基于實(shí)驗(yàn)的原油氧化速率分析及應(yīng)用

袁士寶，張喻鵬，蔣海巖，白 玉

(1.西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，西安 710065;2.陜西省油氣田特種增產(chǎn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710065)

火燒油層技術(shù)是開(kāi)采稠油有效的技術(shù)之一，但其燃燒過(guò)程復(fù)雜且成功率并不高，主要在于對(duì)火驅(qū)階段的原油氧化速率認(rèn)識(shí)不足，難以形成合理的理論指導(dǎo)，一直受到中外學(xué)者的關(guān)注[1]。早在1982年，F(xiàn)assihi等[2]通過(guò)室內(nèi)燃燒試驗(yàn)得出原油的在多孔介質(zhì)的燃燒存在多個(gè)連續(xù)的反應(yīng)并確定了低溫、中溫和高溫氧化3種反應(yīng)類型；Cinar等[3]建立一種火驅(qū)模型，從活化能的角度對(duì)氧化反應(yīng)能量以及反應(yīng)溫度進(jìn)行分析，這為反應(yīng)階段確定奠定了基礎(chǔ)；陳天然[4]利用高溫高壓氧化釜對(duì)杜66稠油低溫氧化階段點(diǎn)火參數(shù)進(jìn)行分析，修正了空氣需求量的預(yù)測(cè)模型；蔣海巖等[5]利用CMG(computer modelling group) 數(shù)值模擬軟件，擬合室內(nèi)高溫氧化的燃燒管實(shí)驗(yàn)，分析研究燃燒管實(shí)驗(yàn)的各項(xiàng)動(dòng)態(tài)參數(shù)，為火驅(qū)開(kāi)發(fā)提供了一定的指導(dǎo)和借鑒。但分階段原油的氧化速率的確定缺少成熟的方法，難以形成較為科學(xué)系統(tǒng)的火驅(qū)注氣方案設(shè)計(jì)?，F(xiàn)結(jié)合靜態(tài)燃燒釜實(shí)驗(yàn)和動(dòng)態(tài)燃燒管實(shí)驗(yàn)，通過(guò)計(jì)算不同階段的耗氧速率，結(jié)合火驅(qū)現(xiàn)場(chǎng)給出較為合理的注氣速度范圍，能夠有效指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行火驅(qū)方案設(shè)計(jì)。

1 低溫氧化靜態(tài)燃燒釜實(shí)驗(yàn)

反應(yīng)釜實(shí)驗(yàn)是實(shí)驗(yàn)室研究低溫氧化反應(yīng)的重要手段[6]，通過(guò)壓縮機(jī)和增壓泵將空氣注入中間容器中，然后將反應(yīng)釜抽空，將一定量的實(shí)驗(yàn)用原油注入反應(yīng)釜中，再通過(guò)中間容器將空氣注入反應(yīng)釜中(112 mL)，在不同的恒溫箱溫度條件下(恒溫：70、120、180、250 ℃)，通過(guò)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中溫度壓力的變化及采集反應(yīng)停止后反應(yīng)釜內(nèi)的氣體，測(cè)量氧氣和二氧化碳的含量，以分析低溫氧化速率。

實(shí)驗(yàn)最高溫度為250 ℃，試驗(yàn)裝置如圖1所示，其中實(shí)驗(yàn)用砂為80～120目的石英砂，實(shí)驗(yàn)用油取自杜66區(qū)塊的稠油在室溫下的油密度為0.945 g/cm3。

圖1 反應(yīng)釜裝置Fig.1 Reactor device

實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菫榱搜芯康蜏貤l件下原油的氧化速度，由于氧氣分壓及原油性質(zhì)對(duì)反應(yīng)速率均會(huì)產(chǎn)生影響，因此在控制其他變量的情況下，監(jiān)測(cè)不同溫度下氧氣和二氧化碳的含量，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 靜態(tài)氧化反應(yīng)釜實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Experimental results of static oxidation reactor

靜態(tài)氧化最大的優(yōu)勢(shì)是能夠進(jìn)行各溫度下反應(yīng)速率的測(cè)定，這是燃燒管動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)無(wú)法達(dá)到的[7]。根據(jù)稠油氧化理論與靜態(tài)反應(yīng)釜低溫氧化實(shí)驗(yàn)反應(yīng)過(guò)程，認(rèn)為O2消耗與系統(tǒng)總壓力降有關(guān)，而反應(yīng)產(chǎn)生少量的CO，忽略不計(jì)。在中外研究中，計(jì)算原油靜態(tài)氧化反應(yīng)速率的方法主要采用壓力降法[8]。

(1)

式(1)中：x為單位烴類分子的碳原子數(shù)。

原油靜態(tài)氧化反應(yīng)速率可以用單位體積原油在單位時(shí)間內(nèi)消耗氧氣的量νLO2表示，單位為mol/[h·mL(oil)]，其表達(dá)式如式(2)所示：

vLO2=-dnO2/Voildt

(2)

式(2)中：nO2為消耗氧氣物質(zhì)的量，mol；Voil為原油體積，L。

原油經(jīng)過(guò)低溫氧化反應(yīng)，則氧氣的消耗物質(zhì)的量為Δn(t)，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，系統(tǒng)內(nèi)氣體物質(zhì)的量的減少值Δn(t)為

(3)

(4)

相應(yīng)的，使用減少的物質(zhì)的量Δn(t)表示氧氣參加反應(yīng)的物質(zhì)的量：

(5)

將式(5)代入式(3)，可得原油靜態(tài)氧化反應(yīng)速率：

(6)

空氣中O2與油反應(yīng)消耗O2，從而降低系統(tǒng)壓力。因次每單位體積原油的耗氧速率可以根據(jù)壓力變化計(jì)算。

根據(jù)氣體狀態(tài)方程：

PVg=ZRnT

(7)

式(7)中：P為反應(yīng)氣體壓力，Pa；Vg為氣體體積，m3；Z為偏差因子；R為氣體常量(比例常數(shù))，J/(mol·K)；n為氣體的物質(zhì)的量，mol；T為體系溫度，K。

進(jìn)行轉(zhuǎn)化：

ΔP(t)Vg=ZRΔn(t)T

(8)

式(8)中：ΔP(t)為氣體壓強(qiáng)的變化值，Pa。

可得：

(9)

對(duì)于原油來(lái)說(shuō)，所含組分一般都比較重，烷烴CxH2x+2中x相對(duì)來(lái)說(shuō)比較大，所以有：

(10)

將式(9)、式(10)代入式(6)，可得

(11)

又有壓力降ΔP(t)為

ΔP(t)=P(t)′Δt

(12)

式(12)中：P(t)′為P(t)對(duì)時(shí)間t的導(dǎo)數(shù)

將式(12)代入式(11)中得：

(13)

即氧化反應(yīng)速率為

(14)

式(14)為原油氧化反應(yīng)速率，通過(guò)表1低溫氧化反應(yīng)測(cè)得高壓反應(yīng)釜中的壓力隨時(shí)間的變化，可以計(jì)算任意時(shí)間點(diǎn)處的氧化反應(yīng)速率，并且還可以計(jì)算平均氧化反應(yīng)速率。經(jīng)過(guò)計(jì)算，70 ℃的氧氣消耗約為1.34×105mol/[h·mL(oil)]，120 ℃的氧氣消耗速率為2.41×105mol/[h·mL(oil)]，低溫氧化階段的平均耗氧速率約為2.0×105mol/[h·mL(oil)]。

2 高溫氧化動(dòng)態(tài)燃燒管實(shí)驗(yàn)

燃燒管實(shí)驗(yàn)是研究火驅(qū)穩(wěn)定燃燒的重要實(shí)驗(yàn)[9]，通過(guò)燃燒管實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛑庇^的測(cè)量到火燒油層反應(yīng)區(qū)的溫度、壓力變化，并可以通過(guò)監(jiān)測(cè)注入空氣的量以及產(chǎn)出氣體量等參數(shù)，分析并確定高溫階段耗氧速率。

2.1 試驗(yàn)裝置及設(shè)計(jì)

選擇干式燃燒方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，采用原油與石灰?guī)r及石英砂的混合物為實(shí)驗(yàn)工質(zhì)，其試驗(yàn)裝置如圖2所示。實(shí)驗(yàn)用油為實(shí)驗(yàn)用油采用杜66脫水原油，與低溫氧化原油一致。20 ℃下原油黏度為14 000 mPa·s，100 ℃下為30 mPa·s，密度為0.99 g/cm3。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

點(diǎn)火前為燃燒管外保溫層加熱并保溫在60 ℃模擬地層溫度，燃燒實(shí)驗(yàn)中，不間斷地測(cè)取軸心和外周部分注入空氣的流量、產(chǎn)出氣量并記錄，結(jié)果如表2所示。

2.3 高溫氧化階段反應(yīng)速率分析

注入空氣與原油反應(yīng)消耗氧氣，根據(jù)反應(yīng)前后氣體中O2百分含量的變化可以計(jì)算出單位體積原油的動(dòng)態(tài)耗氧速率。

圖2 用于火燒油層室內(nèi)實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖Fig.2 Schematic diagram of laboratory experimental device for in-situ combustion reservoir

根據(jù)真實(shí)氣體狀態(tài)方程[10]，則對(duì)于反應(yīng)前后的氣體中O2分別有：

PV1=Zn1RT

(15)

PV2=Zn2RT

(16)

式中：P為反應(yīng)氣體壓力，MPa；Z為壓縮因子；R為通用氣體常數(shù)；T為絕對(duì)溫度，K；V1為反應(yīng)前注入空氣中氧氣的體積，m3；V2為反映后采出氣體中氧氣的體積，m3；n1為反應(yīng)前注入空氣中氧氣的物質(zhì)的量，mol；n2為反應(yīng)后采出氣體中氧氣的物質(zhì)的量，mol。

兩式相減可得反應(yīng)前后氧氣物質(zhì)的量的變化：

(17)

式(17)中：Δn為反應(yīng)前后氣體中氧氣的物質(zhì)的量的變化，mol；q為反應(yīng)中空氣的注入速度，mL/min；t為計(jì)算時(shí)刻的注入時(shí)間，h；ΔC為氧氣濃度變化值。

圖3 不同氧化階段的耗氧速率Fig.3 Oxygen consumption rate at different oxidation stages

從而可以計(jì)算出單位體積油的耗氧速率：

耗氧速率=氧氣消耗總量/(滯留時(shí)間 × 地層有效體積)

(18)

其中：

地層有效體積=總孔隙體積-束縛水體積-殘余油體積

(19)

則有高溫氧化實(shí)驗(yàn)中，稠油的耗氧速率為

(20)

式(20)中：vHO2為高溫階段耗氧速率，mol/[h·mL(oil)]；ΔO2為反應(yīng)前后氣體中氧氣百分含量的變化，%；q為反應(yīng)中空氣的注入速度，mL/min；VR為地層有效體積,VR=PV-SW-SO,m3。

耗氧速率在一定程度上反映了氧化反應(yīng)的速率，根據(jù)公式計(jì)算實(shí)驗(yàn)不同時(shí)刻的耗氧速率如表3所示。

表3 耗氧速率計(jì)算結(jié)果Table 3 Calculation results of oxygen consumption rate

稠油的低溫氧化與高溫氧化有本質(zhì)的區(qū)別，高溫氧化平均耗氧速率為6×105mol/[h·mL(oil)]，做出低溫和高溫階段的氧氣消耗速率，如圖3所示。

由圖3可知，發(fā)現(xiàn)高溫氧化的平均耗氧速率約為低溫氧化的3倍，不同的氧化速率的空氣需求量是不同的，所以為了達(dá)到較好的火驅(qū)效果，需要對(duì)注氣強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3 基于實(shí)驗(yàn)分析的注氣速度設(shè)計(jì)

3.1 基于實(shí)驗(yàn)的注氣速度研究

3.1.1 點(diǎn)火期間最低注氣速度

根據(jù)低溫氧化測(cè)定的氧氣消耗速率，為了維持低溫氧化，可以得到點(diǎn)火期間最低的注氣速度：

(21)

式(21)中：vLO2為低溫階段的耗氧速度，mol/[h·mL(oil)]；R′為預(yù)熱半徑，m；r為井筒半徑，m；H為油藏厚度，m；SO為油藏含油飽和度；ρ0原油密度，kg/m3；x為反應(yīng)后尾氣氧氣含量，%；Φ為油藏孔隙度；qignition，min為注氣速度，m3/d。

3.1.2 點(diǎn)火期間最大注氣速度

空氣注入過(guò)快會(huì)形成吹掃和降溫的效果，通常需要在注氣階段保持低速空氣注入。按照傳熱學(xué)原理，考慮在點(diǎn)火期間的最大注氣速度不造成降溫，存在以下關(guān)系式[11]：低溫氧化產(chǎn)生熱量 >注入空氣的吸熱+油藏升溫吸熱。如式(21)所示：

qmaxρa(bǔ)irCair(to-ts)+ρsCsπr2h(to-ts)≤

(22)

式(22)中：qmax為最大注氣速度,m3/d；ρa(bǔ)ir為空氣的密度,kg/m3；Cair為空氣的比熱,kJ/(kg·℃)；to為空氣與飽和水砂巖升高到的溫度,℃；ts為地面注入空氣溫度,℃；t為原始油藏溫度,℃；ρs為飽和油巖石密度,kg/m3；Cs為飽和油巖石比熱,kJ/(kg·℃)；r為燃燒帶寬度,m；M為原油的摩爾質(zhì)量,kg/mol；k為燃燒每摩爾原油消耗的氧氣量,mL/mol(oil)；Q為低溫氧化反應(yīng)中每摩爾氧氣生成的熱量,kJ。

3.1.3 穩(wěn)定燃燒注氣速度

火燒油層過(guò)程中，油層穩(wěn)定燃燒過(guò)程中，點(diǎn)火時(shí)的預(yù)熱儲(chǔ)層體積變?yōu)榛鹁€波及體積[11]，則穩(wěn)定燃燒最小注氣速度為

(23)

式(23)中：qfire,min為穩(wěn)定燃燒最小注氣速度，L/min；vH,O2為單位波及體積高溫階段耗氧速度，L/min；vf為火線推進(jìn)速度，m/d；xO2為反應(yīng)后尾氣氧氣含量，%；Vf為火驅(qū)波及體積，m3。

3.2 注氣速度范圍設(shè)計(jì)

結(jié)合對(duì)高溫和低溫的注氣速率推導(dǎo)和研究，為了保持單位統(tǒng)一，方便分析和比較，假定：油層溫度25 ℃，燃料耗量34 kg/m3，儲(chǔ)層比熱容cr=0.7 kJ/(kg·℃)，儲(chǔ)層密度ρr=1 700 kg/m3，原油比熱容co=1.27 kJ/(kg·℃)，原油密度ρo=946.4 kg/m3，空氣比熱容ca=1.004 kJ/(kg·℃)，空氣密度ρa(bǔ)=1.29 kg/m3，地層壓力下空氣密度ρa(bǔ)1=93.528 kg/m3，點(diǎn)火階段預(yù)熱半徑R=0.7 m，井筒半徑r=0.1 m，火線長(zhǎng)度210 m，儲(chǔ)層厚度15 m，火線推進(jìn)速度0.07 m/d，孔隙度0.23，含油飽和度0.6，計(jì)算注氣強(qiáng)度如圖4所示。

圖4 按照實(shí)驗(yàn)測(cè)定氧氣消耗速度設(shè)計(jì)的注氣強(qiáng)度Fig.4 Design of gas injection intensity according to oxygen consumption rate measured by experiment

圖4中Ⅰ、Ⅱ區(qū)是根據(jù)實(shí)驗(yàn)的注氣速度研究并結(jié)合所給現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)得到的低溫、高溫的不同燃燒半徑的注氣強(qiáng)度區(qū)間。Ⅰ區(qū)是點(diǎn)火階段合理的注氣強(qiáng)度范圍，由實(shí)驗(yàn)推導(dǎo)的點(diǎn)火期間最大注氣速度(考慮到低溫氧化的所需要的熱量且不會(huì)造成降溫，達(dá)到低溫氧化最高值)和火階段最小注氣速度(考慮到僅能維持低溫氧化，達(dá)到低溫氧化的最低值)構(gòu)成，結(jié)合杜66區(qū)塊的實(shí)際，取預(yù)熱半徑為20 m時(shí)，可知注氣強(qiáng)度為140～340 m3/(h·m)，代入油藏?cái)?shù)據(jù)計(jì)算得到在點(diǎn)火階段的注氣速度為2 100～5 100 m3。

Ⅱ區(qū)是穩(wěn)定燃燒的合理注氣強(qiáng)度范圍，由點(diǎn)火期間最大注氣速度(考慮低溫氧化并達(dá)到高溫氧化最低值)和穩(wěn)定燃燒注氣速度(考慮預(yù)熱體積變?yōu)槿紵w積，穩(wěn)定燃燒達(dá)到高溫氧化的極限值)構(gòu)成，結(jié)合杜66區(qū)塊的實(shí)際，取燃燒半徑為20 m時(shí)，可知注氣強(qiáng)度為340～780 m3/(h·m)，代入油藏?cái)?shù)據(jù)計(jì)算得到在穩(wěn)定燃燒階段的注氣速度為5 100～11 700 m3。

根據(jù)圖4，并結(jié)合實(shí)際區(qū)塊的情況，可知在點(diǎn)火階段和穩(wěn)定燃燒階段注氣速度由于氧化機(jī)理差異，存在明顯的不同，在點(diǎn)火階段注氣速度為2 100～5 100 m3，穩(wěn)定燃燒階段的注氣速度為5 100～11 700 m3。

4 結(jié)論

(1)不同氧化階段的反應(yīng)速率是不同的，結(jié)合室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，高溫氧化階段的平均反應(yīng)速率約為低溫氧化階段反應(yīng)速率的3倍。

(2)點(diǎn)火階段最小注氣速率的建立需要考慮低溫氧化的影響，結(jié)合具體區(qū)塊給出成功點(diǎn)火的合理的最小的注氣速度；穩(wěn)定燃燒時(shí)，此時(shí)注氣范圍需要考慮到設(shè)計(jì)的火線推進(jìn)速度結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)定的高溫氧化耗氧速率，滿足到高溫階段空氣的耗量，達(dá)到穩(wěn)定燃燒驅(qū)油的目的。