原油復合熱載體發(fā)生器的研制及應用

李 娜，張 磊，梁海軍，辛翠平，白慧芳

(1. 陜西延長石油(集團)有限責任公司研究院，陜西西安 710075；2. 川慶鉆探工程公司鉆采工程技術研究院，陜西西安 710018)

延長油田定邊采油廠樊學油區(qū)是三角洲沉積體系中的三角洲平原亞相沉積，屬于低—特低滲透油藏，非均質(zhì)性強、儲層脆弱、自然環(huán)境惡劣、常規(guī)開發(fā)技術適應性差，最終采收率僅為10%～15%[1-3]。復合熱載體驅(qū)油技術能夠在一定程度上解決這些問題。復合熱載體泡沫驅(qū)在國內(nèi)外的試驗研究和實踐中都取得了不錯的效果[4]，大慶油田、吉林油田和勝利油田都在復合熱載體泡沫驅(qū)上取得了較好的效果[5]。目前國內(nèi)對復合熱載體泡沫驅(qū)的研究主要集中在復合熱載體的數(shù)值模擬、室內(nèi)試驗和現(xiàn)場注采方式優(yōu)化等幾個方面[6-11]，復合熱載體泡沫驅(qū)一般以柴油為主要燃料，在提高采收率和綜合效益上與傳統(tǒng)增油技術相比有很高的性價比，但對于現(xiàn)場來說，柴油屬于成本比較高的燃料。本文在定邊采油廠現(xiàn)有礦場條件下，研究以輕質(zhì)原油為主要燃料的新型復合熱載體驅(qū)油技術，它能夠有效降低運行成本，同時實現(xiàn)零碳排放和節(jié)能減排；相比柴油復合熱載體發(fā)生器，原油復合熱載體發(fā)生器的研制和應用具有更廣闊的市場價值，新型提高采收率技術的探索研究可以豐富延長油田提高采收率技術系列，同時對延長油田高效綠色開發(fā)提供新思路。

1 復合熱載體驅(qū)油原理

復合熱載體發(fā)生器系統(tǒng)采用高壓噴射機理，通過密閉燃燒生成復合熱載體，復合熱載體含高溫的氮氣、二氧化碳及水蒸氣。復合熱載體中的二氧化碳在原油中的溶解度較高，在一定條件下可與原油形成混相，大幅度降低原油黏度，增加原油的膨脹能，降低殘余油飽和度[9]；而水蒸氣可攜帶熱量，對地層和原油具有加熱作用；氮氣的導熱系數(shù)較低，可提高蒸汽的熱利用效率，增加蒸汽的攜熱能力[12-13]。因此復合熱載體具有化學驅(qū)、氮氣驅(qū)、二氧化碳驅(qū)、蒸汽熱力驅(qū)等多重優(yōu)點[14-15]，通過注熱管線全部注入油層，綜合提高原油采收率和單井產(chǎn)能，復合熱載體驅(qū)油已經(jīng)成為油田二次采油或者三次采油的一種有效的接替技術。

圖1 復合熱載體驅(qū)油工藝流程Fig.1 Process flow chart of composite heat carrier oil displacement

2 原油復合熱載體發(fā)生器研制

復合熱載體發(fā)生器以輕質(zhì)原油為主要燃料。作為一種全新的技術，其研發(fā)過程沒有成熟的案例參考，國內(nèi)也尚未出臺相應的標準和規(guī)范，因此，在解決輕質(zhì)原油高壓燃燒難題的基礎上進行原油復合熱載體發(fā)生器的研制。

2.1 輕質(zhì)原油處理燃燒關鍵技術

2.1.1 輕質(zhì)原油預處理

原油中存在水、雜質(zhì)、石蠟等物質(zhì)，直接使用輕質(zhì)原油作為燃料會造成噴嘴堵塞、結焦、燃燒不完全甚至直接損壞設備等情況，因此需要對原油進行預處理，處理過后的原油才能參與燃燒反應。采用分離法對原油進行預處理，利用分離機的高速旋轉(zhuǎn)，使混合物中具有不同比重的油、水或機械雜質(zhì)在分離機離心力場作用下獲得不同的離心力，達到分離的目的。經(jīng)過分離后的原油其雜質(zhì)明顯減少，由于原油的黏度大且流動性不好，此時的原油直接進入發(fā)生器會造成大范圍的堵塞以至于設備不能工作甚至損壞設備。原油的流動性隨溫度的增加而增加，因此，采用加熱設備對分離后的原油進行加熱從而使原油黏度降低。

2.2.2 輕質(zhì)原油防結焦

原油成分分析報告顯示輕質(zhì)原油中含有大量的蠟、瀝青質(zhì)、膠質(zhì)等不宜蒸發(fā)的成分，由于這些成分不能完全燃燒，加上噴嘴口徑較小，因此導致了結焦現(xiàn)象的產(chǎn)生。為達成防結焦的目的，加入助燃劑等化學試劑來增加不宜蒸發(fā)成分的蒸發(fā)速度，通過提高蒸發(fā)速度使其充分燃燒。多次試驗結果顯示，隨著反應時間增加，余氧系數(shù)很穩(wěn)定，供油平穩(wěn)且沒有過大的波動，每次試驗過后未發(fā)現(xiàn)明顯的結焦現(xiàn)象出現(xiàn)，表明輕質(zhì)原油在發(fā)生器中實現(xiàn)了充分燃燒，達到了設備的要求。

2.2.3 輕質(zhì)原油霧化

輕質(zhì)原油經(jīng)過預處理后，為保證輕質(zhì)原油高效、迅速地在復合熱載體發(fā)生器內(nèi)著火燃燒，必須在進入復合熱載體發(fā)生器的瞬間將輕質(zhì)原油進行良好的霧化。通過改進噴嘴結構，使得處理后的輕質(zhì)原油能與空氣良好混合，保證燃燒的穩(wěn)定性。綜合對原油物性、霧化機理和特性的研究，確定原油噴嘴設計方案，并進行工況試驗條件下的試車，結果顯示霧化效果良好，燃燒穩(wěn)定。

2.2 復合熱載體發(fā)生器的研制

輕質(zhì)原油經(jīng)過預處理、防結焦和霧化處理后，已經(jīng)能夠和氧化劑(空氣)在燃燒室中密閉燃燒，相比以柴油為燃料的復合熱載體發(fā)生器，原油復合熱載體發(fā)生器還需在結構上進行優(yōu)化，如圖2所示。

圖2 原油復合熱載體發(fā)生器系統(tǒng)圖Fig.2 Crude oil composite heat carrier generator system diagram①第一空氣調(diào)節(jié)閥；②第二空氣調(diào)節(jié)閥；③空氣質(zhì)量流量計；④空氣壓力表開關；⑤空氣壓力變送器；⑥空氣止回閥；⑦復合熱載體發(fā)生器；⑧冷卻水溫度變送器；⑨熱載體壓力開關；⑩熱載體壓力變送器；輸出溫度變送器；第一輸出安全閥；第一電動排空閥；第一噴嘴；第二噴嘴；輸出止回閥；輸出截止閥；原油調(diào)節(jié)閥；原油變頻高壓油泵；原油電機；第一原油壓力變送器開關；第一原油壓力變送器；原油過濾器；原油質(zhì)量流量計；原油溫度控制裝置；原油溫度變送器；藥劑計量泵；第二原油壓力變送器開關；第二原油壓力變送器；原油止回閥；軟化水調(diào)節(jié)閥；變頻高壓水泵；水泵電機；第一軟化水壓力變送器開關；第一軟化水壓力變送器；軟化水過濾器；水質(zhì)量流量計；第二水壓力變送器開關；第二水壓力變送器；水止回閥

原油復合熱載體發(fā)生器系統(tǒng)主要包括供油系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、熱載體輸出系統(tǒng)和發(fā)生器系統(tǒng)等。供氣系統(tǒng)、供水系統(tǒng)和熱載體輸出系統(tǒng)跟柴油復合熱載體發(fā)生器一樣，發(fā)生器系統(tǒng)的電氣控制和加熱控制需要進行適當改進。

原油復合熱載體發(fā)生器的優(yōu)化主要體現(xiàn)在供油系統(tǒng)，見原油復合熱載體發(fā)生器系統(tǒng)圖的到。原油管路實現(xiàn)原油處理，保證處理后的原油能夠直接在發(fā)生器系統(tǒng)內(nèi)燃燒；原油流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)保證流量的精確調(diào)整；系統(tǒng)補償循環(huán)控制系統(tǒng)保證原油既能在小流量高壓時順利點火，又能實現(xiàn)高壓大流量時精確控制連續(xù)穩(wěn)定安全燃燒，實現(xiàn)復合熱載體流量的變頻變排量。

經(jīng)過多次試驗，結果顯示原油復合熱載體發(fā)生器運行穩(wěn)定且燃燒效果好，不僅解決了輕質(zhì)原油的順利點火和穩(wěn)定燃燒，而且解決了原油燃燒結焦的難題，相比柴油復合熱載體發(fā)生器，原油復合熱載體發(fā)生器對定頻定排量實現(xiàn)了大幅改進，更適合低滲透油藏小排量輸入。

3 原油復合熱載體吞吐現(xiàn)場試驗

針對延長低滲透油層，根據(jù)滲透率大于10 mD、油井初產(chǎn)超過10 m3/d但遞減較快、油水井深度小于2000 m和油水井生產(chǎn)正常等原則，選擇定邊采油廠樊學油區(qū)長2層的4487井組為本次的試驗井組，4487井組分布如圖3所示。

圖3 4487井組分布Fig.3 Distribution of well group 4487

4487-1井復合熱載體吞吐試驗于2016年9月18日開始，截至2016年10月8日完成現(xiàn)場試驗，累計注入空氣95040 Nm3，水300 t，注入溫度130 ℃，周期注氣量(5.0～7.5)×104Nm3，周期注入蒸汽水當量200～300 m3，注入速度2500 Nm3/d，注入壓力上限不超過30 MPa，燜井時間2～4 d，4487-1井復合熱載體吞吐生產(chǎn)曲線如圖4所示。

圖4 4487-1井生產(chǎn)曲線Fig.4 Production curves of well 4487-1

4487-1油井于2016年10月8日開始燜井，10月10日放噴，截止到2016年12月底，4487-1井的含水率上升幅度為28%，含水上升的主要原因是連續(xù)注水且注入量大使得含水量有所上升，日產(chǎn)液由1.206 m3上升到2.814 m3，產(chǎn)液上升幅度達到133.33%；日產(chǎn)油由1.061 m3上升到1.688 m3，產(chǎn)油上升幅度達到59.1%，整體試驗效果較好。試驗前后的效果對比如圖5所示。

圖5 4487-1井試驗前后效果對比Fig.5 Effect comparison before and after test of well 4487-1

4 原油復合熱載體驅(qū)油現(xiàn)場試驗

4487油井于2016年12月1日開始，至2017年10月底，累計注入空氣154232 Nm3，注入水1432 m3，日注氣量3000 Nm3/d左右，日注水量13～16 t/d，注入溫度155 ℃左右，注入壓力16.60～21.23 MPa。4487井復合熱載體驅(qū)油生產(chǎn)曲線如圖6所示。

4487井組于2016年12月4日開始復合熱載體驅(qū)油試驗，油井均有不同程度的見效，區(qū)塊整體表現(xiàn)為“液升，油升，含水升”的特征，現(xiàn)場試驗效果良好，試驗前后的效果對比如圖7所示。

復合熱載體驅(qū)油試驗前后，單井的驅(qū)油動態(tài)響應如圖8所示，可以看出各個單井產(chǎn)油上升幅度均在30%以上，最高達到了114.89%，整體試驗效果較好。含水率也有部分上升，但增幅不大，含水上升的主要原因是連續(xù)注水且注入量大。

圖6 4487井組生產(chǎn)曲線Fig.6 Production curves of well group 4487

圖7 4487井組試驗前后效果對比Fig.7 Effect comparison before and after test of well group 4487

圖8 單井復合熱載體驅(qū)油動態(tài)響應圖Fig.8 Single well dynamic response diagram of composite heat carrier oil displacement

4487井組截至2017年10月底，累計增油350 t，按照經(jīng)濟技術指標計算，投入產(chǎn)出比1∶2.46，通過原油復合熱載體提高采收率技術研制及應用，形成了延長油田復合熱載體提高采收率技術，為延長油田提高采收率提供了一條新途徑。

5 結論

(1)在定邊采油廠現(xiàn)有礦場條件下，通過分離、加熱、添加助燃劑和改進原油噴嘴等關鍵技術，克服了原油的結焦和不穩(wěn)定燃燒等難題，進一步對復合熱載體發(fā)生器結構進行優(yōu)化，實現(xiàn)了原油復合熱載體發(fā)生器的變頻變排量穩(wěn)定注入，更適合低滲透油藏小排量輸入。

(2)原油復合熱載體吞吐試驗在4487-1井的試驗結果顯示，4487-1井的日產(chǎn)液由1.206 m3上升到2.814 m3，產(chǎn)液上升幅度達到133.33%；日產(chǎn)油由1.061 m3上升到1.688 m3，產(chǎn)油上升幅度達到59.1%，整體試驗效果較好。

(3)原油復合熱載體驅(qū)油試驗在4487井組的現(xiàn)場結果顯示，油井均有不同程度的見效，區(qū)塊整體表現(xiàn)為“液升，油升，含水升”的特征，各個單井產(chǎn)油上升幅度均在30%以上，最高達到了114.89%，現(xiàn)場試驗效果良好。4487井組截至2017年10月底，累計增油350 t，投入產(chǎn)出比為1∶2.46。

(4)原油復合熱載體發(fā)生器的研制及應用有效降低了現(xiàn)場運行成本，具有廣闊的市場價值，同時形成了延長油田復合熱載體提高采收率技術，為延長油田提高采收率提供了一條新途徑。