火燒油層注氣流量對火驅前緣影響的室內研究

何龍，李忠權，李洪奎，劉雅麗

油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室（成都理工大學）

構造成礦成藏國土資源部重點實驗室（成都理工大學），四川 成都610059

火燒油層作為一種具有明顯優勢的稠油熱力采油技術［1］，具有成本低、驅油效率高（具有蒸汽驅、熱水驅的作用）、適應性強等優點。國際上對火燒油層技術的研究始于20世紀50年代，雖然取得了一系列成果，但是該種開采方式仍然沒有得到現場的大量應用，而目前在我國火燒油層還處于試驗階段［2］。我國的稠油分布廣、儲量大，在現今石油資源日益短缺的情況下，稠油的開采勢在必行，但一方面因其黏度高、密度大、流動性差，這不僅增加了開發難度和成本，還使油田的采收率很低；另一方面，火燒油層技術要求很高，過程復雜，且很難控制地下燃燒。因此，在開展現場試驗之前，火燒油層的室內研究具有很強的理論和現實意義［3～5］。火燒油層現場試驗最重要的2個參數分別是流量和壓力，筆者選取其中之一，討論不同流量對火驅前緣的影響，優選流量參數，為現場開發提供理論依據。

1 試驗部分

1.1 試驗原料及試驗裝置

試驗原料來自于新疆油田提供的含油砂巖的野外露頭以及壓縮的氮氣和空氣。

試驗裝置主要分為4大部分：注氣系統、燃燒系統、數據采集控制系統和收集系統（如圖1）。

1）注氣系統 壓縮氮氣、空氣以及氣體流量計。試驗之前需先通入氮氣預熱，使試驗樣品與空氣隔絕，保證預熱過程中樣品不發生氧化反應；壓縮空氣則為燃燒過程提供穩定、新鮮的空氣源。

2）燃燒系統 主要為燃燒腔和燃燒管。燃燒管是長度為400mm的鋼管，燃燒管嵌入燃燒腔內部，燃燒管上設置13個溫度監測點，實時地向數據采集系統傳輸數據；燃燒腔外層包裹保溫棉，以減少熱量散失；進氣端設置有電火花點火裝置，待達到預熱溫度后，點火引燃燃燒管內樣品。

3）數據采集控制系統 主要采集燃燒過程中的溫度、壓力、空氣流量參數，并向計算機傳輸，由計算機記錄數據，數據采集時間間隔為1s。

4）收集系統 主要收集燃燒過程中產生的氣體、液體。

1.2 試驗樣品制備及試驗過程

1）樣品制備 試驗主要所用材料為野外出露的含油砂巖，粉碎后篩選粒徑大小在0.6mm至3.35mm之間的樣品，并與粒徑小于0.6mm的油砂樣品按質量比10∶1進行配比，均勻混合后，填入燃燒管內。

2）試驗過程 首先通入氮氣進行預熱，目的是為了防止樣品在預熱階段與空氣接觸發生氧化反應，影響試驗結果；達到預熱溫度后（270℃），關閉氮氣，緩慢通入空氣并點火，使燃燒腔內壓力達到設定的壓力值（2.0MPa），并控制注入空氣流量的大小，待達到試驗所需的流量（1.0～3.5L／min不等）后，保持注入流量恒定不變，反復試驗；燃燒管各溫度監測點監測到的數據由計算機實時記錄，整個數據采集過程由計算機控制；待燃燒結束后，取樣、分析試驗數據。

圖1 火驅模擬試驗裝置圖

2 試驗結果分析

試驗過程中壓力是固定不變的，每個流量參數的試驗至少進行3次以上，從1.0～3.5L／min不等，共6個。取每個流量下燃燒相對穩定的數據，部分試驗結果如表1所示；并對火驅前緣推進距離、推進速率、前緣溫度分布特征進行分析。

表1 不同流量條件下部分試驗結果

2.1 火驅前緣推進距離分析

火驅前緣推進距離是試驗燃燒成功與否的最直接反映。試驗中，火驅前緣的推進距離并不總是隨著注氣流量的增大而增大（圖2）。當注氣流量為1.0L／min時，推進距離僅為85mm，而它的峰值溫度達到368.4℃，說明在該流量條件下，油砂能順利點燃，但由于流量過小，無法維持后續燃燒以致熄滅；流量增加至1.5、2.0L／min時，推進距離有顯著的增加，達到155mm；流量為2.5L／min時，推進距離達到最大值（330mm），而當流量繼續增大時，燃燒過程變得不穩定，推進距離忽大忽小，但并未超過330mm。說明流量在2.5L／min時，火驅前緣推進距離最大且燃燒過程相對穩定。

2.2 火驅前緣推進速率分析

火驅前緣推進速率除了與注氣流量有關外，還與很多因素有關，如注氣壓力、油砂的孔隙度等。在封閉的一維管中，由于注氣壓力恒定，從理論上講，注氣流量越大，氣體獲得的動能越大，更有利于在油砂中流動和擴散，增大了空氣與油砂的接觸面積，從而有助于油砂的燃燒，火驅前緣推進速率也相應得以提高。

這里的火驅前緣推進速率指的是在每次試驗中，火驅前緣的推進距離與所耗費時間的比值，即整個火驅過程中火驅前緣推進的平均速度。結合表1與圖3，注氣流量在2.5L／min及以下時，推進速率與注氣流量大小大致成正相關；流量從1.0L／min增加至2.0L／min時，火驅前緣推進速率變大，但其大小的變化相對較慢；當注氣流量增至2.5L／min時，推進速率大幅上升，說明此時增大流量對火驅前緣推進速率的影響最大，而繼續增大注氣流量導致燃燒出現不穩定的情況，致使火驅前緣的推進速率發生紊亂。由此可見，在燃燒過程相對穩定的情況下，適當增加注氣流量對火驅前緣推進速率有著積極的作用，當注氣流量增至2.5L／min時，推進速率達到最大。

圖2 不同注氣流量下火驅前緣的推進距離

圖3 不同注氣流量下火驅前緣的推進速率

2.3 火驅前緣溫度分布分析

圖4是在不同注氣流量條件下火驅前緣峰值溫度的分布圖。從圖4中看出，注氣流量對火驅前緣峰值溫度的影響并不明顯，當流量為2.5L／min時，前緣的峰值溫度最高達到502.5℃；各溫度監測點在該流量條件下所監測到的峰值溫度都達到最高，如圖5所示。

圖4 不同注氣流量下火驅前緣的峰值溫度

圖5 不同注氣流量下各溫度監測點的峰值溫度

試驗表明，在注氣流量為2.5L／min的條件下，火驅前緣推進最為穩定，如圖6所示（圖中1＃～12＃為溫度監測點）。不同位置的火驅前緣峰值溫度總體上表現出隨著距注氣口的距離增大而降低的特點，這正是火驅前緣由注氣口向燃燒管尾部緩慢推進的印證。

在火驅前緣推進過程中，熱量向四周傳遞會有損失，具體表現為不同位置峰值溫度的降低。試驗過程為恒速注氣，燃燒管內所發生的化學反應可視為一個動態平衡的過程，當火驅前緣推進到某一位置時，最先與空氣接觸的油砂發生了快速而強烈的氧化反應，被蒸餾出來的輕質油組分和水被氣流驅替到后面的位置，重質油裂解為輕質油組分和焦炭；燃燒前緣繼續向前推進，由前一位置驅替到此的輕質油組分和水的再次蒸餾需要消耗部分熱量，而且前一位置燃燒不完全的油砂還將繼續消耗空氣，加之隨著距離的增加，油砂對空氣的阻力也在逐漸增大，空氣與油砂接觸面積逐漸減小，化學反應減弱，溫度逐漸降低，直至最后燃燒前緣的熄滅。

圖6 2.5L／min火驅前緣溫度變化圖

圖7 2.5L／min燃燒后的油砂

圖7為部分油砂在注氣流量為2.5L／min的條件下燃燒后的情況。火驅前緣最遠推進至330mm處，油砂部分燃燒并產生黑色結焦，之后的油砂未被引燃。330mm后黑色結焦變硬，殘渣多為結焦或結塊；至400mm，該處積聚少許油液，使油砂變得潮濕，說明驅替效果良好。

3 結論

通過室內反復試驗，綜合分析試驗結果，得到如下結論：

1）適當增加注氣流量，有利于火驅前緣向前推進且推進速率有明顯提高。

2）綜合分析火驅前緣的推進距離、推進速率以及溫度分布，注氣流量2.5L／min為實驗室內火驅物理模擬的最優條件。

［1］袁世寶，孫希勇，蔣海巖，等 .火燒油層點火室內實驗分析及現場應用 ［J］.油氣地質與采收率，2012，19（4）：53～55.

［2］楊俊印 .火燒油層（干式燃燒）室內試驗研究 ［J］.特種油氣藏，2011，18（6）：96～99.

［3］劉其成 .火燒油層室內實驗及驅油機理研究 ［D］.大慶：東北石油大學，2011.

［4］龔厚亮，史浩，曾英，等 .火燒油層注氣壓力參數室內試驗研究 ［J］.科學技術與工程，2014，14（9）：168～171.

［5］張敬華，楊雙虎，王慶林 .火燒油層采油 ［M］.北京：石油工業出版社，2000：6～7.