新疆重18区超稠油火驱燃烧特性物理模拟研究

陈青松，李猛，赵决顺，代宸宇，岳圣杰

（中国石油大学，北京102249）

新疆重18区超稠油火驱燃烧特性物理模拟研究

陈青松，李猛，赵决顺，代宸宇，岳圣杰

（中国石油大学，北京102249）

超稠油资源量大可以作为稠油开发的接替资源。火驱技术是提高原油采收率的重要方法之一，室内实验证明，其采收率可达到70%～80%，有望作为超稠油开发的接替技术。本文以新疆凤城重18区蒸汽吞吐后的原油为研究对象，进行了一维燃烧管物理模拟实验，求取超稠油火驱燃烧基础参数，并对超稠油燃烧特性和火驱燃烧前缘传播的稳定性进行了分析。实验中求得视H/C原子比为1.27，燃烧过程中高温氧化反应起主导作用；燃料沉积量为26.64 kg/m3，火驱前缘趋于稳定。火驱实验驱油效率达到91%，空气油比为1 022 m3/t，具有较高的驱油效率和较低的空气油比。

超稠油；火驱；物理模拟实验

超稠油资源量大，开采方式以蒸汽吞吐为主[1]，目前出现吞吐轮次高，单井产量低，油气比低的问题，需要探索接替开发技术。火驱技术近几年频频实现突破[2-6]，新疆红浅火驱试验区的成功说明火驱技术是可行的替代技术。本文将通过一维物理模拟实验，验证超稠油火驱能否驱得动，并求取火驱燃烧参数。

1 实验装置及实验方法

1.1 实验装置

燃烧管实验台包括注入系统、模型本体、信号采集及测控系统及产出系统四部分[7，8]（见图1）。燃烧管主体长度为80 cm，均匀分为16段，也就是每5 cm一段，每段在岩心中部装有一根热电偶，用来检测岩心温度。外侧壁面也装有热电偶用来测量每段壁面温度，贴着壁面有加热器。加热器加热壁面，使壁面温度对岩心温度进行跟踪，解决了模型径向散热问题。本次实验装置模型选用新疆凤城重18区蒸汽吞吐后原油及石英砂制成，可以模拟实际油藏温度压力条件下进行实验。与常规岩心驱替实验装置相比，本装置有以下三个优势：（1）内置高效电点火装置，能实现该油藏条件下火驱技术高效点火；（2）具有氮气围压可解决火驱过程中的气窜问题；（3）具有精确的传热控制能力，热补偿技术解决了模型散热问题。

图1 一维火驱物理模拟实验系统流程图

1.2 实验准备及方法

实验选取新疆凤城重18区蒸汽吞吐后的原油，模拟砂是根据地层岩心颗粒分布与成分相同的黏土成分及含量分析数据，选择粒度相似的石英砂与成分相同的黏土按比例均匀混合而成。最终经过饱和度模拟后得到具有与原始地层相同含油饱和度的人工油砂。其初始含油饱和度为0.78。

火驱动模拟实验步骤如下：（1）燃烧管在N2下进行升温，当点火器达到500℃后注入空气，当油层被点燃后，关闭点火器；（2）利用测控系统进行实验过程的在线监测，记录实验过程产出液的量、产出气的组分组成、注入压力、空气流量等数据；（3）根据实验要求，确定实验的结束；（4）对实验装置逐渐进行泄压、降温，达到常温、常压。

2 实验过程记录与分析

2.1 火驱前缘稳定性分析

实验开始后，选用点火器和燃烧管的前3段作为点火段，通入N2并升温，当点火器达到500℃后注入空气，油层点燃后关闭点火器。燃烧管测控系统自动记录每个测点的温度变化过程，可得实验过程温度剖面曲线[9-14]（见图2）。

前3段岩心最高温度超过480℃，油砂被成功点燃，从第4个点开始进入稳定燃烧阶段，温度在500℃左右，后3段由于产出端法兰在高压N2围压条件下散热大，温度在500℃以下。从图2上可以看出高温燃烧前缘可以稳定地向前传播。

2.2 火驱燃烧基础参数求取

取第4段到第10段作为阶段火驱阶段，来求取超稠油火驱燃烧的基础参数[15-20]。

根据实验过程记录，实验开始时间（t0）为9∶40，阶段开始时间（t1）为11∶15，阶段结束时间（t2）为13∶25，实验结束时间（tend）是15∶25，因此可知阶段实验时间长（t2-t1）为130 min，整个实验时间长为345 min。气体流量为2.56 L/min，实验过程中烟道气含量在烟气分析仪上读出，并记录（见表1）。

图2 温度剖面图

表1 燃烧管出口气体浓度表

根据表1，可以做出燃烧管尾气浓度图（见图3）。

图3 燃烧管尾气组分浓度图

由火线推进公式：

式中：V－火线推进速度数值，mm/h；LS1S2－S1与S2之间的距离数值，mm。

由于每段距离为5 cm，因此阶段距离为300 mm，阶段时间为130 min，可计算出推进速度为138.5 mm/h。

根据表1可以把t1-t2阶段气体产出过程分为7段，前6阶段每20 min一段，最后一段为10 min，编号为1～7，然后结合气体流量可以算出每个阶段的不同气体组分的体积（见表2）。

表2 阶段产出气体体积

由表2可以得出阶段累积产O2体积为8.110 4 L，累积产CO体积VCO为13.947 0 L，累积产CO2体积VCO2为37.994 2 L。

计算t1到t2阶段内消耗燃料CxHy中Cx的质量，可由公式：

式中：mCx-t1到t2时间段内消耗燃料CxHy中Cx的质量数值，kg；MC-碳原子摩尔质量，g/mol；VCO2-t1到t2时间段内生成的CO2在标准状况下的体积数值，L；VCO-t1到t2时间段内生成的CO在标准状况下体积数值，L。

因此可以计算出mCx=0.027 826 kg。

计算t1到t2阶段内消耗燃料CxHy中Hy的质量，可由公式：

式中：VO2-t1到t2时间段内生成的O2在标准状况下的体积数值，L；到t2时间段内通过燃烧带的未被消耗的氧气在标准状况下体积数值，L；到t2时间段内与燃料中的氢元素发生反应的O2在标准状况下的体积数值，L；mHy-t1到t2阶段内消耗燃料CxHy中Hy的质量，kg；MH-氢原子的摩尔质量，g/mol。

经过计算得：VO2=69.56 L，，进而得到mHy=0.002 942 kg。

计算视H/C原子比公式如下：

式中：RH/C－视H/C原子比的数值，无量纲。

经过计算得：RH/C=1.27。

计算燃料消耗量的公式如下：

式中：λf－燃料消耗量数值，kg/m3；VS1S2－S1与S2之间岩心体积的数值，m3。

经过计算得VS1S2=0.001 155 m3，进而得到λf=26.64 kg/m3。

计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，进而得Rf=8.64%。

计算空气消耗量的公式：

式中：λair-空气消耗量数值，m3/m3；Vair-t1到t2时间段内累计通过燃烧面的空气在标准状况下的体积数值，m3。经过计算得Vair=0.332 8 m3，进而得到λair=288.25 m3/m3。

计算累计空气油比的公式如下：

式中：AORt-整个实验过程中累计空气油比数值，m3/t；Vairt-整个实验过程中累计注入空气在标准状况下的体积数值，L；moil-整个实验过程中累计产油量的质量数值，kg。

整个实验过程时长为345 min，经过计算可以得到Vairt=883.2 L，累计产油量moil=0.85 kg，进而得到AORt=1 039 m3/t。

计算阶段空气油比的公式：

式中：AORs-t1到t2阶段内空气油比数值，m3/t；Vair-t1到t2阶段内累计注入空气在标准状况下的体积数值，L。

经计算得Vair=332.8 m3，进而得到AORs=1 022 m3/t。

计算t1到t2阶段氧气利用率的公式：

代入数据就算得：RO2=88.34%。

计算火驱驱油效率的公式：

由于Rf=8.64%，因此驱油效率ED=91.36%。

根据以上计算过程，可以把超稠油火驱基础参数汇总（见表3）。

表3 新疆重18区超稠油火驱基础参数表

3 结论

（1）对于该区块超稠油填装模型，火驱过程中可以形成稳定的燃烧前缘，燃烧前缘温度稳定在500℃左右，燃烧稳定推进，也就是说超稠油在室内可以驱得动。

（2）从尾气组分来看，O2含量小于3%，CO2含量在10%～13%，CO含量稳定在4%左右，表明火驱过程中燃烧比较充分。

（3）视H/C原子比为1.27，表明燃烧过程高温氧化反应起主导作用。

（4）实验求得的燃料沉积量为26.64 kg/m3，明显高于一般稠油火驱过程中燃料沉积量（20 kg/m3左右），这是因为超稠油中胶质、沥青质等重质组分含量较大，这样在热裂解过程中有较多的重质组分参与反应。另外超稠油火驱过程中由于黏度高、阻力大，需要更多的燃料供给。

（5）实验过程中燃料消耗率为8.64%，驱油效率达到91.36%，空气油比为1 022 m3/t，具有较高的驱油效率和较低的空气油比。

［1］张怀文，周江.蒸汽吞吐开采方法［J］.新疆石油科技，2011，21（3）：78-80.

［2］张方礼.火烧油层技术综述［J］.特种油气藏，2011，18（6）：1-5.

［3］徐克明，刘永建，刘其成.火烧油层采油技术基础及其应用［M］.北京：石油工业出版社，2015：2-5.

［4］张敬华，杨双虎，王庆林.火烧油层采油［M］.北京：石油工业出版社，2000：6-7.

［5］牛嘉玉.稠油资源地质与开发利用［M］.科学出版社，2002.

［6］Prats.M.热力采油［M］.北京：石油工业出版社，1989.

［7］关文龙，马德胜，梁金中，等.火烧储层区带特征实验研究［J］.石油学报，2010，31（1）：100-104.

［8］M.Greaves，王玉华，裴东旗，等.THAI-稠油开采和就地升温的注空气新技术［J］.国外油田工程，2001，17（9）：14-19.

［9］王艳辉，陈亚平，李少池.火烧驱油特征的实验研究［J］.石油勘探与开发，2000，27（1）：69-71.

［10］李少池，沈燮泉，王艳辉.火烧油层物理模拟的研究［J］.石油勘探与开发，1997，24（2）：73-81.

［11］崔玉峰，杨德伟，陈玉丽，等.火烧油层热力采油过程的数值模拟［J］.石油学报，2004，25（5）：99-103.

［12］关文龙，王世虎，蔡文斌，等.新型火烧油层物理模型的研制与应用［J］.石油仪器，2005，19（4）：5-7.

［13］谢志勤，贾庆升，蔡文斌，等.火烧驱油物理模型的研究及应用［J］.石油机械，2002，30（8）：4-7.

［14］关文龙，吴淑红，梁金中，等.从室内试验看火驱辅助重力泄油技术风险［J］.西南石油大学学报（自然科学版），2009，31（4）：67-72.

［15］油气田开发专业标准化技术委员会.SY/T 6898火烧油层基础参数测试方法［S］.北京：石油工业出版社，2012.

［16］蔡文斌，李友平，李淑兰，等.胜利油田火烧油层现场试验［J］.特种油气藏，2007，14（3）：88-90.

［17］关文龙，蔡文斌，王世虎，等.郑408块火烧油层物理模拟研究［J］.石油大学学报（自然科学版），2005，29（5）：58-61.

［18］Guan Wenlong，Wu Shuhong，Wang Shihu，et al.Physical simulation of in-situ combustion of sensitive heavy oil reservoir［J］.SPE110374，2007.

［19］Santos，Vargas，Trevisan.Thermal analysis and combustion kinetic of heavy oils［J］.WHOC 11-361.

［20］M.Kumar，A.M.Garon.An experimental investigation of the fire flooding combustion zone［J］.SPE Reserv，Eng，1991.

宁夏石化开展尿素装置环保升级改造

5月底，宁夏石化一化肥装置年度22天计划检修工作开始陆续开展进行。此次尿素装置环保升级改造是检修工程的重中之重。

宁夏石化公司化肥一厂尿素装置始建于上世纪80年代，原设计环保指标不能满足现在的要求。为此，宁夏石化公司决定下大力气进行环保升级改造，投资2094万元，这个项目由中国寰球工程公司设计，由中国石油第七工程建设有限公司承担施工建设任务，对工艺尾气、解吸水解、二氧化碳脱氢等单元进行技术改造，以达到现在的国家环保指标要求，促进公司可持续发展。此次环保改造，主要对脱氢装置、尾气氨回收装置、解吸水解装置进行升级改造，进一步回收其中的氨，降低解吸废水指标，使其排放符合环保排放指标，同时对解吸废水进行二次利用，达到节能减排降耗的目的。据了解，脱氢系统改造实施后，二氧化碳气体中氢气的含量，解吸废水中氨含量、尿素含量等重点监控指标均低于国家标准，完全满足环保排放要求。

（摘自中国石油新闻中心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

陈青松，男（1993-），中国石油大学（北京）硕士研究生，邮箱：18682527197@163.com。