火烧油层机理及研究现状

1火烧油层机理及研究成果一、 火烧油层技术1.1 火烧油层定义1.1.1 开采机理火烧油层又称火驱或层内燃烧法，即在一口或数口注气井（又称火井）中点燃油层后，通过不断向油层注入适量氧化剂（空气或富氧气体）助燃，形成径向移动的燃烧前缘（又称火线） 。火线前方的原油受热降粘、蒸馏，蒸馏后的轻质油、汽与燃烧烟气被驱向前方，留下未被蒸馏的重质组分在高温下产生裂化、分解，最后剩下的裂解产物（本文也称其为副产物）焦炭作为火烧油层的燃料，维持油层继续向前燃烧；在高温下，油层水（包括束缚水） 、注入水及燃烧生成水，变成蒸汽，携带大量的热量传递给前方油层，并再次洗刷油层原油。这样便在地下油层内形成一个多种驱动机制并存的复杂过程，各种机制共同作用，最终把原油驱向生产井。根据油层温度和含油饱和度分布，将油层划分为六个不同区带，已燃区、燃烧带、结焦带、蒸发( 裂解、蒸馏) 区、轻质油带、富油带和未受影响区。物理化学反应主要集中在蒸汽区（热蒸馏） ，结焦区（高温热裂解） ，燃烧区（高温氧化） 。根据火烧油层反应温度的不同，火烧油层过程可以分为低温氧化和高温氧化反应过程。一般情况下，油田在实施火烧油层时必须连续监测分析产出气，以确保火驱处于热裂解（高温氧化）燃烧状态21.1.2 火烧油层技术分类火驱技术按注入空气方向和燃烧前缘的移动方向可以分正向燃烧和反向燃烧，前者注入空气与燃烧前缘移动方向相同，故称为正向燃烧； 后者空气流动方向和燃烧前缘移动方向恰好相反，故称为逆向燃烧或反向燃烧； 正向燃烧按注入空气中掺水与否又分干式正向燃烧和湿式正向燃烧。在直井网火驱的基础上，将重力泄油理论与传统的火驱技术结合开发出了利用水平井进行火驱的技术( COSH) 和垂直井或者水平注入井与水平生产井结合的 “脚尖到脚跟”的火驱技术( THAI) 。将水平井技术应用于火驱采油，扩大了火驱技术的应用范围，既没有原油黏度的限制，又可以有效减缓火驱气窜速度，降低了操控难度和风险。（1 ）干式正向燃烧干式正向燃烧前缘移动方向与空气的流动方向相同。燃烧从注气井开始，燃烧前缘由注入井向生产井方向移动，从注入井开始至生产井，可划分为已燃区、燃烧带、结焦带、蒸发( 裂解、蒸馏) 区、轻质油带、富油带和未受影响区等几个区带。这些区带沿空气的流动方向而运动。（2 ）湿式正向燃烧湿式正向燃烧就是在正向燃烧的基础上，在注气过程中添加一定量的水，以扩大驱油效率和降低空气油比。湿烧可分为常规湿烧和超湿烧，当注入水均以蒸汽状态通过燃烧带时称为常规湿烧，对于给定的原油，常规湿烧的峰值温度通常略高于干烧，2 种燃烧模式生成气的组成相似。当注入水速度高到有液态水通过燃烧带时称为超湿烧。湿式燃烧比干式燃烧的驱油效果好，主要原因是: 蒸汽带驱油是火驱过程中的 1 个重要机理；随着湿3式燃烧水气比的增加，发生氧化反应的区域范围扩大，蒸汽带的温度下降，对流前缘速度增加，加速了热对流的传导，驱油效率增大； 在湿式燃烧过程中，随着氧气利用率的降低，燃烧 1m3 油砂所需空气量降低，燃烧前缘速度减慢，驱油效率几乎不变。但湿式燃烧存在操作难度大的问题。（3 ）反向燃烧反向燃烧前缘移动方向与空气流动方向相反。燃烧从生产井开始，燃烧前缘由生产井向注入井方向移动，被驱替的原油必须经过正在燃烧的燃烧带和灼热的已燃区。反向燃烧是利用分馏和蒸汽传递热量的作用来开采完全不能流动的原油，用于正向燃烧不能有效开发的油藏，如特、超稠油油藏的开采。由于反向燃烧空气消耗量大，约为正向燃烧的 2 倍，且往往会变成正向燃烧，因此，实际生产中一般不采用该方法。（4 ） THAI 技术THAI 又称从脚尖到脚跟的注空气技术。该方法将火驱技术与重力泄油理论结合起来，可获得非常高的稠油采收率，有 2 种井型组合形式，即 : 直井-水平井组合和水平井-水平井组合。直井-水平井组合中水平生产井部署在位于油层下部的位置，垂直注气井（水平注气井）部署在靠近水平井末端(脚尖) 处，从垂直井内注入空气或者氧气，燃烧带由脚尖沿水平井向脚跟处推进，燃烧前缘加热的原油依靠重力作用泄到下面的水平生产井中而产出。该方法充分利用上倾遮挡、原油改质及重力作用使注入气沿着指定的通道燃烧，黏度降低的原油直接流入水平生产井井段被采出。此外，水平井完井时，可以在水平段加入裂解催化物质，强化就地改质过程，进一步改善采出油的油品性质。与常规火驱技术相比，THAI 具有以下优点: 燃烧前缘稳定，容易控制，受油层非均质性影响较小； 燃烧效率较高，三维物理模拟结果表明产出气中氧气含量低； 采收率高，相似物模实验中采收率达到 80%以上； 由于高温裂解作用，采出原油的性质改善，试验结果表明 API一般可提高 50% 左右； 4THAI 火驱时可以控制气体超覆，并能有效提高储量动用程度.（5 ） COSH 技术COSH ( The combustion override split production horizontal well)是重力泄油与火驱技术结合的另一种方式，井型为直井/水平井组合形式。其操作过程包括多口垂直注入井和水平生产井的组合，一般情况下，垂直注入井在水平生产井的正上面。生产原理如下:1）将含氧气体通过水平井正上方的一排垂直井注入到油层中，一般将气体注入到油层的上部，并在注入井中进行冷水循环，防止井筒因温度过高而损坏； 2）在距生产井较远处部署排气生产井，将燃烧带生成的废气排出，尽可能降低产出气体中氧气的含量及产出气的温度； 3）水平生产井部署在靠近油层底部的位置，以便最大限度地利用重力泄油的作用，水平井中的产出气体要严加监测，防止水平井附近的温度过高。4）若初期在注入井和气体生产井之间不具备足够的热连通，可以采取各种措施使得注入井和生产井之间尽快形成热连通，确保达到高温氧化的燃烧温度。5）在燃烧过程中，首先在各注入井的周围形成分散的燃烧腔，随着燃烧过程的进行，各个小燃烧腔向外扩展连成一连续的燃烧腔，加热的原油靠重力作用泄到下面的生产井，其泄油机理与 SAGD 的机理相近。（6 ）稀油火驱高压压缩空气+ 高压注气系统注气井；氧气+原油 燃烧 复合驱油：混相气体二氧化碳驱、非混相气体氮气驱、混相烃（凝析油）驱、蒸汽/热水驱5火驱成功的关键在于氧化动力学,即碳氧化物的生成模式1、加氧反应：烃 + 氧 = 加氧产物（包含羧酸、醛、酮、醇类以及过氧化氢物）2、热裂解（燃烧）反应： 烃 + 氧 = 二氧化碳 + 氮气 + 水 + 能量温度范围 主要氧化方式 次要氧化方式 产物700 热裂解 气相稀油火驱地质、操作及油藏参数：能够连续自燃的原油 油层温度： 75 剩余含油饱和度: Sor 25%渗透率: 2 100 mD 油层厚度 : 2 16 米,16 米（大倾角） 水平波及面（连通性）好的井网安全有效的操作 良好的油藏监督、运行成本监督以及可能的油藏模拟 相对便宜的能源目前干式正向燃烧、湿式正向燃烧和 THAI 现场试验效果较好，并取得了一些认识，而这些研究成果的应用均局限在浅层、层状稠油油藏中。总体来看，火驱技术在现场中应用存在以下难点: 燃烧前缘推进方向难以控制，引起单方向火窜、火线超覆，平面及纵向波及系数低，注入空气过早突破，导致采收率低； 难以维持持续高温氧化所需的空气量； 大量产气，严重出砂，油管、套管腐蚀和结垢等；对于吞吐开发后期的稠油油藏，由于剩余油的零散分布、储层的非均质性，火驱油藏工程设计更加复杂，注气速度与剩余油的对应关系，分层配气可行性都是关系到火驱成败的关键因素。61.1.3 火烧油层技术特点（1 ）驱油特点从火驱采油机理和燃烧过程可以看出，火驱具有以下驱油特点:具有注气保持地层压力的作用,有助于建立生产压差和驱动压差； 兼有火驱、蒸汽驱、热水驱作用,热利用率更高。高温蒸馏和裂解作用还可提高产出原油的轻质组分含量；燃烧产生的二氧化碳形成二氧化碳驱,省去了制造二氧化碳的装置和投资； 具有混相驱效应,可以降低原油界面张力, 提高驱油效率,火烧油层室内实验已燃烧区残余油饱和度甚至接近零；火烧过程中燃烧了约 10% 的燃料为原油中不需要的组分，剩余油的品质被大大提高；火烧油层采油比注蒸汽采油现场条件更加广泛，尤其埋藏较深的油层。火烧油层采油正因为具有这些优势，以及近年来不断提高的对燃烧驱油机理认识，火烧油层技术重新走进了人们视线，该技术回采率高、热效高、适用范围广，合理应用就会取得良好开发效果。（2 ）适应范围不适合注蒸汽开发的深层、超深层稠油油藏不适合注水、注蒸汽的水敏性油藏；注水开发后期的普通稠油油藏；蒸汽吞吐后期不适合蒸汽驱的油藏；不适合注蒸汽或注汽效果差的薄层、薄互层油藏；带有底水的稠油油藏；沙漠等水源缺乏地区的稠油油藏。（3 ）技术难点对地下真实燃烧状态的控制；对燃烧带前缘的调整与控制；点火、注气、举升工艺及其装备的可靠性；产出流体组分在线监测与安全预警。1.2 国内外研究现状及现场应用1.2.1 国外火烧油层技术发展概况火烧油层工艺最早是由瓦尔科特和霍瓦德提出的，并于 1923 年获得美国专利。而第一次火烧现场试验是前苏联于 1933 年在薄煤层中实施的，也就是现在说的煤的地下气化。前苏联还最先于 1934 年7把火烧工艺应用于采油。此后，各国纷纷开展了火烧油层的项目研究工作，除了前苏联之外还有美国、加拿大、委内瑞拉、罗马尼亚和中国等。美国最早的一次火烧油层现场试验是 1942 年的俄克拉荷马州的 Bartlesville 油田进行。当时并不是有意识的点燃油层，用的是能产生 480热空气的井下加热器，附近几口生产井产量提高，原油 API 值增大，温度升高，符合火烧油层特点。1959 年 Tadema 针对干式正向燃烧过程提出了空气需要量的计算方法，以及估算其采收率与已燃容积之间的关系式。Poettmann 和 Benhand，Ramey 等人在此后也提出了这方面的分析结果。他们的工作奠定了火烧油层室内实验和理论分析的初步基础。1960 年 Willson 和 Read 等人在室内开展了干式正向燃烧和正向湿式燃烧实验,建立了相关的计算式, 并讨论了其主要的影响因素。1962 年 Alexander 等人开展了原始含油饱和度对燃烧燃料的影响、燃料与原油密度的关系、燃料对总空气量的影响和低温氧化对燃烧燃料的影响等试验，探讨了影响火烧油层的主要因素。1963 年 Showalter W.E 通过室内燃烧釜试验对不同 API 值的油样在不同压力条件下进行反应，提出了燃料消耗量、空气需要量与原油API 值之间的关系图示，结果显示随着原油API 值的增大，燃料消耗量和空气需要量都降低。1963 年 Chu.C 在 Two-dimensional Analysis of a Radial Heat Wave 和 The Vaporizationconden sation Phenomena in a Linear Wave 这两篇论文中提出了维持燃烧所需的最低空气流量估算方法朱氏法。1963 年 Thomas 提出了比较成熟的火烧油层能量守恒方程；1964 年 Ramey 提出了维持燃烧所需的最低空气流量估算法雷米法。同年,Strange 提出了自燃点火的条件和计算式,并介绍了相应的点火实例。1965 年斯特兰奇的研究成果表明，油层温度越高，自燃时间越短，如果自燃点火时间为几个小时或几天，就应研究自燃的可行性。但是若时间长达几个月或者几年，则需要从外部进行能量的补给；1965 年 Henderson 等人提出了原油热裂解反应和热裂解产物的燃烧反应速度关系式。1965 年 Gohmed 提出一个在线性系统中使用的一维数学模型 ,该模型考虑了三相流动,导热和对流两种传热方式,但不考虑原油蒸馏, 也不考虑重力和毛管力的影响。该数学模型包括 6 个偏微分方程、其中 3 个是三相守恒方程,1 个空气、1 个蒸汽和 1 个能量方程。1966 年潘伯兹通过对室内燃烧管实验研究根据烧掉的烃量，产生的 CO 和 CO2 体积和在该阶段燃烧前缘移动过的油层体积计算出燃料消耗量；1968 年 Orikiszewski.J 通过分析几个干式燃烧现场试验和许多燃烧管试验结果，发现现场的燃料浓度和原油API 值与原油地层温度有密切关系。他把燃料浓度分成两部分，一部为天然残渣的提供量，一部分为就地自动氧化形成的残油提供量。1968 年 Kuo 提出的数学模型引入了两个温度前缘,一个是燃烧前缘 ,另一个是热流前缘。热流前缘的位置是根据空气流动特性来确定的。气流速度与燃烧前缘推进速度不一定一致。1970 年 Couch.E.J 针对燃烧管实验模型，用一维三相数值模拟装置，研究了燃料浓度随孔隙度和渗透率的变化关系，研究的目的是研究出一个相关式，可以在渗透率和孔隙度不同时，调试室内燃烧管实验实测的燃料浓度，使其接近于现场情况；1970 年 Tadema(塔代马) 和 Weijdema(怀代马) 对低温氧化反应的能量平衡作了适当的简化后，得出了计算着火延迟时间（由空气注入开始算起）的近似公式，该公式被称为自燃点火公式。81971 年 smith 和 Parouq Ali 提出了二维数值模拟,可用来预测孤立(封闭)井网内火烧油层的驱油效率1972 年 4 月 Faroug Ali 的综述文章 火烧油层现场试验的当前评价 中介绍了经筛选后的 24 个火烧油层项目，并对点火前的操作及点火进行分析，得出的结论为在点火前空气以设计速率注入，以建立对空气的渗透率。稠油在这期间可能会发生自燃着火或原油的缓慢氧化。在其中的一个项目甚至点火前产出气体中就有 17%-19%CO2。1973 年 El-Khatib 提出了一个综合的一维六组分的火烧油层数学模型.该模型解释火烧油层过程的大多数主要现象。1974 年， Garon 等人开展了室内反问燃烧试验,并讨论了其有关的影响因素。1977 年 Burger 和 Buesse 也发表了有关火烧油层的研究报告，并提出了氧气需要量计算式和点火时间方程式；1977 年 2 月 Chu.C 的综述文章火驱现场项目研究 ，Chu.C 认为火驱比蒸汽吞吐和蒸汽驱有更大的油藏和油藏性质的适用范围。文章首先对各种火驱工艺作一般性描述，并讨论火驱的几个动态特征参数，并用两种不同的统计方法可靠性限度法和回归分析法得出了燃料消耗量的数学模型。1978 年 Vermar 提出了燃烧反应速度计算关系式。1979 年 Grabowski 提出了名为 ISCOM 的全隐式通用的热采数学模型。该模型既可以模拟火烧油层工艺过程、也可应用于注蒸汽工艺过程,该模型可处理一维、二维及三维问题。1980 年 Younggren 发表了三维三相火烧油层模型 ;同年 coats 也发表了三维四相火烧油层数值模拟模型。1982 年 1 月 Chu.C 的综述文章 火驱现场项目目前发展水平评论 ，文章中选择了 25 个成功的和 9 个中途停止的火驱项目，在充实的实际数据基础上提出了火驱的一个新的筛选标准，并在文章中根据 6 个火驱项目用多元线性回归方法研制了一个关于空气需要量的多元回归方程。1995 年 Ramanzan Ocalan 和 Mustafa Versan Kok 研究了在给定油藏的条件下，用火烧油层模型所得最终产油量、水分、气体室内实验数据来分析油藏火驱的可行性。同时。运用前缘推进及优化模型得出的数值结果进行分析并与实验结果进行了对比。1996 年 S.Indrijarso 等人进行了注气压力对原油燃烧动力学影响的研究。在实验中观察到随着注气压力的增加，燃料在相当长的时间内出现了质量增加的现象。他们把这些现象归因于低温氧化或者是气体被燃料吸收的效果。2000 年 SuatBagci,MustaversanKok,在 In-situ combustion laboratory studies of Turkish heavy oil Reservoirs中对干式燃烧方法和湿式燃烧方法做了室内实验,对两种燃烧的特点进行了仔细的研究,在干式燃烧实验中,随着原油的 API 下降,燃料消耗的速度更快,在空气与水的比率达到优化值的时候,燃料消耗的速率呈现下降的趋势。在湿式燃烧里,更高的风水比, 随着 API 的增加, 燃料的消耗量会下降。他们总结两种燃烧方式的优缺点, 并提出两种燃烧方式的适用场合。在 Petit,H.J.M.的 In-situ Combustion experiments with oxygen 一 enriched air 中对富氧条件下的燃烧特性做了研究,他们表明了富氧下火烧油层的诸多优点。M.GREAvEs 和 O.AL 一 SHAMALI 等人使用 wolf Lake 的稠油,在三维物理模型上进行了水平井的火烧油层物理模拟实验。模型几何尺寸为 0.4mx0.4mx0.lm。实验设计了三种不同的水平井组合关系,采用三种不同的原油,轻质油、中质油和稠油进行了研究。实验结论:THAI 一“水平段”注空气是稠油和中质油油藏中9应用 HTO 一 IAF(高温氧化一非混相空气驱)法的一种非常有效的方法;THAI 法的特点是只在燃烧前缘前面形成窄的可动油带。沿着水平井长度方向进行了完全射孔,确保了油藏冷油区的流体饱和度保持不变。其作用在于形成“粘滞阻挡层”阻挡热气流,使所有的流体和燃烧气向下流入水平井射孔段。因而,THAI 是一种重力辅助层内燃烧法;THAI 的强制流动和重力辅助机理保证了这一方法是完全稳定的,即没有气体重力上窜的影响。采收率非常高,达到 85%OOIP 的预定目标;燃烧前缘前面形成的窄可动油带的特点是 ,它能维持稠油的热力开采作用,使油产量极大增加。2004 年 S.K.Chattopadhyay 对 Santhal 油田进行火驱项目研究，具体描述了点火井的操作，包括注气压力，点火方式及点火温度等，认为火驱方式能够有效的提高原油采收率。2005 年 J.R.Rodriguez 等人利用室内燃烧管实验模型对富氧条件下的燃烧特性进行研究，研究结果表明随着氧气浓度的升高，推进速度提高，出油时间提前，原油粘度降低更为明显。2010 到 2011 年，刘其成、刘永建和刘喜林等人在东北石油大学完成了驱油机理研究工作。刘其成等人在辽河油田研究院开展了火烧油层物理模拟实验，他的研究工作与贴近辽河油田实际，得到了一些很有意义的成果： 在考虑了燃烧基础特性的前提下，建立了火烧油层 4 相 7 组分相似理论模型，该相似准则是到目前为止考虑因素最全的一个准则。 对不同油区的地质特征进行分析，参照物理模拟数据，成功研制了一套三维物理模拟系统。该系统的最高设计可达工作温度 1000左右，如果把模型放到高压仓里，该模型的最高工作压力可以达 15MPa 左右，该模型可对多井组、多方式火驱进行模拟研究，达到了国际领先水平。 提出了多种点火方式，例如点点火、注入化学添加剂来降低原油门槛温度来实验自然点火，注入热蒸汽直接点火等方式；对注气调控等难题进行深入研究并得到了解决方案。2011 年 Kok M.V 探讨了火烧油层过程中加热速率、原油类型对加热速率的影响，研究认为氧化反应可划分为三个阶段：低温氧化（LTO） 、燃料沉积（FD） 、和高温氧化（HTO） 。2012 年，刘其成、程海清河油田研究院开展了重力火驱技术研究与试验，取得了很多的成果： 水平井注水蒸汽的时机及水蒸汽的注入方式（连续注入或间歇式）对火线波及的影响。 探索了不同注气强度下注采排之间的关系范围 认识了注气强度对火线温度、推进速度及产油量、气窜等方面的影响 进一步深入认识重力火驱燃烧腔发育、拓展立体特征与驱油机理。2011 到 2013 年间，徐克明、刘永建等人东北石油大学完成了火烧油层驱油机理研究。取得了一些研究成果： 总体注气量的多少对燃烧区厚度有很大的影响，油层的孔隙度、渗透率对其影响较轻。 推导出了火烧油层地下氧气浓度分布的方程式。这个方式为断定燃烧前缘的波及范围和如何优化注采井间距提供了新的方案。 推导出计算火烧油层燃烧腔大小的方程和产油量计算方法，对燃烧腔体积进行了计算，为火烧油层采油工艺调控提出了新思路。2015 年 Mario-Luis Rodriguez Chavez 对火烧油层项目中近井地带的原油驱动特性进行了研究，研究认为，在近点火井地带火线前缘速度快速推进，加热速率较高，低温氧化反应与高温氧化反应区别明显，一旦火线前缘远离点火井，火线前缘推进速度将至 0.05m/d，火线前缘前部的热油并未与氧气接触，当氧气到达时致使低温氧化反应与高温氧化反应几乎同时进行，并提出了相应的反应化学方程式。1.2.2 国内火烧油层技术发展概况1997 年李少池等人通过对庙 5 块的物摸实验，分析出主要的火烧参数为燃料生成量、自燃点及通风强度；主要的经济指标是风油比或燃烧率，自燃点由油品性质决定，点火温度必须大于自燃点，而维持稳定燃烧与燃料生成量，油藏条件及通风强度有重要关系。101998 年胡士清、白国斌等人在物理模拟的基础上，利用数值模拟以及油藏工程方法，对影响火烧油层的技术参数进行了优选研究，并对影响火驱成败的油藏地质参数、注气参数进行了分析，寻找到了适合庙 5 块低渗透稠油油藏的开发方法。1999 年王弥康在他的综述文章火烧油层热采的筛选标准和经济指标中对 Chu.C 等人提出的经济指标计算模型，空气原油比计算模型及空气压缩机出口压力计算模型进入深入分析，得出经济变量 y0.27 时，该油藏有可能采用火烧油层开发，空气原油比 AOR3500Nm3/m3 时，用火烧油层会取得较好的经济效益，通过空气压缩机出口压力的计算可以初步确定所需压缩设备容量和功率大小范围。2000 年刘安源在文章含油多孔介质热气流点火临界着火温度的理论研究中基于“零值梯度法”建立了含油多孔介质在采用热气流点火时临界着火温度的数学模型，分析表明，增加热气流流量，比热及指数前因子、油层孔隙度、原油密度、原油饱和度、氧分压、反应级数和氧分子燃烧产生的反应热等参数值均会使临界着火温度降低，多孔介质中燃料活化能的增加则会使临界着火温度升高。2001 年 ,胜利油田股份有限公司采油工艺研究院的蔡文斌、谢志勤利用火烧油层燃烧管物理模拟技术,对胜利油区河口油田稠油进行了湿式燃烧实验,研究了湿式然烧条件下的燃料消耗量、视氢碳原子比、燃烧前缘推进速度和空气需要量等参数,以及注水量与注空气的比值时火烧油层性能的影响。结果表明:湿式燃烧较干式燃烧可以更有效地回收己燃区