邊底水油藏火驅注氣速度室內實驗研究

張 鴻

(1.中國石油遼河油田分公司,遼寧 盤錦 124010；2.國家能源稠(重)油開采研發(fā)中心，遼寧 盤錦 124010)

0 引言

目前遼河油田稠油油藏開發(fā)方式以蒸汽吞吐為主，且已進入開發(fā)中后期，面臨強水侵、低地層壓力、低油汽比、無效熱循環(huán)等諸多問題，亟待進行開發(fā)方式的轉換[1-6]?；痱尲夹g具有驅油效率高、熱損失少、適用范圍廣、經濟效益好的優(yōu)勢，已成為稠油吞吐后期重要的接替方式[7-13]。注氣速度作為火驅開發(fā)的重要參數，直接影響燃燒前緣推進速率，同時也是地層內能否維持燃燒的重要因素。注氣速度偏低則不足以維持油層穩(wěn)定燃燒，甚至出現(xiàn)滅火；注氣速度偏高則氧氣利用率偏低，經濟效益變差。目前資料顯示，火驅過程注氣速度的研究主要應用于沒有經歷過注蒸汽吞吐或注蒸汽開發(fā)的稠油油藏，并且多數研究只針對火驅過程的某一個階段。蔣海巖等人[14]根據火驅點火階段的低溫氧化原理和傳熱學原理，推導了最大和最小注氣速度計算公式，進行了敏感性參數分析。袁士寶等人[15]利用燃燒管實驗研究不同注氣速度、不同預熱溫度等對原油點火及燃燒過程的影響。何龍等人[16]利用新疆油田含油砂巖的野外露頭開展物模實驗，認為適當加大注氣流量有助于火驅前緣向前推進。Nelson和Mcniel[17]提出了火驅穩(wěn)定燃燒時三段式變速率的注入方式。

與原始油藏火驅不同，注汽后的油層具有較高的含水飽和度[18]，會直接影響火驅驅替過程的前緣溫度。為了保證邊底水油藏順利點火及火線連續(xù)推進， 火驅的注氣參數需要進行相應調整。 該文以遼河油田J9塊為油藏原型，通過室內火驅一維模擬實驗，探索注氣速度對邊底水油藏火驅燃燒效果的影響，為復雜類型油藏實施開發(fā)方式轉化儲備新技術，為同類油藏開發(fā)方案設計提供借鑒依據。

1 實驗設計與方法

1.1 實驗材料

實驗采用遼河油田J9塊為典型邊底水普通稠油油藏。地面脫氣原油50 ℃黏度為16 960 mPa·s，20 ℃原油密度0.983 2 g/cm3，族組分含量飽和烴15.19%、芳烴27.82%、非烴29.90%、瀝青質27.09%。對原油進行脫水處理，含水率不大于0.5%。實驗用砂采用顆粒粒徑與儲層巖心相匹配、能反應儲層物性特征的石英砂。實驗用水為地層水。

依照行業(yè)標準SY/T 6898—2012《火燒油層基礎參數測定方法》，將處理后的原油、石英砂和地層水按比例配比出含油飽和度60%的人工油砂模型。

1.2 實驗裝置

火驅一維物理模擬實驗裝置見圖1，由注氣系統(tǒng)、模型本體、測控單元和產出系統(tǒng)4部分組成。注氣系統(tǒng)包括空氣壓縮機、氣體增壓泵、氣體流量計控制器等；模型本體尺寸為(42×9×3.6)cm，模型內部采用隔熱材料，沿軸向布設3行13列39個測溫點，模型中央處布設1支測壓點以監(jiān)測模型內壓力變化， 并設計1口注氣/點火井， 1口生產井；測控單元主要是利用數據采集板對不同位置的溫度、壓力進行實時監(jiān)測并自動記錄； 采出系統(tǒng)由高溫高壓大流量回壓控制器、氣液分離裝置、在線煙氣分析儀、回收處理裝置等組成。

圖1 火驅一維物理模擬實驗裝置Fig.1 One dimensional physical simulation experimental device of fire flooding

1.3 實驗過程

1)將配置好的人工油砂裝入模型內，確保裝填均勻；2)安裝模型蓋體，測試密封性；3)連接檢查流程，確保各個系統(tǒng)運轉正常；4)以低速1 mL/min注入室溫水，保證模型出口端不產油情況下建立油水共存狀態(tài)；5)設置回壓1 MPa，以2 L/min注氣速度低速注氣，啟動點火器(點火器溫度500 ℃)，模型內形成穩(wěn)定火線后關閉點火器，并逐漸調節(jié)注氣速度。實驗過程中火線穩(wěn)定推進的最低注氣速度為8 L/min，最高注氣速度為20 L/min，折算成現(xiàn)場注氣強度分別為288 m3/(m·d)和720 m3/(m·d)；6)監(jiān)測模型內溫度、壓力變化，當火線推進到模型出口處結束實驗。模型本體降溫，拆開模型。

2 實驗結果與分析

將原始油藏火驅室內實驗注氣速度經驗值2 L/min作為點火階段初始注氣速度[19-20]，火線穩(wěn)定推進的注氣速度一般為4 L/min，該數值并未考慮油藏受水體侵入后對火驅過程的影響，而油藏被水侵后熱效率低，會引起火線溫度不穩(wěn)定，因此，邊底水油藏火驅室內實驗需通過調節(jié)注氣強度保障驅替的穩(wěn)定性。

2.1 注氣速度對燃燒溫度的影響

火驅實驗過程一般包括點火階段、火線穩(wěn)定推進階段、停止注氣階段。

點火階段采取階梯式升溫，溫度與注氣速度對應關系如圖2所示。從2 L/min逐漸提高注氣速度，維持至少大于6 L/min的注氣速度注氣，保障原油順利越過低溫氧化向高溫氧化階段進行，避免低溫氧化結焦，使得油藏溫度達到燃燒所需溫度。同時加熱油藏使得近井地帶油藏溫度達到并超過點火器溫度500 ℃以上，最高達到598 ℃，實現(xiàn)成功點火。

圖2 點火階段溫度與注氣速度對應關系曲線Fig.2 Corresponding curve of temperature and gas injection speed in ignition stage

當達到火線穩(wěn)定推進階段，關閉點火器。注氣速度由8 L/min逐步增加至12 L/min，16 L/min，20 L/min。不同注氣速度與火線最高溫度對應關系，以及火線形成后不同注氣速度火線波及特征如圖3和圖4所示。

圖3 火線穩(wěn)定推進階段注氣速度與火線最高溫度關系Fig.3 Relationship between gas injection speed and maximum temperature of live line in stable propulsion stage of live line

圖4 火線形成后不同注氣速度火線波及特征Fig.4 Characteristics of fire line sweep at different gas injection speeds after the formation of fire line

火線形成后，首先以維持最低空氣耗量的8 L/min注氣速度注氣能夠實現(xiàn)高溫燃燒，但隨著火線推進最高溫度有所降低，提高注氣速度到12 L/min甚至16 L/min，由最高溫度和波及溫度場特征(圖3和圖4)均顯示能夠維持燃燒區(qū)最高溫度，但一段時間后溫度仍然下降，不能夠穩(wěn)定驅替，這正是因為油藏有水體存在，火驅產生的一定熱量被火線前方水體吸收，使得溫度有所降低。再次提高注氣速度到20 L/min，火線最高溫度逐漸升高，并保持相對穩(wěn)定，實現(xiàn)了火線繼續(xù)穩(wěn)定推進。說明油藏中含有存水情況下，火線形成后，在維持高溫燃燒所需最低注氣速度基礎上逐步提高注氣速度，保證較高燃燒溫度，進而實現(xiàn)火線穩(wěn)定驅替。

由實驗可知，水侵油藏實施火驅維持燃燒的最低注氣速度較原始油藏火驅高，至少為8 L/min，對應現(xiàn)場注氣強度為288 m3/(m·d)。此外，數值模擬研究也認為通過增大注氣量可以提高火線前緣溫度，釋放更多熱量，有利于保障邊底水油藏火驅過程火線推進的穩(wěn)定性[19]。

2.2 注氣速度對火線推進速度的影響

火線推進速度是指點火成功后火驅過程中火線前緣推進距離與經歷時間的比值，即火驅前緣推進的平均速度。注氣速度與火線推進速度關系如圖5所示。

圖5 注氣速度與火線推進速度關系Fig.5 Relationship between gas injection speed and fire line propulsion speed

當注氣速度為8 L/min時火線形成，火線推進速度初期能夠達到0.512 cm/min，但隨著時間變化呈現(xiàn)降低趨勢，降低到0.171 cm/min，圖3火線最高溫度也顯示由最高的685 ℃降低到589 ℃。當注氣速度提到12 L/min甚至16 L/min，推進速度仍然很低，甚至達到0.08 cm/min，火線前緣平穩(wěn)推進受阻。當注氣速度提高到20 L/min后推進速度猛然增大，此時增大注氣速度對火線推進速度的影響最大，燃燒出現(xiàn)不穩(wěn)定情況，說明發(fā)生了氣體突破，當以20 L/min注入一段時間后，煙氣通道已經逐漸形成，氣體獲得一定能動，更有利于在油藏中流動和擴散，有助于原油的燃燒，火線前緣以平均0.93 cm/min推進速度穩(wěn)定向前推進，實現(xiàn)穩(wěn)定驅替。

由此可見，邊底水油藏火驅當火線形成后，為了保持火線穩(wěn)定推進，需要逐步增加注氣速度，適量增大注氣速度對火線推進有積極作用，在驅替過程中，注氣速度為20 L/min時，推進速度達到最大。

2.3 注氣速度對壓力的影響

火驅過程中，隨著火線推進，調整注氣速度，模型內壓力也隨之發(fā)生變化，如圖6所示。

圖6 不同時刻注氣速度與壓力關系Fig.6 Relationship between gas injection speed and pressure at different times

分析注氣速度與壓力對應關系圖可知，火線形成后，注氣速度從8 L/min提高到12 L/min時，壓力從0.049 MPa緩慢增長變化幅度很小，一直未超過0.1 MPa，直到注氣速度提高到16 L/min時，壓力陡然上升將近0.3 MPa，持續(xù)提速到20 L/min，壓力繼續(xù)增大達到高峰0.49 MPa。

分析壓力變化可知，火驅過程中隨著燃燒前緣向前移動，原油運移過程對空氣阻力逐漸增大，該阻力主要來源火驅過程中產生的油墻[22-23]，由于水侵影響，原油中輕質組分更易凝結成油墻，較原始油藏火驅油藏更寬，所需阻力更大，使得邊底水油藏火驅增壓作用更加強烈，當注氣速度為16 L/min時，結合圖5火線推進速度減低到0.08 cm/min，火線不能夠持續(xù)穩(wěn)定向前運移進而憋壓導致了壓力陡升，當繼續(xù)增加注氣速度即增大驅動原油推動力的時候，火線推進速度增大能夠持續(xù)穩(wěn)步向前。此外，隨著壓力增大，受空氣壓縮影響，氧氣更加富集，原油與氧分子充分接觸，加快了氧化反應速率，使得燃燒更加充分，火線前緣溫度更高(見圖3)。因此分析，適當加大注氣速度對于邊底水油藏火驅過程主要起到兩方面作用，一是提供充足的氧氣維持高溫燃燒，二是提供油墻運移的推動力。

3 結論

1)保持一定的注氣速度是維持燃燒的必要條件。火線推進速度與注氣速度呈正相關關系，但推進速度猛然增大，易發(fā)生氣體竄流。邊底水油藏實施火驅，建議維持燃燒的最低注氣速度為8 L/min，即注氣強度為288 m3/(m·d)；

2)水侵油藏火驅過程中的注氣速度和壓力有較大影響。注氣速度越高，增壓作用明顯，壓力由0.049 MPa升到0.49 MPa，火線前緣溫度最高達到858 ℃。主要原因是火驅過程中產生的油墻聚集程度越大造成運移阻力變大，以及氧氣富集加快反應速率使得燃燒更充分；

3)對于邊底水油藏實施火驅技術開發(fā)，考慮到水侵油藏熱效率低的特點，火驅過程中，采用變速注氣方式，適當增大注氣強度保證火線前緣水體加熱后釋放更多熱量，提高火線前緣溫度，實現(xiàn)火線穩(wěn)定推進。