火驅(qū)油藏工程分析與設(shè)計

白 玉，趙黎明，張喻鵬，杜 坤

（1.西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，陜西西安 710065；2.陜西省油氣田特種增產(chǎn)技術(shù)重點實驗室，陜西西安 710065；3.中國石化西北油田分公司，新疆烏魯木齊 830001）

火驅(qū)是一種具有明顯技術(shù)優(yōu)勢和潛力的稠油熱力開采方式，目前全世界已有100 多個油田開展了較大規(guī)模的工業(yè)性開采實驗[1-3]。相對于其他熱采方法，火驅(qū)能耗低、效率高，采收率可達(dá)到50 %～80 %，可以適應(yīng)比蒸汽驅(qū)、蒸汽吞吐更復(fù)雜的油藏。但其本身就具有極大的復(fù)雜性，火驅(qū)設(shè)計、實施、操作、控制難度大，技術(shù)要求高，對巖石物性的改變很大，工作過程難以控制，對現(xiàn)場操作管理有很高的要求[4-6]。火驅(qū)失敗的原因有很多，但是關(guān)鍵的原因是缺乏系統(tǒng)的火驅(qū)油藏篩選標(biāo)準(zhǔn)、效果預(yù)測以及相應(yīng)的油藏工程設(shè)計。

本文給出了一個系統(tǒng)的火驅(qū)開發(fā)方案設(shè)計流程。首先給出了火驅(qū)項目的篩選流程，簡單介紹了火驅(qū)室內(nèi)實驗的方法及基本原理，歸納了不同室內(nèi)實驗在火驅(qū)過程中承擔(dān)的角色。在對火驅(qū)驅(qū)油認(rèn)識的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了火驅(qū)油藏工程參數(shù)設(shè)計，給出了工程參數(shù)設(shè)計的基本范圍，最后介紹了火驅(qū)的監(jiān)測及評價方法。

1 火驅(qū)項目實施流程

一個火驅(qū)項目的實施流程可以清晰地劃分為四個主要階段：油藏篩選、實驗室實驗研究、現(xiàn)場工程設(shè)計與施工、火驅(qū)監(jiān)測與評價（見圖1）?；痱?qū)項目以對于油層資料的清晰認(rèn)識及原油的氧化和燃燒研究為基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上才能進(jìn)行現(xiàn)場實驗的設(shè)計和施工，進(jìn)而通過各項指標(biāo)的監(jiān)測結(jié)果來評價火驅(qū)效果?；痱?qū)項目設(shè)計相較其他提高采收率技術(shù)涉及的基礎(chǔ)參數(shù)和礦場操作參數(shù)更為復(fù)雜，因此一個系統(tǒng)科學(xué)的火驅(qū)開發(fā)方案設(shè)計對火驅(qū)的礦場實驗十分重要。因此，這里給出火驅(qū)項目的實施流程。

圖1 火驅(qū)項目實施流程Fig.1 Fire flooding project implementation process

2 火驅(qū)開發(fā)方案設(shè)計

2.1 火驅(qū)油藏篩選流程

任何提高原油采收率方法的成功都取決于油藏條件，火燒也不例外。對于一個給定的油藏是否可以使用火驅(qū)工藝進(jìn)行開發(fā)，這類問題的解決需要有一個適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)。國外幾十年火驅(qū)的理論研究、實驗室和現(xiàn)場實驗已累積了大量的資料和經(jīng)驗。研究表明，油藏地質(zhì)對火驅(qū)效果起主要作用，對油藏地質(zhì)的篩選是火燒項目的成功設(shè)計和實施必不可少的條件。因此，這里給出火驅(qū)篩選程序框圖（見圖2）。對于待篩選的火驅(qū)目標(biāo)油藏，要經(jīng)過多道程序進(jìn)行篩選，全部符合者為篩選合格油藏，有任何一輪不合格將被淘汰。

（1）第一步，確定適用火驅(qū)開采的首選候選油藏類型；

（2）第二步，確定候選油藏的開采歷史對火驅(qū)是否產(chǎn)生影響；

（3）第三步，確定候選油藏是否在適用于火驅(qū)開采的參數(shù)范圍內(nèi)；

（4）第四步，預(yù)測候選油藏火驅(qū)開采效果，利用空氣油比、采收率等指標(biāo)進(jìn)行技術(shù)評價；

（5）第五步，篩選出合格的油藏。

圖2 篩選程序框圖Fig.2 Filter block diagram

2.2 室內(nèi)實驗評價研究

在進(jìn)行火燒油層前需進(jìn)行室內(nèi)實驗，目前的實驗手段主要有燃燒實驗和氧化實驗，主要是確定火燒油層熱采的油層物理變化特征。不同的火驅(qū)實驗在室內(nèi)評價過程中承擔(dān)著不同的角色。以下問題是室內(nèi)實驗評價過程中需要解決的：

（1）原油黏度、密度對溫度的敏感性及相互關(guān)系；

（2）不同溫度下油-水、油-氣相對滲透率曲線及其端點值；

（3）巖石/水配伍性，巖石礦物演化；

（4）燃燒管實驗確定空氣耗量、燃料耗量、驅(qū)油效率及殘余油飽和度等工程計算參數(shù)；

（5）火驅(qū)對儲層巖礦影響的實驗、確定其對火驅(qū)開發(fā)可能造成的不利影響；

表1 不同火驅(qū)實驗對比Tab.1 Comparison of different fire flooding experiments

（6）靜態(tài)氧化及熱分析實驗確定原油氧化動力學(xué)參數(shù)、燃燒可持續(xù)性等。

燃燒實驗主要有驅(qū)替實驗和熱分析實驗，氧化實驗主要有火驅(qū)靜態(tài)氧化實驗。不同火驅(qū)室內(nèi)實驗的優(yōu)缺點及用途（見表1）。

不同的火驅(qū)實驗在室內(nèi)評價過程中承擔(dān)著不同的角色，火驅(qū)燃燒管實驗為火驅(qū)工程設(shè)計提供了基本參數(shù)。靜態(tài)氧化實驗可用于火驅(qū)氧化路徑分析、耗氧速率計算。熱分析實驗可計算得到點火溫度、氧化階段的劃分、動力學(xué)參數(shù)計算。當(dāng)然這些實驗只是火驅(qū)室內(nèi)實驗的一部分，一個完整的火驅(qū)室內(nèi)實驗還需要做絕熱實驗、干式燃燒、濕式燃燒等實驗。

2.3 油藏工程參數(shù)設(shè)計

2.3.1 井網(wǎng)問題 井網(wǎng)模式直接影響到火驅(qū)注采動態(tài)及開發(fā)效果。通常采用的井網(wǎng)模式有線性井網(wǎng)和面積井網(wǎng)兩種[9]。當(dāng)?shù)貙哟嬖谳^大傾角（一般大于10°）時應(yīng)采用線性火驅(qū)模式，從構(gòu)造高部位向構(gòu)造低部位驅(qū)掃，可充分利用重力作用，使前緣形成活塞式驅(qū)替，最大限度地提高縱向動用程度。線性火驅(qū)是一個井間/區(qū)間接替的收割式開采過程，其燃燒帶推進(jìn)的速度相對較快。線性井網(wǎng)的優(yōu)勢有：平面波及系數(shù)高、理論采收率高、地面設(shè)施建設(shè)及管理相對容易、油藏管理及配套工藝相對簡單、容易實現(xiàn)燃燒前緣的目的性調(diào)控。線性井網(wǎng)有線性平行井網(wǎng)和線性交錯井網(wǎng)兩種類型。與線性火驅(qū)不同，面積井網(wǎng)火驅(qū)所有生產(chǎn)井的生產(chǎn)周期均與全油藏的生產(chǎn)周期同步。從各井組的中心注氣井點火時刻開始，全油藏即進(jìn)入火驅(qū)開發(fā)階段。當(dāng)油墻突破到生產(chǎn)井時，生產(chǎn)井關(guān)井?；痱?qū)開發(fā)結(jié)束。盡管受平面非均質(zhì)性等影響，各生產(chǎn)井遭遇油墻突破的時間會有先后，但完全不同于線性井網(wǎng)條件下的井間/區(qū)間接替。與線性火驅(qū)相比，面積火驅(qū)也具有一定優(yōu)勢。面積火驅(qū)的優(yōu)勢有：火驅(qū)階段累積空氣油比低、火驅(qū)階段油藏總的采油速度高、在稠油老區(qū)實施能夠降低地及油藏管理風(fēng)險。面積井網(wǎng)有反五點、反七點和反九點三種井網(wǎng)類型。

2.3.2 點火方式 要實施火驅(qū)采油提高原油采收率，首先要解決點燃油層的問題，而油層點燃程度的好壞，又直接影響著火驅(qū)的成功與否。因此，點燃油層是關(guān)鍵技術(shù)之一。點火方式有層內(nèi)自燃點火和人工點火兩大類。一般深井利用層內(nèi)自燃點火，淺井常用人工點火。人工點火又包括電熱器、井下燃燒器、化學(xué)劑以及注熱介質(zhì)等多種方法。目前，普遍采用井下電加熱點火器的人工點火方式，使用電纜將井下電加熱點火器送入油井內(nèi)通過對注入空氣加熱，獲得熱源，提高油層溫度，從而點燃油層。

2.3.3 注采參數(shù)設(shè)計 對每個具體的稠油油藏，在所選定的開發(fā)系統(tǒng)條件下，采用火驅(qū)開采，注采參數(shù)設(shè)計極為重要，它將直接關(guān)系到火驅(qū)效果的好壞及其成敗。注采參數(shù)確定一般可參考國內(nèi)外同類型油田經(jīng)驗界限值，應(yīng)用數(shù)值模擬進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計?；痱?qū)設(shè)計的參數(shù)主要有：（1）點火功率與時間；（2）注氣速度、注氣壓力；（3）生產(chǎn)井排氣速度與排注比等。

點火功率是火驅(qū)能否成功點火的關(guān)鍵，點火階段地層所需的熱量基本都是通過點火器提供。通常情況下，點火器的功率越大，地層升溫速率就越快，點火效果就越好。所以盡可能選擇大功率的點火器，可以大大縮短火驅(qū)的加熱時間和成功機率。點火時間應(yīng)控制在一定范圍，過短則沒有達(dá)到高溫燃燒的門限溫度，過長則地層積碳過多，在一定程度上降低油藏采收率。

注氣速度直接影響燃燒前緣推進(jìn)速度，同時也是地層內(nèi)能否維持燃燒的重要因素，注氣速度偏低則不足以維持油層穩(wěn)定的燃燒，甚至出現(xiàn)滅火；而注氣速度偏高則氧氣利用率偏低，經(jīng)濟效益變差。因此，空氣注入速度的選擇對于火驅(qū)是非常關(guān)鍵的。通常點火階段注氣速度保持一個較低的水平，在0.3 m3/（m3·d）～0.5 m3/（m3·d）。穩(wěn)定燃燒階段注氣速度保持一個較高的水平，在0.5 m3/（m3·d）～1.5 m3/（m3·d）[10，11]。注氣壓力是選擇注氣設(shè)備的重要依據(jù)。確定注入壓力最可靠的辦法是從開發(fā)區(qū)油井的試注資料中獲取。在無實測的試注壓力時，可采用氣體在多孔介質(zhì)中的平面徑向流動原理推導(dǎo)。一般情況下，注氣壓力不高于地層破裂壓力。

注氣量和排氣量的匹配是保證火驅(qū)正常生產(chǎn)的必要條件。在對注氣量優(yōu)選的基礎(chǔ)上，對排氣量也要進(jìn)行優(yōu)選。排氣量較小時，向地層注氣比較困難，火線推進(jìn)速度緩慢。排氣量較大時，有利于空氣的注入，火線推進(jìn)速度也較快。一般情況下，火驅(qū)排注比應(yīng)大于1，才不會影響火線前緣的均勻推進(jìn)。

2.4 火驅(qū)監(jiān)測和評價

2.4.1 常規(guī)數(shù)據(jù)監(jiān)測 在火驅(qū)過程中，為更好的利用熱能，油藏監(jiān)測十分的關(guān)鍵，要充分利用油藏監(jiān)測進(jìn)行有效分析，準(zhǔn)確掌握隨時間變化的油藏中的熱量分布。油藏監(jiān)測資料主要包括：壓力和溫度測試數(shù)據(jù)、日產(chǎn)量、注氣和產(chǎn)氣量數(shù)據(jù)、關(guān)井時間和情況、所用的添加劑類型和情況。這些數(shù)據(jù)必須定期準(zhǔn)確的收集，以便及時評價油田的生產(chǎn)動態(tài)，從而確定最合適的各種生產(chǎn)方法和增產(chǎn)措施，實現(xiàn)經(jīng)濟、有效地開采油田。

2.4.2 燃燒前緣監(jiān)測 確定火驅(qū)燃燒前緣位置的方法有計算方法、綜合分析方法和直接測試法三類。計算方法利用不穩(wěn)定試井、物質(zhì)平衡和能量守恒的方法均可以計算燃燒前緣的位置，但是由于油藏的非均質(zhì)性影響，單純通過計算方法來分析火線燃燒前緣位置是不可靠的。綜合動態(tài)分析方法是根據(jù)火線在不同位置時生產(chǎn)井的井底溫度，油氣水的產(chǎn)量及其性質(zhì)的變化規(guī)律，與現(xiàn)場正常見火井獲得的變化規(guī)律進(jìn)行對比分析，來確定火線的位置。該方法與物質(zhì)平衡法相結(jié)合，是目前行之有效的方法。直接測試法通過測量儀器直接監(jiān)測地層火線推進(jìn)情況，得到的結(jié)果是目前所有方法中最為精確的，但需要耗費大量的資金。該方法主要包括熱電偶測溫法、紅外照相法、地球物理電測法、磁法、電位法和地震法。

2.4.3 火驅(qū)效果分析和預(yù)測 火驅(qū)效果的分析和預(yù)測方法主要有數(shù)值模擬方法和油藏工程方法。數(shù)值模擬方法是應(yīng)用較為廣泛、結(jié)果較為可信的一種研究法。目前，火驅(qū)開采研究與設(shè)計常用的熱采模擬軟件有：美國科學(xué)軟件公司的THERM 模型和加拿大計算機模擬軟件公司的STARS 模型。除了數(shù)值模擬方法，傳統(tǒng)的數(shù)理統(tǒng)計方法也可以進(jìn)行火驅(qū)方案效果預(yù)測，比較著名的就是朱杰的統(tǒng)計方法[12]。

3 結(jié)論

（1）將一個火驅(qū)項目的實施流程劃分為四個主要階段：油藏篩選、實驗室實驗、現(xiàn)場工程設(shè)計與施工、監(jiān)測與評價，并制作出了火驅(qū)項目流程圖。

（2）對比了不同火驅(qū)實驗的優(yōu)缺點及用途，為火驅(qū)方案設(shè)計、火驅(qū)狀態(tài)認(rèn)識和調(diào)整火驅(qū)效果提供了理論依據(jù)。