含油飽和度對火驅(qū)開發(fā)影響的實驗研究

趙慶輝，劉其成，程海清

(1.中國石油遼河油田分公司，勘探開發(fā)研究院，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

火驅(qū)(也稱火燒油層)是一種重要的稠油熱采方法[1-3]，具有油藏適應(yīng)范圍廣、物源充足、成本低、采收率高等技術(shù)優(yōu)勢，在國外已有多年較大規(guī)模的礦場應(yīng)用歷史，取得了許多成功的現(xiàn)場經(jīng)驗和較好的開發(fā)效果?，F(xiàn)場試驗資料證實，火燒油層方式采收率可達50 %～80 %[4-5]。目前，遼河油田稠油主力區(qū)塊正處于注蒸汽熱采中后期，面臨著蒸汽吞吐輪次高、蒸汽驅(qū)汽油比低等問題，開發(fā)效果逐年變差，亟需探索新的接替方式?；馃蛯硬捎图夹g(shù)無疑是極具前景的一項提高采收率接替技術(shù)，近幾年在現(xiàn)場試驗中也取得了較好的效果。

油藏含油飽和度是任何一種開發(fā)方式的物質(zhì)基礎(chǔ)，直接對開發(fā)過程和效果產(chǎn)生影響。多年來，人們一直沒有停止過研究含油飽和度對水驅(qū)、蒸汽驅(qū)等不同方式的影響，但相對來講，研究含油飽和度對火驅(qū)影響的資料較少，主要集中在火驅(qū)含油飽和度技術(shù)界限上，但不同專家學者[6-9]提出的火驅(qū)含油飽和度技術(shù)界限差異較大，35%～50%不等。本文以遼河油田J91塊為油藏原型，通過室內(nèi)實驗系統(tǒng)研究了含油飽和度對火驅(qū)基礎(chǔ)參數(shù)的影響，探索了可以實施火驅(qū)開發(fā)的含油飽和度技術(shù)界限，評價了含油飽和度對火驅(qū)開發(fā)效果的影響，為火驅(qū)油藏工程設(shè)計和開發(fā)方案編制奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

1 實驗裝置及方法

1.1 實驗裝置

研究中用到的火燒油層物理模擬實驗裝置[10]主要由注氣系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、模型本體、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、氣液分離及回收處理系統(tǒng)等5部分組成，實驗流程如圖1所示。沿模型軸向分布3層13行共39支溫度傳感器。在模擬注氣井處設(shè)置了電加熱裝置，與調(diào)壓器、電源等相連共同構(gòu)成了點火系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)可以實現(xiàn)實驗過程中點火溫度的精確控制。注氣系統(tǒng)由空氣壓縮機、干燥器、流量計等設(shè)備組成，可以滿足實驗過程中對注氣強度調(diào)整的需要，并且能夠?qū)崿F(xiàn)對注氣速率精確計量與控制。熱電偶、數(shù)據(jù)采集板與計算機組成了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以對實驗過程中各個測溫點溫度變化情況實時顯示并自動記錄。

圖1 火燒油層物理模擬實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of physical simulation experiment device for in-situ combustion

1.2 實驗準備及方法

(1)實驗材料

選用遼河油田J91塊脫水原油為實驗用油，該塊為普通稠油油藏，50 ℃地面脫氣原油黏度28 990 mPa·s；實驗用砂采用顆粒粒徑與儲層巖心相匹配、能反映儲層物性特征的石英砂，將原油與水、石英砂按不同比例均勻混合配制(原油與水完全填充石英砂空隙)，得到不同含油飽和度的人工油砂。

(2)實驗條件

利用與儲層巖心顆粒相匹配、可反映儲層物性特征的石英砂模型的平均孔隙度為34%，平均滲透率為2 μm2(氣測)。5組油拌砂方式室內(nèi)實驗的含油飽和度分別為10%、15%、20%、30%、60%。根據(jù)模型尺寸及J91塊現(xiàn)場注氣強度折算室內(nèi)實驗通風強度為7.8 L/min，模型出口回壓1 MPa。

(3)實驗步驟

①將配制好的油砂裝入模型內(nèi)；②模型封蓋，并測試氣密性；③調(diào)試溫度采集系統(tǒng)并建立初始溫度場；④啟動點火系統(tǒng)和注氣系統(tǒng)，設(shè)計點火溫度為500 ℃，進行火燒油層物理模擬實驗；⑤燃燒結(jié)束后仍繼續(xù)通風，使模型本體的溫度降至室溫；⑥拆開模型，觀察燃燒情況。

2 實驗結(jié)果分析

通過實驗研究含油飽和度對火驅(qū)燃燒基礎(chǔ)參數(shù)的影響，評價不同含油飽和度條件下高溫燃燒的可行性和驅(qū)油效果，探索火驅(qū)含油飽和度技術(shù)下限。

2.1 含油飽和度對火驅(qū)燃燒基礎(chǔ)參數(shù)的影響

表1中給出了不同含油飽和度條件下燃燒基礎(chǔ)參數(shù)測試結(jié)果。實驗結(jié)果表明，當在模型中形成穩(wěn)定高溫燃燒時，火線前緣推進速率隨含油飽和度增大而降低，隨著含油飽和度從15%增加到60%，火線前緣推進速率由0.45 cm/min降至0.25 cm/min。分析認為其主要原因是在火驅(qū)過程中，燃燒前緣驅(qū)替著未被燃燒且受高溫作用而黏度大幅度降低的原油向前移動，不斷與未受高溫波及的原油混合，形成含油飽和度高于初始狀態(tài)的富油區(qū)——油墻。初始含油飽和度越高，油墻的聚集區(qū)域就越大，火線前緣驅(qū)替油墻的阻力也越大，同時油墻的存在減弱了氣體在多孔介質(zhì)中的有效滲流能力，從而降低了火線推進速率。

表1 不同含油飽和度條件下火驅(qū)燃燒基礎(chǔ)參數(shù)Tab.1 Influence of oil saturation on basic parameters of in-situ combustion

門檻溫度、燃料消耗量及空氣耗量是反映原油高溫氧化固有特性的基礎(chǔ)參數(shù)，主要受原油組成和組分影響較大，對同一原油，其變化不大。從表1中的實驗結(jié)果可以看到，隨著含油飽和度增大，原油高溫燃燒的門檻溫度、燃料消耗量和空氣耗量等燃燒基礎(chǔ)參數(shù)變化幅度較小，無太大影響。當含油飽和度在15%～60%，門檻溫度在380～391 ℃，燃燒消耗量在28.89～31.80 kg/m3，空氣耗量在249.98～274.07 m3/m3。

2.2 含油飽和度對火驅(qū)高溫穩(wěn)定燃燒的影響

圖2是不同含油飽和度火驅(qū)實驗?zāi)Ｐ洼S向火線溫度峰值的監(jiān)測結(jié)果。從圖2中可以看出，在模型點火端附近(距離為0 cm處)，由于受點火系統(tǒng)影響，溫度均可達到設(shè)定值500 ℃。從含油飽和度為10%的溫度分布曲線上可以看到，點火初期，火線溫度能達到500 ℃左右，但隨著火線向前推進，火線前緣溫度峰值沿軸向呈迅速降低趨勢，表明在該條件下難以形成有效向前推進的火線，無法形成持續(xù)穩(wěn)定的高溫燃燒；當含油飽和度達到或高于15%時，模型中能夠形成穩(wěn)定推進的火線，受油墻運移影響，需持續(xù)增加注氣強度，導致軸向燃燒峰值溫度呈波動狀態(tài)，介于550～650 ℃。通過對模型產(chǎn)出氣體的在線跟蹤監(jiān)測，其中O2體積系數(shù)小于2%，O2轉(zhuǎn)化率72%，CO2體積系數(shù)為12%～14%，原油輕重比(∑C21-/∑C22+)明顯增大，表明模型中實現(xiàn)了高溫氧化燃燒[11-12]，形成了向前穩(wěn)定推進的火線。綜合實驗結(jié)果分析，在實驗條件下，能夠確保模型中形成高溫燃燒的含油飽和度下限值為15%。

圖2 不同含油飽和度火驅(qū)實驗軸向火線溫度峰值監(jiān)測曲線Fig.2 Monitoring curves of axial fire line temperature peak in in-situ combustion experiments at different oil saturation

2.3 含油飽和度對火驅(qū)開發(fā)效果的影響

(1)驅(qū)油效率

不同含油飽和度火燒油層驅(qū)油效率實驗結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以看到，當含油飽和度為15%時，雖然可以實現(xiàn)燃燒前緣穩(wěn)定推進，但是驅(qū)油效率為0，這說明在該含油飽和度下實施火驅(qū)開發(fā)僅在技術(shù)上可行，但在經(jīng)濟上是不可行的；隨著含油飽和度的增加，火驅(qū)驅(qū)油效率也逐漸增大，含油飽和度為20%、30%、60%時對應(yīng)的驅(qū)油效率依次為20.87%、46.97%、74.47%。分析認為在火驅(qū)開發(fā)過程中，原油作為燃料參與高溫氧化消耗的量是一定的，從表1中可以看到隨著含油飽和度的增加，燃料消耗量變化不大， 沒有被燒掉的原油均被驅(qū)替出來，即含油飽和度越大，驅(qū)替出原油的量就越多，驅(qū)油效率亦越大。

圖3 含油飽和度與驅(qū)油效率關(guān)系曲線Fig.3 Relation between oil saturation and oil displacement efficiency

(2)空氣油體積比

空氣油比是反映火驅(qū)開發(fā)效果的另一個重要指標?？諝庥腕w積比越低，火驅(qū)效果越好。表2中給出了不同含油飽和度對空氣油體積比影響的實驗結(jié)果。表2中數(shù)據(jù)表明，在相同的通風強度下，隨著含油飽和度增大，空氣油體積比降低，當含油飽和度大于30%，空氣油體積比降幅明顯減小。

表2 含油飽和度對空氣油體積比的影響Tab.2 Effect of oil saturation on air-to-oil volume ratio

3 結(jié) 論

(1)含油飽和度對門檻溫度、燃料消耗量與空氣耗量等火驅(qū)基礎(chǔ)參數(shù)影響較小，但對火線推進速率有較大影響。當模型中形成高溫穩(wěn)定燃燒時，火線前緣推進速率隨含油飽和度增加而降低。

(2)實驗條件下能夠?qū)崿F(xiàn)模型中穩(wěn)定高溫燃燒的最低含油飽和度下限值為15%，低于該含油飽和度無法形成持續(xù)穩(wěn)定火驅(qū)前緣。

(3)從驅(qū)油效率和空氣油體積比指標評價了含油飽和度對火驅(qū)開發(fā)效果的影響。隨著含油飽和度增大，火驅(qū)驅(qū)油效率呈增大趨勢；在相同的通風強度下，隨著含油飽和度增大，空氣油比降低，當含油飽和度大于30%后降幅減小。綜合考慮，火驅(qū)開發(fā)含油飽和度下限值為30%。