超稠油油藏火驅(qū)輔助重力泄油技術實驗研究

劉其成，劉寶良，程海清

(1.中油遼河油田分公司，遼寧 盤錦 124010;2.國家能源稠(重)油開采研發(fā)中心，遼寧 盤錦 124010)

引 言

火燒油層[1－3]是一種重要的稠油熱采方法，常規(guī)火燒油層是利用直井注氣點火和生產(chǎn)，在生產(chǎn)過程中驅(qū)替的原油需要運移整個井距的距離，在到達生產(chǎn)井之前一直溫度較低。這種長距離驅(qū)替往往伴隨許多問題，如氣體超覆導致的燃燒不均勻、地層非均質(zhì)造成的氧氣過早突破等。因此一些專家學者提出了直井注氣、水平生產(chǎn)井采油的火燒油層新技術[4－9]——火驅(qū)輔助重力泄油。其技術關鍵在于縮小了反應區(qū)和生產(chǎn)井的距離，是反應產(chǎn)物和流動的原油與生產(chǎn)井通過重力和井底壓差直接連通，有利于形成穩(wěn)定火燒反應帶。該技術目前還處于探索階段，雖然有礦場試驗，也取得一定效果，但對火驅(qū)輔助重力泄油過程中穩(wěn)火、控火等難點認識還不夠清楚。針對以上問題，筆者利用自主研制的大型火燒油層比例模擬實驗裝置，從室內(nèi)實驗角度對火驅(qū)輔助重力泄油技術進行了分析研究。

1 實驗裝置及方法

1.1 火燒油層比例模擬實驗裝置

火燒油層比例模擬實驗系統(tǒng)主要由模型本體及輔助裝置構成，其中輔助裝置包括空氣與水蒸汽注入、點火控制、溫度與壓力數(shù)據(jù)采集、產(chǎn)出流體分離計量。模型本體中溫度監(jiān)測采用熱電偶，壓力和壓差監(jiān)測采用相應傳感器，通過與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)聯(lián)用，可判斷火線前緣在平面和縱向上的展布規(guī)律。

1.2 實驗準備及方法

(1)物理模擬實驗方案設計。圍繞超稠油油藏火驅(qū)輔助重力泄油是否可行、如何實現(xiàn)穩(wěn)定泄油的目的，設計實驗方案。

(2)物理模型的比例?；?。選取相似準則[10－11]，比例?；繕藚^(qū)塊油藏物性參數(shù)、幾何參數(shù)及注采參數(shù)等。模型井網(wǎng)布置見圖1。

(3)模型裝填。在模型相應位置布設注氣井、水平生產(chǎn)井、排氣井及點火器，排布適當數(shù)量的溫度、壓力測點，以捕獲火線的展布規(guī)律;實驗用油選擇S1－38－32塊超稠油，與石英砂混合配制得到一定含油飽和度的油砂。

(4)實驗流程連接:將模型與輔助裝置連接。

首先分別對注氣井、生產(chǎn)井多輪次蒸汽吞吐預熱，建立井間熱連通，當井間溫度達到了實驗用油的拐點溫度時預熱階段結束;啟動點火器，開始低速注空氣、點火;火線形成后，根據(jù)實時溫度場及尾氣組分變化，進行實驗調(diào)控;當實驗達到預期目標 時，向模型內(nèi)注入氮氣進行滅火、降溫，實驗結束。

圖1 火驅(qū)輔助重力泄油比例模擬三維模型結構

2 實驗結果與分析

2.1 可行性分析

原油燃燒反應放出足夠高的熱量是火驅(qū)輔助重力泄油技術實現(xiàn)泄油的先決條件。S1－38－32塊超稠油TG及DSC放熱特性實驗見圖2。由圖2可知，150℃時原油低溫氧化反應開始加速，反應的活化能為25.689 kJ/mol，放熱量為554.35 J/g;330～420℃ TG曲線出現(xiàn)明顯變化，意味著氧化反應與裂解反應并存，且裂解反應明顯加快，放熱量為944.23 J/g;420～573℃為高溫氧化區(qū)間，反應活化能為196.23 kJ/mol，總放熱量為4899.36 J/g。

圖2 S1－38－32塊超稠油TG及DSC曲線

原油持續(xù)燃燒的條件是有足量空氣供應和燃燒放出熱量能使燃燒前緣保持足夠高的溫度。一維燃燒管實驗條件:20℃原油密度為0.985 g/cm3，50℃原油黏度為73580 mPa·s，初始含油飽和度為 56%，通風強度為 80 m3·m－2·h－1，空氣流量為0.282 m3/h，點火溫度為500℃，出口壓力為1.0 MPa。S1－38－32塊超稠油可以與空氣發(fā)生高溫氧化反應，門檻溫度為360℃，燃料消耗量為28.99 kg/m3，空氣消耗量為298.6 m3/m3，即油藏中有14.73%的原油參與氧化反應而被消耗掉，被消耗原油放出的熱量可使燃燒前緣溫度達到500～600℃。在較高的溫度下，原油黏度大幅度下降，可流動的原油與燃燒產(chǎn)物不需經(jīng)過冷油區(qū)，在重力和氣驅(qū)作用下直接進入生產(chǎn)井，避免了常規(guī)火燒油層工藝長距離驅(qū)替的缺點，使火驅(qū)開發(fā)特、超稠油成為可能。

2.2 穩(wěn)定泄油條件

火驅(qū)輔助重力泄油技術是通過注氣直井點火并連續(xù)注入空氣，火線前緣為結焦帶，結焦帶之前是溫度較高的可流動油區(qū)，可流動油區(qū)的原油受重力作用，向下流入水平生產(chǎn)井被采出，因此該技術成功實施的關鍵是形成穩(wěn)定泄油。

(1)初始溫度場的建立。通過垂直注氣井點火并連續(xù)注氣，火線首先形成于注氣井附近，此時可流動油區(qū)雖然已經(jīng)形成，但由于離水平井段還有一定距離，原油下泄運移過程中，又因溫度降低導致黏度增大而停滯、聚集，形成高含油飽和度區(qū)域，堵塞了氣體通道，抑制了高溫氧化反應進行，影響了火線移動與拓展，甚至可引起熄火等嚴重后果。因此，在點火操作之前，注氣直井與水平生產(chǎn)井之間必須要形成可流動油區(qū)，即建立初始煙氣通道，保證受火線影響的原油在重力作用下穩(wěn)定泄入水平井段。為達到上述目的，先在注氣直井多輪次蒸汽吞吐，適時開展水平井蒸汽吞吐，然后轉入直井注汽水平井產(chǎn)液的循環(huán)預熱模式，使井間形成熱連通。轉注空氣時，垂直井射孔位置應位于油層中上部，點火后形成燃燒區(qū)域有利于火線的形成和拓展。該階段因燃燒區(qū)域小注氣量不宜過大，在靠近垂直井的油層頂部形成碗型火腔是火驅(qū)輔助重力泄油的重要基礎。

圖3 泄油通道的建立

(2)泄油通道的建立?；鹁€在注氣井與水平井壓差作用下，沿著先前建立的熱通道向生產(chǎn)井發(fā)展;受氣體超覆影響，火線向上方、側上方擴展。受氣體驅(qū)替與超覆共同作用，火線與水平井呈一定角度的斜面，該斜面即是原油下泄的主要通道，見圖3。由于熱流體只有水平生產(chǎn)井一個出口，氣體在壓差作用下極易突破燃燒前緣進入水平井。如果空氣中氧氣在燃燒前緣消耗不充分，容易將火引向水平生產(chǎn)井，導致水平井段被燒毀。氧氣在生產(chǎn)井筒中與原油發(fā)生低溫氧化，原油黏度急劇升高導致井筒堵塞。為此，保持泄油通道穩(wěn)定推進，實現(xiàn)穩(wěn)定泄油的前提條件為:①燃燒帶加熱形成的高溫可動油能及時被采出;②在水平井上方或兩側需布設排氣井，牽引火線，排放尾氣;③避免引火燒毀水平生產(chǎn)井。

3 穩(wěn)火與控火調(diào)控措施

3.1 注氣井射孔位置的選擇

火線首先由注氣井射孔位置處形成，受氣體超覆影響，火線會向上拓展。若射孔位置位于油藏中部或下部，部分可流動油區(qū)位置將處于火線的上方、側上方(圖4a)，原油在重力作用下會與火線相向而行，即“火上澆油”。監(jiān)測同一位置的溫度變化曲線會出現(xiàn)雙峰、多峰或峰值平緩的現(xiàn)象(圖4b)，即二次燃燒。射孔位置處于油藏上部1/3時，二次燃燒消耗原油占火線波及區(qū)域原始儲量的3.2%;射孔位置處于油藏中部時，二次燃燒消耗原油增為8.16%。由此可見，可將注氣井射孔井段調(diào)整至油藏上部，使受火線波及影響的可流動油沿著斜面下泄，盡量避免流入已燃區(qū)域，減少二次燃燒對原油的消耗。

圖4 二次燃燒實驗現(xiàn)象

3.2 排氣井排氣量的控制

燃燒產(chǎn)生的尾氣通過水平井排出，極易引起火線沿著尾氣通道產(chǎn)生竄流，造成燃燒帶加熱形成的高溫可動油不能及時被采出，以及尾氣中殘留的氧氣與井筒中原油發(fā)生低溫氧化結焦堵塞井筒，甚至引火燒毀水平生產(chǎn)井的后果。在水平井上方或兩側布設排氣井(圖1)，對火線有橫向拽拉作用(圖5a)，避免了火線突破水平生產(chǎn)井，有利于擴大火線波及范圍。排氣井的開啟時機很重要，根據(jù)實驗結果，火線形成后即開啟就近排氣井，排氣井的排氣量應大于水平井的產(chǎn)出氣量。排氣井與水平生產(chǎn)井排氣比例為7∶3時，既有利于火線與水平井腳尖方向呈斜面135°左右穩(wěn)定推進(圖5b)，又有助于水平井筒上方形成一薄層結焦帶，防止注入氣體因短路效應直接進入水平井內(nèi)。實時監(jiān)測排氣井井底溫度變化，當溫度超過250℃時，表明火線前緣已接近，此時應關閉該排氣井，開啟下一口井，實現(xiàn)火線水平方向連續(xù)拽拉。

3.3 水平井生產(chǎn)井注水蒸汽

為了將燃燒帶加熱形成的高溫可動油及時采出，根據(jù)現(xiàn)場實際，實驗設計既可注水蒸汽又可采油的水平井管柱。注入水蒸汽，可對水平井循環(huán)預熱，使下泄至井筒的原油保持良好的流動性，有利于舉升采出。當水平井段某處溫度超過200℃時，意味火線前緣接近水平井，此時應連續(xù)注入150～200℃水蒸汽，火線前緣與水蒸汽相遇，溫度迅速下降，火線推進受到抑制，封堵了氣體進入水平井的通道。同時增加排氣井排氣量，減少水平生產(chǎn)井生產(chǎn)氣量，防止火線突破水平井“引火燒身”，造成火驅(qū)輔助重力泄油技術失敗。

圖5 比例物理模擬實驗結果

4 結論

(1)原油燃燒反應放出足夠高的熱量是火驅(qū)輔助重力泄油技術實現(xiàn)泄油的先決條件。S1－38－32塊超稠油高溫氧化總放熱量為4899.36 J/g，門檻溫度為360℃，燃燒消耗的原油放出的熱量可使燃燒前緣溫度達到500～600℃。受熱后可流動的原油與燃燒產(chǎn)物不需經(jīng)過冷油區(qū)，在重力和氣驅(qū)作用下直接進入生產(chǎn)井，使得超稠油油藏實施火驅(qū)輔助重力泄油成為可能。

(2)保持泄油通道穩(wěn)定推進，實現(xiàn)穩(wěn)定泄油的前提條件為:燃燒帶加熱形成的高溫可動油能及時被采出;在水平井上方或兩側需布設排氣井，牽引火線，排放尾氣;避免引火燒毀水平生產(chǎn)井。

(3)水平生產(chǎn)井注水蒸汽可防止火線突破生產(chǎn)井，又對水平井進行循環(huán)預熱，有利于原油產(chǎn)出。注氣井合理的射孔位置可以減少二次燃燒;排氣井對火線有橫向拽拉作用，排氣井與水平生產(chǎn)井排氣比例為7∶3，有利于火線穩(wěn)定推進，發(fā)揮重力泄油作用。

[1]張方禮.火燒油層技術綜述[J].特種油氣藏，2011，18(6):1－5.

[2]王彌康，張毅，黃善波，等.火燒油層熱力采油[M].東營:石油大學出版社，1998:9－18.

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

[4]Greaves M，Xia T X.Recent laboratory results of thai and its comparison with other ior processes[C].SPE59334，2000:1－31.

[5]Greaves M，Xia T X，Turta A T.Stability of thaitm process——theoreticaland experimentalobservations[J].Journal of Canadian Petroleum Technology，2008，47(9):63－73.

[6]Xia T X，Greaves M，Turta A T.Thai:a“Short－ Distance Displacement”in situ combustion process for the recovery and upgrading of heavy oil:oil and natural gas production[J].Chemical Engineering Research ＆ Design，2003，81(3):295－304.

[7]關文龍，吳淑紅，梁金中，等.從室內(nèi)實驗看火驅(qū)輔助重力泄油技術風險[J].西南石油大學學報:自然科學版，2009，31(4):67 －72.

[8]Binder G G，et al.Scaled－Model test of in－situ combustion in mossive unconsolidated sands[C].Proc，Seventh World Pet Cong Maxico City，1967，3:477 －485.

[9]Garon A M ，et al.A laboratory investigation of sweep during oxygen and air fireflooding[C].SPE12676，1986:565－574.

[10]張方禮，劉其成，趙慶輝，等.火燒油層燃燒反應數(shù)學模型研究[J].特種油氣藏，2012，19(5):55－59.

[11]劉其成，程海清，張勇，等.火燒油層物理模擬相似原理研究[J].特種油氣藏，2013，20(1):111－114.