稠油注空气燃烧特征试验研究_聂小斌.pdf

收稿日期 基金项目国家自然科学基金项目“稠油油藏火烧油层过程中焦炭沉积机理及燃烧特征研究”（）；四川省中央引导地方科技发展专项资金“油气原位制氢及关键影响因素”（）。第一作者聂小斌（），男，硕士，高级工程师，现主要从事油气田开发方面的研究工作，。通信作者赵帅（），男，博士（后），讲师，现主要从事采油工艺及提高采收率技术方面的研究工作，。聂小斌，赵帅，李明，等 稠油注空气燃烧特征试验研究 长江大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：稠油注空气燃烧特征试验研究聂小斌，赵帅，李明，许亮，李织宏 中石油新疆油田分公司实验检测研究院，新疆 克拉玛依 油气藏地质及开发工程国家重点实验室（西南石油大学），四川 成都 摘要稠油油藏注空气过程中燃烧前缘的有效建立与稳定传播是影响火驱成功与否的关键因素。以往室内燃烧试验中多孔介质渗透率通常高于，导致更低渗透率下火驱过程中燃烧特征认识不清。针对该问题，采用自主研发的压砂系统和燃烧管试验装置研究了渗透率在 下种稠油火驱过程中温度场、压力场及产出气相变化规律，重点分析了燃烧前缘特征。研究结果表明，渗透率在 下种稠油均能被点燃，但通过一次点火难以实现稠油燃烧前缘持续稳定地向前传递；在稠油燃烧初期，油墙的形成使得空气难以注入，驱替压差波动剧烈，如何解决油墙的封堵效应，是稠油油藏火驱提高采收率亟需解决的关键问题之一。经过二次高温点火操作后，稠油能够复燃，但燃烧前缘仍难以稳定传播；在该情况下，可考虑使用注燃料油辅助二次点火的方法以解决储层低效燃烧问题。该研究结果为稠油油藏火驱过程中稳定燃烧前缘提供了借鉴。关键词稠油油藏；火驱；燃烧前缘；燃烧管；油墙 中图分类号 文献标志码 文章编号 （），（），：（），：；长江大学学报（自然科学版）年 第 卷 第期 （），DOI:10.16772/ki.1673-1409.2023.03.001火驱过程中发生在油层多孔介质中复杂的物理化学反应及其性质、反应速率和生成热等都对火驱过程及效果产生重要的影响，同时也对火驱技术要求较高、现场操作难度较大。为进一步提高采收率，华北油田已在蒙古林油田砾岩油藏开展火驱开发先导试验。近年来，学者们已开展大量的燃烧管物理模拟实验，其实验结果能够有效判定稠油是否能在给定的点火温度下点燃，计算火驱过程中的一些基本参数，如燃料消耗、驱油效率、氧气利用率等，以及进行火驱过程中参数敏感性分析。在 等的研究中，所用稠油在 点火温度下被成功点燃，燃烧前缘得以稳定向前传递，且峰值温度均在 左右，表现出优异的高温氧化特征。赵东伟等和蒋海岩等 开展了辽河稠油室内燃烧管实验，原油的点火温度为 ，最终采收率为 。何龙等 采用一维火驱物理燃烧装置，研究了注气流量对燃烧前缘的影响，在注气的过程中，适当增加注气流量，可明显提高燃烧前缘推进距离，注气流量为 时，前缘推进程度最高，燃烧效果最好。对于上述研究，燃烧管中多孔介质段塞的气测渗透率均高于，其实验结果能够较好反映常规高渗稠油油藏的火驱特征。然而目前仍缺少渗透率低于的稠油火驱物理模拟实验研究。鉴于此，笔者采用自主研发的燃烧管和压砂系统进行“低渗”条件下（约 ）火驱物理模拟实验研究，并系统评价了种稠油的火驱特征。试验部分 试验条件材料：、和区块稠油，基本参数如表所示；水样为根据地层水矿化度所配制的模拟水样；砂样为油藏岩屑粉碎成 目的颗粒，烘干备用；气体为压缩空气（体积分数，体积分数），成都新炬化工有限公司。表、和区块稠油基本参数 ，稠油黏度（）（）四族组分及其质量分数饱和烃芳香烃胶质沥青质元素及其质量分数 仪器：注入系统设备、温控系统、一维火驱燃烧管。其中，注入系统包括压缩机、储气罐、调压阀、流量计、泵、中间容器等。模型系统包括压力仓、加温保温装置、燃烧管、点火装置等。产出系统包括气液分离器、过滤器、气体流量计、气体组分分析仪等。数据采集处理系统包括压力变送器、差压变送器、温度控制显示器、温度传感器、流量显示器、计算机等。工作上限压力为 ，温度为 ；燃烧模型管内尺寸为 ；点火器和热电偶的位置如图所示。火驱试验方法）将试验用油、水及岩屑按照一定比例（）进行充分混合，然后填装入燃烧管内。为了实现“低”渗透率，笔者对填砂环节进行了多次试验，方案如下：多批次、少量地填入油、水、砂混合物，每次仅加入 混合物，然后用如图所示的压砂装置进行压实，每次施加压力为 ，每次压实时间为 ，如此反复循环，直至砂体装填到燃烧管密封断面位置，停止装入混合物。）安装密封法兰，紧固螺栓时需对称用力，确保法兰受力均匀。安装点火器、温度监测探头和加热器（见图）。为了减少反应过程中的热损失，将硅酸铝填充到压力套和燃烧管之间的环形空间中。）检查装置气密性。关闭出口端阀门，由注入端注入氮气，当燃烧管压力达到 时关闭注气阀门，后模型压力能稳定在 视为密封合格。）用皂膜流量计测定填砂管的氮气渗透率。在上述的填砂方案下，得到的气测渗透率约为 。该渗透率为试验用稠油所在区块的平均渗透率。长江大学学报（自然科学版）年月图燃烧管试验装置分布图 图压砂装置 ）对燃烧管进行压力仓封装。主要包括：模型进仓、压力仓密封和密封测试。）点火燃烧试验。设定点火器温度为 ，在达到点火温度后，打开出口端，随后注入空气（注气速率为 ），观测热前缘的传播推进、驱替压差和产出气组成变化情况。）燃烧试验结束后，关闭压力仓加热电源，同时开启压力仓放空阀，泄掉围压。待燃烧管内温度下降到 以下后，开始模型拆卸。稠油火驱试验结果分析 区块图（）为 下 区块稠油（以下简称 稠油）火驱过程中不同热电偶处温度变化曲线。可以看出，在该渗透率条件下，热电偶处的 稠油能够被点燃。当时间为 时，燃烧达到峰值温度（），产出气中 体积分数接近和体积分数突增（见图（），反映出剧烈的燃烧反应。然而，热电偶处的峰值温度明显下降，表明该燃烧前缘无法稳定向前传播。其主要原因在于如图（）所示，在热电偶处 稠油燃烧期间，驱替压差迅速增高。当压差增加至 时，第 卷 第期聂小斌 等：稠油注空气燃烧特征试验研究出于实验安全性考虑，停止注入空气。过去的火驱室内实验表明，当燃烧前缘能够稳定持续地向前传播时，驱替压差较小且较为稳定（通常小于），。目前普遍认为火驱过程中存在个区域，即已燃区、燃烧前缘、结焦带、凝结区、油墙和冷油区 。根据温度变化曲线（见图（），可推断出在 左右，热电偶处为燃烧前缘，热电偶和处为结焦带和凝结区，热电偶处为油墙，热电偶和处为冷油区。油墙的形成使得该多孔介质段塞处的渗透率更低，油墙的堵塞效应使得空气注入困难。因此认为该“低渗”条件下油墙是造成驱替压差增大的主要原因。如图（）所示，在停止注入空气后，驱替压差逐渐降低，说明之前大量滞留在结焦带前方的气体能够缓慢进入结焦带及后方区域；热电偶和处温度有所上升，但均低于 ，同时产出气中 和 体积分数最高分别升至和 。上述结果说明热电偶和处稠油发生了低温和中温氧化反应。图稠油火驱过程中不同热电偶处各参数变化曲线 区块由图（）可知，热电偶处的区块稠油（以下简称稠油）能够被点燃，时间为 时，燃烧剧烈，达到峰值温度（），产出气 和体积分数明显升高（见图（）。但与稠油一致，在该“低渗”条件下，并不能形成稳定的燃烧前缘。如图（）所示，当驱替压差达到 时，停止注入空气。结合 和 节结果，认为低渗稠油油藏火驱开发面临着在燃烧初期，油墙的形成使得空气难以注入的难题。如何解决油墙的封堵效应，使原油能够运移到生产井是低渗稠油油藏火驱提高采收率亟需解决的关键技术问题。在停止注入空气后，稠油的驱替压差逐渐降低（见图（），滞留在结焦带前方的高压空气能够缓慢进入结焦带及后方区域，并且在时间为 时，结焦带（热电偶处）再次发生燃烧，燃烧达到峰值温度（），体积分数为左右。由于没有空气的持续注入，燃烧反应时间范围仅为 。时间为 时，热电偶处温度从 骤升至 ，产出气中 体积分数接近于，发生了十分迅速的燃烧，同时由于该位置处 体积分数有限，燃烧反应时间十分短暂。综上所述，推测分析该时段热电偶处可能发生了剧烈且短暂的气相燃烧。区块综合 和 的结果，在该“低渗”条件下，通过一次点火难以实现稠油燃烧前缘持续稳定地向前传递。此外，区块稠油（以下简称稠油）的黏度和重质组分高于和稠油（见表），因此油墙的封堵效应更强，燃烧前缘更难以传播。鉴于此，区块试验调整了加热和注空气程序。如图（）所示，共分为个阶段。阶段：持续通入空气，当驱替压差达到 时，停止注入空气。在该阶段，与和稠油相比，稠油注空气过程压差上升更快。在热电偶处发生燃烧前，驱替压差已达 ，考虑到随后的燃烧可能会引起更高的驱替压差，于是在驱替压差达到 时，停止注入空气。阶段：燃烧管入口端无任何气体注入。热电偶处的油砂得以燃烧，燃烧峰值温度达 （见图（）。阶段：重新通入空气和加温热电偶处的油砂（加热温度为 ）。为了明确热电偶处的燃烧前缘能否稳定向前传播，再次通入空气；同时考虑到该稠油的高黏特性，若不进行外加长江大学学报（自然科学版）年月图稠油火驱过程中不同热电偶处各参数变化曲线 热，驱替压差会迅速增大，于是对热电偶处进行升温。常规燃烧管只有一个点火器，无法对各热电偶处的油砂进行加热，。然而由图所示，区块试验所使用的燃烧管的各热电偶处同时连接了测温和加温装置。因此可以对不同热电偶处的油砂进行加热。在阶段，可观察到燃烧前缘得以从热电偶处传递到热电偶处，其燃烧峰值温度为 。阶段：停止对热电偶处加热。为了明确在不进行外部升温的条件下，已建立的燃烧前缘能否持续传播，因此在该阶段停止对热电偶处加热。如图（）和图（）所示，在该阶段，驱替压差又迅速上升至 ，产出气中和 体积分数波动明显。阶段：对热电偶处进行升温，当热电偶处温度达到 后，停止加热。由图（）可知，当停止加热后，驱替压差迅速增加至，此时停止注空气。该结果表明点火温度太低，无法解除油墙的封堵效应。图稠油火驱过程中不同热电偶处各参数变化曲线 本节实验结果证明在经过二次高温点火操作后，稠油能够被点燃，但燃烧前缘仍不稳定，原油在推进的过程中形成厚大的油墙，使得在注气过程中容易造成“气堵”。实际火驱过程中，对于已经发生灭火的井组，可以考虑使用注燃料油辅助二次点火的方法实现储层复燃，从而缓解“气堵”问题。结论）渗透率在 下，种稠油均能被点燃，但油墙的封堵使得驱替压差波动剧烈，火驱燃烧前缘难以稳定向前推进。）为解决油墙的封堵效应，采用二次点火方法进行操作；经二次点火后，稠油能够被点燃，但驱替压差仍保持高水平，难以形成稳定燃烧前缘。）稠油油藏火驱过程中，对于已经发生灭火的井组，可以考虑使用注燃料油辅助二次点火的方法第 卷 第期聂小斌 等：稠油注空气燃烧特征试验研究实现储层复燃，建立稳定的燃烧前缘，从而缓解“气堵”问题。参考文献：王如燕，潘竟军，陈龙，等 汽窜通道对注蒸汽开采后期转火驱生产的影响 长江大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：，：，：，：彭小强，韩晓强，张继周，等稠油油藏水平井火驱技术风险与对策探讨 特种油气藏，（）：，（）：李新彩，张光宇，申文鹏，等 蒙古林油田火驱开发先导试验地面工艺技术 石油规划设计，（）：，（）：，（）：，（）：，：赵东伟，蒋海岩，张琪火烧油层干式燃烧物理模拟研究 石油钻采工艺，（）：，（）：蒋海岩，张琪，袁士宝，等火烧油层干式燃烧数值模拟及参数敏感性分析 中国石油大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：何龙，李忠权，李洪奎，等火烧油层注气流量对火驱前缘影响的室内研究 长江大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：，：，：关文龙，席长丰，陈亚平，等稠油油藏注蒸汽开发后期转火驱技术 石油勘探与开发，（）：，（）：，：，（）：李家燕，潘竟军，陈龙，等砂岩和砂砾岩对火驱燃烧前缘和产出物的影响 油气地质与采收率，（）：，（）：唐君实，关文龙，蒋有伟，等 稀油火烧油层物理模拟 石油学报，（）：，（）：编辑帅群长江大学学报（自然科学版）年月