自蔓燃化學(xué)點(diǎn)火火燒油層物理模擬研究

謝志勤

(中國石化勝利油田分公司石油工程技術(shù)研究院，山東東營 257000)

火燒油層是指通過注入井向油層注入空氣，然后以空氣中的氧氣為助燃劑使油層中部分原油燃燒，利用燃燒產(chǎn)生的熱量改變油層條件和原油物性，進(jìn)而將未燃燒區(qū)原油采出的一種稠油熱采方式[1-3]?；馃蛯右话阈枰斯c(diǎn)火，而常用的人工點(diǎn)火方式是電點(diǎn)火，但電點(diǎn)火存在點(diǎn)火溫度過高(點(diǎn)火溫度超過380 ℃)、成功率較低等問題[3]。因此，人們開始研究和應(yīng)用化學(xué)點(diǎn)火。化學(xué)點(diǎn)火是將化學(xué)劑注入油層，并在高溫?zé)崃黧w作用下發(fā)生化學(xué)放熱反應(yīng)，從而點(diǎn)燃原油的一種點(diǎn)火方式。在化學(xué)點(diǎn)火中，降低點(diǎn)火溫度、提高點(diǎn)火的成功率依然是目前探索的方向。為此，結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，筆者引入自蔓燃技術(shù)，提出了自蔓燃的化學(xué)點(diǎn)火方式，期望利用材料的自蔓延燃燒特性，在外界較低初始能量的作用下實(shí)現(xiàn)自蔓燃，產(chǎn)生高熱量，從而點(diǎn)燃油層。

經(jīng)初步研究，篩選出了自蔓燃材料，主要以羧酸、羧酸鹽、尿素及肼類含氮有機(jī)物等有機(jī)化合物為燃料，以金屬硝酸鹽為氧化劑[4-9]。將該燃料和氧化劑的飽和水溶液加熱濃縮，會(huì)起火燃燒，且能夠長時(shí)間維持火焰。其原理是，這些自蔓燃材料在很短時(shí)間內(nèi)借助外界能量開始燃燒，使大量的有機(jī)物迅速發(fā)生氧化-還原反應(yīng)，同時(shí)迅速將熱量傳遞給與之鄰近的未反應(yīng)物，使其溫度升高直至達(dá)到燃點(diǎn)從而使反應(yīng)得以自維持[10]。基于此，筆者用自蔓燃材料作為點(diǎn)火劑，進(jìn)行了化學(xué)點(diǎn)火物理模擬研究，以期為火燒油層提供一種低溫點(diǎn)火、高溫燃燒的新途徑。

1 自蔓燃點(diǎn)火方法

1.1 試劑與儀器

試驗(yàn)所用試劑主要有：取自于勝利油田某區(qū)塊的原油，0號(hào)柴油，硝酸銨，檸檬酸，以及自制助劑。以上試劑均為分析純。

試驗(yàn)用儀器主要有FA2004N電子天平、DV-Ⅲ旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)、火燒油層模擬試驗(yàn)裝置等。其中，火燒油層模擬試驗(yàn)裝置如圖1所示(圖1中，T1，T2，…，T14為測溫?zé)犭娕季幪?hào))。

1.2 點(diǎn)火劑的制備

室溫下，將硝酸銨與檸檬酸以質(zhì)量比5∶12混合并溶解于500 mL蒸餾水中，加入5.00 g助劑，充分?jǐn)嚢枞芙?，然后置?05 ℃左右的烘箱中，干燥至溶液變?yōu)槟z狀，將烘箱溫度降至40 ℃，繼續(xù)干燥使其呈塊狀，然后冷卻，再粉粹至一定粒徑，密封，備用。

1.3 模擬巖心的制備

按文獻(xiàn)[11]中的方法制備模擬巖心，制備步驟為：1)將1 950 g油砂從上端填入陶瓷巖心管中，邊填邊用有機(jī)玻璃棒壓實(shí)，從巖心管的最下端(第14個(gè)測溫點(diǎn),即T14所在處)填至第4個(gè)測溫點(diǎn)(T4所在處)時(shí)停止，然后裝入點(diǎn)火劑和油砂的混合物；2)從上到下依次插入14個(gè)測溫?zé)犭娕迹?)將陶瓷巖心管加蓋密封，模擬巖心制備完成，將其固定，并放入恒溫箱中，在60 ℃下放置24 h后備用[11-13]。

圖1 火燒油層模擬試驗(yàn)裝置示意Fig.1 Simulation device of in-situ combustion

1.4 點(diǎn)火操作

設(shè)定電爐溫度為200 ℃，升溫速度為5 ℃/min，空氣初始流量為6 m3/(h·m2)，設(shè)定上述參數(shù)后進(jìn)行點(diǎn)火。當(dāng)點(diǎn)火劑自燃后停止給電爐加熱，點(diǎn)火劑燃燒至T4時(shí)，空氣流量由初始的6 m3/(h·m2)調(diào)高至10 m3/(h·m2)。實(shí)時(shí)記錄各個(gè)測溫點(diǎn)的溫度以及最高燃燒溫度。燃燒結(jié)束后，冷卻至室溫，打開火燒油層模擬試驗(yàn)裝置，測量原油被完全燃燒了的巖心段的長度。

選擇不同粒徑的石英砂和不同黏度的原油，通過改變石英砂、原油和水的質(zhì)量比，制備不同滲透率、孔隙度、含油飽和度及含水率的模擬巖心，進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)，研究不同模擬巖心條件下的點(diǎn)火溫度(T1的自燃溫度)和巖心燃燒情況[14-16]。

2 模擬試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 原油黏度對(duì)模擬巖心燃燒的影響

圖2所示為點(diǎn)火溫度、最高燃燒溫度(14個(gè)測溫點(diǎn)中最高的燃燒溫度)與原油黏度的關(guān)系曲線，圖3所示為燃燒程度(從開始端到結(jié)束處巖心中原油完全燃燒的距離占巖心總長度的百分比)與原油黏度的關(guān)系曲線。圖2和圖3中，原油黏度均是在25 ℃下測得的。

圖2 點(diǎn)火溫度、最高燃燒溫度與原油黏度的關(guān)系曲線Fig.2 Relationship curves between the ignition temperature,the highest combustion temperature and the oil viscosity

圖3 燃燒程度與原油黏度的關(guān)系曲線Fig.3 Relationship curves between combustion degree and oil viscosity

從圖2和圖3可以看出：1)點(diǎn)火劑的點(diǎn)火溫度在100～200 ℃，隨原油黏度升高而升高，原油黏度為1 000 mPa·s時(shí)點(diǎn)火溫度為129 ℃，原油黏度為100 000 mPa·s時(shí)點(diǎn)火溫度為154 ℃；2)原油的最高燃燒溫度隨原油黏度升高而降低，原油黏度為1 000 mPa·s時(shí)最高燃燒溫度為710 ℃，原油黏度為100 000 mPa·s時(shí)，最高燃燒溫度為620 ℃；3)原油黏度低于10 000 mPa·s時(shí)其燃燒程度為100%，當(dāng)原油黏度為100 000 mPa·s時(shí)燃燒程度降低至74.1%。分析認(rèn)為，原油黏度越高，點(diǎn)火劑顆粒表面的油膜強(qiáng)度越高，點(diǎn)火劑表面越不易與空氣接觸，因此點(diǎn)火溫度越高；原油黏度越高，空氣擴(kuò)散速度越小，供應(yīng)原油燃燒的氧氣越少，最高燃燒溫度越低，燃燒程度越低。

2.2 巖心孔隙度對(duì)模擬巖心燃燒的影響

圖4所示為點(diǎn)火溫度、最高燃燒溫度與巖心孔隙度的關(guān)系曲線，圖5所示為燃燒程度與巖心孔隙度的關(guān)系曲線。

圖4 點(diǎn)火溫度、最高燃燒溫度與孔隙度的關(guān)系曲線Fig.4 Relationship curves between the ignition temperature,the highest combustion temperature and the porosity

圖5 燃燒程度與孔隙度的關(guān)系曲線Fig.5 Relationship curves between combustion degree and porosity

從圖4和圖5可以看出，模擬巖心的孔隙度不影響點(diǎn)火劑的點(diǎn)火溫度，但影響原油的燃燒程度和最高燃燒溫度。分析認(rèn)為：模擬巖心的孔隙度越大，燃燒越充分，孔隙度大于35%后原油燃燒程度達(dá)到100%；巖心的孔隙度越大，空氣越容易擴(kuò)散，原油燃燒時(shí)氧氣供應(yīng)充足，使原油燃燒更充分，因而燃燒溫度也越高(最高可達(dá)734 ℃)。

2.3 含油飽和度對(duì)模擬巖心燃燒的影響

試驗(yàn)用油砂是石英砂、原油和水的混合物，其中原油所占比例，也就是含油飽和度，對(duì)模擬巖心燃燒具有一定影響。因此，研究了點(diǎn)火溫度、最高燃燒溫度與含油飽和度的關(guān)系及燃燒程度與含油飽和度的關(guān)系，研究結(jié)果分別見圖6和圖7。

從圖6和圖7可以看出，模擬巖心的含油飽和度不影響點(diǎn)火劑的點(diǎn)火溫度和原油的最高燃燒溫度，但影響原油的燃燒程度。分析認(rèn)為，這是因?yàn)楹惋柡投仍酱?，巖心中原油延續(xù)性越好，越不容易斷火。在巖心孔隙度為35%、原油含水率為10%的條件下，模擬巖心的含油飽和度大于50%，原油燃燒程度為100%。

圖6 點(diǎn)火溫度、最高燃燒溫度與含油飽和度的關(guān)系曲線Fig.6 Relationship curves between the ignition temperature,the highest combustion temperature and the oil saturation

圖7 燃燒程度與含油飽和度的關(guān)系曲線Fig.7 Relationship curves between combustion degree and oil saturation

2.4 原油含水率對(duì)模擬巖心燃燒的影響

試驗(yàn)用原油未經(jīng)過脫水處理，因此其中具有一定量的乳化水，該乳化水體積含量即為原油含水率。研究了點(diǎn)火溫度、最高燃燒溫度與原油含水率的關(guān)系及燃燒程度與原油含水率的關(guān)系，結(jié)果分別見圖8和圖9。

從圖8和圖9可以看出，原油含水率對(duì)模擬巖心中點(diǎn)火劑的點(diǎn)火溫度、原油的最高燃燒溫度和燃燒程度均有影響。分析認(rèn)為，原油含水率越低，被水吸收的熱量越少，越有利于點(diǎn)火劑的點(diǎn)燃，點(diǎn)火溫度也越低(最低達(dá)98 ℃)，燃燒溫度越高(最高達(dá)753 ℃)；含水率低于15%時(shí)原油的燃燒程度為100%，而含水率高于15%后原油不能充分燃燒，且隨原油含水率升高燃燒程度降低。

圖8 點(diǎn)火溫度、最高燃燒溫度與原油含水率的關(guān)系曲線Fig.8 Relationship curves between the ignition temperature,the highest combustion temperature and the water saturation

圖9 燃燒程度與原油含水率的關(guān)系曲線Fig.9 Relationship curves between combustion degree and water content

3 結(jié)論與建議

1) 研究的自蔓燃點(diǎn)火劑能夠在較低溫度(100～200 ℃，甚至可以低至98 ℃)下點(diǎn)燃原油，遠(yuǎn)低于目前常用的電點(diǎn)火溫度(超過380 ℃)，且室內(nèi)試驗(yàn)點(diǎn)火成功率可達(dá)100%。

2) 點(diǎn)火溫度、原油的最高燃燒溫度和燃燒程度，受原油黏度、含水率、含油飽和度、巖心孔隙度的影響。點(diǎn)火溫度與原油黏度和原油含水率正相關(guān)；原油的燃燒程度與孔隙度和含油飽和度正相關(guān)，與原油含水率負(fù)相關(guān)；最高燃燒溫度與孔隙度正相關(guān)，與原油含水率負(fù)相關(guān)。

3) 自蔓燃點(diǎn)火使用非易燃易爆物質(zhì)，且點(diǎn)火溫度低、易操作，為火燒油層提供了一種安全、可靠的新點(diǎn)火方式。

4) 自蔓燃點(diǎn)火劑是具有一定粒徑的固體，要在常溫、干燥環(huán)境中儲(chǔ)存，在現(xiàn)場實(shí)施時(shí)，要首先按一定比例與水溶性液體混合，配制成均勻液體，用泵正注入油層，再擠注隔離液段塞，然后注入熱流體(熱空氣或蒸汽)，把近井油層溫度提高至120 ℃以上，然后按點(diǎn)火階段設(shè)計(jì)的注氣速度注氣，點(diǎn)燃油層后進(jìn)入正?；痱?qū)注氣階段。

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