火驅(qū)過程中稠油組分變化特征研究

蔣海巖，李天月，杜 坤，袁士寶，張喻鵬

(1.西安石油大學，陜西 西安 710065；2.陜西省油氣田特種增產(chǎn)技術重點實驗室，陜西 西安 710065；3.中國石油長慶油田分公司，甘肅 慶城 745100；4.中國石油塔里木油田分公司，新疆 庫爾勒 841000)

0 引 言

火驅(qū)是以地層稠油中的重質(zhì)組分為燃料，以注入空氣或富氧氣體為助燃劑，通過自燃或人工點火等方法使地層溫度達到稠油燃點，并在氧氣的持續(xù)注入下維持穩(wěn)定燃燒，利用燃燒產(chǎn)生的能量和氣體等在混合驅(qū)替作用下，將稠油從油井產(chǎn)出的高效熱采方法。蔣海巖[1]等采用熱重實驗將稠油氧化階段劃分為低溫氧化前期、低溫氧化后期、燃料沉積段和高溫氧化段4個階段，各階段溫度變化范圍、發(fā)生的反應均不相同，因此，稠油組分變化程度也不同。Adegbesan[2]使用SARA組分劃分方法研究了阿薩巴斯卡瀝青在低溫氧化過程中的組分變化。文萍[3]等對塔里木油田的3種稠油油樣進行了紅外光譜分析，研究了油樣的4個擬組分?；谇捌诖罅垦芯浚褜痱?qū)各組分間的轉(zhuǎn)化有了較清晰的認識，但大多都是采用傳統(tǒng)的定量色譜分析技術，而該技術只能給出C1-C6(或C1-C10)等碳氫化合物組分組成[4]。為了提高油氣烴類系統(tǒng)相態(tài)預測的準確性，有必要將Cn+重組分劈分成一定數(shù)量的輕質(zhì)組分。除此之外，火驅(qū)燃燒過程中產(chǎn)生大量熱量，部分區(qū)帶溫度可達600.00～700.00 ℃，如此高的溫度下，重質(zhì)組分斷鍵裂解成輕質(zhì)組分[5]，區(qū)帶內(nèi)發(fā)生復雜的物理化學反應，導致各區(qū)帶內(nèi)的油氣烴類體系性質(zhì)也存在較大差異。針對以上問題，有必要對火驅(qū)過程中各區(qū)帶間的組分轉(zhuǎn)化與遷移進行研究，并對整個烴類體系進行合理劃分，分析不同區(qū)帶的相圖特征，以期提高火驅(qū)過程中各區(qū)帶相態(tài)預測的準確性。

1 火驅(qū)機理及各區(qū)帶反應特征分析

1.1 火驅(qū)稠油反應機理

為了更方便地利用實驗分析火驅(qū)各區(qū)帶的組分變化，將火驅(qū)過程中稠油的反應分為兩大類[6]，一類是由于氧氣存在引起的氧化反應，另一類是由于溫度引起的熱反應。氧化反應可進一步細分為低溫氧化反應(發(fā)生在120.00～300.00 ℃)和高溫氧化反應(一般發(fā)生在360.00 ℃以上)。熱反應又可分為裂解和聚合2個過程。一般情況下，當反應溫度超過150.00 ℃時，稠油就會表現(xiàn)出不穩(wěn)定性，發(fā)生化學鍵的斷裂和自由基的聚合[7]。

1.2 基于熱重的氧化特征分析

熱重曲線是指在程序控制溫度情況下，樣品質(zhì)量百分數(shù)隨溫度變化的曲線，由遼河某區(qū)塊稠油熱重曲線(圖1)可以看出，稠油氧化反應過程階段性明顯，稠油氧化反應可以分為低溫氧化前期、低溫氧化后期、焦炭沉積階段、高溫氧化階段4個階段[1]。各反應階段持續(xù)時間不同，低溫氧化的持續(xù)時間大約為63%，燃料沉積時間約為21%，高溫氧化時間約為16%。

圖1 遼河某區(qū)塊稠油的典型熱重曲線

1.3 基于氧化實驗的組分變化分析

采用氧化反應釜模擬不同地層條件下的靜態(tài)低溫氧化實驗，在91.50～250.00 ℃下分析了稠油油樣肇43-241[8]與空氣氧化反應后族組分變化特征(表1)。

表1 油樣肇43-241不同溫度下反應后族組分組成

由表1可知：溫度低于120.00 ℃條件下，以“加氧反應”為主，飽和烴、芳香烴發(fā)生氧化反應轉(zhuǎn)化成膠質(zhì)、瀝青質(zhì)；溫度高于120.00 ℃條件下，以“鍵裂解反應”為主，部分膠質(zhì)、瀝青質(zhì)發(fā)生裂解向飽和烴、芳香烴組分轉(zhuǎn)化。該實驗很好地驗證了低溫氧化的反應機理。

1.4 基于紅外光譜的組分遷移分析

取新疆紅淺1井區(qū)地下547.84 m處的某稠油油樣[9]，使用德國Bruker公司IFS 66/S型傅立葉變換近紅外光譜儀(FT-NIR)對其進行紅外光譜測定，分析火驅(qū)過程中分子結構和化學鍵的變化，并通過GC-MS分析進一步確定不同區(qū)帶的物質(zhì)組成，得到各區(qū)帶的物質(zhì)組成(表2)。

(1) 原始油區(qū)組分特征。原始油樣中存在飽和烷烴、環(huán)烷烴、烷基側(cè)鏈、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)、芳環(huán)等組分，并通過原始油段的GC-MS分析可知，原始油帶中膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等重質(zhì)組分含量較高，且環(huán)結構較為復雜。

(2) 油墻區(qū)組分特征。油墻區(qū)域主要由于蒸餾冷凝作用富集一些輕質(zhì)油，以物理變化為主。

(3) 結焦帶組分特征。結焦帶發(fā)生了碳氫鍵的斷裂，原本與芳環(huán)相連的非烴類側(cè)鏈斷裂，芳香族化合物向脂肪族化合物轉(zhuǎn)化，芳環(huán)的鄰位被取代，芳香結構有所減少，脂肪族的含量不斷增加。這主要是由低溫氧化和熱反應引起。

在低溫氧化過程中，飽和烴/芳環(huán)烷基側(cè)鏈發(fā)生加氧反應，生成醇類、醛類等物質(zhì)，醇類物質(zhì)進一步脫水生成醚。在熱反應過程中，燃料沉積階段經(jīng)歷高溫，芳環(huán)結構減少，芳環(huán)鄰位發(fā)生取代，而受裂解影響形成的自由基則進一步聚合，縮合成分子量更大的分子。部分稠環(huán)芳烴聚合成膠質(zhì)瀝青質(zhì)。

總結以上反應過程，該區(qū)帶有熱裂解和熱聚合反應發(fā)生，是形成焦炭的主要階段。該段的物質(zhì)變化主要有：飽和烴和芳香烴側(cè)鏈發(fā)生加氧反應形成醛、酮、醇類等烴類含氧化合物，飽和烴含量減少至40.99%；稠環(huán)芳香烴由于熱裂解反應形成大量自由基，自由基共聚生焦，導致芳香烴多環(huán)結構減少至19.48%，稠油組分發(fā)生由飽和烴、芳香烴向膠質(zhì)瀝青質(zhì)的轉(zhuǎn)化，膠質(zhì)含量增加到30.23%，瀝青質(zhì)含量增加至9.88%。

(4) 燃燒帶組分特征。既發(fā)生高溫氧化反應又發(fā)生熱裂解，以高溫氧化反應為主焦炭燃燒積累大量熱量，使得瀝青質(zhì)和膠質(zhì)達到自燃點開始燃燒，稠油組分氧化程度加深，導致飽和烷烴等輕質(zhì)組分增多至92.00%，而膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等重質(zhì)組分由于達到其燃點大量燃燒，膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等含量降至8.00%。可用以下反應表示：

瀝青質(zhì)/膠質(zhì)/焦炭+氧氣→一氧化碳+二氧化碳+水

(5) 已燃區(qū)組分特征。已燃區(qū)位于燃燒帶之后，呈現(xiàn)出原油完全被驅(qū)替狀態(tài)，該區(qū)幾乎不存在原油，因此不再討論該區(qū)帶的組分變化?；馃^程中各區(qū)帶的組分遷移見表3。

表3 火燒過程中各區(qū)帶的組分遷移

2 火驅(qū)過程中各區(qū)帶的相態(tài)變化分析

2.1 基于組分變化的相態(tài)變化分析

為了進一步驗證各區(qū)帶間組分的轉(zhuǎn)化特征，以某稠油油樣[10-15]為例，其API比重為11，相對密度為0.993，油樣具有代表性?；趯嶒灧治鏊玫幕痱?qū)過程中不同區(qū)帶各組分變化特征[16-21]，由宏觀定性到定量，確定原始油樣經(jīng)過火驅(qū)后的各組分含量變化，應用CMG軟件中的Winprop模塊進行模擬，得到火驅(qū)過程中各個區(qū)帶的組分含量百分比(表4)和各區(qū)帶P-T相圖(圖2)。

表4 各區(qū)帶組分含量百分比

由圖2可知，火驅(qū)過程中不同區(qū)帶流體的相包絡線形態(tài)、臨界點位置以及曲線分布情況都呈現(xiàn)出不同的特征，以下是基于組分變化的火驅(qū)相態(tài)變化分析。

圖2 各區(qū)帶P-T相圖

(1) 原始油區(qū)特征分析。由原始油區(qū)P-T相圖可知，該油樣相圖臨界點為570.27 ℃、1312.74 kPa，在70.00 ℃以下，氣液兩相區(qū)面積較小，單液相區(qū)面積較大。分析認為油藏內(nèi)的烴類物質(zhì)大多以液相存在，說明該油樣中重質(zhì)組分較多，油樣黏度較大，符合稠油基本特征。原始油樣組分組成主要集中在C30+，重質(zhì)組分含量多，占原始油樣組分含量的53.8%以上，這與稠油油樣組分特征相一致。

(2) 油墻區(qū)帶特征分析。油墻帶P-T相圖中，70.00～150.00 ℃范圍內(nèi)包含了單相液區(qū)和氣液兩相區(qū)，氣液兩相區(qū)面積有所增大，此時相圖臨界點為564.23℃、1 575.87 kPa，相對于原始相圖臨界點向左上方移動。該區(qū)主要是油墻區(qū)，富集了可動油，包含過熱蒸汽、輕烴、氣體，具有明顯的油墻效應。該區(qū)帶油樣組分含量與原始油樣相比，CO2含量明顯增多，C30+等重質(zhì)組分含量減少，由53.80%降至總組分含量的38.50%，輕質(zhì)組分含量增加。

(3) 結焦帶特征分析。結焦帶P-T相圖臨界點為589.47 ℃、1 220.57 kPa，相對于原始相圖臨界點向右下方移動。在200.00～400.00 ℃溫度范圍內(nèi)，該區(qū)域的P-T相圖包含了單相液區(qū)和氣液兩相區(qū)，且兩相區(qū)面積相對于原始區(qū)油樣變大。結焦帶油樣重質(zhì)組分C30+組分含量顯著提高，組分含量占比上升至79.00%。分析認為，在該溫度范圍內(nèi)，部分輕烴類氣體逐漸溶解于輕質(zhì)油中，輕質(zhì)組分聚合生焦轉(zhuǎn)變?yōu)橹刭|(zhì)組分。

2.2 基于飽和度場圖的相態(tài)變化分析

將原始油樣組分含量數(shù)據(jù)導入CMG軟件中的Builder模塊，建立如下火驅(qū)模型。模型中，3口注入井和3口生產(chǎn)井呈排狀分布。采用直角坐標，網(wǎng)格數(shù)為35×20×3，網(wǎng)格步長為5 m×5 m×3 m，滲透率為350 mD，孔隙度和含油飽和度分別為25.00%和65.00%。數(shù)模中考慮以下幾個反應模型(表5)[15]，并得到火驅(qū)不同階段的油氣水三相飽和度場圖(圖3)。

表5 火驅(qū)數(shù)值模擬模型化學反應模型

從注入井到生產(chǎn)井依次出現(xiàn)純氣相(紅色)、氣液兩相(紫紅色)、油氣水三相(藍色)、油水兩相(綠色)。由圖3可以看出，隨著火驅(qū)燃燒反應的進行，火線向前推進，油藏溫度逐漸升高，氣液兩相區(qū)(紫紅色)逐漸增大，為保證燃燒足夠充分，燃燒帶的空氣必須充足，因此也出現(xiàn)單相氣區(qū)(紅色)，油墻帶富集一些蒸餾冷凝的輕質(zhì)油(綠色)，進一步考察各個區(qū)帶組分變化，考察燃燒、相變與驅(qū)油的關系而不是單純地考察燃燒與驅(qū)油關系，能夠較客觀地分析區(qū)帶演變特征從而指導生產(chǎn)。

3 結 論

(1) 已燃區(qū)重質(zhì)組分作為燃料反應掉，沒有發(fā)生氧化反應，組分變化不明顯；燃燒帶以高溫氧化反應為主，重質(zhì)組分裂解為輕質(zhì)組分；結焦帶以聚合生焦反應為主，發(fā)生輕質(zhì)組分向重質(zhì)組分轉(zhuǎn)變；油墻區(qū)主要富集輕質(zhì)油，具有明顯的油墻效應。

(2) 從P-T相圖來看，隨著火驅(qū)燃燒反應的進行，油藏溫度逐漸升高，氣液兩相區(qū)面積逐漸增大，各個區(qū)帶均含有單相液區(qū)和氣液兩相區(qū)，燃燒帶還包含了單相氣區(qū)。

(3) 在重質(zhì)組分高溫裂解生成輕質(zhì)油的過程中，油藏臨界點向左上方移動，相反，在輕質(zhì)組分聚合生焦的過程中，油藏臨界點向右下方移動。