火燒油層注氣流量對(duì)火驅(qū)前緣影響的室內(nèi)研究

何龍，李忠權(quán)，李洪奎，劉雅麗

油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（成都理工大學(xué)）

構(gòu)造成礦成藏國(guó)土資源部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（成都理工大學(xué)），四川 成都610059

火燒油層作為一種具有明顯優(yōu)勢(shì)的稠油熱力采油技術(shù)［1］，具有成本低、驅(qū)油效率高（具有蒸汽驅(qū)、熱水驅(qū)的作用）、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。國(guó)際上對(duì)火燒油層技術(shù)的研究始于20世紀(jì)50年代，雖然取得了一系列成果，但是該種開(kāi)采方式仍然沒(méi)有得到現(xiàn)場(chǎng)的大量應(yīng)用，而目前在我國(guó)火燒油層還處于試驗(yàn)階段［2］。我國(guó)的稠油分布廣、儲(chǔ)量大，在現(xiàn)今石油資源日益短缺的情況下，稠油的開(kāi)采勢(shì)在必行，但一方面因其黏度高、密度大、流動(dòng)性差，這不僅增加了開(kāi)發(fā)難度和成本，還使油田的采收率很低；另一方面，火燒油層技術(shù)要求很高，過(guò)程復(fù)雜，且很難控制地下燃燒。因此，在開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)之前，火燒油層的室內(nèi)研究具有很強(qiáng)的理論和現(xiàn)實(shí)意義［3～5］?；馃蛯蝇F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)最重要的2個(gè)參數(shù)分別是流量和壓力，筆者選取其中之一，討論不同流量對(duì)火驅(qū)前緣的影響，優(yōu)選流量參數(shù)，為現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)發(fā)提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料及試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)原料來(lái)自于新疆油田提供的含油砂巖的野外露頭以及壓縮的氮?dú)夂涂諝狻?/p>

試驗(yàn)裝置主要分為4大部分：注氣系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)和收集系統(tǒng)（如圖1）。

1）注氣系統(tǒng) 壓縮氮?dú)?、空氣以及氣體流量計(jì)。試驗(yàn)之前需先通入氮?dú)忸A(yù)熱，使試驗(yàn)樣品與空氣隔絕，保證預(yù)熱過(guò)程中樣品不發(fā)生氧化反應(yīng)；壓縮空氣則為燃燒過(guò)程提供穩(wěn)定、新鮮的空氣源。

2）燃燒系統(tǒng) 主要為燃燒腔和燃燒管。燃燒管是長(zhǎng)度為400mm的鋼管，燃燒管嵌入燃燒腔內(nèi)部，燃燒管上設(shè)置13個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，實(shí)時(shí)地向數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)；燃燒腔外層包裹保溫棉，以減少熱量散失；進(jìn)氣端設(shè)置有電火花點(diǎn)火裝置，待達(dá)到預(yù)熱溫度后，點(diǎn)火引燃燃燒管內(nèi)樣品。

3）數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng) 主要采集燃燒過(guò)程中的溫度、壓力、空氣流量參數(shù)，并向計(jì)算機(jī)傳輸，由計(jì)算機(jī)記錄數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔為1s。

4）收集系統(tǒng) 主要收集燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的氣體、液體。

1.2 試驗(yàn)樣品制備及試驗(yàn)過(guò)程

1）樣品制備 試驗(yàn)主要所用材料為野外出露的含油砂巖，粉碎后篩選粒徑大小在0.6mm至3.35mm之間的樣品，并與粒徑小于0.6mm的油砂樣品按質(zhì)量比10∶1進(jìn)行配比，均勻混合后，填入燃燒管內(nèi)。

2）試驗(yàn)過(guò)程 首先通入氮?dú)膺M(jìn)行預(yù)熱，目的是為了防止樣品在預(yù)熱階段與空氣接觸發(fā)生氧化反應(yīng)，影響試驗(yàn)結(jié)果；達(dá)到預(yù)熱溫度后（270℃），關(guān)閉氮?dú)猓徛ㄈ肟諝獠Ⅻc(diǎn)火，使燃燒腔內(nèi)壓力達(dá)到設(shè)定的壓力值（2.0MPa），并控制注入空氣流量的大小，待達(dá)到試驗(yàn)所需的流量（1.0～3.5L／min不等）后，保持注入流量恒定不變，反復(fù)試驗(yàn)；燃燒管各溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)記錄，整個(gè)數(shù)據(jù)采集過(guò)程由計(jì)算機(jī)控制；待燃燒結(jié)束后，取樣、分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖1 火驅(qū)模擬試驗(yàn)裝置圖

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)過(guò)程中壓力是固定不變的，每個(gè)流量參數(shù)的試驗(yàn)至少進(jìn)行3次以上，從1.0～3.5L／min不等，共6個(gè)。取每個(gè)流量下燃燒相對(duì)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，部分試驗(yàn)結(jié)果如表1所示；并對(duì)火驅(qū)前緣推進(jìn)距離、推進(jìn)速率、前緣溫度分布特征進(jìn)行分析。

表1 不同流量條件下部分試驗(yàn)結(jié)果

2.1 火驅(qū)前緣推進(jìn)距離分析

火驅(qū)前緣推進(jìn)距離是試驗(yàn)燃燒成功與否的最直接反映。試驗(yàn)中，火驅(qū)前緣的推進(jìn)距離并不總是隨著注氣流量的增大而增大（圖2）。當(dāng)注氣流量為1.0L／min時(shí)，推進(jìn)距離僅為85mm，而它的峰值溫度達(dá)到368.4℃，說(shuō)明在該流量條件下，油砂能順利點(diǎn)燃，但由于流量過(guò)小，無(wú)法維持后續(xù)燃燒以致熄滅；流量增加至1.5、2.0L／min時(shí)，推進(jìn)距離有顯著的增加，達(dá)到155mm；流量為2.5L／min時(shí)，推進(jìn)距離達(dá)到最大值（330mm），而當(dāng)流量繼續(xù)增大時(shí)，燃燒過(guò)程變得不穩(wěn)定，推進(jìn)距離忽大忽小，但并未超過(guò)330mm。說(shuō)明流量在2.5L／min時(shí)，火驅(qū)前緣推進(jìn)距離最大且燃燒過(guò)程相對(duì)穩(wěn)定。

2.2 火驅(qū)前緣推進(jìn)速率分析

火驅(qū)前緣推進(jìn)速率除了與注氣流量有關(guān)外，還與很多因素有關(guān)，如注氣壓力、油砂的孔隙度等。在封閉的一維管中，由于注氣壓力恒定，從理論上講，注氣流量越大，氣體獲得的動(dòng)能越大，更有利于在油砂中流動(dòng)和擴(kuò)散，增大了空氣與油砂的接觸面積，從而有助于油砂的燃燒，火驅(qū)前緣推進(jìn)速率也相應(yīng)得以提高。

這里的火驅(qū)前緣推進(jìn)速率指的是在每次試驗(yàn)中，火驅(qū)前緣的推進(jìn)距離與所耗費(fèi)時(shí)間的比值，即整個(gè)火驅(qū)過(guò)程中火驅(qū)前緣推進(jìn)的平均速度。結(jié)合表1與圖3，注氣流量在2.5L／min及以下時(shí)，推進(jìn)速率與注氣流量大小大致成正相關(guān)；流量從1.0L／min增加至2.0L／min時(shí)，火驅(qū)前緣推進(jìn)速率變大，但其大小的變化相對(duì)較慢；當(dāng)注氣流量增至2.5L／min時(shí)，推進(jìn)速率大幅上升，說(shuō)明此時(shí)增大流量對(duì)火驅(qū)前緣推進(jìn)速率的影響最大，而繼續(xù)增大注氣流量導(dǎo)致燃燒出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況，致使火驅(qū)前緣的推進(jìn)速率發(fā)生紊亂。由此可見(jiàn)，在燃燒過(guò)程相對(duì)穩(wěn)定的情況下，適當(dāng)增加注氣流量對(duì)火驅(qū)前緣推進(jìn)速率有著積極的作用，當(dāng)注氣流量增至2.5L／min時(shí)，推進(jìn)速率達(dá)到最大。

圖2 不同注氣流量下火驅(qū)前緣的推進(jìn)距離

圖3 不同注氣流量下火驅(qū)前緣的推進(jìn)速率

2.3 火驅(qū)前緣溫度分布分析

圖4是在不同注氣流量條件下火驅(qū)前緣峰值溫度的分布圖。從圖4中看出，注氣流量對(duì)火驅(qū)前緣峰值溫度的影響并不明顯，當(dāng)流量為2.5L／min時(shí)，前緣的峰值溫度最高達(dá)到502.5℃；各溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)在該流量條件下所監(jiān)測(cè)到的峰值溫度都達(dá)到最高，如圖5所示。

圖4 不同注氣流量下火驅(qū)前緣的峰值溫度

圖5 不同注氣流量下各溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)的峰值溫度

試驗(yàn)表明，在注氣流量為2.5L／min的條件下，火驅(qū)前緣推進(jìn)最為穩(wěn)定，如圖6所示（圖中1?！?2＃為溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)）。不同位置的火驅(qū)前緣峰值溫度總體上表現(xiàn)出隨著距注氣口的距離增大而降低的特點(diǎn)，這正是火驅(qū)前緣由注氣口向燃燒管尾部緩慢推進(jìn)的印證。

在火驅(qū)前緣推進(jìn)過(guò)程中，熱量向四周傳遞會(huì)有損失，具體表現(xiàn)為不同位置峰值溫度的降低。試驗(yàn)過(guò)程為恒速注氣，燃燒管內(nèi)所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)可視為一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的過(guò)程，當(dāng)火驅(qū)前緣推進(jìn)到某一位置時(shí)，最先與空氣接觸的油砂發(fā)生了快速而強(qiáng)烈的氧化反應(yīng)，被蒸餾出來(lái)的輕質(zhì)油組分和水被氣流驅(qū)替到后面的位置，重質(zhì)油裂解為輕質(zhì)油組分和焦炭；燃燒前緣繼續(xù)向前推進(jìn)，由前一位置驅(qū)替到此的輕質(zhì)油組分和水的再次蒸餾需要消耗部分熱量，而且前一位置燃燒不完全的油砂還將繼續(xù)消耗空氣，加之隨著距離的增加，油砂對(duì)空氣的阻力也在逐漸增大，空氣與油砂接觸面積逐漸減小，化學(xué)反應(yīng)減弱，溫度逐漸降低，直至最后燃燒前緣的熄滅。

圖6 2.5L／min火驅(qū)前緣溫度變化圖

圖7 2.5L／min燃燒后的油砂

圖7為部分油砂在注氣流量為2.5L／min的條件下燃燒后的情況?；痱?qū)前緣最遠(yuǎn)推進(jìn)至330mm處，油砂部分燃燒并產(chǎn)生黑色結(jié)焦，之后的油砂未被引燃。330mm后黑色結(jié)焦變硬，殘?jiān)酁榻Y(jié)焦或結(jié)塊；至400mm，該處積聚少許油液，使油砂變得潮濕，說(shuō)明驅(qū)替效果良好。

3 結(jié)論

通過(guò)室內(nèi)反復(fù)試驗(yàn)，綜合分析試驗(yàn)結(jié)果，得到如下結(jié)論：

1）適當(dāng)增加注氣流量，有利于火驅(qū)前緣向前推進(jìn)且推進(jìn)速率有明顯提高。

2）綜合分析火驅(qū)前緣的推進(jìn)距離、推進(jìn)速率以及溫度分布，注氣流量2.5L／min為實(shí)驗(yàn)室內(nèi)火驅(qū)物理模擬的最優(yōu)條件。

［1］袁世寶，孫希勇，蔣海巖，等 .火燒油層點(diǎn)火室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用 ［J］.油氣地質(zhì)與采收率，2012，19（4）：53～55.

［2］楊俊印 .火燒油層（干式燃燒）室內(nèi)試驗(yàn)研究 ［J］.特種油氣藏，2011，18（6）：96～99.

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