不同含油飽和度對火驅(qū)效果影響實驗研究

王偉偉

（中國石油遼河油田分公司，遼寧盤錦124010）

遼河油田稠油資源豐富且復(fù)雜多樣[1]，目前主力稠油區(qū)塊歷經(jīng)三十年的開發(fā)已經(jīng)進(jìn)入注蒸汽熱采開發(fā)的中后期階段，油藏開發(fā)面臨蒸汽吞吐輪次高、地層壓力低、蒸汽驅(qū)汽油比低、剩余油分散、水侵等難題，亟須進(jìn)行開發(fā)方式轉(zhuǎn)換?；痱?qū)作為一種能有效提高采收率的稠油熱采方法[2-4]，具有油藏適應(yīng)范圍廣、物源充足、成本低等特點，已經(jīng)得到廣泛關(guān)注及礦場應(yīng)用，遼河油田J91塊也在開展轉(zhuǎn)火驅(qū)開發(fā)礦場試驗。含油飽和度作為油藏開發(fā)的重要參數(shù)，是評價油藏開發(fā)價值和劃分有利區(qū)的重要依據(jù)。在實際油藏開發(fā)過程中，隨著開采程度不斷加深，地層內(nèi)含油飽和度不斷發(fā)生變化，對開發(fā)效果產(chǎn)生不同影響。目前資料顯示，含油飽和度的研究方向主要建立在水驅(qū)、蒸汽吞吐、蒸汽驅(qū)等驅(qū)替方式的基礎(chǔ)上進(jìn)行[5-9]，火驅(qū)中含油飽和度研究主要集中在火驅(qū)實驗后不同區(qū)帶的含油飽和度分布上[10-12],缺少含油飽和度對火驅(qū)過程及效果的規(guī)律性分析。針對以上問題，以室內(nèi)一維火驅(qū)實驗為基礎(chǔ)，探索不同含油飽和度的火驅(qū)可行性，在穩(wěn)定燃燒的前提下，分析不同含油飽和度對火驅(qū)過程中注氣速度和壓力的影響，對比不同含油飽和度的火驅(qū)生產(chǎn)效果，對火驅(qū)區(qū)塊的優(yōu)化選擇及火驅(qū)生產(chǎn)效果的預(yù)測具有重要的現(xiàn)實意義。

1 火驅(qū)物理模擬實驗設(shè)計

1.1 實驗條件

實驗采用火驅(qū)一維物理模擬裝置模型，模型尺寸設(shè)計為42 cm×9 cm×3.6 cm，模型本體為填砂模型，共布設(shè)3行13列39支熱電偶監(jiān)測溫度變化；模型中央處布設(shè)1支測壓點監(jiān)測模型內(nèi)壓力變化；點火方式為電點火，設(shè)計點火溫度為500℃，點火器位于模型注氣井位置。實驗所用原油為J91塊脫水原油，地面脫氣原油黏度（50℃）為28 990 mPa·s，與石英砂按不同比例分別配比出15%、20%、30%、60%的含油飽和度。實驗設(shè)計注氣速度為8 L/min，模型出口回壓設(shè)計為1 MPa。

1.2 實驗過程

①將配制的油砂填入模型內(nèi)，確保裝填均勻后封蓋；②確保測試模型密閉性；③連接并檢查流程，保障各個系統(tǒng)運轉(zhuǎn)正常；④啟動點火器并向模型內(nèi)注氣，開展火驅(qū)一維實驗；⑤火線到達(dá)生產(chǎn)井時滅火結(jié)束實驗；⑥通風(fēng)降低模型溫度，直至室溫。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 火驅(qū)穩(wěn)定性分析

點火成功后，火驅(qū)過程能否保持穩(wěn)定的高溫燃燒需要從溫度和高溫氧化判識指標(biāo)兩個方面進(jìn)行分析[13-20]。圖1為不同含油飽和度下中軸測溫點監(jiān)測到的最高溫度，表1為不同含油飽和度火驅(qū)實驗產(chǎn)出尾氣組分含量及判識指標(biāo)。

從圖1可以看出，由于點火器溫度設(shè)定為500℃，不同含油飽和度實驗點火初期注氣井處溫度均能達(dá)到500℃，點火成功。隨著不斷注氣，模型內(nèi)形成穩(wěn)定的火線后關(guān)閉點火器。伴隨注氣速度的不斷調(diào)整，不同含油飽和度下模型內(nèi)最高溫度均能維持在500℃以上，且能夠保持火線穩(wěn)定推進(jìn)。隨著含油飽和度增大，模型內(nèi)最高溫度也呈小幅上升趨勢，分析認(rèn)為含油飽和度越大需要的注氣速度越快，從而導(dǎo)致火線溫度也越高。

圖1 不同含油飽和度對燃燒溫度的影響曲線Fig.1 Effect curves of different oil saturation on combustion temperature

目前火驅(qū)尾氣判識指標(biāo)認(rèn)為，產(chǎn)出尾氣中CO2含量大于12%、視HC比范圍為1～3、氧氣利用率大于85%、氧氣轉(zhuǎn)化率大于50%即判定為高溫氧化。分析不同含油飽和度尾氣組分（表1）可以看出，不同含油飽和度CO2、視HC比、O2利用率及O2轉(zhuǎn)化率等指標(biāo)均符合高溫氧化指標(biāo)范圍，屬于高溫燃燒。因此，從溫度和尾氣指標(biāo)可以判斷，含油飽和度在15%及以上均能實現(xiàn)穩(wěn)定燃燒。

表1 不同含油飽和度火驅(qū)尾氣組分及判識指標(biāo)Table 1 Composition and identification index of exhaust gas in fire flooding with different oil saturation

2.2 對注氣速度與壓力的影響

火驅(qū)室內(nèi)實驗中，為了保證點火成功并保持火線穩(wěn)定推進(jìn)，需要不斷調(diào)整空氣的注入速度來實現(xiàn)。實驗初期采用低注氣速度，隨著火線推進(jìn)，相應(yīng)調(diào)整注氣速度，不同含油飽和度對應(yīng)的注氣速度也有所不同（圖2）。

圖2 不同含油飽和度在不同時刻注氣速度調(diào)整曲線Fig.2 Gas injection velocity adjustment curves with different oil saturation at different time

分析注氣速度變化圖可知，實驗初期，均以低速8 L/min的注氣速度注氣，能夠維持高溫燃燒，隨著火線推進(jìn)，不同含油飽和度所需的注氣速度開始出現(xiàn)差異。除了含油飽和度15%以8 L/min的注氣速度燒完了全程，含油飽和度大于15%均需要調(diào)整注氣速度，火線形成后注氣速度不變導(dǎo)致火線推進(jìn)速度變慢、火線溫度降低，注氣速度調(diào)整后火線繼續(xù)穩(wěn)定推進(jìn)。隨著含油飽和度增大，低速注氣時間越來越短，需要的注氣速度越來越快，注氣速度調(diào)整也更加頻繁。隨著注氣速度的調(diào)整，模型內(nèi)壓力也隨之發(fā)生變化（圖3）。

圖3 不同含油飽和度在不同時刻模型內(nèi)壓力變化曲線Fig.3 Pressure curves of different oil saturation in different time models

分析壓力變化可知，壓力會隨著注氣速度增加而增大。含油飽和度15%注氣速度不變模型內(nèi)壓力也保持平穩(wěn)，其他含油飽和度條件下調(diào)整注氣速度后模型內(nèi)壓力都開始增大，含油飽和度越大，模型內(nèi)起壓越早，壓力變化越大，壓力也越來越高。壓力越大，原油運移的阻力就越大，就需要更高的注氣速度來推動原油移動。因此，根據(jù)分析結(jié)果，注氣速度主要有兩個作用，維持火線燃燒所需的空氣耗量以及提供原油向前運移的驅(qū)動力。火驅(qū)過程中維持高溫氧化所需要的空氣耗量與原油性質(zhì)相關(guān)，對于同一種原油，改變含油飽和度對高溫燃燒所需的空氣耗量影響不大，隨含油飽和度增加而加快的注氣速度則主要用于作為推動原油運移的驅(qū)動力，而原油運移的阻力主要來自火驅(qū)過程中產(chǎn)生的油墻，也就是說，在穩(wěn)定燃燒的前提下，含油飽和度越高，形成的油墻越大，造成的運移阻力也越大，需要的注氣速度就越快。

2.3 對驅(qū)油效率和空氣油比的影響

驅(qū)油效率和空氣油比是反應(yīng)火驅(qū)效果的兩個重要指標(biāo)。驅(qū)油效率越大，空氣油比越低，說明火驅(qū)效果越好。表2為不同含油飽和度火驅(qū)實驗后的驅(qū)油效率與空氣油比。

從表2可以看出，含油飽和度對驅(qū)油效率、空氣油比等經(jīng)濟性指標(biāo)影響較大。含油飽和度15%火驅(qū)實驗驅(qū)油效率小于2%，空氣油比接近無限大，產(chǎn)出液中僅漂浮有零星油花；而含油飽和度大于15實驗產(chǎn)出液中均有油產(chǎn)出，驅(qū)油效率隨著含油飽和度增加而升高，空氣油比則隨著含油飽和度增加而降低。結(jié)合不同含油飽和度火驅(qū)過程中注氣速度和模型內(nèi)壓力的變化，分析認(rèn)為含油飽和度15%火驅(qū)實驗中沒有形成油墻，所有的原油都轉(zhuǎn)換成了高溫燃燒所需的燃料，沒有多余的原油被驅(qū)替出來，在技術(shù)上能實現(xiàn)火驅(qū)，但沒有經(jīng)濟意義。對于同一種原油而言，維持高溫燃燒所消耗的燃料幾乎不變，沒有參與燃燒的原油則以油墻的形式被驅(qū)替出來。含油飽和度越大，被驅(qū)替出的原油越多，驅(qū)油效率就越高，空氣油比也越低。

表2 不同含油飽和度的驅(qū)油效率和空氣油比Table 2 Oil displacement efficiency and air-oil ratio with different oil saturation

3 結(jié)論

1）含油飽和度在15%及以上時，火線溫度能保持在500℃以上，尾氣指標(biāo)符合高溫氧化，均能實現(xiàn)穩(wěn)定燃燒并保持火線穩(wěn)定推進(jìn)。

2）含油飽和度對火驅(qū)過程中的注氣速度和壓力有較大影響。隨著含油飽和度增加，所需注氣速度越來越高、模型壓力越來越大，主要原因是火驅(qū)過程中產(chǎn)生的油墻隨含油飽和度增加而增大造成運移阻力變大。

3）含油飽和度對驅(qū)油效率和空氣油比等經(jīng)濟性指標(biāo)有較大影響。驅(qū)油效率隨著含油飽和度增加而升高，空氣油比則隨著含油飽和度增加而降低，分析原因是油墻增大造成的。