中偶碳對(duì)低溫氧化作用更敏感，而在高溫氧化階段，CPI和OEP值基本無變化。

原油輕重比表示的是低碳數(shù)正構(gòu)烷烴含量總和與高碳數(shù)正構(gòu)烷烴含量總和的比值，其既可反映母質(zhì)來源的差異，又可反映熱演化程度的高低，一般水生生物來源越多、熱演化程度越高，輕重比值越高[9-10]。由表1可知，稠油原樣輕重比值為0.81，經(jīng)歷低溫氧化后，該比值基本無變化(0.79)，結(jié)合全烴色譜指紋圖(圖2)分析認(rèn)為，在90 ℃低溫氧化階段高碳數(shù)與低碳數(shù)正構(gòu)烷烴同時(shí)受氧化作用的影響，且影響的程度接近，導(dǎo)致2個(gè)樣品該比值接近；高溫氧化后，輕重比值增大到1.74，這是因?yàn)樵诟邷匮趸A段，熱動(dòng)力學(xué)作用較強(qiáng)，長鏈烷烴受熱作用斷裂成分子質(zhì)量較小的短鏈烷烴，全烴色譜指紋圖(圖3)可看到，nC15之前正構(gòu)烷烴含量增加，nC22之后正構(gòu)烷烴含量降低，這也是高溫氧化作用下稠油黏度降低的主要原因。

表1 Shu1-43-32井稠油樣品火燒前后全烴色譜參數(shù)

姥鮫烷、植烷以及姥植比經(jīng)常用作判別氧化還原環(huán)境及古環(huán)境水體的深淺[11-12]。經(jīng)典觀點(diǎn)認(rèn)為，姥鮫烷形成于氧化作用較強(qiáng)的富氧環(huán)境，植烷形成于還原作用較強(qiáng)的缺氧環(huán)境，姥植比小于1，表明沉積環(huán)境缺氧，此時(shí)指示水體環(huán)境較深；姥植比大于1，則指示沉積環(huán)境富氧，水體環(huán)境較淺。另外，姥植比也可反應(yīng)成熟度的差異，一般姥植比會(huì)隨熱成熟作用的增強(qiáng)而增加，Pr與nC17、Ph與nC18比值也可用來判別熱演化作用的強(qiáng)弱。由表1可知，在經(jīng)歷低溫氧化后，稠油姥植比由1.68減小至0.33，Pr與nC17比值由0.63增加0.93，Ph與nC18比值由0.40增加2.26，這可能是由于低溫氧化作用導(dǎo)致稠油中具有植烷側(cè)鏈的大分子前身化合物發(fā)生斷裂，植烷含量增加，并說明正構(gòu)烷烴相比于類異戊二烯類烷烴(姥鮫烷、植烷)更易受低溫氧化作用的影響；高溫氧化后，稠油姥植比由1.68略微減小至1.37，Pr與nC17比值由0.63減小0.49，Ph與nC18比值保持0.40不變。分析認(rèn)為，在高溫氧化階段，高碳數(shù)正構(gòu)烷烴斷裂成低碳數(shù)正構(gòu)烷烴，nC17、nC18含量增加，類異戊二烯類烷烴(姥鮫烷、植烷)熱穩(wěn)定性好于正構(gòu)烷烴，含量變化不大，因而導(dǎo)致Pr與nC17、Ph與nC18比值減小。

3 實(shí)際應(yīng)用

全烴色譜指紋分析技術(shù)能夠有效識(shí)別稠油火驅(qū)的燃燒狀態(tài)，可利用全烴色譜指紋圖和全烴色譜參數(shù)來判斷是否發(fā)生高溫或者低溫氧化過程。

Shu1-46-K037井為遼河油田Du66塊火燒油層礦區(qū)的取心井，選取5塊埋深為966.00～1 060.77 m的巖心樣品，其中深度1 047.98、1 066.77 m處為未動(dòng)用油層，對(duì)采集的5塊樣品按照標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5118-2005得到儲(chǔ)層抽提物，并進(jìn)行全烴色譜指紋分析來判識(shí)燃燒狀態(tài)(圖4)，表2為相應(yīng)的全烴色譜參數(shù)。

表2 Shu1-46-K037井不同深度抽提物全烴色譜參數(shù)

從圖4a、b可知，因埋藏較淺，受到生物降解作用影響，966.00、968.75 m巖心抽提物全烴色譜圖中正構(gòu)烷烴含量極低，主峰碳較大(nC25)，異構(gòu)烷烴中姥鮫烷、植烷占明顯優(yōu)勢(shì)(Pr大于nC17、Ph大于nC17)；圖4d、e分別為1 047.98、1 060.77 m巖心抽提物全烴色譜指紋圖，由于該深度范圍的樣品來自于未動(dòng)用油層，保留了比較完整的原始地層信息，在5個(gè)樣品的全烴色譜指紋圖中正構(gòu)烷烴分布最完整，且含量豐富，主峰碳為nC17，碳數(shù)分布范圍較大(nC12～nC31)，呈單峰型分布，異構(gòu)烷烴中姥鮫烷、植烷略占優(yōu)勢(shì)；圖4c為978.15 m全烴色譜指紋圖，既不同于圖4a、b巖心樣品有生物降解的特征，也不同于圖4d、e巖心樣品保存較完整的原始地層信息，該巖心樣品全烴色譜圖中整體呈單峰型分布，主峰碳為nC17，碳數(shù)分布范圍較大(nC12～nC29)，但nC15～nC21之間的低碳數(shù)正構(gòu)烷烴占絕大多數(shù)，分析認(rèn)為該深度附近原油由于受高溫氧化作用的影響，長鏈烷烴發(fā)生斷裂生成了低碳數(shù)烷烴，但因?yàn)樵摰貐^(qū)該深度原油火燒之前受生物降解影響，所以其烷烴分布特征與室內(nèi)高溫氧化實(shí)驗(yàn)有差異。

圖4 Shu1-46-K037井不同深度全烴色譜指紋

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)證明，低溫氧化過程中OEP值升高。由表2可知，無論是與淺部966.00、978.15 m巖心樣品還是與深部1 047.98、1 060.77 m巖心樣品相比，978.15m巖心樣品的OEP值最低，并未表現(xiàn)出低溫氧化的特征。

輕重比可判識(shí)火驅(qū)過程中長鏈烷烴是否斷裂為短鏈烷烴，進(jìn)而判識(shí)火驅(qū)燃燒狀態(tài)。978.15 m巖心樣品輕重比值高達(dá)4.64，明顯高于其余4塊巖心樣品(表2)，表明該深度附近發(fā)生了高溫氧化作用，原油品質(zhì)得到改善，高碳數(shù)長鏈烷烴發(fā)生斷裂，形成了低碳數(shù)烷烴。

由表2可知，5塊巖心樣品的姥植比變化不大，初步分析認(rèn)為與該地區(qū)生物降解有關(guān)。978.15 m巖心樣品的Pr與nC17、Ph與nC18比值明顯小于其余4塊樣品。這是因?yàn)樵摰貐^(qū)火驅(qū)前普遍受生物降解，正構(gòu)烷烴基本消失殆盡，在發(fā)生高溫氧化后長鏈烷烴斷裂生成低碳數(shù)正構(gòu)烷烴，而Pr、Ph熱穩(wěn)定性又好于正構(gòu)烷烴，從而導(dǎo)致該深度樣品Pr與nC17、Ph與nC18比值明顯偏低。此外，該井組自2006年11月轉(zhuǎn)火驅(qū)，年產(chǎn)液、年產(chǎn)油量在火驅(qū)之后均有大幅度提高，年產(chǎn)液量由火驅(qū)前的551 t/a升至火驅(qū)后的9 368 t/a，年產(chǎn)油量也由火驅(qū)前的275.90 t/a大幅提高到火驅(qū)后4 063.55 t/a(圖5)，火驅(qū)效果明顯。這與前面利用全烴色譜指紋技術(shù)判斷的Shu1-46-K037井發(fā)生了高溫氧化的觀點(diǎn)一致。

圖5 Shu1-46-K037井組不同年份產(chǎn)液量和產(chǎn)油量

4 結(jié) 論

(1) 稠油火驅(qū)過程中，全烴色譜指紋技術(shù)可作為識(shí)別燃燒狀態(tài)的有效手段。

(2) 稠油經(jīng)歷低溫氧化，主峰碳不變，正構(gòu)烷烴分布范圍略變小，CPI和OEP值升高，奇碳優(yōu)勢(shì)明顯，稠油中偶碳對(duì)低溫氧化作用更敏感；輕重比基本不變，基線抬升，出現(xiàn)明顯的大包絡(luò)，說明稠油在低溫氧化階段難以分辨的復(fù)雜化合物明顯增加；姥植比減小，Pr與nC17、Ph與nC18比值增大，正構(gòu)烷烴相比于類異戊二烯類烷烴更易受低溫氧化作用的影響。

(3) 稠油經(jīng)歷高溫氧化，改質(zhì)作用最明顯，主峰碳前移，碳數(shù)分布范圍變大，CPI和OEP值基本不變；輕重比值增大，低碳數(shù)正構(gòu)烷烴占優(yōu)勢(shì)；姥植比、Pr與nC17比值、Ph與nC18比值變化不大。

(4) 利用全烴色譜指紋技術(shù)分析了Du66塊火驅(qū)取心井Shu1-46-K037井966.00～1 060.77 m的5塊巖心樣品，認(rèn)為978.15 m巖心樣品具有高溫氧化的特征，該深度附近可能是火驅(qū)的過火層段。

[1] 張敬華，楊雙虎，王慶林.火燒油層采油[M].北京：石油工業(yè)出版社，2000：6-7.

[2] 岳清山，王艷輝.火燒驅(qū)油采油方法的應(yīng)用[M].北京：石油工業(yè)出版社，2000：16-17.

[3] 張方禮.火燒油層技術(shù)綜述[J].特種油氣藏，2011，18(6)：1-6.

[4] 楊俊印.火燒油層(干式燃燒)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究[J].特種油氣藏，2011，18(6)：96-99.

[5] 李少池，王艷輝.火燒油層物理模擬的研究[J].石油勘探與開發(fā)，1997，24(2)：73-79.

[6] 趙東偉，蔣海巖，張琪.火燒油層干式燃燒物理模擬研究[J].石油鉆采工藝，2005，27(1)：36-39.

[7] 張旭，劉健儀.注氣提高采收率技術(shù)的挑戰(zhàn)與發(fā)展——注空氣低溫氧化技術(shù)[J].特種油氣藏，2006，13(1)：6-9.

[8] 彼得斯K E，莫爾多萬J M.生物標(biāo)記化合物指南—古代沉積物和石油中分子化石的解釋[M].北京：石油工業(yè)出版社，1995：67-76.

[9] 黃第藩，李晉超.利用氣相色譜資料探討幾種成油生源構(gòu)成[J].石油與天然氣地質(zhì)，1982，3(3)：251-259.

[10] 孟仟祥，房寰，徐永昌，等.柴達(dá)木盆地石炭系烴源巖和煤巖生物標(biāo)志物特征及其地球化學(xué)意義[J].沉積學(xué)報(bào)，2004，22(4)：729-736.

[11] 竇啟龍，陳踐發(fā)，薛艷芬，等.實(shí)驗(yàn)室條件下微生物降解原油的地球化學(xué)特征研究[J].沉積學(xué)報(bào)，2005，23(3)：542-547.

[12] 梅博文，劉希江.我國原油中異戊間二烯烴的分布及其與地質(zhì)環(huán)境的關(guān)系[J].石油與天然氣地質(zhì)，1980，1(2)：99-115.

編輯 王 昱

20150722；改回日期：20150928

國家科技重大專項(xiàng)“渤海灣盆地遼河坳陷中深層稠油開發(fā)技術(shù)示范工程(二期)”(2011ZX05053)專題“直井火燒油層調(diào)控技術(shù)示范”

張方禮(1961-)，男，教授級(jí)高級(jí)工程師，1983年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院油藏工程專業(yè)，本刊主編，現(xiàn)從事油氣田勘探與開發(fā)研究工作。

10.3969/j.issn.1006-6535.2015.06.017

TE135

A

1006-6535(2015)06-0080-05