火燒油層技術(shù)研究現(xiàn)狀與應(yīng)用前景

黃 俊，魯軍輝，張譽才

（1.長江大學(xué)石油工程學(xué)院油氣鉆采工程湖北省重點實驗室，湖北武漢 430100；2.上海海洋石油局第三海洋地質(zhì)調(diào)查大隊，上海 200137；3.湖北省天然氣發(fā)展有限公司，湖北武漢 430000）

火燒油層又稱層內(nèi)燃燒，是指將空氣或氧氣注入油層使原油持續(xù)燃燒的采油方法，能夠有效提高原油采收率，適用于多種類型的油藏，尤其是稠油油藏及瀝青礦藏。

火燒油層技術(shù)的原理是將事先預(yù)熱的空氣注入到井底附近，借助井底電加熱器或通過化學(xué)反應(yīng)使油層溫度達到原油燃點，然后連續(xù)注空氣或氧氣，通過燃燒少量的地層原油（主要是重質(zhì)組分）產(chǎn)生熱量和壓力，降低地層原油的粘度。火燒油層是注空氣采油的一種形式，在國外已商業(yè)運作近50年[1]，然而，判斷火燒油層項目是否取得成功的最基本原則還未能確定。通常，人們根據(jù)室內(nèi)燃燒管實驗預(yù)測油田現(xiàn)場的火燒油層能否成功，需要注入多少空氣等，并以此設(shè)計試驗區(qū)塊火燒油層的過程[2]。

火燒油層技術(shù)由于原油組分多，燃燒情況復(fù)雜，難以精確描述，加之反應(yīng)形式多樣，實驗?zāi)M難度大，因此，研究工作要求強化對反應(yīng)動力學(xué)及相關(guān)學(xué)科知識的深入了解。

1 室內(nèi)研究進展

火燒油層的采收率一般在50%以上，可以在比蒸汽驅(qū)采油更復(fù)雜、更苛刻的地層條件下應(yīng)用，但其實施工藝難度大，地下燃燒不易控制，如果燃燒不充分會使油層性質(zhì)急劇變化，將來應(yīng)用其他方法更難，因此，在現(xiàn)場實施前有必要進行針對性的室內(nèi)研究。本文介紹了用于火燒油層研究的最新方法及其成果，包括從室內(nèi)研究向現(xiàn)場推廣的研究流程、原油組分效應(yīng)及組分對反應(yīng)路徑的影響、含水燃燒管實驗及燃燒參數(shù)的確定。

1.1 綜合化的研究流程

Bazargan[3]等提出一種綜合研究流程以預(yù)測油藏火燒油層的成功，研究流程圖（見圖1）。該流程綜合了動力反應(yīng)實驗、燃燒管實驗、原油組分分析、高分辨率物理模型及用于預(yù)測油藏規(guī)模下火燒油層的針對性燃燒實驗。

動力反應(yīng)實驗用以探究燃燒反應(yīng)動力學(xué)機理，為開展等轉(zhuǎn)化率分析工作，需要在不同升溫速率下完成一系列實驗，所有其他參數(shù)，如壓力、初始溫度、空氣注入流速等在這一系列實驗中均是固定不變的。至少需要五組實驗數(shù)據(jù)[4]。

火燒油層反應(yīng)速率由燃料含量和O2分壓決定[5]，由于碳?xì)浠衔镅趸磻?yīng)復(fù)雜，反應(yīng)模擬困難，燃燒速度方程難以準(zhǔn)確建立。等轉(zhuǎn)化率法[6]不必假設(shè)反應(yīng)機理函數(shù)就可以計算出反應(yīng)活化能，回避了上述問題。Cinar[7]等研究表明，在有效燃燒的情況下，560 K溫度下發(fā)生的低溫氧化反應(yīng)（LTO）由負(fù)溫度梯度區(qū)（NTGR）主導(dǎo)（以600 K為中心）。該區(qū)域內(nèi)有效活化能不斷降低直至最小，然后進入高溫氧化反應(yīng)（HTO）。圖2、圖3均為有效活化能（縱坐標(biāo)）與轉(zhuǎn)化率（橫坐標(biāo)左）及平均溫度（橫坐標(biāo)右）的關(guān)系。負(fù)溫度梯度區(qū)向高溫氧化反應(yīng)區(qū)平滑過渡是燃燒效果好的標(biāo)志（見圖2），而不適宜采用火燒油層的油藏在低溫氧化反應(yīng)區(qū)呈現(xiàn)出明顯的間斷（見圖3）。

通過等轉(zhuǎn)化率分析不僅可以判別燃燒過程的不同反應(yīng)區(qū)，得到樣品在不同溫度和燃燒狀態(tài)下的動力學(xué)基本參數(shù)，還可以直觀看出燃燒前緣的推進是否成功，而燃燒前緣的成功推進正是火燒油層項目成功實施的必備條件。

1.2 SARA組分熱氧化敏感性研究

火燒油層復(fù)雜的燃燒反應(yīng)給室內(nèi)研究帶來了種種困難，人們尚不清楚究竟要開展多少組實驗及怎樣從實驗數(shù)據(jù)中獲取相關(guān)參數(shù)的有效數(shù)值。一直以來，SARA（飽和烴、芳烴、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)）組分模型被用于實驗室研究火燒油層提高原油采收率技術(shù)。

Priyanka[8]等在前人研究基礎(chǔ)上，開展了SARA組分的熱氧化敏感性研究，包括SARA模型的14組反應(yīng)模式：膠質(zhì)、芳烴、瀝青質(zhì)的高溫分解或裂解反應(yīng)；飽和烴、芳烴、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)低溫氧化反應(yīng)；高溫裂解形成的焦炭、低溫氧化反應(yīng)形成的氧化瀝青質(zhì)、氧化膠質(zhì)、氧化芳烴、氧化飽和烴及膠質(zhì)、芳烴的高溫氧化反應(yīng)。該研究旨在探究組分效應(yīng)及組分對反應(yīng)路徑的影響。結(jié)果表明，瀝青質(zhì)作為原油中最重的組分之一最難被氧化，而飽和烴最易被氧化。空氣注入速度、氧氣濃度和反應(yīng)活化能對原油采收率影響很大，注入過量空氣或高速注空氣會使燃燒前緣降溫，降低原油采收率；提高氧氣濃度可以提高采收率，而且，氧氣濃度增加有利于氧化反應(yīng)的進行，而低的氧氣濃度則促進重質(zhì)組分的裂解反應(yīng)。實驗中還觀察到氧氣濃度增加可以擴大蒸汽帶的范圍及其推進速度，實現(xiàn)了更有效的蒸汽驅(qū)。

1.3 考慮含水的燃燒管實驗

火燒油層過程的模擬需要對許多現(xiàn)象，如相變化、化學(xué)反應(yīng)、質(zhì)熱交換、流體性質(zhì)等進行精確描述。低溫氧化反應(yīng)一般發(fā)生在350℃以下，反應(yīng)組分為輕質(zhì)組分，一般生成如羧酸、醛、酮、乙醇和過氧化物等氧化物，該反應(yīng)使原油沸點、粘度和密度增加[9]。高溫氧化反應(yīng)發(fā)生在350℃以上，反應(yīng)組分為焦炭和部分低揮發(fā)性碳?xì)浠衔铮饕蒀O、CO2和H2O。非氧化反應(yīng)以原油高溫裂解反應(yīng)為主，以低溫氧化反應(yīng)為起點，貫穿于整個燃燒過程。

Lapense[10-11]等在前期工作中研究了含水對原油氧化反應(yīng)的影響，結(jié)果表明，與干式燃燒相比，水蒸氣影響低溫氧化反應(yīng)，能夠顯著降低耗氧量，延長反應(yīng)時間；水蒸氣也直接影響高溫氧化反應(yīng)，延長耗氧時間，可以產(chǎn)生更多的CO2，并減少由焦炭燃燒產(chǎn)生的CO量。他們還進行了含水時的重油燃燒管實驗，通過比較干式燃燒與濕式燃燒，旨在進一步優(yōu)化火燒油層模擬模型。實驗結(jié)果表明，在相同條件下，濕式燃燒過的區(qū)域溫度更低，熱能利用率更高，因此，在建立火燒油層模擬模型時需要考慮含水的影響。

1.4 最小空氣通量研究

為成功實施火燒油層項目，油藏內(nèi)必須存在持續(xù)推進的燃燒前緣，因此，需要充足的空氣維持?jǐn)噫I反應(yīng)，否則會發(fā)生不利的加氧反應(yīng)（如原油低溫氧化），不僅消耗了O2，而且不利于原油流動，最終導(dǎo)致火燒油層項目的失敗。因此，將維持燃燒前緣持續(xù)推進的最小空氣通量定量化對于確定油藏體積（將用于熱力采油區(qū)）下注空氣設(shè)備的容量是很有必要的。

Moore[12]等認(rèn)為，如果火燒油層項目進行順利，采油速度應(yīng)接近注空氣速度，但現(xiàn)場操作時人們常常忽略這一事實，如果油田生產(chǎn)出現(xiàn)問題，人們一般是將注空氣速度盡可能降低，而這極有可能導(dǎo)致燃燒前緣持續(xù)推進的失敗。他們還指出，即使項目操作順利，最小空氣通量仍難以確定。

起初，研究人員利用一維燃燒管實驗開展了最小空氣通量的研究[13-15]。Alamatsaz[16]等認(rèn)為一維燃燒管實驗不適用于確定最小空氣通量，主要是因為傳統(tǒng)的燃燒管熱容量不夠有效，而且在實驗過程中減小空氣通量可能會引起短暫的波動，而燃燒管的長度不足以維持該過程的穩(wěn)定。英國卡爾加里大學(xué)設(shè)計了具有高效熱容量的燃燒管（抗壓可達41.4 MPa，實驗過程中維持絕熱）及圓錐形燃燒反應(yīng)器（見圖4），該燃燒反應(yīng)器可以確保在氧化或燃燒前緣推進時減小空氣通量而維持注空氣速率的穩(wěn)定。Alamatsaz等利用上述燃燒管及燃燒反應(yīng)器開展了燃燒管實驗，在空氣通量低至3 m3/（m2·h），實驗壓力3.55 MPa時不僅維持了阿薩巴斯卡瀝青砂燃燒前緣的推進，而且70%的初始油量以液體態(tài)產(chǎn)出。然而，由于實驗中注空氣速率范圍小，該研究依然未能獲得在火燒油層中維持?jǐn)噫I反應(yīng)所需的最小空氣通量。

2 應(yīng)用前景探討

火燒油層技術(shù)作為EOR方法的一種，可以提高稠油油藏和瀝青質(zhì)礦藏的采收率。印度Balol油田地層原油粘度介于0.15～1 Pa·s，瀝青質(zhì)含量高，一次采收率低于13%，其1 000 m埋深、平均凈產(chǎn)層小于5 m等特點限制了蒸汽驅(qū)的應(yīng)用。采用濕式燃燒，原油產(chǎn)量由350 m3/d增加到700 m3/d[17]，展現(xiàn)了火燒油層技術(shù)良好的應(yīng)用前景。在現(xiàn)場操作中，還可以根據(jù)實際需要調(diào)整注入介質(zhì)，或與其他方法共同作用以達到更好的增產(chǎn)效果。

2.1 優(yōu)化注入介質(zhì)

我國高升油田某區(qū)塊試驗了火燒油層技術(shù)，隨著時間的延長，油井產(chǎn)氣量劇增，引發(fā)了因氣體導(dǎo)致的泵效等問題，導(dǎo)致油井負(fù)荷增加，無法正常生產(chǎn)[18]。由于油井產(chǎn)出氣中N2占主要部分，因此，除去空氣中的N2，即改為富氧注入，必定會極大地減少燃燒產(chǎn)生的氣體量，并獲得高的O2分壓，有利于燃燒反應(yīng)的推進。

在注入介質(zhì)中加入能夠催化空氣原油氧化反應(yīng)的催化劑對于火燒油層的應(yīng)用也有獨特效果。催化劑的使用可以提高氧氣利用率，加快氧化反應(yīng)，提高稠油降粘率[19]。在火燒油層實施5個月后注入泡沫減少氣竄則可以提高體積波及系數(shù)，增強火驅(qū)效果。

2.2 火燒油層技術(shù)下的SAGD

蒸汽輔助重力泄油簡稱SAGD，是利用水平井、浮力、重力及蒸汽開采稠油的一種技術(shù)，現(xiàn)在通常采用的是雙水平井SAGD技術(shù)，即在靠近油藏底部位置鉆一對上下平行的水平井，經(jīng)油層預(yù)熱形成熱連通后，蒸汽由上部水平井注入，下部平行水平井生產(chǎn)。

SAGD已成為商業(yè)開采瀝青礦的成功方法，已經(jīng)將加拿大廣闊的瀝青礦砂體轉(zhuǎn)化為可開采油藏，然而，由于操作上的限制及油藏非均質(zhì)性的影響，蒸汽推進速度及熱效不夠理想。Oskouei[20]等研究了在SAGD中運用火燒油層技術(shù)的效果，即首先在SAGD模型蒸汽腔產(chǎn)生大量蒸汽，然后通過“水平井”將空氣從模型頂部注入到SAGD腔中，在“注入井”附近建立燃燒前緣。結(jié)果表明，該方法比單獨的SAGD法增產(chǎn)20%以上。

3 結(jié)語

火燒油層技術(shù)可以有效提高稠油油藏或瀝青質(zhì)礦藏的采收率，在某些情況下比蒸汽驅(qū)更具有適用性，是稠油油藏開發(fā)最具有應(yīng)用前景的方法之一。現(xiàn)場應(yīng)用時可以根據(jù)需要調(diào)整注入劑及其注入方式，或與其他方法（如蒸汽驅(qū)等）相結(jié)合以達到更好的增產(chǎn)效果。

火燒油層燃燒情況的精確描述牽涉知識面廣，給室內(nèi)模擬研究帶來諸多困難，限制了該技術(shù)從實驗室向油田現(xiàn)場的大面積推廣。今后，不僅要進一步探究燃燒過程，結(jié)合數(shù)值模擬技術(shù)加強物理模擬以實現(xiàn)燃燒過程的精確描述，而且要確定火燒油層過程中維持燃燒前緣持續(xù)推進的最小空氣通量，并研究含水對維持有效驅(qū)替的最小空氣通量的影響以成功設(shè)計注氣工藝的核心部分-空壓機的額定排量和額定壓力。

［1］Turta A.T，Singhal A K.Reservoir Engineering Aspects of Oil Recovery from Low Permeability Reservoirs by Air Injection［C］.SPE 48841，1998.

［2］Moore R G，Ursenbach M G，et al.Observation and Design Considerations for In-Situ Combustion［C］.Petroleum Society of Canada，1997.

［3］Bazargan M，Chen B，Cinar M，et al.A Combined Experimental and Simulation Workflow to Improve Predictability of In-Situ Combustion［C］.SPE 144599，2011.

［4］Cinar M.，Castanier L M，Kovscek A R.Isoconversional Kinetic Analysis of the Combustion of Heavy Hydrocarbons［J］.Energy and Fuels，2009，23（8）：4003-4015.

［5］Bousaid I S，et al.Oxidation of Crude Oil in Porous Media［J］.SPE 1937，1968：137-148.

［6］蔡正千.熱分析［M］.北京：高等教育出版社，1993.

［7］Cinar M，Castanier L M，Kovscek A R.Predictability of Crude Oil In-Situ Combustion by the Isoconversional Kinetic Approach［J］.SPE 148088，2011.

［8］Priyanka Jain，Stenby，Nicolas von Solms.Compositional of ISC EOR:A Study of Process Characteristics［C］.SPE 129869，2010.

［9］Fassihi，Mohammad R.，Meyers，et al.Low-Temperature Oxidation of Viscous Crude Oils［J］.SPE 15648，1990.

［10］Lapene A，Castanier L M，et al.Effects of Steam on Heavy Oil Combustion［J］.SPE 118800，2009.

［11］Lapense A，Castanier L M，Debenset G，et al.Effects of Water on Kinetics of Wet In-Situ Combustion［C］.SPE 121180，2009.

［12］Moore R G，Laureshen C J，et al.Combustion/Oxidation Behavior of Athabasca Oil Sands Bitumen ［C］.SPE 35392，1996.

［13］Martin W L，Alexander J D，Dew J N.Process Variables of In-Situ Combustion ［Z］.Petroleum Transactions，AIME，1958，213：28-35.

［14］Nelson T W，McNeil J S.How to Engineer an In-Situ Combustion Project［J］.Oil and Gas，1961：58-65.

［15］Burger J G，Sourieau P，Combaranous M.Thermal Methods of Oil Recovery［M］.France：Edition Technip.，1985.

［16］Alamatsaz A，Moore R G，et al.Experimental Investigation of ISC at Low Air Fluxes［C］.SPE 144517，2011.

［17］Har Sharad Dayal，Bhushan B V，et al.In-Situ Combustion:Opportunities and Anxieties［C］.SPE 126241，2011.

［18］柴利文，周運恒.火燒油層舉升工藝技術(shù)研究與應(yīng)用［J］.鉆采工藝，2010，33（4）：41-44.

［19］王煥梅，唐曉東，孟科全，等.稠油注空氣催化氧化采油催化劑的制備與評價［J］.精細(xì)化工，2009，26（6）：566-569.

［20］Oskouei S J P，Moore R G，Mehta.S A.Feasibility of In-Situ Combustion in the Mature SAGD Chamber［C］.CSUG/SPE 137832，2010.