新疆重18區超稠油火驅燃燒特性物理模擬研究

陳青松，李猛，趙決順，代宸宇，岳圣杰

（中國石油大學，北京102249）

新疆重18區超稠油火驅燃燒特性物理模擬研究

陳青松，李猛，趙決順，代宸宇，岳圣杰

（中國石油大學，北京102249）

超稠油資源量大可以作為稠油開發的接替資源?；痱尲夹g是提高原油采收率的重要方法之一，室內實驗證明，其采收率可達到70%～80%，有望作為超稠油開發的接替技術。本文以新疆鳳城重18區蒸汽吞吐后的原油為研究對象，進行了一維燃燒管物理模擬實驗，求取超稠油火驅燃燒基礎參數，并對超稠油燃燒特性和火驅燃燒前緣傳播的穩定性進行了分析。實驗中求得視H/C原子比為1.27，燃燒過程中高溫氧化反應起主導作用；燃料沉積量為26.64 kg/m3，火驅前緣趨于穩定?；痱寣嶒烌層托蔬_到91%，空氣油比為1 022 m3/t，具有較高的驅油效率和較低的空氣油比。

超稠油；火驅；物理模擬實驗

超稠油資源量大，開采方式以蒸汽吞吐為主[1]，目前出現吞吐輪次高，單井產量低，油氣比低的問題，需要探索接替開發技術。火驅技術近幾年頻頻實現突破[2-6]，新疆紅淺火驅試驗區的成功說明火驅技術是可行的替代技術。本文將通過一維物理模擬實驗，驗證超稠油火驅能否驅得動，并求取火驅燃燒參數。

1 實驗裝置及實驗方法

1.1 實驗裝置

燃燒管實驗臺包括注入系統、模型本體、信號采集及測控系統及產出系統四部分[7，8]（見圖1）。燃燒管主體長度為80 cm，均勻分為16段，也就是每5 cm一段，每段在巖心中部裝有一根熱電偶，用來檢測巖心溫度。外側壁面也裝有熱電偶用來測量每段壁面溫度，貼著壁面有加熱器。加熱器加熱壁面，使壁面溫度對巖心溫度進行跟蹤，解決了模型徑向散熱問題。本次實驗裝置模型選用新疆鳳城重18區蒸汽吞吐后原油及石英砂制成，可以模擬實際油藏溫度壓力條件下進行實驗。與常規巖心驅替實驗裝置相比，本裝置有以下三個優勢：（1）內置高效電點火裝置，能實現該油藏條件下火驅技術高效點火；（2）具有氮氣圍壓可解決火驅過程中的氣竄問題；（3）具有精確的傳熱控制能力，熱補償技術解決了模型散熱問題。

圖1 一維火驅物理模擬實驗系統流程圖

1.2 實驗準備及方法

實驗選取新疆鳳城重18區蒸汽吞吐后的原油，模擬砂是根據地層巖心顆粒分布與成分相同的黏土成分及含量分析數據，選擇粒度相似的石英砂與成分相同的黏土按比例均勻混合而成。最終經過飽和度模擬后得到具有與原始地層相同含油飽和度的人工油砂。其初始含油飽和度為0.78。

火驅動模擬實驗步驟如下：（1）燃燒管在N2下進行升溫，當點火器達到500℃后注入空氣，當油層被點燃后，關閉點火器；（2）利用測控系統進行實驗過程的在線監測，記錄實驗過程產出液的量、產出氣的組分組成、注入壓力、空氣流量等數據；（3）根據實驗要求，確定實驗的結束；（4）對實驗裝置逐漸進行泄壓、降溫，達到常溫、常壓。

2 實驗過程記錄與分析

2.1 火驅前緣穩定性分析

實驗開始后，選用點火器和燃燒管的前3段作為點火段，通入N2并升溫，當點火器達到500℃后注入空氣，油層點燃后關閉點火器。燃燒管測控系統自動記錄每個測點的溫度變化過程，可得實驗過程溫度剖面曲線[9-14]（見圖2）。

前3段巖心最高溫度超過480℃，油砂被成功點燃，從第4個點開始進入穩定燃燒階段，溫度在500℃左右，后3段由于產出端法蘭在高壓N2圍壓條件下散熱大，溫度在500℃以下。從圖2上可以看出高溫燃燒前緣可以穩定地向前傳播。

2.2 火驅燃燒基礎參數求取

取第4段到第10段作為階段火驅階段，來求取超稠油火驅燃燒的基礎參數[15-20]。

根據實驗過程記錄，實驗開始時間（t0）為9∶40，階段開始時間（t1）為11∶15，階段結束時間（t2）為13∶25，實驗結束時間（tend）是15∶25，因此可知階段實驗時間長（t2-t1）為130 min，整個實驗時間長為345 min。氣體流量為2.56 L/min，實驗過程中煙道氣含量在煙氣分析儀上讀出，并記錄（見表1）。

圖2 溫度剖面圖

表1 燃燒管出口氣體濃度表

根據表1，可以做出燃燒管尾氣濃度圖（見圖3）。

圖3 燃燒管尾氣組分濃度圖

由火線推進公式：

式中：V－火線推進速度數值，mm/h；LS1S2－S1與S2之間的距離數值，mm。

由于每段距離為5 cm，因此階段距離為300 mm，階段時間為130 min，可計算出推進速度為138.5 mm/h。

根據表1可以把t1-t2階段氣體產出過程分為7段，前6階段每20 min一段，最后一段為10 min，編號為1～7，然后結合氣體流量可以算出每個階段的不同氣體組分的體積（見表2）。

表2 階段產出氣體體積

由表2可以得出階段累積產O2體積為8.110 4 L，累積產CO體積VCO為13.947 0 L，累積產CO2體積VCO2為37.994 2 L。

計算t1到t2階段內消耗燃料CxHy中Cx的質量，可由公式：

式中：mCx-t1到t2時間段內消耗燃料CxHy中Cx的質量數值，kg；MC-碳原子摩爾質量，g/mol；VCO2-t1到t2時間段內生成的CO2在標準狀況下的體積數值，L；VCO-t1到t2時間段內生成的CO在標準狀況下體積數值，L。

因此可以計算出mCx=0.027 826 kg。

計算t1到t2階段內消耗燃料CxHy中Hy的質量，可由公式：

式中：VO2-t1到t2時間段內生成的O2在標準狀況下的體積數值，L；到t2時間段內通過燃燒帶的未被消耗的氧氣在標準狀況下體積數值，L；到t2時間段內與燃料中的氫元素發生反應的O2在標準狀況下的體積數值，L；mHy-t1到t2階段內消耗燃料CxHy中Hy的質量，kg；MH-氫原子的摩爾質量，g/mol。

經過計算得：VO2=69.56 L，，進而得到mHy=0.002 942 kg。

計算視H/C原子比公式如下：

式中：RH/C－視H/C原子比的數值，無量綱。

經過計算得：RH/C=1.27。

計算燃料消耗量的公式如下：

式中：λf－燃料消耗量數值，kg/m3；VS1S2－S1與S2之間巖心體積的數值，m3。

經過計算得VS1S2=0.001 155 m3，進而得到λf=26.64 kg/m3。

計算燃料消耗率的公式如下：

式中：Rf-燃料消耗率，%；ρo-原油密度值，kg/m3。由于ρo=965 kg/m3，Soi=78%，Φ=41%，VS1S2=0.001 155 m3，進而得Rf=8.64%。

計算空氣消耗量的公式：

式中：λair-空氣消耗量數值，m3/m3；Vair-t1到t2時間段內累計通過燃燒面的空氣在標準狀況下的體積數值，m3。經過計算得Vair=0.332 8 m3，進而得到λair=288.25 m3/m3。

計算累計空氣油比的公式如下：

式中：AORt-整個實驗過程中累計空氣油比數值，m3/t；Vairt-整個實驗過程中累計注入空氣在標準狀況下的體積數值，L；moil-整個實驗過程中累計產油量的質量數值，kg。

整個實驗過程時長為345 min，經過計算可以得到Vairt=883.2 L，累計產油量moil=0.85 kg，進而得到AORt=1 039 m3/t。

計算階段空氣油比的公式：

式中：AORs-t1到t2階段內空氣油比數值，m3/t；Vair-t1到t2階段內累計注入空氣在標準狀況下的體積數值，L。

經計算得Vair=332.8 m3，進而得到AORs=1 022 m3/t。

計算t1到t2階段氧氣利用率的公式：

代入數據就算得：RO2=88.34%。

計算火驅驅油效率的公式：

由于Rf=8.64%，因此驅油效率ED=91.36%。

根據以上計算過程，可以把超稠油火驅基礎參數匯總（見表3）。

表3 新疆重18區超稠油火驅基礎參數表

3 結論

（1）對于該區塊超稠油填裝模型，火驅過程中可以形成穩定的燃燒前緣，燃燒前緣溫度穩定在500℃左右，燃燒穩定推進，也就是說超稠油在室內可以驅得動。

（2）從尾氣組分來看，O2含量小于3%，CO2含量在10%～13%，CO含量穩定在4%左右，表明火驅過程中燃燒比較充分。

（3）視H/C原子比為1.27，表明燃燒過程高溫氧化反應起主導作用。

（4）實驗求得的燃料沉積量為26.64 kg/m3，明顯高于一般稠油火驅過程中燃料沉積量（20 kg/m3左右），這是因為超稠油中膠質、瀝青質等重質組分含量較大，這樣在熱裂解過程中有較多的重質組分參與反應。另外超稠油火驅過程中由于黏度高、阻力大，需要更多的燃料供給。

（5）實驗過程中燃料消耗率為8.64%，驅油效率達到91.36%，空氣油比為1 022 m3/t，具有較高的驅油效率和較低的空氣油比。

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寧夏石化開展尿素裝置環保升級改造

5月底，寧夏石化一化肥裝置年度22天計劃檢修工作開始陸續開展進行。此次尿素裝置環保升級改造是檢修工程的重中之重。

寧夏石化公司化肥一廠尿素裝置始建于上世紀80年代，原設計環保指標不能滿足現在的要求。為此，寧夏石化公司決定下大力氣進行環保升級改造，投資2094萬元，這個項目由中國寰球工程公司設計，由中國石油第七工程建設有限公司承擔施工建設任務，對工藝尾氣、解吸水解、二氧化碳脫氫等單元進行技術改造，以達到現在的國家環保指標要求，促進公司可持續發展。此次環保改造，主要對脫氫裝置、尾氣氨回收裝置、解吸水解裝置進行升級改造，進一步回收其中的氨，降低解吸廢水指標，使其排放符合環保排放指標，同時對解吸廢水進行二次利用，達到節能減排降耗的目的。據了解，脫氫系統改造實施后，二氧化碳氣體中氫氣的含量，解吸廢水中氨含量、尿素含量等重點監控指標均低于國家標準，完全滿足環保排放要求。

（摘自中國石油新聞中心2017-06-13）

Physical simulation study of ultra heavy oil in-situ combustion in Xinjiang Zhong 18 district

CHEN Qingsong，LI Meng，ZHAO Jueshun，DAI Chenyu，YUE Shengjie
（China University of Petroleum，Beijing 102249，China）

Ultra heavy oil has large reserves and can be a replacement technology of the heavy oil recovery.In-situ combustion is one of the improved recovery methods.The laboratory experiment shows that the recovery of ISC technology can be 70%～80%.The ISC technology has a wide range of application and it has the potential to be a replacement technology in the ultra heavy oil recovery.This paper takes the Xinjiang Zhong 18 area ultra heavy oil as research object which experienced steam huff and puff period.Doing the onedimensional combustion tube physical simulation experiments to analyses the combustion characteristic and the stability of the combustion front.The one-dimensional physical simulation experiment shows that the apparent H/C atomic ratio is 1.27,which means that the high temperature oxidation plays a leading role in the combustion period.The fuel consumption is 26.64 kg/m3and the front of the in-situ combustion is stable.The oil displacement efficiency is 91%and the air-oil ratio is 1 022 m3/t in the experiment,having a high oil displacement efficiency and low air-oil ratio.

ultra heavy oil；in-situ combustion；physical simulation experiment

TE357.44

A

1673-5285（2017）06-0034-05

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.06.008

2017-04-19

陳青松，男（1993-），中國石油大學（北京）碩士研究生，郵箱：18682527197@163.com。