原油放熱性的測(cè)定和在火燒油層可行性判定中的應(yīng)用

編譯:吳軍 (新疆油田公司重油開(kāi)發(fā)公司)

審校:阮林華 (新疆油田公司重油開(kāi)發(fā)公司)

王曉欽 (新疆油田公司勘探開(kāi)發(fā)研究院)

原油放熱性的測(cè)定和在火燒油層可行性判定中的應(yīng)用

編譯:吳軍 (新疆油田公司重油開(kāi)發(fā)公司)

審校:阮林華 (新疆油田公司重油開(kāi)發(fā)公司)

王曉欽 (新疆油田公司勘探開(kāi)發(fā)研究院)

在油藏壓力條件下,利用加速量熱儀 (ARC)對(duì)三個(gè)油藏的原油放熱性進(jìn)行了測(cè)定。Wolf Lake重油和Clair中質(zhì)油放熱性實(shí)驗(yàn)采用干凈的、含有3%高嶺石的石英砂模擬油藏儲(chǔ)層,而對(duì)于Athabasca瀝青礦,則模擬原始油藏狀態(tài),測(cè)定其油砂放熱性。Wolf Lake重油油藏和Clair中質(zhì)油油藏在實(shí)驗(yàn)中水飽和度較高,這是水驅(qū)或蒸汽驅(qū)后的油藏狀態(tài)。對(duì)Athabasca瀝青礦進(jìn)行的另一個(gè)放熱性實(shí)驗(yàn)采用的是低飽和度原油的油砂,但是沒(méi)有對(duì)原始鹽水飽和度進(jìn)行調(diào)整。雖然Clair中質(zhì)油在所有溫度范圍內(nèi)都具有較好的放熱性,但是初始分解溫度較Athabasca油砂高很多?；罨艿挠?jì)算表明Athabasca油砂在低溫氧化階段反應(yīng)活性非常強(qiáng)。原油放熱性的測(cè)定表明:以上三個(gè)油藏都具有很好的實(shí)施火燒油層開(kāi)采的潛力。

原油 放熱性 火燒油層 加速量熱儀

1 前言

在提高采收率 (IOR)工藝的選擇中,是否有適合的、容易得到的流體注入油藏是最關(guān)鍵的考慮因素。在油藏開(kāi)發(fā)不斷發(fā)展的情況下,輕質(zhì)油和重質(zhì)油油藏開(kāi)發(fā)對(duì)采用空氣注入法提高采收率給予高度的關(guān)注。最近,印度Cambay Basin油田采用傳統(tǒng)的火燒油層 (ISC)方法開(kāi)采稠油,Christina Lake稠油油田采用先進(jìn)的水平段注空氣工藝(THAI)開(kāi)辟了第一個(gè)先導(dǎo)實(shí)驗(yàn)區(qū)。采用注入高壓空氣方式開(kāi)發(fā)輕質(zhì)油油藏也有了重大的進(jìn)展。例如在Williston Basin油田進(jìn)行經(jīng)濟(jì)可行的空氣注入開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn),在阿根挺Barrancas油田和墨西哥Cantun油田進(jìn)行空氣注入工藝的可行性研究。

空氣注入工藝在經(jīng)濟(jì)上和技術(shù)上有許多優(yōu)點(diǎn):驅(qū)替效率高,增加了燃燒前沿原油的流動(dòng)性和油藏壓力;注入的氣體、氣體剝離作用后產(chǎn)生的燃料氣以及燃燒副產(chǎn)品CO2對(duì)原油具有膨脹驅(qū)替作用。另外,高壓高溫油藏還具有原油易燃、組分之間易互溶的特性。

Yannimaras等首次提出可采用加速量熱儀(ARC)法對(duì)適宜采用空氣注入法開(kāi)發(fā)的油田進(jìn)行篩選。該技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為一種在絕熱條件下,尤其在高壓環(huán)境中研究反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的方法,而且該技術(shù)可以解釋低溫氧化 (L TO)和高溫氧化 (HTO)現(xiàn)象。以前ARC主要用于研究輕質(zhì)油。本文利用ARC獲得了稠油和Athabasca油砂放熱性的測(cè)試參數(shù),并利用測(cè)試參數(shù)分析發(fā)生的氧化反應(yīng),從而確定稠油和 Athabasca油砂采用傳統(tǒng)的 ISC和THAI工藝開(kāi)采的可行性。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 ARC實(shí)驗(yàn)設(shè)備

主要儀器由耐壓殼體和測(cè)試容器構(gòu)成 (圖1)。樣品池的頂部、底部和周?chē)惭b有加熱器。整個(gè)儀器內(nèi)嵌多個(gè)爐壁熱電偶,另外一個(gè)熱電偶安裝在測(cè)試容器的內(nèi)部。測(cè)試容器和內(nèi)部的樣品保持在近乎絕熱的狀態(tài)。在質(zhì)量流量計(jì)控制下向測(cè)試容器注入持續(xù)的空氣流。在測(cè)試容器內(nèi)氣體是以回壓控制的,然后進(jìn)行干燥,以便利用氣相分析儀對(duì)CO2、CO和O2的濃度進(jìn)行測(cè)定。

圖1 加速量熱儀結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 ARC實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)前,系統(tǒng)要進(jìn)行熱損失校準(zhǔn) (HLC)。HLC可以補(bǔ)償測(cè)試容器在不斷升溫過(guò)程中的熱損失。ARC的測(cè)試分為加熱—等待—搜索三個(gè)過(guò)程。在搜索過(guò)程中,ARC自動(dòng)程序確定溫升變化率是否超過(guò)設(shè)定值。假如試樣的溫升變化率大于設(shè)定值,加熱器接著執(zhí)行“跟蹤”模式,對(duì)整個(gè)反應(yīng)的溫升變化過(guò)程進(jìn)行掃描。如果試樣的溫升變化率小于設(shè)定值,ARC將按照預(yù)先選擇的溫度升高幅度自動(dòng)進(jìn)行加熱-等待-搜索循環(huán)。油和砂樣準(zhǔn)備好后裝入測(cè)試容器。實(shí)驗(yàn)前,系統(tǒng)進(jìn)行試壓以檢驗(yàn)儀器連接處的密封狀況,并對(duì)熱損失校準(zhǔn),以便在計(jì)算機(jī)控制下進(jìn)行ARC實(shí)驗(yàn)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

四種原油ARC實(shí)驗(yàn)條件見(jiàn)表1。

表1 四種原油ARC實(shí)驗(yàn)條件

3.1 Clair中質(zhì)油 (19.8 API)

Clair中質(zhì)油放熱反應(yīng)趨勢(shì)見(jiàn)圖2。在圖2中, Clair中質(zhì)油初始分解溫度是162.5℃,這比原始油藏溫度高很多。水驅(qū)前油藏狀態(tài)和油藏含水飽和度對(duì)原始油藏溫度影響很大。試驗(yàn)溫度達(dá)到205℃左右時(shí),壓力快速升高,這是由于在油、砂樣品的上面形成了氣相二級(jí)反應(yīng)區(qū)。輕質(zhì)碳?xì)浠衔锝M分從原油中揮發(fā)出來(lái)進(jìn)入流動(dòng)的氣相區(qū)域,當(dāng)滿(mǎn)足最低燃燒條件時(shí),就出現(xiàn)自燃現(xiàn)象。由溫升變化率的劇烈變化可以看出,300℃時(shí)溫度和壓力出現(xiàn)陡增。這說(shuō)明此時(shí)原油開(kāi)始完全燃燒,或者出現(xiàn)鍵斷裂反應(yīng)。當(dāng)反應(yīng)溫度達(dá)到儀器的最大測(cè)試溫度 (不到500℃)時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)切斷,反應(yīng)結(jié)束。

放熱反應(yīng)的自加熱速率 (SHR)見(jiàn)圖3。L TO階段初始溫升變化率是0.06℃/min,高于溫升變化率設(shè)定值0.02 ℃/min。實(shí)際上,在油藏條件下,初始分解溫度比162.5℃低得多,這是因?yàn)橛筒亟^熱條件比ARC實(shí)驗(yàn)絕熱條件好很多。在圖3中,L TO和 HTO區(qū)間很明顯。SHR是400℃/ min。API重度值為31的Barranca輕質(zhì)油在開(kāi)放的反應(yīng)條件下SHR也可達(dá)到400℃/min,然而在密閉的容器中,SHR可接近1 000℃/min。由圖3可明顯地看出,實(shí)驗(yàn)中兩個(gè)氧化區(qū)之間存在270～300℃這一較寬的過(guò)渡帶。對(duì)輕質(zhì)油來(lái)說(shuō),過(guò)渡帶越寬越平滑,氧化反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)槌浞秩紵目赡苄跃驮酱?因此Clair中質(zhì)油具有實(shí)施火燒油層開(kāi)采的較好潛力。原油是由碳數(shù)量完全連續(xù)的不同碳?xì)浠衔锘旌隙傻?這確保了樣品隨著溫度的升高,能不間斷地持續(xù)放熱。Li等應(yīng)用高壓差掃描量熱法的研究結(jié)果表明,原油的化學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)氧化反應(yīng)有非常重要的影響。

圖2 Clair中質(zhì)油反應(yīng)溫度與時(shí)間關(guān)系 (油藏壓力202 bar)

圖3 Clair中質(zhì)油SHR與溫度關(guān)系 (油藏壓力202 bar)

3.2 Wolf Lake重油 (10.3 API)

在L TO階段,Wolf Lake重油放熱變化趨勢(shì)(圖4)同Clair中質(zhì)油基本相似,但該階段Wolf Lake重油的SHR沒(méi)有Clair中質(zhì)油的高,并且在兩個(gè)氧化反應(yīng)之間沒(méi)有過(guò)渡帶。該階段SHR最大值為30℃/min。Wolf Lake重油初始分解溫度是158℃,比Clair中質(zhì)油低了近5℃。這表明,雖然Wolf Lake油藏壓力比Clair油藏低很多,但是在L TO階段,Wolf Lake重油具有較強(qiáng)的氧化活性。同時(shí)也表明,在溫度升到某一高度時(shí),Wolf Lake重油會(huì)出現(xiàn)自燃現(xiàn)象。Wolf Lake重油可在SHR非常低的情況下由L TO階段連續(xù)地、不很平滑地過(guò)渡到燃燒階段。在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí),Wolf Lake重油SHR超過(guò)100℃/min。在整個(gè)過(guò)程中,反應(yīng)消耗了大量的氧氣,產(chǎn)生了大量的碳的氧化物,并且持續(xù)反應(yīng)時(shí)間比 Clair中質(zhì)油長(zhǎng)很多,毫無(wú)疑問(wèn),Wolf Lake重油有較好的燃燒特性。

3.3 Athabasca瀝青礦油砂 (8 API)

圖4 Wolf Lake重油SHR與溫度關(guān)系 (油藏壓力102 bar)

在對(duì)Athabasca瀝青礦油砂進(jìn)行的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中,油砂均含有原始油藏鹽水。在前面的實(shí)驗(yàn)中, Wolf Lake重油和 Clair中質(zhì)油采用潔凈的含有3%高嶺石的石英砂來(lái)模擬這兩個(gè)油藏的儲(chǔ)層。圖5顯示含油飽和度為80%的Athabasca油砂初始分解溫度是113℃,此時(shí)SHR為0.04℃/min。此后SHR緩慢增長(zhǎng),300℃時(shí),達(dá)到低溫氧化階段的最大值2.5℃/min。在另一個(gè)針對(duì)含油飽和度為50%的Athabasca油砂的實(shí)驗(yàn) (圖6)中,SHR的變化趨勢(shì)同含油飽和度為80%的Athabasca油砂是類(lèi)似的。然而初始分解溫度高很多,達(dá)到147℃,SHR非常低,只有0.02℃/min。這是因?yàn)樯昂退摹吧崞鳌弊饔靡约胺磻?yīng)原料——原油含量較低的緣故。在從L TO轉(zhuǎn)變?yōu)?HTO過(guò)程中,兩種原油飽和度油砂的SHR曲線(xiàn)都是連續(xù)的,但是在HTO階段SHR差別很大。從圖5可以看出,含油飽和度為80%的Athabasca油砂在400℃時(shí)出現(xiàn)短期較高的SHR,最大達(dá)到200℃/min,然后不斷降低,最終在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)降到40℃/min。這表明,熱裂解反應(yīng)產(chǎn)生的輕質(zhì)混合物的氣相濃度達(dá)到了氣體的燃點(diǎn)。但是同樣的現(xiàn)象沒(méi)有發(fā)生在原油飽和度為50%的Athabasca油砂實(shí)驗(yàn)中。這是因?yàn)殡m然也發(fā)生了熱裂解反應(yīng),但是原油飽和度低,由熱裂解反應(yīng)產(chǎn)生的輕質(zhì)混合物的氣相濃度沒(méi)有達(dá)到混合物的燃點(diǎn)。

圖5 含油飽和度80%的Athabasca油砂SHR與溫度關(guān)系(油藏壓力40 bar)

3.4 ARC實(shí)驗(yàn)反應(yīng)速率參數(shù)

四種原油放熱性參數(shù)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。對(duì)注蒸

圖6 含油飽和度50%的Athabasca油砂SHR與溫度關(guān)系(油藏壓力40 bar)

汽開(kāi)發(fā)后的油藏實(shí)施火燒油層時(shí),需要考慮此時(shí)油藏原油低飽和度對(duì)點(diǎn)火的影響以及油藏放熱性的變化。例如Athabasca油砂,當(dāng)原油飽和度從80%降到50%時(shí),初始分解溫度提高了34℃,然而自燃溫度從 350℃降到 300 ℃ (圖 2)。Xia和Greaves的研究結(jié)果表明,油藏在水平段蒸汽驅(qū)(THSF)之后采取火燒油層工藝,其自燃和穩(wěn)定燃燒是可行的。L TO和 HTO階段熱能變化見(jiàn)表3。從表3可以看出,在壓力不同、其他條件類(lèi)似的情況下,Clair中質(zhì)油和Wolf Lake重油在L TO和HTO階段釋放的熱能是大致相同的。然而含油飽和度為80%的Athabasca油砂在L TO階段釋放的熱能比HTO階段高很多。這是由于ARC儀器最高測(cè)量溫度的限制,使得HTO被人為縮短了。但是這說(shuō)明含油飽和度為80%的Athabasca油砂具有較好的自燃能力。在針對(duì)含油飽和度為50%的Athabasca油砂進(jìn)行的ARC試驗(yàn)中,兩個(gè)氧化階段釋放的熱能是大致相同的。

表2 四種原油放熱性參數(shù)測(cè)試結(jié)果

對(duì)表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行排序,得到以下結(jié)果:

初始分解溫度:Athabasca＜Wolf Lake＜Clair;

自燃溫度:Athabasca＞W(wǎng)olf Lake＞Clair;

最大自加熱速率:Athabasca=Wolf Lake＜Clair;

最大燃燒溫度:相同 (儀器限制),接近500℃。

雖然 Athabasca油砂在L TO階段活性較強(qiáng)(初始分解溫度為113℃),但是它的自燃溫度最高,約為350℃。表2中表觀(guān)活化能排序如下:

L TO階段:Athabasca＜Wolf Lake＜Clair;

HTO階段:Athabasca＞W(wǎng)olf Lake＞Clair。

表3 ARC試驗(yàn)中各個(gè)階段原油放 (吸)熱情況

可以看出,L TO階段初始分解溫度的變化同該階段活化能的變化相一致,HTO階段的自燃溫度變化同該階段活化能相一致。在L TO階段, Athabasca油砂的活化能較低,進(jìn)一步表明它具有較強(qiáng)的氧化反應(yīng)能力。在 HTO階段,Athabasca油砂的活化能達(dá)到最高 (147.24 kJ/mol),說(shuō)明Athabasca油砂只有在高溫下才可能發(fā)生燃燒放熱現(xiàn)象。

4 結(jié)論

◇根據(jù)油藏壓力下進(jìn)行的ARC試驗(yàn),Clair中質(zhì)油、Wolf Lake重油和Athabasca油砂都具有持續(xù)氧化放熱的特性,并都能從低溫氧化轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷匮趸虺浞秩紵?。這三種原油都具有實(shí)施火燒油層的潛力。

◇Athabasca油砂初始分解溫度最低,只有113℃,這接近于某些埋藏較深的輕質(zhì)油油藏溫度。

◇在L TO階段,Athabasca油砂活化能低,只有44.6 kJ/mol,這表明 Athabasca油砂活性強(qiáng),在空氣注入的情況下可以發(fā)生自燃。

資料來(lái)源于加拿大《JCPT》2007年9月

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.9.009

2009-05-05)