超稠油注空氣輔助地下原位裂解改質(zhì)試驗(yàn)和數(shù)值模擬

任韶然, 裴樹峰, 張攀鋒, 王喬波,黃麗娟, 張 亮, 廖廣志

(1.非常規(guī)油氣開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國石油大學(xué)(華東)) ,山東青島 266580; 2.中國石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院, 山東青島 266580; 3.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451; 4.中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300459; 5.中國石油勘探和生產(chǎn)分公司,北京 100007)

地下原位裂解改質(zhì)工藝是一項(xiàng)富有創(chuàng)造性的新技術(shù),適用于超稠油、油頁巖等的開發(fā)[1-3]。該技術(shù)通過地下電加熱使超稠油發(fā)生熱裂解反應(yīng),產(chǎn)生輕質(zhì)油、焦炭、烴類氣體等,實(shí)現(xiàn)其原位改質(zhì)。反應(yīng)生成的輕質(zhì)油和氣體易被采出,可減少地面輸送及后續(xù)煉化問題;地下加熱無需水資源消耗,有利于環(huán)保[4-5]。基于電加熱的原位改質(zhì)技術(shù)已在油頁巖及超稠油油藏進(jìn)行了礦場(chǎng)先導(dǎo)試驗(yàn),取得了較好的效果[6-7]。傳統(tǒng)的原位裂解改質(zhì)工藝通過井筒電加熱電纜加熱儲(chǔ)層,熱量傳遞方式主要為熱傳導(dǎo),加熱速率較慢,加熱井控溫范圍有限,且后期地層能量不足,裂解的輕質(zhì)油難以有效產(chǎn)出,亟需提高其工藝效率與經(jīng)濟(jì)性[8]。油田注空氣工藝已被廣泛應(yīng)用,包括輕質(zhì)油藏高壓注空氣[9-11]、稠油油藏火燒油層及注空氣輔助蒸汽吞吐技術(shù)等[12-14]。綜合注空氣強(qiáng)化采油工藝原理和稠油氧化放熱的特性,提出注空氣輔助地下改質(zhì)工藝技術(shù)。注入空氣的對(duì)流效應(yīng)能提高傳熱速率,同時(shí)氧氣與原油發(fā)生氧化反應(yīng)的熱效應(yīng)有利于提高地層溫度,而且注氣能有效補(bǔ)充地層能量。筆者進(jìn)行超稠油在高壓空氣條件下的熱裂解試驗(yàn),研究超稠油的熱裂解溫度條件、反應(yīng)產(chǎn)物及反應(yīng)動(dòng)力學(xué),并建立注空氣輔助地下改質(zhì)采油工藝的油藏模擬模型,研究注空氣對(duì)超稠油原位裂解反應(yīng)過程的影響,揭示注空氣輔助提高傳熱速率和提高采收率的機(jī)制,分析超稠油注空氣輔助原位裂解改制工藝的增效機(jī)制及應(yīng)用潛力。

1 超稠油熱裂解試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

本試驗(yàn)采取的超稠油油樣來自遼河油田,其主要性質(zhì):20 ℃密度為1.007 g·cm-3,50 ℃黏度為191 600 mPa·s,飽和分、芳香分、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)4組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為13.5%、22.0%、15.5%和49.0%。

原油熱裂解試驗(yàn)所采用的主要設(shè)備和儀器包括高溫高壓反應(yīng)釜、高溫烘箱、壓力和溫度控制及沖蝕系統(tǒng)等。試驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。其中高溫高壓反應(yīng)釜體積為417 mL (高度為134 mm,直徑為63 mm,耐壓70 MPa,耐溫500 ℃)。溫度和壓力控制和測(cè)試精度分別為0.2 ℃和0.02 MPa。

圖1 熱裂解試驗(yàn)設(shè)備示意圖Fig.1 Schematic diagram of thermal cracking experimental equipment

1.2 試驗(yàn)過程

超稠油熱裂解試驗(yàn)需要在高于300 ℃的條件下進(jìn)行。首先,20 g超稠油油樣放入反應(yīng)釜中,然后通入高壓氮?dú)饣蚩諝庵?.2 MPa, 接著反應(yīng)釜放入烘箱中加熱至預(yù)定的溫度,在加熱過程中,超稠油油樣與氧氣發(fā)生低溫氧化反應(yīng),將消耗掉氧氣;當(dāng)預(yù)定的反應(yīng)時(shí)間到達(dá)后,停止反應(yīng)并將反應(yīng)釜冷卻至室溫;試驗(yàn)結(jié)束后需要測(cè)量產(chǎn)出氣、輕質(zhì)油、剩余的超稠油和焦炭的質(zhì)量。產(chǎn)出氣通過質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量質(zhì)量并通過氣體色譜測(cè)試組分。產(chǎn)出的輕質(zhì)油分離后,通過甲苯溶解剩余殘?jiān)械某碛筒⑦^濾,將殘余的焦炭烘干并測(cè)量質(zhì)量。

2 超稠油熱裂解反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模擬

超稠油的熱裂解反應(yīng)被認(rèn)為是一級(jí)反應(yīng),其反應(yīng)速率與每種油組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈正相關(guān),同時(shí)油組分之間沒有化學(xué)相互作用[15]。在動(dòng)力學(xué)模擬過程中,所考慮的超稠油的熱裂解反應(yīng)模式為

(1)

其中

式中,HO、LO、HCgas和Coke分別為稠油、輕質(zhì)油、烴類氣體和焦炭;a和b分別為單位質(zhì)量的超稠油組分熱裂解反應(yīng)后生成輕質(zhì)油和烴類氣體的質(zhì)量分?jǐn)?shù);K為熱裂解反應(yīng)的速率常數(shù),d-1;k0為指前因子,d-1;Ea為反應(yīng)的化學(xué)能,kJ/mol;R為通用氣體常數(shù),8.314 J/(mol·K);T為絕對(duì)溫度,K。

試驗(yàn)過程中測(cè)試不同溫度及不同時(shí)間條件下的試驗(yàn)后每種反應(yīng)組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù),通過MATLAB擬合每種組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù),使模擬值與實(shí)際值誤差的總平方和最小,來求取不同溫度條件下的反應(yīng)速率和相關(guān)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)。在應(yīng)用MATLAB求取動(dòng)力學(xué)參數(shù)的過程中,在某一固定溫度條件下,通過曲線擬合得到相關(guān)參數(shù)。由于試驗(yàn)過程中進(jìn)行了不同溫度條件下的熱裂解反應(yīng),因此會(huì)得到多個(gè)a、b和K值。用多次擬合后得到的不同的a和b的平均值,作為最終的a和b,并帶入曲線擬合過程得到不同溫度下的熱裂解反應(yīng)速率常數(shù)K,并通過式(1),在等式兩邊取對(duì)數(shù)后,得到稠油熱裂解反應(yīng)的指前因子k0和活化能Ea。每種組分的反應(yīng)速率即其質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化可表示為

(2)

式中,vG、vL、vH和vC分別為烴類氣體、輕質(zhì)油、稠油和焦炭的反應(yīng)速率;wG、wL、wH和wC分別為烴類氣體、輕質(zhì)油、稠油和焦炭的質(zhì)量分?jǐn)?shù),%。

3 熱裂解試驗(yàn)及動(dòng)力學(xué)模擬

3.1 試 驗(yàn)

圖2為在空氣氛圍中,不同溫度條件下熱裂解試驗(yàn)反應(yīng)釜中壓力的變化,隨著反應(yīng)時(shí)間增長,超稠油的稠油組分不斷裂解生成烴類氣體和輕質(zhì)油,從而導(dǎo)致反應(yīng)釜中壓力的增長?？梢钥闯?反應(yīng)溫度越高,反應(yīng)釜內(nèi)的壓力上升速率越快。在反應(yīng)溫度為325 ℃時(shí),超稠油的裂解反應(yīng)速率和烴類氣體生成的速率比較慢,導(dǎo)致30 d后,僅在收集的尾氣中檢測(cè)出少量烴類氣體,而在反應(yīng)釜中沒有收集到裂解產(chǎn)生的輕質(zhì)油。

圖2 空氣中不同溫度條件下的熱裂解試驗(yàn) 壓力的變化Fig.2 Pressure changes during thermal cracking experiments at different temperature in air

在350 ℃、3.2 MPa空氣條件下,超稠油經(jīng)過30 d熱裂解反應(yīng)后產(chǎn)生的輕質(zhì)油和焦炭如圖3所示。

圖3 超稠油及其裂解反應(yīng)生成的輕質(zhì)油和焦炭Fig.3 Ultra heavy oil and light oil and coke produced by cracking reaction

由于混合物的重力作用,產(chǎn)生的輕質(zhì)油很容易地分離出來。輕質(zhì)油在室溫條件下的密度和黏度分別為0.8 g/cm3和1.5 mPa·s。試驗(yàn)結(jié)果表明,在350 ℃以上的溫度下,超稠油能夠在空氣中有效裂解成氣體、輕質(zhì)油和焦炭類物質(zhì),其中產(chǎn)生的輕質(zhì)油組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%～60%。在空氣氣氛中,超稠油及熱裂解產(chǎn)生的輕質(zhì)油的烴分布如圖4所示,可以看出相比超稠油,裂解反應(yīng)生成輕質(zhì)油C5～C15組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加,C16+組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯減少。產(chǎn)生的H2、N2、O2、CO2、C1、C2、C3、C4～C6體積分?jǐn)?shù)分別為1.503%、73.125%、1.031%、10.026%、9.453%、2.497%、1.601%、0.763%,其中由C1～C3組成的烴類氣體和CO2是超稠油熱裂解反應(yīng)的主要?dú)怏w產(chǎn)物。

圖4 超稠油及熱裂解生成的輕質(zhì)油的組分分布Fig.4 Hydrocarbon distribution of ultra heavy oil and produced light oil by thermal cracking

在350 ℃的條件下,超稠油在空氣和氮?dú)庵袩崃呀夥磻?yīng)生成的烴類氣體、輕質(zhì)油和焦炭質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示。結(jié)果表明,相比于在氮?dú)庵?超稠油在

表1 超稠油在不同氛圍中的熱裂解試驗(yàn)后生成物組成Table 1 Compositional characterization of reaction products during thermal cracking experiments in different atmospheres

空氣氛圍中熱裂解生成的烴類氣體和輕質(zhì)油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別降低3%～4%和5%～9%,而產(chǎn)生的焦炭的質(zhì)量分?jǐn)?shù)略微增加。這是因?yàn)槌碛徒?jīng)過低溫氧化反應(yīng)后,飽和烴和芳香烴會(huì)向膠質(zhì)、瀝青質(zhì)的方向轉(zhuǎn)變,導(dǎo)致超稠油中重組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加,輕組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低,因此在熱裂解反應(yīng)后檢測(cè)得到的烴類氣體和輕質(zhì)油降低[10-11,16]。

3.2 化學(xué)反應(yīng)模型

圖5為熱裂解反應(yīng)模型(2)對(duì)不同組分的模擬情況。擬合程度較好,反應(yīng)模型能夠比較準(zhǔn)確地表達(dá)出烴類氣體、輕質(zhì)油、重質(zhì)油和焦炭在不同溫度、不同時(shí)間下的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化,從而得到超稠油在氮?dú)夂涂諝夥諊袩崃呀夥磻?yīng)方程式和相關(guān)動(dòng)力學(xué)參數(shù),如表2所示。結(jié)果表明,超稠油經(jīng)過與空氣的低溫氧化反應(yīng)后,熱裂解反應(yīng)速率降低20%～30%,活化能由233 kJ/mol升高到248 kJ/mol。

圖5 參加反應(yīng)的各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的試驗(yàn)值和擬合值Fig.5 Experimental results and modeling results for oil components during thermal cracking of heavy oil sample

低溫氧化反應(yīng)模型采用了文獻(xiàn)[17]中的反應(yīng)模型,即

(3)

其中λ和γ為系數(shù),γ可以通過試驗(yàn)中O2-CO2的轉(zhuǎn)化率計(jì)算得到;而λ通過質(zhì)量守恒計(jì)算。熱裂解試驗(yàn)反應(yīng)得到O2-CO2的轉(zhuǎn)化率為0.5,通過計(jì)算得到γ和λ,超稠油低溫氧化反應(yīng)模型為

(4)

其指前因子為3.9×104/d,反應(yīng)的活化能為28.72 kJ/mol,反應(yīng)焓為406 kJ/mol。

表2 超稠油在不同氛圍中的熱裂解反應(yīng)模型

4 超稠油注空氣輔助電加熱原位裂解改質(zhì)油藏?cái)?shù)值模擬

4.1 數(shù)值模擬模型

采用油藏模擬軟件CMG STARS模擬了超稠油電加熱原位裂解改質(zhì)過程。模型中的地質(zhì)資料為對(duì)中國遼河油田杜80-20-60井的生產(chǎn)歷史進(jìn)行擬合的結(jié)果[16-17]。目標(biāo)稠油油藏的深度和厚度分別為873和10 m,原始?jí)毫蜏囟确謩e為8 500 kPa和33 ℃。所用地質(zhì)模型尺寸為15 m×15 m×10 m,同時(shí)將模型離散化為規(guī)則的笛卡爾網(wǎng)格,每個(gè)網(wǎng)格塊在x、y、z方向上分別為1 m×1 m×1 m。該區(qū)塊的平均孔隙率和水平滲透率分別為0.3和1 000×10-3μm2,標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為0.05和50×10-3μm2。儲(chǔ)層流體和組分包括水、烴類氣體、氮?dú)狻⒍趸?、氧氣、輕油、稠油和焦炭,通過CMG Winprop對(duì)超稠油和生成的輕質(zhì)油的性質(zhì)進(jìn)行回歸得到各組分的PVT性質(zhì)。地層中初始含油飽和度為0.6,初始含水飽和度為0.4。

模型采用典型的五點(diǎn)井網(wǎng)(圖6),由4口加熱井和一口生產(chǎn)井組成。加熱井采用恒溫加熱(350 ℃)和恒定氣體注入速率模式(1 000 m3/d),而生產(chǎn)井采用定壓(2 MPa)生產(chǎn)模式。

圖6 模型中所用的井網(wǎng)模型Fig.6 Well pattern used in model

4.2 油藏?cái)?shù)值模擬結(jié)果

4.2.1 注空氣對(duì)熱傳遞的影響

超稠油電加熱原位裂解改質(zhì)和注空氣輔助過程的平均地層溫度變化如圖7所示。注氮?dú)廨o助電加熱原位裂解改質(zhì)過程的溫度曲線也包括在內(nèi),以作為對(duì)比。可以看出,注空氣能夠顯著加快地層的加熱速率,1 a后注空氣輔助過程的地層平均溫度為250 ℃,高于注氮?dú)廨o助過程(150 ℃)和單純的電加熱原位裂解過程(116 ℃)。

圖7 超稠油電加熱原位裂解改質(zhì)和注氮?dú)狻?空氣輔助過程平均溫度的變化Fig.7 Changes of average reservoir temperature of ISU, N2 injection assisted ISU and AAISU of ultra heavy oil

為了定量研究注空氣過程不同傳熱方式對(duì)熱傳遞的影響,定義S1/(S1+S2+S3)、S2/(S1+S2+S3)、S3/(S1+S2+S3)分別為注空氣輔助過程中熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和低溫氧化的熱效應(yīng)對(duì)熱傳遞的貢獻(xiàn),其中S1、S2、S3分別為圖7中兩條曲線之間的面積。

注空氣輔助過程總生產(chǎn)時(shí)間為1 a,熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和低溫氧化反應(yīng)的熱效應(yīng)對(duì)熱傳遞的影響如圖8所示。熱傳導(dǎo)在開始時(shí)占主導(dǎo)地位,然而隨著氣體注入,熱傳導(dǎo)的影響下降,熱對(duì)流和低溫氧化的熱效應(yīng)的影響持續(xù)增加。直到半年后,三者的影響達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。在生產(chǎn)結(jié)束時(shí)熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和低溫氧化熱效應(yīng)的影響分別為40%、11%和49%?？諝庾⑷雽?duì)傳熱的影響包括熱對(duì)流效應(yīng)和低溫氧化反應(yīng)的熱效應(yīng)?？傮w上注入空氣對(duì)原位裂解改制工藝過程中熱傳遞的貢獻(xiàn)接近60%。

4.2.2 注空氣對(duì)油氣產(chǎn)量的影響

電加熱過程和注空氣輔助過程的日產(chǎn)油量和采收率如圖9所示。純電加熱過程和注空氣輔助過程的采收率分別為53%和74%,注空氣可使原油采收率提高21%。注空氣輔助過程的日產(chǎn)油量要高于電加熱過程。

圖8 注空氣輔助過程中熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和低溫 氧化熱效應(yīng)對(duì)熱傳遞的貢獻(xiàn)Fig.8 Relative contribution of heat conduction, heat convection and thermal effect of LTO on heat transfer

圖9 電加熱和注空氣輔助過程累積輕質(zhì)油 產(chǎn)量和采收率Fig.9 Cumulative light oils and oil recovery efficiency for ISU and AAISU processes

4.2.3 注空氣對(duì)能量轉(zhuǎn)換效率的影響

由于原位裂解是一個(gè)高耗能的過程,因此能量效率對(duì)超稠油地下電加熱原位裂解工藝及其重要。能量效率是指產(chǎn)出油氣所具有的化學(xué)能與消耗的總能量之比。本文中,消耗的能量考慮了電加熱消耗的熱能和空氣壓縮所需要的能量,沒有考慮現(xiàn)場(chǎng)操作所需的其他額外能量(例如用于人工舉升、氣體處理和分離、流體儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)哪芰?。根據(jù)單位體積原油燃燒釋放的能量,產(chǎn)生的烴類氣體、液體油的能量含量分別為36 MJ/m3和40 GJ/m3[18-19]。能量效率計(jì)算式為

(5)

式中,Renergy為能量轉(zhuǎn)換效率;Eout為生產(chǎn)的石油和天然氣所擁有的化學(xué)能,GJ;Eheat為由電加熱器提供的熱能,GJ;Eair為空氣壓縮所需要的能量,GJ;VHCgas為產(chǎn)出烴類氣體的體積,m3;Voils為累積產(chǎn)油體積,m3;Ihk為導(dǎo)熱指數(shù),J/(d·℃);Tw為加熱井溫度,℃;Tk為加熱井所在的網(wǎng)格溫度,℃;psc和pinj分別為大氣壓力和空氣的注入壓力,MPa;Vair為標(biāo)準(zhǔn)條件下(20 ℃,101.325 kPa)的累積空氣注入量,m3。

通過式(5)計(jì)算得到單純電加熱原位裂解工藝的能量效率為6.34,而注空氣輔助工藝的能量效率為9.72,能量效率提高了53%,這主要是因?yàn)樽⒖諝饽軌蛱岣呃鄯e產(chǎn)油和產(chǎn)氣量,同時(shí)油藏中超稠油的低溫氧化反應(yīng)釋放的熱量能夠提高地層傳熱速率,降低加熱器的能量供應(yīng)。加熱器加熱和低溫氧化反應(yīng)提供的能量如圖10所示。在1 a以內(nèi),低溫氧化反應(yīng)提供的能量高于加熱器提供的能量。能量效率的提高表明,注空氣輔助過程的經(jīng)濟(jì)可行性遠(yuǎn)大于單純電加熱的。

圖10 注空氣輔助過程中低溫氧化反應(yīng)和 加熱器提供的能量Fig.10 Energy provided by heater and LTO reaction during AAISU process

5 結(jié) 論

(1)原油能在350 ℃有效裂解為烴類氣體、輕質(zhì)油和焦炭。裂解產(chǎn)物中輕質(zhì)組分(C5～C30)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%～60%,焦炭剩余物約為30%,其熱裂解反應(yīng)的活化能為248 kJ/mol。相比于在氮?dú)庵?超稠油在空氣氛圍中熱裂解生成的烴類氣體和輕質(zhì)油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別降低3%～4%和5%～9%,而產(chǎn)生的焦炭的質(zhì)量分?jǐn)?shù)略微增加,同時(shí)熱裂解反應(yīng)速率稍有降低。

(2)注空氣輔助能顯著提升井下電加熱原位裂解工藝熱傳遞速率,有效縮短油層的加熱升溫時(shí)間,提高原油采收率。當(dāng)加熱溫度為350 ℃,單井空氣注入速率為1 000 m3/d時(shí),由于對(duì)流傳熱及氧化反應(yīng)的熱效應(yīng),注空氣輔助對(duì)熱傳遞的貢獻(xiàn)可達(dá)到60%,原油采收率提高21%,能量轉(zhuǎn)換效率由6.34上升到9.51,提高53%。