火驅(qū)階段特征對比與分析

蔣海巖，李曉倩，高成國，任宗孝，袁士寶

（1.西安石油大學石油工程學院，陜西西安710065；2.中國石油新疆油田分公司勘探開發(fā)研究院，新疆克拉瑪依834000）

在我國，最常見的燃燒階段劃分方法是引用《中國油藏管理技術(shù)手冊——稠油分冊》中的階段劃分方法[1-2]。該方法主要通過靜、動態(tài)資料，計算分析14類16項火驅(qū)技術(shù)、經(jīng)濟指標來對燃燒過程階段劃分。

火驅(qū)驅(qū)替過程特殊，火驅(qū)的生產(chǎn)動態(tài)呈現(xiàn)出明顯的階段性，隨著燃燒前緣的不斷推進，產(chǎn)出氣體和流體性質(zhì)也呈現(xiàn)出與燃燒或者氧化密切相關的特征，可以指導現(xiàn)場的生產(chǎn)設計與調(diào)控。從20世紀60年代，羅馬尼亞在稠油區(qū)塊開產(chǎn)火燒油層以來，經(jīng)過40 多年的實踐，羅馬尼亞對確定火線推進速度、控制、調(diào)節(jié)和預測火線位置，探索出了一套實施可行的辦法[3-4]。近年來，中國先后在新疆、玉門、勝利、吉林和遼河等油田開展了火燒油層室內(nèi)研究和礦場試驗，其中新疆油田開展的火驅(qū)先導試驗，取得了較好的開發(fā)效果[5-7]。但火驅(qū)燃燒機理復雜，以有限的礦場實例和數(shù)據(jù)分析，劃分階段的特征和參數(shù)指標的適用性不強。為得到更全面的火驅(qū)的燃燒階段特征與參數(shù)指標，基于一維燃燒管實驗對比分析數(shù)值模擬與其他現(xiàn)場試驗，研究了火驅(qū)過程中燃燒前緣距離注采端不同位置的生產(chǎn)井產(chǎn)量和動態(tài)參數(shù)的變化；并通過對比各不同火驅(qū)的生產(chǎn)動態(tài)，對各項指標的變化規(guī)律分析，結(jié)合以前的階段特征分析，提出較全面的火驅(qū)的燃燒發(fā)展規(guī)律及驅(qū)油特征，并建立了劃分燃燒階段的標準。

1 火驅(qū)室內(nèi)實驗

燃燒管實驗是一種模擬實際油層條件下的火驅(qū)室內(nèi)實驗，燃燒管實驗比燃燒釜尺寸偏長，主體長度通常為1 ～2 m，屬于一維實驗，因此，燃燒管實驗比燃燒釜能夠得到更多的信息，尤其是燃燒前緣推進速度等，其結(jié)果對礦場更有借鑒意義[8-10]。燃燒管模型國內(nèi)外廣泛應用，主要有水平放置和垂直放置2類。燃燒管由巖心管和同心的外護套構(gòu)成，具有保溫、密封的特點（圖1）。本實驗燃燒管裝砂主體部分長度達2.0 m，其內(nèi)徑0.191 m。壁厚6 mm，保溫層厚60 mm，充填物為硅酸鋁。內(nèi)管外壁焊有不銹鋼法蘭。在內(nèi)管外壁上纏有2 段電阻絲，每段約寬1 m，用于加熱內(nèi)管外壁，維持內(nèi)管內(nèi)外壁溫度基本相同，減少熱損失。燃燒管左側(cè)裝有點火電熱管，內(nèi)部均勻裝有16支熱電偶，用來測量內(nèi)管不同位置的溫度。

圖1 火驅(qū)燃燒管室內(nèi)實驗裝置Fig.1 Indoor experimental equipment of combustion tube of ISC

實驗中管壁溫度與巖心中央溫差控制在5 ℃內(nèi)。本次實驗用砂為80～120目的石英砂，為了更好地反映實驗與實際儲層，而采用原油與石灰?guī)r及石英砂的混合物為實驗工質(zhì)，其中實驗用砂是根據(jù)杜66油田地層巖性成分與粒度來配置、實驗選取杜66脫水原油，常溫下油的密度為0.945 g/cm3，實驗用水為蒸餾水?？梢阅M實際油藏溫度壓力條件下進行實驗。

燃燒樣品制作：用七級篩子分離出實驗用砂粒，并用游標卡尺測量填砂管的幾何參數(shù)，計算填砂管有效體積；按照合適的比例混合油砂，將砂粒充填進填砂管并均勻壓實，制作成性質(zhì)相似的填砂模型；在模型中加入杜66脫水原油，使其充分浸潤混合，作為本實驗的燃燒樣品。本實驗采用0.5～2 MPa壓力注入空氣。計算機每隔20 s 記錄一次溫度、空氣注入速度、產(chǎn)出油氣水量等，并對燃燒前緣進行實時監(jiān)測。

2 火驅(qū)動態(tài)特征分析

2.1 生產(chǎn)動態(tài)分析

火驅(qū)過程中，生產(chǎn)井的產(chǎn)量變化與燃燒前緣距離注采端的遠近有很強的相關性，所以一般按照火線推進距離來研究火驅(qū)階段特征。通過實驗與數(shù)值模擬來對采出程度變化與燃燒前緣距離注采端的遠近進行分析。

2.1.1 產(chǎn)液規(guī)律

通過本實驗與數(shù)值模擬和斯坦福富氧實驗采出程度變化曲線的對比（圖2），可以看出本實驗與斯坦福富氧實驗曲線變化規(guī)律大致相同，采出程度在初期和后期都增加緩慢，在20%～80%增加明顯，其中以40%～80%增加迅速，這一階段的斜率將是上階段的2倍以上；當燃燒前緣推進超過井距的80%，采出程度增長的幅度變緩，與油井見效期基本持平，也就是說該階段的產(chǎn)量與油井見效期基本持平。雖然采出程度在熱效驅(qū)替階段增長最快，產(chǎn)出大量的油，但該階段持續(xù)的時間并不長，這是由于產(chǎn)液速度提高的緣故。

圖2 不同實驗的采出程度變化曲線Fig.2 Variation curves of recovery degree in different experiments

而數(shù)值模擬基于礦場尺度概念模型，礦場尺度下，火驅(qū)調(diào)控難度加大，采出程度明顯低于室內(nèi)實驗。在注氣速度偏大的情況下（2 000 m3/d），采出程度較早達到了45%，后期由于氣竄等因素，采出程度增加不明顯，這也說明了礦場火驅(qū)調(diào)控的難度較大。

2.1.2 含水率變化規(guī)律

對比本實驗與各試驗的含水變化規(guī)律（圖3），火線推進注采井距的20%，室內(nèi)實驗基本不產(chǎn)水，或者低產(chǎn)水。而現(xiàn)場的火驅(qū)試驗由于儲層一般經(jīng)過蒸汽吞吐或者注水等開采方式，因此，現(xiàn)場在此階段可能會含水；火線推進注采井距的20%～40%含水率緩慢上升；火線推進注采井距的40%～80%，含水穩(wěn)定平緩上升；火線推進注采井距的80%以上，含水率變化趨于穩(wěn)定。

圖3 含水率變化規(guī)律曲線Fig.3 Variation law curve of water content

圖3為本實驗、遼河油田廟5 塊、蒸汽吞吐轉(zhuǎn)火驅(qū)現(xiàn)場試驗和富氧燃燒實驗對比的含水率變化規(guī)律。其中遼河油田廟5 塊實驗由于火驅(qū)前進行過注水等工藝[11]，該區(qū)塊含水率較大，所以含水率高于其他實驗。室內(nèi)實驗含水率先穩(wěn)定平緩上升，再急劇上升，而現(xiàn)場火驅(qū)的含水率上升規(guī)律與之不同，由于蒸汽吞吐轉(zhuǎn)火驅(qū)的，在進行火驅(qū)開采前進行了蒸汽吞吐等工藝，所以相較于傳統(tǒng)火驅(qū)，試驗區(qū)塊內(nèi)含水多，燃燒過程中先進入排水階段[12]，含水率下降，最后趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定在30%～40%。富氧燃燒實驗的含水率上升趨勢相較于常規(guī)火驅(qū)較慢，從富氧燃燒的燃燒特點可知，前期反應階段，富氧燃燒的煙氣、水與其攜帶未燃盡物充分燃燒，排煙量比常規(guī)火驅(qū)的排煙量明顯降低，含水率上升也較常規(guī)火驅(qū)慢。而熱效驅(qū)油階段，由于富氧燃燒過程中，隨著煙道氣的排出，高溫氧化聚合物充分燃燒生成水，含水率大幅增加?？梢钥闯鋈紵A段的劃分是相對的，在劃分燃燒階段時需考慮各參數(shù)主要變化規(guī)律，進行多參數(shù)的比較后綜合劃分燃燒階段。

2.1.3 空氣油比變化規(guī)律

空氣油比（AOR）是衡量火驅(qū)經(jīng)濟效果的重要指標，一般在1 000～4 000 m3/t。該值越大，火驅(qū)成本越高，在某種程度上比采收率更能表現(xiàn)出火驅(qū)礦場項目的經(jīng)濟性。

本實驗與Morichal 油田和蒸汽吞吐轉(zhuǎn)火驅(qū)的對比可知空氣油比在整個火驅(qū)過程中變化較大，在初期較高，呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢（圖4）?？諝庥捅瓤勺鳛橐粋€約束條件于其他參數(shù)對應來綜合劃分火驅(qū)的生產(chǎn)階段。對空氣油比的規(guī)律進行冪函數(shù)擬合，公式如下：

式中：RA/O為累積空氣油比，m3/t；x為燃燒程度，火線位置與注采井距的比值。

圖4 累計空氣油比與燃燒程度的關系曲線Fig.4 Relation curve between cumulative air-oil ratio and combustion degree

2.1.4 氧氣含量變化規(guī)律

在火驅(qū)實驗過程中，氧氣的含量在產(chǎn)出端是可以檢測到的，氧氣的含量多少直接與燃燒速度、燃燒狀態(tài)有關。

圖5 產(chǎn)出氣體中O2含量變化曲線Fig.5 Change curve of O2 content in output gas

由圖5可知通過不同實驗的對比，氣體含量基本呈3大階段變化，火線推進占井距的20%左右，氧氣含量下降，火線推進占井距的20%～50%，氧氣含量明顯下降；火線推進占井距大于50%左右，氧氣含量明顯上升，斯坦?；馃龑嶒炛羞x用了富氧空氣作為助燃劑[13]，導致其氧氣含量遠超其他實驗中的氧氣含量，但該實驗的氧氣含量變化仍呈現(xiàn)規(guī)律性，可以看出在見效階段氧氣含量相較反應階段明顯下降。在富氧條件下，氧氣濃度雖能作為劃分階段的依據(jù)，但氧氣濃度大于5%不能作為關井的依據(jù)。

2.2 燃燒前緣推進特征

在火驅(qū)中，燃燒前緣的位置是火驅(qū)的重要參數(shù)，我們從燃燒前緣推進速度、燃燒帶厚度、燃燒前緣溫度3 個方面進行實驗對比，確定不同燃燒階段的特征。燃燒前緣推進速度直接反映燃燒狀態(tài)，應當是區(qū)別火驅(qū)生產(chǎn)階段的重要標志，也是現(xiàn)場判斷各個階段的重要指標。

從圖6各類資料中獲得的燃燒速度與本次實驗對比結(jié)果來看，雖然各個試驗的條件不同導致燃燒速度各有不同，但是燃燒速度的變化仍存在較明顯的階段性。燃燒速度變化可以看出火驅(qū)基本劃分4個階段，從本次實驗以及其他實驗可以看出以下特征：火線推進注采井距的25 %～55 %，燃燒速度在3.8～12 cm/h；火線推進注采井距的25%，燃燒速度在15～25 cm/h；火線推進注采井距的55%～80%，燃燒速度在10 cm/h左右；火線推進注采井距的80%以上，燃燒速度將超過10 cm/h，此階段應加強生產(chǎn)井檢測，做到適時關井，否則生產(chǎn)井將遭到高溫破壞。圖6可看出富氧燃燒的火驅(qū)見效速度較普通火驅(qū)的快，燃燒速度在35%左右達到最快，而常規(guī)火驅(qū)燃燒速度在45%左右才可達到最快。并隨著注入氧氣濃度的增加，燃燒速度加快。

圖6 燃燒管各部位燃燒速度Fig.6 Combustion rate at various parts of combustion tube

一般認為，火驅(qū)的燃燒前緣是一個很薄的區(qū)帶[14-15]，但在試驗的結(jié)果分析中發(fā)現(xiàn)一個規(guī)律：可以稱得上是高溫燃燒的區(qū)帶范圍比較寬，且成規(guī)律變化。通過試驗，得到不同位置的同一時刻溫度曲線（圖7）。

燃燒管主體長度為2 m，將溫度大于400 ℃的區(qū)域劃分為高溫范圍，根據(jù)圖7a 中不同位置的同一時刻溫度曲線，可以看出一個明顯的特征，火線推進注采井距的20%，高溫范圍在20 cm左右；火線推進注采井距的20%～50%，高溫范圍可以達到80 cm 左右；火線推進注采井距的50%～80%，高溫范圍可以達到120 cm 左右；火線推進注采井距的80%以上，高溫范圍可以達到140 cm 左右；火線推進到達生產(chǎn)井井底，高溫范圍可以達到150 cm 左右。而蒸汽驅(qū)轉(zhuǎn)火驅(qū)實驗中（圖7b），平均峰值溫度較低，具有類似于濕式燃燒的特點。一個完整燃燒的高溫范圍在20～80 cm以內(nèi)，可看出蒸汽驅(qū)轉(zhuǎn)火驅(qū)火線推進較均勻，推進速度較普通火驅(qū)實驗快。例如火線推進注采井距的20%～40%，高溫范圍達到50 cm以上，火線推進到達生產(chǎn)井井底，高溫范圍可以達到80 cm左右。表明燃燒帶厚度在不同的階段存在明顯變化規(guī)律，燃燒帶厚度可作為劃分火驅(qū)階段的指標。

3 數(shù)值模擬

圖7 軸線上不同位置同一時刻溫度變化Fig.7 Temperature change of different positions at same time on axis

表1 紅淺一區(qū)地質(zhì)參數(shù)Table1 Geological parameters of Hongqian area-1

Petrel 導出的新疆紅淺一區(qū)地質(zhì)模型，并將模型導入CMG中，運用CMG中的stars模塊結(jié)合所選的新疆紅線一區(qū)的油藏地質(zhì)特征、儲層性質(zhì)、流體類型等參數(shù)性質(zhì)，建立蒸汽驅(qū)轉(zhuǎn)火驅(qū)的數(shù)值模型，具體參數(shù)詳見表1。通過生產(chǎn)歷史擬合，使初始化計算的生產(chǎn)動態(tài)與該區(qū)塊的生產(chǎn)動態(tài)相吻合。利用該模型進行生產(chǎn)動態(tài)分析（圖8）。

將數(shù)值模擬出的生產(chǎn)動態(tài)與室內(nèi)實驗、現(xiàn)場實例的生產(chǎn)動態(tài)相對比，模擬從2018年2月開始點火到2024年12月氧氣含量超過5 %關井，所對應圖8中燃燒程度的0 ～70 %。從圖8中生產(chǎn)動態(tài)可以看出，CMG 模擬出的蒸汽驅(qū)轉(zhuǎn)火驅(qū)的空氣油比在前期點火時空氣注入量較低，點火成功后，空氣注入量增大，蒸汽驅(qū)轉(zhuǎn)火驅(qū)的生產(chǎn)動態(tài)階段中，排水階段和反應階段相應的時間延長，當模擬到2019年6月后（燃燒程度10%左右），數(shù)值模擬出的生產(chǎn)階段特征與實驗的生產(chǎn)動態(tài)的階段相符。進一步論證了列舉的階段劃分方法。

圖8 CMG模擬蒸汽驅(qū)轉(zhuǎn)火驅(qū)的生產(chǎn)動態(tài)階段分析Fig.8 Analysis of production dynamic stage of CMG simulated Steam flooding to in situ combustion

通過對比CMG 模擬和實驗的主要生產(chǎn)動態(tài)參數(shù)，可以看出在礦場尺度下，火驅(qū)調(diào)控難度加大，采出程度明顯低于室內(nèi)實驗。含水率的動態(tài)階段與實驗基本一致，但最終含水率達到60%左右，高于實驗所得的最終含水率，這也說明了礦場火驅(qū)調(diào)控的難度較大。

4 火驅(qū)階段劃分

以室內(nèi)實驗為基礎，結(jié)合國內(nèi)外的試驗和現(xiàn)場實例，最后通過CMG 數(shù)值模擬驗證綜合分析各項指標的變化規(guī)律，結(jié)合數(shù)值模擬的概念模型，提出較全面的火驅(qū)的燃燒發(fā)展規(guī)律及驅(qū)油特征，將火驅(qū)燃燒過程劃分以下4 個階段：燃燒建立階段、油井見效階段、熱效驅(qū)油階段、油井見火階段。選取10個階段劃分對比指標：產(chǎn)量增加倍數(shù)、采出程度、含水率、空氣油比、生產(chǎn)井的氧氣含量、燃燒前緣推進速度、燃燒帶厚度、燃燒前緣溫度、注氣、產(chǎn)出端溫度變化。根據(jù)指標建立燃燒階段劃分的標準（表2）。

表2 燃燒階段劃分評判依據(jù)Table2 Basis for classification of combustion stages

蒸汽吞吐后期的油井，在燃燒建立階段中會排出一定量油層中滯留的水，出現(xiàn)短暫的含水率高值，燃燒建立期燃燒速度慢，燃燒逐漸穩(wěn)定，如果操作不當，極易熄滅，為此，此階段要及時監(jiān)控和調(diào)整注氣井的注氣速度。蒸汽吞吐轉(zhuǎn)火驅(qū)的井在油井見火階段的氧氣濃度高于5%，需要立即關井，而利用富氧空氣作為助燃劑的火驅(qū)中氧氣含量遠遠超過正常含量，這時氧氣濃度并不能作為關井的標準，需結(jié)合其他參數(shù)綜合判斷。在火驅(qū)之前進行過壓裂，含水充沛的井在油井見效階段含水率迅速上升，而在熱效驅(qū)油階段平緩上升，與常規(guī)火驅(qū)井規(guī)律相反。

5 結(jié)論

1）通過實驗對比，對常規(guī)火驅(qū)燃燒過程進行階段劃分，將其劃分為以下4個階段：燃燒建立階段、油井見效階段、熱效驅(qū)油階段、油井見火階段。富氧燃燒特性與常規(guī)火驅(qū)燃燒特性相似，所以富氧燃燒的階段劃分與常規(guī)火驅(qū)劃分基本一致，但富氧燃燒的氧氣含量和燃燒速度大于常規(guī)火驅(qū)。

2）根據(jù)室內(nèi)實驗和生產(chǎn)動態(tài)特征，將蒸汽吞吐后轉(zhuǎn)火驅(qū)的燃燒過程階段劃分為：排水階段、見效階段、產(chǎn)量上升階段、穩(wěn)產(chǎn)階段、氧氣突破階段。

3）燃燒階段的劃分是相對的，實際上這些階段互相交錯重合，并沒有明顯的分割點，在劃分燃燒階段時考慮各參數(shù)主要變化規(guī)律，進行多參數(shù)的比較后，綜合劃分燃燒階段。