火燒油層化學(xué)機(jī)理研究

韓冠永 劉永建 耿志剛

摘 要：研究火燒油層化學(xué)機(jī)理，是為了改善火燒油層燃燒性能參數(shù)，而認(rèn)識(shí)火燒油層技術(shù)最直接、最有效的研究手段之一是物理模擬實(shí)驗(yàn)，所以，借助火燒油層物理模擬實(shí)驗(yàn)來(lái)開(kāi)展火燒油層化學(xué)機(jī)理及其改善方法研究是行之有效的。火燒油層復(fù)雜的化學(xué)機(jī)理使得火驅(qū)工藝過(guò)程的復(fù)雜性大大增加，對(duì)火燒油層化學(xué)反應(yīng)的定性及定量分析是完善和發(fā)展火驅(qū)采油技術(shù)的基本途徑。

關(guān) 鍵 詞：火燒油層；化學(xué)機(jī)理；模擬實(shí)驗(yàn)；改善

中圖分類(lèi)號(hào)：TE 122 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1671-0460（2015）07-1583-03

Research on In-situ Combustion Chemistry Mechanism

HAN Guan-yong， LIU Yong-jan， GENG Zhi-gang

（Northeast Petroleum University， Heilongjiang Daqing 163318， China）

Abstract： In-situ combustion chemistry mechanism was studied in order to improve the combustion performance parameters of fire flooding. One of the most direct and effective research methods to understand the technology of fire flooding technology is the physical simulation experiment. The complex chemical mechanism of in-situ combustion makes the complexity of fire flooding process greatly increase. The basic way to improve and develop the technology of the fire flooding oil recovery is the qualitative and quantitative analysis of in-situ combustion chemical reaction.

Key words： In-situ combustion； Chemical mechanism； Simulation experiment； Improvement

火燒油層[1-3]過(guò)程開(kāi)始的標(biāo)志是將空氣注入到注氣井。當(dāng)空氣進(jìn)入油層并將其加熱到適當(dāng)溫度時(shí)，燃燒現(xiàn)象就能在油層中開(kāi)始發(fā)生，燃燒溫度取決于著火原油的氧化特性。燃燒前緣在注入氣的推動(dòng)下不斷向生產(chǎn)井移動(dòng)。燃燒前緣中的原油在發(fā)生氧化反應(yīng)之后，輕質(zhì)組分分離出來(lái)并且被驅(qū)走，而焦炭物質(zhì)沉積下來(lái)形成主要的燃料，為燃燒過(guò)程提供動(dòng)力。當(dāng)這些燃料燃燒完全以后，燃燒前緣才會(huì)向前移動(dòng)，這樣才能在油層中進(jìn)行連續(xù)的燃燒過(guò)程。

1 火燒油層過(guò)程中的化學(xué)反應(yīng)

在火燒油層過(guò)程中，當(dāng)油層溫度在100 ℃以下時(shí)，油層內(nèi)主要發(fā)生物理反應(yīng)。當(dāng)溫度高于100 ℃以后，油層中發(fā)生了一系列化學(xué)反應(yīng)，概括說(shuō)火燒油層過(guò)程中存在著三種類(lèi)型的反應(yīng)：

原油的低溫氧化反應(yīng)：當(dāng)溫度處于100～300 ℃時(shí)，原油主要進(jìn)行低溫氧化反應(yīng)，該過(guò)程有少量熱產(chǎn)生。

油的熱裂解反應(yīng)：根據(jù)溫度的高低，熱裂解后會(huì)生成不同性質(zhì)的產(chǎn)物。如果溫度超過(guò)350 ℃，原油中的一大部分可能變?yōu)榻固俊?/p>

第三種反應(yīng)稱(chēng)為熱裂解產(chǎn)物的燃燒，也可以稱(chēng)之為焦炭的燃燒：這里說(shuō)的熱裂解產(chǎn)物主要是指沉積于油層多孔介質(zhì)孔隙體積中的物質(zhì)，即人們常說(shuō)的燃料。焦炭燃燒或高溫氧化過(guò)程的反應(yīng)式可用下式描述

（1）

式（1）中略去了燃料中硫、氮等的含量。x是單位碳原子的平均氫原子數(shù)，稱(chēng)之為H/X原子比； 是CO與（CO+CO2）的摩爾比。

如果令 和 分別表示產(chǎn)出氣體中的氧氣和氮?dú)獾臐舛龋瑒t根據(jù)物料平衡關(guān)系，可得燃燒的氧氣濃度 為：

O2c= 0.2682N2-O2P （2）

有人假設(shè)油層內(nèi)的礦物質(zhì)和水是不起化學(xué)反應(yīng)的，但實(shí)際并非如此。Poettma等[4]指出，地下黃鐵礦的存在增加了火燒油層的空氣需要量。在蒸汽吞吐和蒸汽驅(qū)中產(chǎn)出氣體的分析表明，這兩種采油技術(shù)的產(chǎn)出物中存在碳的氧化物、硫化氫和氫氣，這就說(shuō)明蒸汽和原油之間能夠起反應(yīng)[5]。

綜合以上分析，由于低溫氧化反應(yīng)、礦物質(zhì)的反應(yīng)及水/有機(jī)燃料的反應(yīng)均沒(méi)有考慮在式（1）中，所以，可以認(rèn)為前面的式（1）只能是近似地反映包括氧、碳和氫的反應(yīng)，但即使如此，通常還是將式（1）當(dāng)作估算燃料消耗量的H/C比的理論基礎(chǔ)。

2 火驅(qū)燃料氧化反應(yīng)理論模型研究

為了深入分析在油藏多孔介質(zhì)中發(fā)生的氧化反應(yīng)，研究顆粒表面積對(duì)反應(yīng)的影響，今采用簡(jiǎn)化模型進(jìn)行研究，即變球形狀燃料幾何模型，如圖1所示。假設(shè)燃料是均勻地堆積在球狀的砂粒表面上。隨著溫度的升高，蒸發(fā)掉了水和輕烴，留下了重油餾分，由于氧氣過(guò)剩，殘?jiān)?jīng)過(guò)低溫氧化，形成氧化了的燃料。

在高溫氧化中，燃料經(jīng)過(guò)氧化形成碳氧化合物和水，燃料質(zhì)量及其球形顆粒半徑逐漸減小，直到燃料被完全氧化。

t =0 t =t0 t =tc t =te

圖1 幾何模型圖

Fig.1 The geometry model diagram

如圖1所示，變球形狀燃料幾何模型，燃料由兩部分組成，最初燃料覆蓋在整個(gè)砂粒表面上。由于表面積較大，堆積在砂粒表面上的燃料的氧化速度要比堆積在砂粒連接處的燃料的氧化速度更快。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，在tc時(shí)刻時(shí)，只有砂粒的連接處存有燃料。從此時(shí)一直到燃料被完全氧化，砂粒連接處的燃料形狀可以看做為一個(gè)逐漸收縮的環(huán)形接觸區(qū)。燃料氧化的化學(xué)平衡方程，式（3）

（3）

每秒消耗燃料的量 為

（4）

式中的 為排出氣體的流量（L/min）。在變球形狀燃料幾何模型中，燃料形狀是隨時(shí)間變化的（見(jiàn)圖1）。最初，燃料堆積在整個(gè)砂粒表面。經(jīng)一段時(shí)間后，到達(dá) 時(shí)刻時(shí)，燃料只存在于砂粒間的連接處，燃料的形狀接近于環(huán)形。

2.1 燃料在環(huán)形部分

當(dāng) 時(shí)，在時(shí) 刻的環(huán)形部分的高度為 ，砂粒中從 到 的球缺體積為

（5）

砂粒間連接處到環(huán)形部分表面的垂直距離為

（6）

每顆砂粒在粒間連接處的燃料體積為

（7）

忽略 和高次項(xiàng)。另外因?yàn)榱⒎蕉逊e的平均孔隙度為 ，菱形體集結(jié)的平均孔隙度為 。

多孔介質(zhì)中的燃料總體積為 ，有

（8）

當(dāng) 時(shí)，有 ；當(dāng) 時(shí)，有 。

顆粒連接處環(huán)形部分的燃料表面積為

（9）

多孔介質(zhì)中環(huán)形部分的燃料總表面積為 ，有 （10）

式（10）成立的必要條件是

與前面處理思路一樣，可得和燃料表面積相關(guān)的氧化反應(yīng)速率方程為

（11）

上式中

式（11）也可以用 來(lái)表示，即有

（12）

2.2 燃料在非環(huán)形部分

當(dāng) 時(shí)，燃料的表面積為S，其包括環(huán)形部分的表面積 和直接堆積在砂粒表面的燃料的表面積。表面積S可以認(rèn)為是隨著溫度的降低而增加，假設(shè)它們之間呈如下指數(shù)關(guān)系

（13）

式中的 是在 時(shí)刻的溫度， 是比例系數(shù)。式（13）滿(mǎn)足必要條件，即當(dāng) 時(shí)， 為環(huán)形部分的表面積。有

（14）

其中

式（14）的物理意義可解釋為，當(dāng) 時(shí)，在以 為橫坐標(biāo)，以式（14）左側(cè)部分的自然對(duì)數(shù)為縱坐標(biāo)的圖形中，一條以 為斜率， 為截距的直線。說(shuō)明表面積越大，活化能將越低。

3 油層內(nèi)燃燒區(qū)帶劃分

本文的物理模擬實(shí)驗(yàn)為燃燒管實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)使用的原油粘度為38 670 mPa?s，原油取自遼河油田。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，繪制出火驅(qū)開(kāi)采過(guò)程中地下各個(gè)區(qū)域帶分布特征，如圖2所示。

圖2 各區(qū)帶分布情況

Fig.2 The distribution in each zone

已燃區(qū)：該區(qū)段內(nèi)充滿(mǎn)了空氣，區(qū)內(nèi)有機(jī)燃料基本消耗完，砂粒具有較高的溫度。雖然有大量的空氣流經(jīng)該區(qū)段，但燃燒反應(yīng)熱仍然不能全部被帶走。

燃燒前緣：即燃燒區(qū)。該區(qū)段內(nèi)的溫度較高，一般在400 ℃以上，是地層中溫度最高的區(qū)域。該區(qū)段內(nèi)的巖層砂粒上沉積了大量原油裂解后殘余的重質(zhì)餾分（即焦炭），這部分重質(zhì)餾分會(huì)與空氣發(fā)生劇烈的氧化反應(yīng)，反應(yīng)會(huì)放出大量的熱，并產(chǎn)生燃燒氣體，反應(yīng)之中生成的水通常以過(guò)熱蒸汽的形式出現(xiàn)。

結(jié)焦帶：該區(qū)域的含油飽和度經(jīng)氯仿瀝青質(zhì)含量分析測(cè)試為5%～15%，有這些焦炭作為燃料足以推動(dòng)燃燒前緣不斷前進(jìn)。通過(guò)對(duì)結(jié)焦帶的油砂巖心進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)焦炭是充填在孔喉結(jié)構(gòu)之中，附著在砂粒表面的。因此，開(kāi)采過(guò)程中注氣壓力上升的一個(gè)主要原因就是焦炭沉積降低了孔喉結(jié)構(gòu)的滲流能力。

凝結(jié)區(qū)：進(jìn)入該區(qū)段的氣體可以分成兩部分：一部分是由原油蒸餾與裂解產(chǎn)生的氣態(tài)烴；另一部分是地層原生水與生成水經(jīng)燃燒產(chǎn)生的過(guò)熱蒸汽。該區(qū)段還可稱(chēng)之為蒸汽平穩(wěn)段。

油墻：由于該區(qū)段聚集了所有從上游驅(qū)替下來(lái)的原油，所以該區(qū)段含油飽和度最高，溫度逐漸接近原始地層溫度。

原始油區(qū)：該區(qū)段處于油墻下游，因此，與油墻相比，區(qū)段內(nèi)的含油飽和度基本上沒(méi)變化。

伴隨著燃燒前緣逐漸由注氣井向生產(chǎn)井方向移動(dòng)，原始油區(qū)不斷縮小，所有產(chǎn)物從生產(chǎn)井采出。該處描繪的火燒油層過(guò)程中地下各個(gè)區(qū)帶是假定可以明顯地區(qū)分開(kāi)來(lái)的，但在實(shí)際情況中并非如此，各個(gè)區(qū)帶之間都由過(guò)渡帶進(jìn)行連接。不僅可以判斷出某一特定區(qū)內(nèi)哪種現(xiàn)象占優(yōu)勢(shì)，而且可以看出相鄰區(qū)帶之間的過(guò)渡帶的變化情況。

4 結(jié) 論

（1）分析了火燒油層驅(qū)油過(guò)程中各個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)；

（2）建立了可定量分析油層多孔介質(zhì)中燃料氧化反應(yīng)速率和耗氧量的理論模型。本文的這些結(jié)論為研究火燒油層機(jī)理和油藏?cái)?shù)值模擬提供了所需的基本控制參數(shù)與條件。

（3）通過(guò)對(duì)含油飽和度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以把火燒油層地層劃分成4個(gè)區(qū)帶：已燃區(qū)、燃燒前緣、結(jié)焦帶、未燃區(qū)。描述了火燒油層地層區(qū)帶分布特征，并對(duì)各個(gè)區(qū)帶的特點(diǎn)進(jìn)行了分析。

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