基于數(shù)值模擬的火燒油層過程中的相變作用

蔣海巖, 杜 坤, 袁士寶, 任宗孝, 程海清

(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)重點實驗室，西安 710065; 3.長慶油田采油十廠，甘肅 慶城 745100； 4.中國石油遼河油田分公司，遼寧 盤錦 124010)

火燒油層是一種具有明顯技術(shù)優(yōu)勢和潛力的采油方法?；痱?qū)開采過程中將油層中的原油裂解產(chǎn)物當(dāng)作燃料點燃，依靠持續(xù)向地層中注入空氣維持燃燒，不斷產(chǎn)生熱量，依靠熱力等綜合驅(qū)動方式協(xié)同作用，達(dá)到提高采收率的目的[1-3]?；馃蛯舆€具有適用范圍廣、物源廣、采收率高、成本低等特點。但由于火燒油層過程中包含一系列的化學(xué)反應(yīng)，同時伴隨氣、液、固三相的運移過程，包含相變和熱膨脹等，地面很難直觀準(zhǔn)確地監(jiān)測儲層中的燃燒反應(yīng)和驅(qū)油過程，為火燒油層調(diào)控帶來較大的難度。因此，火燒驅(qū)油技術(shù)還未達(dá)到像注蒸汽采油技術(shù)一樣廣泛的應(yīng)用，開展影響火驅(qū)效果的機理研究十分必要。

火燒油層因存在復(fù)雜的燃燒反應(yīng)，溫度高、范圍大，導(dǎo)致地層中原油及氣體產(chǎn)生劇烈的相態(tài)變化，形成了冷凝帶、蒸汽帶和燃燒帶等，產(chǎn)生熱廢氣、蒸汽和熱水協(xié)同驅(qū)油作用，進而影響采收效果[4-6]。但是到目前為止，對火驅(qū)過程中原油在地層中的相變研究較少。

本文致力于火燒油層中相態(tài)變化對驅(qū)油效果研究，針對火驅(qū)中原油受高溫作用引起相變強弱的問題，采用數(shù)值模擬軟件，首先建立多組分模型模擬地下原油性質(zhì)，其次使用熱采模型模擬原油受不同程度相變作用，并對火驅(qū)燃燒效果和特征場進行分析。

1 模型的建立

火驅(qū)燃燒伴隨有大量的熱量產(chǎn)生，地層中的烴類在受到高溫時會發(fā)生劇烈的相態(tài)轉(zhuǎn)變和相間的傳遞[7-10]，產(chǎn)生復(fù)雜的物理化學(xué)變化，對火驅(qū)生產(chǎn)的監(jiān)測和調(diào)控帶來巨大的挑戰(zhàn)。為此，利用CMG油藏數(shù)值模擬軟件建立火驅(qū)模型，討論相變作用對火驅(qū)的影響。

1.1 組分和相態(tài)的劃分

稠油中存在很多復(fù)雜的組分，而且各個組分在火驅(qū)過程中也都參與了化學(xué)反應(yīng)。為縮短火驅(qū)數(shù)學(xué)模型運算時間，通過參考相關(guān)文獻和資料[11-12]后，對火燒油層中的化學(xué)反應(yīng)采取如下簡化：首先建立四相七組分模型，分別為氣相、水相、油相和固相及水、重油(heavy oil)、輕油(lite oil)、CO2、CO/N2、O2和焦炭(coke)7個組分(表1)。其中空氣中的N2不參與燃燒反應(yīng)，而CO在燃燒產(chǎn)物中所占比例較小，因此，將N2和CO兩種氣體歸于一個組分。

表1 四相七組分基本表Table 1 Phase classification and components

由于原油氧化反應(yīng)產(chǎn)物復(fù)雜，為減少組分?jǐn)?shù)量并提高模型在計算中的運算速度，考慮將性質(zhì)相似的組分合并，得到2個油相擬組分。其中，C1～C30為輕油，約占摩爾組成的 0.633 1；C30+為重油，約占摩爾組成的 0.353 3;CO2和N2/CO摩爾組成分別約占 0.013 2和 0.000 4。利用數(shù)值模擬軟件CMG中的Winprop模塊擬合原油各組分理化性質(zhì)。對擬組分進行擬合的理化參數(shù)包括黏度(η)、密度(ρ)、平衡常數(shù)(K值)等。計算得到輕油的分子量214.7 g/mol、臨界壓力 2.241 91 MPa、臨界溫度458.32℃；重油的分子量652.0 g/mol、臨界壓力 1.145 83 MPa、臨界溫度688.04℃；壓力為101 kPa、20℃下，原油密度 1 095.07 g/cm3，原油黏度 1 520.84 mPa·s。

1.2 火燒油層模型建立

圖1為STARS模塊模擬的火驅(qū)網(wǎng)格模型示意圖。模型采用直角網(wǎng)格系統(tǒng)，網(wǎng)格數(shù)量為35×20×3，網(wǎng)格步長為5 m×5 m×3.3 m，儲層埋深600 m，油藏溫度20℃，原始地層壓力8 MPa，孔隙度(q)25%，滲透率350×10-3μm2，平均含油飽和度65%，地層原油黏度 1 176.5 mPa·s，地層原油密度 0.946 4 g/cm3。油藏邊界封閉，蓋層與底層有熱量損失，蓋層與底層的體積熱容為2.350×106J/(m3·℃)，導(dǎo)熱系數(shù)為1.496×105J/(m·d·℃)。采用排狀井網(wǎng)進行開采，注采井距70 m。注氣井和生產(chǎn)井在3層中全部投入使用。2018年1月開始進行火驅(qū)生產(chǎn)，向油藏中注入空氣，注氣速度為 3 000 m3/d，連續(xù)注入20年，生產(chǎn)井井底溫度高于300℃立刻關(guān)井，最小井底流壓1.5 MPa。

火驅(qū)模型中7個擬組分發(fā)生的原油氧化反應(yīng)如表2所示。

1.3 稠油火驅(qū)過程中相平衡的表達(dá)

通常對復(fù)雜油氣體系中相變規(guī)律的研究有實驗和數(shù)值模擬計算2種方法[13-17]。相態(tài)實驗是通過有代表性的油氣樣品，用于PVT(壓力-體積-溫度)實驗室分析，確定儲層流體的組成和物理化學(xué)性質(zhì)。相態(tài)實驗分析研究是相態(tài)數(shù)值模擬的基礎(chǔ)和依據(jù)，實驗的準(zhǔn)確性直接影響后期相態(tài)數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。但通過實驗的方法受到儀器工作溫度、壓力范圍等的限制，還無法得到完整的相圖和全部的相態(tài)參數(shù)，這就需要相態(tài)變化和相平衡計算來描述和預(yù)測油氣體系的PVT相態(tài)特征和變化規(guī)律。其中，相態(tài)變化的主要表示方法包括相律、相圖，表達(dá)相平衡所需的計算方程主要包括物料平衡條件方程、熱力學(xué)平衡條件方程以及狀態(tài)方程。為了更直觀地表達(dá)氣液間相平衡，通常采用氣液相平衡常數(shù)Ki表示。氣液相平衡常數(shù)Ki表示i組分在平衡狀態(tài)時氣、液相的比例，等于相平衡條件下該組分在氣相中的摩爾分?jǐn)?shù)與在液相中的摩爾分?jǐn)?shù)的比值，即

Ki=yi/xi

(1)

表2 火驅(qū)中7個擬組分氧化反應(yīng)Table 2 Oxidation reactions of 7 quasi-components in combustion drive

其中：yi表示i組分氣相中的摩爾分?jǐn)?shù)，xi表示該組分液相中的摩爾分?jǐn)?shù)。

氣液相平衡常數(shù)Ki通?？捎蓤D版法和計算法得到，而數(shù)值模擬軟件(CMG)通常使用下式

(2)

其中:p為壓力；t為溫度；k1為氣-液K值關(guān)系式的第一個系數(shù)，與壓力相關(guān)；k2為氣-液K值關(guān)系式的第二個系數(shù)，與壓力倒數(shù)相關(guān)；k3為氣-液K值關(guān)系系數(shù)，無量綱；k4為氣-液K值關(guān)系式的第四個系數(shù)，與溫度相關(guān)；k5為氣-液K值關(guān)系系數(shù)，與溫度相關(guān)。

利用Winprop模塊擬合原油各組分理化性質(zhì)，通過擬合各組分的密度、黏度，并進行兩相閃蒸實驗計算后，繪制出符合該原油的p-t相圖(圖2)。圖中添加了典型常規(guī)氣藏、典型凝析氣藏、典型揮發(fā)性油藏和稠油藏的臨界點(C1、C2、C3、C)，并標(biāo)出了常規(guī)水驅(qū)油藏、注蒸汽以及火驅(qū)的溫度壓力范圍。常規(guī)水驅(qū)溫度一般在50～100℃，一般壓力 <18 MPa；注蒸汽驅(qū)溫度通常在220～350℃，通常壓力<16 MPa；火驅(qū)開發(fā)壓力較低，在0.3～14 MPa，一般溫度>300℃[18]。從圖中可以看出，相比常規(guī)油藏開采方法，稠油臨界點的溫度高、壓力低。顯然火驅(qū)的溫度更高、范圍更大，相變是火驅(qū)開發(fā)方式不能忽略的過程。蒸汽吞吐井底蒸汽溫度最高維持在200～300℃。而火驅(qū)反應(yīng)發(fā)生在整個油層內(nèi)，且存在明顯的區(qū)帶特征，特別是燃燒區(qū)，反應(yīng)劇烈，溫度>300℃，相變就越發(fā)劇烈。

利用Winprop軟件，針對油相中輕油、重油2個擬組分油品在0.1～80 MPa和16.85～700℃條件下進行常規(guī)PVT擬合后，計算得到不同溫度和壓力下輕油的氣液相平衡常數(shù)K值(表3)。

表3 不同溫度和壓力下擬組分氣液相平衡常數(shù)(K值)Table 3 Vapor-liquid equilibrium constant K of pseudo-components at different temperatures and pressures

火驅(qū)生產(chǎn)過程中，部分輕質(zhì)組分由重質(zhì)組分受熱裂解產(chǎn)生，易產(chǎn)出，且占產(chǎn)量的主要部分，因此，本文重點討論輕質(zhì)組分。

下文中表述的Ki均表示輕油的氣液相平衡常數(shù)，但氣液相平衡常數(shù)Ki受多個參數(shù)(如溫度、壓力等)的影響，且一旦油層條件確定，氣液相平衡常數(shù)即為定值。這里考慮從理論角度，通過改變氣液相平衡常數(shù)大小，描述不同性質(zhì)稠油在火驅(qū)中氣液相態(tài)之間相互傳熱及傳質(zhì)的強弱。由氣液相平衡常數(shù)定義式可知，Ki越大，則氣液兩相平衡后，氣相含量越大，表示相同條件下原油中含有輕質(zhì)組分越多，受熱后原油越易揮發(fā)，更多液相輕質(zhì)組分進入氣相，導(dǎo)致氣液相平衡常數(shù)越大；相反，稠油中含輕質(zhì)組分越少，重質(zhì)組分越多，更多的熱量被重質(zhì)組分裂解反應(yīng)吸收，使相同量輕質(zhì)組分由液相轉(zhuǎn)化成氣相所需熱量減少，氣液平衡狀態(tài)下，氣相含量少，氣液相平衡常數(shù)值較小。因此簡化計算過程，直接修改式(2)中的k1i，分別使k1i增大一定倍數(shù)，由式(2)可知Ki也得到相應(yīng)的增大，從而模擬火驅(qū)作用下不同性質(zhì)原油在高溫燃燒帶內(nèi)的相變作用強弱。表4列出不同性質(zhì)原油在高溫燃燒帶(溫度505℃，壓力2.193 MPa)內(nèi)K值的變化，其中k1為 1.892 9×103kPa，k2和k3均為0，k4為 -4 680.1℃，k5為-132.05℃。

表4 不同性質(zhì)原油的相平衡常數(shù)Table 4 K values of different phase equilibrium constants

為進一步揭示相變對不同類型稠油的火驅(qū)驅(qū)油機理和優(yōu)勢，下面詳細(xì)對比和總結(jié)不同類型稠油受不同程度相變下的火驅(qū)模擬結(jié)果。

2 不同相變程度對驅(qū)油效果的影響

氣液相平衡常數(shù)依次增大時，采收率和累計產(chǎn)油的變化規(guī)律如圖3所示。

由圖3分析可知，火驅(qū)過程中，氣相輕質(zhì)組分含量越多，相態(tài)變化越劇烈，采收率越高。這是因為氣相流動阻力遠(yuǎn)小于液相流動阻力，而氣相含量的增加使越來越多的輕質(zhì)油更容易流動，更容易被生產(chǎn)井采出，導(dǎo)致累計產(chǎn)油增加，采收率上升?；痱?qū)現(xiàn)場中生產(chǎn)井溫度超過一定值會對地下管柱和生產(chǎn)設(shè)備等造成損害，因此模擬過程設(shè)置當(dāng)生產(chǎn)井溫度到達(dá)300℃時模型運算停止。從模擬結(jié)果可見不同K值下采收率曲線的截止時間存在差異，相平衡常數(shù)越大驅(qū)替推進速度越快。

圖4和圖5分別表示不同相平衡常數(shù)下的含水率和產(chǎn)油速率的變化規(guī)律。含水率曲線總體呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，且隨著相平衡常數(shù)K的增加，同一時期的含水率逐漸下降。前期含水率曲線高是因為油藏處于蒸汽吞吐末期的排水期，地層中大量的水被排出，含水率降低；一旦油墻越過生產(chǎn)井，含水率開始上升，產(chǎn)油速率逐漸下降。隨著相平衡常數(shù)的增大，氣相中輕質(zhì)組分含量增加，相變劇烈，生產(chǎn)速率加快，地層中流體越早被排出，導(dǎo)致同一時期含水率和產(chǎn)油速率曲線下降越快。

3 不同相變程度對燃燒效果的影響

如圖6所示為火驅(qū)生產(chǎn)第二年不同性質(zhì)原油的氣液相平衡常數(shù)的注入井和生產(chǎn)井間溫度分布曲線。

由圖6可知，燃燒規(guī)律基本按照由點火井端向生產(chǎn)井端推進的規(guī)律。不同的是，隨著原油中氣相輕質(zhì)組分含量增加，導(dǎo)致相變越劇烈，使油層溫度峰值降低，整體溫度波及范圍擴大。這是因為氣體在流動過程中攜帶部分熱量，到集油帶冷凝釋放熱量；當(dāng)原油中氣相含量越多時，氣體從燃燒前緣中攜帶的熱量就越多，氧化反應(yīng)中更多的熱量被氣相帶入原始油區(qū)，原油降黏作用越明顯，越有利于稠油開采。因此，相變作用增強，不僅能保證火驅(qū)取得較好采出程度，同時還能擴大熱量的波及范圍，有效降低注氣成本。

空氣注入油藏并成功點火后與原油發(fā)生劇烈的燃燒，導(dǎo)致油藏中各種氣體濃度產(chǎn)生變化。利用數(shù)值模擬軟件對不同氣液相平衡常數(shù)下的氣體產(chǎn)出及分布規(guī)律進行研究，圖7和圖8模擬出火驅(qū)生產(chǎn)1年后CO2和O2在注采井間的分布情況。

由圖7和圖8可知，同一時刻，隨著原油中氣相輕質(zhì)組分含量增加，相變越來越劇烈，注入的O2和燃燒產(chǎn)生的CO2移動速度越快，越靠近生產(chǎn)井，波及范圍越大。同時，相變越劇烈，生產(chǎn)井附近CO2濃度越高，燃燒越劇烈，產(chǎn)生熱量越大，火驅(qū)效果越好。

4 飽和度場特征分析

火驅(qū)屬于一種注空氣提高采收率的熱采方法，空氣隨注入井注入油層后，原油會與之發(fā)生劇烈反應(yīng)，導(dǎo)致反應(yīng)過程中油氣水飽和度發(fā)生變化。圖9為不同相變程度下油氣水三相飽和度場隨時間變化的場圖。

由圖9可知，從注入井到生產(chǎn)井依次出現(xiàn)純氣相(紅色)、原油氣化蒸餾帶(黃色)、水蒸發(fā)帶(紫紅色)、集水帶(藍(lán)色)、集油帶(綠色)、原始未受影響區(qū)帶(淺藍(lán)色)。同一時刻，輕質(zhì)組分的氣相含量越多，相變程度越劇烈，集油帶越厚，油相飽和度越高，油墻前緣越早到達(dá)生產(chǎn)井。同時由于相變作用增強，油藏流體的流動阻力下降，增大了流體的波及速率，有助于連通各個注氣井，使地下油墻較早地形成統(tǒng)一的含油驅(qū)替界面，擴大火驅(qū)波及范圍，提升驅(qū)替效率。

在成功點火后，蒸汽帶內(nèi)含水飽和度較高(超過42%)且燃燒較充分，油層水和燃燒產(chǎn)生的水遇高溫汽化，就地蒸發(fā)形成水蒸發(fā)帶(圖9中黃色)。由于蒸汽推進速度比火線快，在受驅(qū)替作用向前推移過程中，蒸汽帶遇冷液化，放出大量熱量，供前方低溫區(qū)流體受熱降黏。從圖9中看出，輕質(zhì)組分越多，相變越劇烈，蒸汽帶波及范圍越遠(yuǎn)，越多重質(zhì)組分受熱，降黏效果越好。此外，同一相變程度下，氧化反應(yīng)生成的CO2隨著時間而增加，導(dǎo)致氧化前緣形成主要由CO2和N2組成的煙道氣，在一定程度上強化了煙道氣的驅(qū)油效果。

此外，結(jié)合圖7、圖8可知，氣相中輕質(zhì)組分含量越高，相變作用越劇烈，氣體波及速度越快；同一時刻下，相變作用越強，氣相飽和度越高，波及范圍越大，氣腔由圓胖形逐漸向長瘦形轉(zhuǎn)變，氣體越早地到達(dá)生產(chǎn)井，火驅(qū)生產(chǎn)速率提升，效果增強，采收率升高。相變作用越強，從燃燒帶攜帶走的熱量越多，讓更多存留在燃燒區(qū)的熱量進入原始油帶，增加重質(zhì)組分裂解降黏等作用，提高采收率。

5 壓力場特征分析

油藏壓力不僅反映地層能量的變化，還影響地下流體的相態(tài)，而相變作用也影響著壓力場的變化。圖10給出了3個依次增大的相平衡常數(shù)下，油藏壓力隨時間的分布情況。

由圖10可知，在火驅(qū)生產(chǎn)初期(1～1.5年)，相變作用越強，生產(chǎn)井排與注氣井排之間的壓力梯度越大。這是因為空氣注入地層后與原油發(fā)生劇烈的氧化反應(yīng)，產(chǎn)生氣體，燃燒驅(qū)替前緣的集油帶阻礙了氣體的推進，使集油帶附近“憋”起部分高壓，形成高壓區(qū)帶，一定程度上保持油藏壓力，增加地層能量，為后續(xù)生產(chǎn)提供動力。隨著生產(chǎn)時間的增加(1～3年)，地層整體壓力逐漸下降，而相變作用越強，壓力下降越快。這是因為，相變作用越強，空氣與原油接觸越充分，燃燒作用越強，流體受熱降黏，增加地層中可動流體，形成高壓與熱效應(yīng)的協(xié)同驅(qū)油作用，使原油越早地被采出。采油速率(圖5)和油氣水三相飽和度圖(圖7)也說明，相變作用越劇烈，集油帶過早地被驅(qū)替到生產(chǎn)井，采油速度越快。

6 結(jié) 論

本文通過建立典型的火驅(qū)熱采概念模型，將不同性質(zhì)原油相變強度下的驅(qū)油和燃燒效果進行對比，分析了相變對驅(qū)油的作用機理，揭示了相變在火驅(qū)過程中提高采收率的作用，為火驅(qū)現(xiàn)場生產(chǎn)提供理論依據(jù)和借鑒。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果和理論分析，可以得到以下結(jié)論：

a.火驅(qū)開發(fā)過程中油藏氣相中輕質(zhì)組分含量越多，相變越劇烈，火驅(qū)生產(chǎn)時間越短，生產(chǎn)效果越好。

b.相變程度的增強雖然降低了火驅(qū)氧化反應(yīng)的溫度峰值，但擴大了熱量的傳播范圍，改善原油性質(zhì)，縮短生產(chǎn)時間，降低生產(chǎn)成本。

c.氣相中輕質(zhì)組分含量增加，相變作用增強，產(chǎn)生更多CO2。不僅形成了以N2、CO2、O2和水蒸氣以及硫化物等煙道氣驅(qū)的協(xié)同驅(qū)油，而且在一定程度上又強化煙道氣的驅(qū)替效果，提高采收率。

d.輕質(zhì)組分氣相含量的增加，導(dǎo)致在壓力場圖中“憋”起高壓帶，高壓與熱效應(yīng)共同作用加速注采井的連通。