火驅油墻技術界限判定及運移特征

王偉偉

(1.中國石油遼河油田分公司，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)

0 引 言

在稠油開發(fā)方式中，火驅是一種重要的稠油熱力采油方法[1-3]，已在國內外開展了大量的室內研究和礦場試驗，取得了較為顯著的效果[4-10]。由于火驅機理十分復雜，目前沒有有效手段能精準監(jiān)測火線，對火驅地下動態(tài)認識不清。在稠油火驅過程中，油墻的形成是確?；鹁€持續(xù)穩(wěn)定向前推進和提高油藏采收率的必要條件，油墻可體現(xiàn)地下流體動態(tài)，因此，很多科研人員對火驅過程中的油墻進行了分析研究[11-16]。為明確油墻的技術界限，動態(tài)描述油墻形成后的運移特征，以室內火驅實驗為基礎，結合不同區(qū)帶機理特征開展相關研究，為現(xiàn)場綜合調控提供技術支持。

1 火驅物理模擬實驗設計

1.1 實驗裝置

火驅物理模擬實驗系統(tǒng)主要包括注氣系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、模型本體、數據采集系統(tǒng)、產液氣分離及回收系統(tǒng)[17]。模型規(guī)格為50 cm×11 cm×4 cm，模型本體為填砂模型，在模型內部布設3行共39個測溫點，監(jiān)測模型內不同位置的溫度變化；布設2個測壓點，監(jiān)測模型內不同區(qū)域的壓力變化及不同區(qū)帶間的壓力降。實驗巖心采用遼河油田杜66 塊K039井天然巖心，取樣點的含油飽和度分析[18]采用TherMAX500熱重分析儀。

1.2 實驗過程

實驗過程主要包括以下幾個部分。

(1) 裝填模型。將天然巖心搗碎，均勻填入模型內壓實，模型密封，試壓。

(2) 建立連通性。將模型升溫至地層溫度45 ℃，向模型內注入氮氣，建立注采井間連通性，模型回壓設定為2.5 MPa。

(3) 點火及調控。以階梯式升溫方式將點火器升溫至500 ℃，向模型內注入空氣，控制注氣速率為8 L/min，穩(wěn)定燃燒后關閉點火器。根據燃燒情況調整注采參數，控制火線保持穩(wěn)定推進；根據實驗溫度及壓力變化采集油、氣樣品。

(4) 結束實驗。當火線到達生產井時注氮氣滅火，待模型溫度降至室溫，拆開模型，直觀分析火驅燃燒區(qū)帶特征，并在不同區(qū)帶取樣(見圖1中取樣位置1～16)進行飽和度分析。

圖1 火驅不同燃燒區(qū)帶取樣位置

2 實驗結果及分析

2.1 含油飽和度分析

火驅過程中，從注入端到生產端將儲集層劃分為6個區(qū)帶：已燃區(qū)、火線、結焦帶、冷凝區(qū)、油墻和剩余油區(qū)[19]。采用常規(guī)飽和度分析方法，結合不同區(qū)帶機理特征，對實驗后不同位置的取樣點進行了含油飽和度與最高溫度的對比分析(表1)。由表1可知：取樣點1、2、3、4、5、9最高溫度都在450 ℃以上，經充分燃燒后基本不含燃料，含油飽和度在6.00%以下，屬于已燃區(qū)；取樣點7、11、14最高溫度在500 ℃以上，含油飽和度略高于已燃區(qū)，在9.00%以下，屬于火線；取樣點6、10、12最高溫度為300～400 ℃，主要發(fā)生裂解生焦反應，含油飽和度為11.00%～20.00%，屬于結焦帶；取樣點15最高溫度為225 ℃，與實驗壓力下的飽和蒸汽溫度(參照飽和蒸汽溫度壓力對照表可知，實驗結束時模型內的壓力為2.5 MPa，對應飽和蒸汽溫度為224 ℃)保持一致，含油飽和度為49.96%，略大于初始含油飽和度，屬于冷凝區(qū)；取樣點8、13、16最高溫度在200 ℃以下，含油飽和度比初始含油飽和度約高10.00～17.00個百分點，屬于油墻。受滅火時機影響，取樣點中沒有剩余油區(qū)。

表1 火驅不同取樣點含油飽和度與溫度對比

2.2 油墻技術界限的判定方法

油墻是指原油從上游被驅替出來匯聚成的高飽和度區(qū)域，主要包括高溫蒸餾和裂解形成的輕質油、未明顯反應的地層原油、燃燒生成的水和二氧化碳以及空氣中的氮氣[20]?；痱屵^程中油墻運移需滿足2個條件：一是上游原油受熱聚集導致含油飽和度增大形成油墻，二是下游原油在驅動力作用下可流動。

由表1可知，凝結區(qū)內含油飽和度略大于初始含油飽和度。這是由于過熱蒸汽遇冷油后凝結成水所占的體積減小，空余出的體積迅速被冷凝成輕質油的氣態(tài)烴以及降黏后的原油占領，導致含油飽和度增大，隨著火驅繼續(xù)，原油聚集形成油墻，滿足油墻運移的第1個條件。由于蒸汽發(fā)生冷凝相變時，始終處于飽和溫度的兩相共存狀態(tài)，溫度相對保持穩(wěn)定，參照飽和蒸汽溫度壓力對照表可獲得實驗壓力下的飽和蒸汽溫度值，即為判斷油墻的溫度上限。

地層孔隙中的稠油在較低溫度下很難流動，要達到油藏的開采條件，使稠油具有流動性，需將地層溫度升至一定溫度，該溫度就是拐點溫度。拐點溫度即為判斷油墻的溫度下限。稠油拐點溫度的計算公式[21]為：

T0=8.6lgμ+22.5

(1)

式中：T0為原油拐點溫度，℃；μ為50 ℃時地面脫氣原油黏度，mPa·s。

實驗用油50 ℃時地面脫氣原油黏度為1 707 mPa·s，由式(1)計算出其拐點溫度約為50 ℃。實驗結束時模型內最低溫度為94 ℃，均大于拐點溫度，滿足油墻運移的第2個條件。

2.3 油墻的運移規(guī)律

根據油墻的技術界限，通過分析火線形成后不同時刻的溫壓數據，繪制出點火后相應5個時刻的油墻分布圖(圖2)，詳細描繪實驗過程中油墻的運移情況。由圖2可知，點火后75 min火線形成，原油黏度大幅降低，可流動性增大，在熱效應與驅替作用下，原油不斷聚集形成油墻；隨著火線不斷推進，燃燒波及面積增大，油墻不斷向前推進運移，油墻范圍隨之增加，增加速率與火線推進速率相當；點火后150 min時，油墻運移至接近生產井，此時油墻范圍達到最大，生產井開始進入穩(wěn)定生產階段；隨著火線繼續(xù)推進，原油不斷被采出，油墻范圍逐漸減小，點火后179 min時，火線推進至接近生產井，油墻即將被全部采出，生產井穩(wěn)產階段結束；待火線到達生產井時，注氮氣滅火，結束火驅實驗。

2.4 油墻的增油機理

油墻是保持生產井穩(wěn)產、實現(xiàn)火驅高采收率的必要條件，也是注采壓差的集中消耗地帶。在油墻形成并不斷推移的過程中，含油飽和度逐漸增大，堵塞了燃燒尾氣的通道，降低了氣相滲透率，導致模型內壓力升高。圖3為火驅過程中測壓點壓力變化情況。圖4為火驅過程中階段產油量及驅油效率曲線。

圖2 火驅實驗中油墻(黑色區(qū)域)移動過程示意圖

由圖3、4可知，火驅過程存在2個產油階段：油墻形成之前為注氣點火階段，在氣體驅動作用下，模型內壓力緩慢小幅上升，出現(xiàn)一個小的產油峰值，該階段驅油效率為5.9%；油墻形成后為火線穩(wěn)定推進階段，該階段驅油效率為77.0%。油墻剛形成時，模型內壓力略有上升，隨著油墻范圍不斷增加，壓力逐漸升高，導致火線推進阻力增加，推進速度變慢。為了保證實驗過程中火線穩(wěn)定推進，提高實驗注氣速度后，模型內壓力快速升高，產量隨著壓力逐步升高，受井距位置影響，壓力先于產量達到峰值。油墻接近生產井時，油墻阻力達到最大，模型內壓力達到峰值，產量開始大幅度增加，生產井進入穩(wěn)產階段；隨著油墻范圍逐漸減小，其阻力作用也隨之減弱，模型內壓力下降，火線接近生產井時，產油量達到峰值?；痱屵^程總驅油效率為82.9%。

圖3 火驅過程中測壓點壓力變化

3 現(xiàn)場應用

遼河油田杜66塊為中深層薄互層狀普通稠油油藏，埋深為800～1 200 m，50 ℃地面脫氣原油黏度為300～2 000 mPa·s。自2005年實施火驅開發(fā)，已先后經歷了先導試驗、擴大試驗、規(guī)模實施3個階段，火驅增油效果明顯。截至目前，火驅井組日產油由轉驅前330 t/d升至785 t/d，先導試驗7井組、擴大試驗10井組、規(guī)模實施24井組和50井組分別上升70、89、143、153 t/d；尾氣監(jiān)測結果表明，先導試驗區(qū)92%的油井實現(xiàn)了高溫氧化燃燒。

圖4 火驅過程中階段產油量及驅油效率曲線

曙試觀6井位于先導試驗10井組內，與注氣井相距140 m，轉火驅后井底溫度由72.8 ℃持續(xù)升至108.6 ℃，地層壓力由0.8 MPa升至3.2 MPa又降至2.6 MPa。該區(qū)域50 ℃地面脫氣原油黏度為902.8 mPa·s，對應拐點溫度為48 ℃，2.6 MPa對應飽和蒸汽溫度為226 ℃。根據油墻的技術界限，并結合生產井的溫度壓力升高、產量穩(wěn)定等生產動態(tài)可判斷出試驗井組油墻已形成，在觀察井方向油墻前鋒已到達生產井，處于熱效驅油穩(wěn)產階段。隨著生產井繼續(xù)生產，當油墻被采完時，凝結區(qū)水帶抵達生產井，伴隨井底溫度上升(接近地層壓力下的飽和蒸汽溫度)，產氣量急劇增大，含水率達98%以上，此時建議關井，防止火線突破生產井，造成井口高溫，導致井筒燒毀等安全隱患。

4 結 論

(1) 通過分析油墻運移條件，結合飽和度與溫度的對應關系，提出了油墻技術界限的判定方法：溫度上限為火驅過程中對應實驗壓力下的飽和蒸汽溫度，溫度下限為原油的拐點溫度。

(2) 結合不同區(qū)帶機理特征，含油飽和度分析結果為：已燃區(qū)含油飽和度小于6.00%，火線含油飽和度小于9.00%；結焦帶含油飽和度為11.00%～20.00%；凝結區(qū)含油飽和度略高于初始含油飽和度；油墻含油飽和度比初始含油飽和度高10.00～17.00個百分點。

(3) 火線形成后，原油受高溫作用影響聚集、移動形成高飽和度油墻。隨著火線推進，油墻范圍逐漸增大，當油墻接近生產井時，油墻范圍達到最大，隨著原油不斷采出，油墻范圍逐漸減小并最終消失，火線到達生產井。

(4) 室內實驗表明：火驅過程中，點火注氣階段模型內壓力緩慢小幅上升，氣驅產油階段驅油效率為5.9%；火線穩(wěn)定推進階段產量隨壓力逐漸升高，油墻接近生產井時模型內壓力達到峰值，火線接近生產井時產量達到峰值，隨后均逐漸下降，油墻穩(wěn)定產油階段驅油效率為77.0%。

(5) 將室內油墻運移特征應用到現(xiàn)場，跟蹤監(jiān)測曙試觀6井的溫度、壓力變化，根據油墻技術界限并結合現(xiàn)場生產動態(tài)，判斷曙試觀6井方向油墻前鋒已到達生產井，處于熱效驅油穩(wěn)產階段。