稠油油藏火驅(qū)驅(qū)替特征實(shí)驗(yàn)研究

李 秋 ，何厚鋒，關(guān)文龍，蔣有偉，唐君實(shí)，席長(zhǎng)豐，鄭浩然，王曉春

（1.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）能源學(xué)院，北京 100083；3.提高采收率國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

中國(guó)稠油資源較為豐富，主要分布在遼河、新疆、勝利、塔河、吐哈等油田區(qū)塊［1-3］。隨著中國(guó)大部分稠油油藏相繼進(jìn)入蒸汽吞吐或蒸汽驅(qū)中后期，稠油老油田面臨開(kāi)發(fā)年限較長(zhǎng)、采出程度較高、可采儲(chǔ)量開(kāi)發(fā)殆盡等問(wèn)題，經(jīng)濟(jì)效益變差［4-6］，油田亟待進(jìn)一步大幅度提高采收率的接替技術(shù)。然而，由于稠油黏度高、地下流動(dòng)性差、油藏壓力低等特點(diǎn)，絕大部分提高采收率技術(shù)對(duì)稠油油藏的適用性較差，提高采收率效果有限［7-8］。火燒油層技術(shù)也被稱為火驅(qū)（In-situ combustion），是一種重要的稠油熱力采油技術(shù)，其機(jī)理是通過(guò)注氣井向地層連續(xù)注入空氣并點(diǎn)燃油層，實(shí)現(xiàn)層內(nèi)燃燒，從而將地層原油從注氣井推向生產(chǎn)井［9-10］?；馃蛯蛹夹g(shù)因其特殊的開(kāi)采原理，具有熱效率高、能量消耗少、驅(qū)油效率高等特點(diǎn)。對(duì)稠油油藏，尤其是注蒸汽開(kāi)發(fā)后的稠油油藏具有良好的適應(yīng)性，是極具潛力的稠油油藏注蒸汽后續(xù)接替開(kāi)發(fā)技術(shù)［11-12］。隨著火驅(qū)理論研究的深入和注氣、產(chǎn)出工藝的逐漸成熟，火驅(qū)應(yīng)用規(guī)模正迅速增加。

火驅(qū)的驅(qū)替特征主要是指火驅(qū)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的注入和產(chǎn)出變化，是火驅(qū)開(kāi)發(fā)方案設(shè)計(jì)和跟蹤調(diào)控的基礎(chǔ)［13-15］。研究火驅(qū)的驅(qū)替特征，可以加深火燒驅(qū)油機(jī)理的認(rèn)識(shí)并對(duì)礦場(chǎng)火驅(qū)的開(kāi)發(fā)效果進(jìn)行判斷；并且可根據(jù)對(duì)驅(qū)替特征的認(rèn)識(shí)，有依據(jù)地指導(dǎo)其他油藏進(jìn)行火驅(qū)開(kāi)發(fā)。由于發(fā)生了復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，火驅(qū)的驅(qū)替特征與水驅(qū)等常規(guī)油、氣、水三相滲流存在較大區(qū)別，主要表現(xiàn)為：①燃燒前緣造成的高溫區(qū)帶對(duì)孔隙中的所有流體具有無(wú)差別的驅(qū)掃效果。隨著燃燒前緣的擴(kuò)展，已燃區(qū)內(nèi)原有的油水被徹底驅(qū)掃。這與常規(guī)滲流過(guò)程中各相的飽和度逐漸變化不同，火驅(qū)燃燒前緣處的油水飽和度的變化是突變的，因此研究火驅(qū)的驅(qū)替特征無(wú)法直接套用常規(guī)的滲流理論。②前期實(shí)驗(yàn)和礦場(chǎng)的經(jīng)驗(yàn)表明，火驅(qū)開(kāi)發(fā)時(shí)生產(chǎn)井日產(chǎn)油量和含水率隨著持續(xù)注氣會(huì)逐漸達(dá)到穩(wěn)定。而其他氣驅(qū)過(guò)程中，含氣率隨著生產(chǎn)井見(jiàn)氣后迅速增加直至達(dá)到100%（即礦場(chǎng)上的氣竄現(xiàn)象），均說(shuō)明火驅(qū)過(guò)程具有獨(dú)特性和復(fù)雜性。因此，有必要利用綜合物理模擬技術(shù)，通過(guò)多組實(shí)驗(yàn)研究火驅(qū)的驅(qū)替特征，預(yù)測(cè)火驅(qū)的礦場(chǎng)開(kāi)發(fā)表現(xiàn)。

為此，筆者選取了新疆、遼河和國(guó)外某油田的具有代表性的4 種稠油油藏樣品，設(shè)計(jì)了多組燃燒管實(shí)驗(yàn)。利用實(shí)驗(yàn)結(jié)果并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際系統(tǒng)地探索了火驅(qū)的驅(qū)替特征，對(duì)火驅(qū)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)火前產(chǎn)液量、火驅(qū)過(guò)程產(chǎn)液動(dòng)態(tài)、火驅(qū)含水率特征、火驅(qū)與煙道氣驅(qū)的聯(lián)系及火驅(qū)采出程度和注氣量的關(guān)系進(jìn)行了研究和總結(jié)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

火驅(qū)開(kāi)發(fā)有線性井網(wǎng)和面積井網(wǎng)2 種井網(wǎng)形式。線性井網(wǎng)條件下的火驅(qū)技術(shù)是采用行列井網(wǎng)，將一排井作為注氣井，相鄰的一排或多排井作為生產(chǎn)井，在地層中形成近似線性且與注采井排平行的燃燒前緣，從而將原油驅(qū)向生產(chǎn)井排的技術(shù)。當(dāng)?shù)貙哟嬖谝欢▋A角時(shí)，通常選擇從構(gòu)造高部位向構(gòu)造低部位驅(qū)替。由于該井網(wǎng)具有注采關(guān)系簡(jiǎn)單、平面波及效率高等特點(diǎn)而被廣泛采用。羅馬尼亞Supla?cu油田火驅(qū)項(xiàng)目和新疆油田紅淺1井區(qū)火驅(qū)項(xiàng)目均采用線性井網(wǎng)火驅(qū)技術(shù)［16-17］。

線性井網(wǎng)條件下，地層流體的流線呈近似平行的直線，其方向與燃燒前緣垂直。從燃燒前緣開(kāi)始，沿流線方向取一個(gè)圓柱狀控制體作為研究對(duì)象，對(duì)其傳熱和燃燒過(guò)程進(jìn)行分析。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)燃燒前緣向前推進(jìn)時(shí)，控制體徑向的燃燒主要受軸向熱傳導(dǎo)過(guò)程的影響。隨著燃燒前緣的推進(jìn)，控制體中軸向各處依次被點(diǎn)燃，出現(xiàn)溫度峰值。因此，對(duì)該控制體的研究有望揭示火驅(qū)的復(fù)雜物化驅(qū)油機(jī)理。

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)通過(guò)填砂模型模擬上述控制體的多孔介質(zhì)，即在填砂模型圓柱面上安裝加熱器，并通過(guò)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)加熱器溫度與填砂模型內(nèi)部對(duì)應(yīng)位置上的溫度相同，從而創(chuàng)造絕熱環(huán)境。此時(shí)填砂模型徑向傳熱可忽略不計(jì)，燃燒沿著軸向傳播。通過(guò)監(jiān)測(cè)軸向溫度的變化規(guī)律可捕捉火驅(qū)的峰值溫度和升溫速率等信息，通過(guò)測(cè)量產(chǎn)出流體的流量和組分可刻畫(huà)火驅(qū)的驅(qū)替特征，這就是一維熱跟蹤燃燒管實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基本原理。

由于火驅(qū)過(guò)程同時(shí)包含原油氧化反應(yīng)、相態(tài)變化和非等溫多相滲流過(guò)程，其物理模擬需要考慮的相似準(zhǔn)數(shù)極為繁雜。中外諸多學(xué)者對(duì)火驅(qū)實(shí)驗(yàn)的相似準(zhǔn)數(shù)作了相關(guān)研究［18-20］。然而，要想滿足所有相似準(zhǔn)數(shù)是極難實(shí)現(xiàn)的。實(shí)際物理模擬過(guò)程中，需根據(jù)研究目的突出主要的相似準(zhǔn)數(shù)，犧牲次要的相似準(zhǔn)數(shù)。而絕熱條件下的一維燃燒管模型可以看作是對(duì)地層條件下垂直穿過(guò)燃燒前緣面的相等尺寸的圓柱形油藏空間的模擬。此外，火燒油層技術(shù)中原油與空氣在地層中的燃燒反應(yīng)可以概括為：

從（1）式可以看出，火驅(qū)的機(jī)理復(fù)雜，包括氧化反應(yīng)放熱以及產(chǎn)生煙道氣等。通過(guò)監(jiān)測(cè)火驅(qū)過(guò)程中的燃燒溫度以及測(cè)定火驅(qū)過(guò)程中原油與空氣燃燒產(chǎn)生的尾氣成分可以推算出必要的燃燒參數(shù)以及地層的燃燒狀態(tài)［21-22］。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置及儀器

實(shí)驗(yàn)采用高溫高壓熱跟蹤補(bǔ)償一維燃燒管實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（圖1），一維燃燒管實(shí)驗(yàn)裝置的參數(shù)包括：模型水平放置；燃燒管長(zhǎng)度為115.0 cm，直徑為5.0 cm，耐壓為5 MPa，耐溫為650 ℃；高壓艙耐壓為25 MPa，耐溫為80 ℃；氣液分離器體積為800 mL，可監(jiān)測(cè)O2，CO2，CO，CH4等氣體組分。一維燃燒管實(shí)驗(yàn)分為注入系統(tǒng)、模型本體、采集控制系統(tǒng)、產(chǎn)出系統(tǒng)等4 個(gè)主要系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)燃燒過(guò)程中沿程燃燒溫度、沿程壓力、產(chǎn)出氣體組分、產(chǎn)出液體動(dòng)態(tài)及組分等參數(shù)，為火驅(qū)技術(shù)機(jī)理和礦場(chǎng)應(yīng)用提供必要技術(shù)參數(shù)［23-25］。

圖1 高溫高壓熱跟蹤補(bǔ)償一維燃燒管實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意Fig.1 Schematic diagram of experimental platform of onedimensional combustion tube for heat tracking compensation under high temperature and high pressure conditions

燃燒管通過(guò)高壓艙模擬地層壓力，最高實(shí)驗(yàn)壓力為25 MPa，涵蓋了絕大部分稠油火驅(qū)的應(yīng)用案例。通過(guò)壁面加熱器自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)燃燒管壁面和內(nèi)部巖心溫度同步，從而實(shí)現(xiàn)近絕熱環(huán)境，確保燃燒過(guò)程與地層具有極高的相似性。通過(guò)降低模型本體壁面厚度，減少熱量沿模型本體的軸向傳導(dǎo)，最大限度降低實(shí)驗(yàn)誤差，實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)地層條件的模擬，從而確保測(cè)試數(shù)據(jù)的科學(xué)性、重復(fù)性和穩(wěn)定性。

1.3 實(shí)驗(yàn)樣品

為了增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的普遍性和代表性，本次實(shí)驗(yàn)選取了新疆、遼河和國(guó)外某油田的油樣共4份，分別編號(hào)為油樣1～4。每份樣品進(jìn)行了多次燃燒管實(shí)驗(yàn)，并選取典型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。由各油樣的黏溫曲線（圖2）可知，隨著溫度升高，油樣黏度逐漸降低。

圖2 各油樣的黏溫曲線Fig.2 Viscosity-temperature curves of oil samples

1.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

孔隙度 實(shí)驗(yàn)采用石英砂填砂模型模擬地層多孔介質(zhì)。在實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段，先對(duì)填砂模型進(jìn)行抽真空，然后利用自吸作用飽和水并測(cè)量孔隙度。

含油（含水）飽和度 利用實(shí)驗(yàn)原油進(jìn)行油驅(qū)水過(guò)程直至出口端不再有水產(chǎn)出為止。通過(guò)計(jì)量注入和產(chǎn)出的油、水的體積計(jì)算初始含油（含水）飽和度。實(shí)驗(yàn)條件下，稠油油藏樣品的初始含油飽和度一般大于85%。這是由于稠油油藏樣品黏度較高，油驅(qū)水過(guò)程的束縛水飽和度較低。實(shí)際條件下油藏初始含油飽和度較低，若稠油油藏已經(jīng)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間注蒸汽開(kāi)發(fā)，地層已形成大量次生水體，在此基礎(chǔ)上火驅(qū)，其初始含油飽和度更低。為了揭示初始含油飽和度對(duì)火驅(qū)的影響，對(duì)油樣2進(jìn)行火驅(qū)時(shí)，在油驅(qū)水過(guò)程結(jié)束后轉(zhuǎn)而進(jìn)行了0.5 PV 的水驅(qū)油過(guò)程，將初始含油飽和度降低到68%。因此本實(shí)驗(yàn)結(jié)果代表了較高初始含油飽和度條件下的情況，和實(shí)際火驅(qū)過(guò)程存在一定差異，對(duì)本實(shí)驗(yàn)結(jié)果的應(yīng)用和理解要考慮到初始含油飽和度的差異。

點(diǎn)火溫度 火驅(qū)礦場(chǎng)實(shí)踐中點(diǎn)火溫度一般在450 ℃以上。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，由于填砂管尺寸較小，為了減少點(diǎn)火期間注入氣體對(duì)剩余油區(qū)的影響，縮短點(diǎn)火過(guò)程，將點(diǎn)火溫度提高至500 ℃。

初始實(shí)驗(yàn)溫度 稠油油藏埋藏較淺，初始油藏溫度較低，約為30 ℃。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期注蒸汽開(kāi)發(fā)后油藏溫度分布存在一定的非均質(zhì)性，注入井周圍溫度較高（最高可能達(dá)到200 ℃），遠(yuǎn)井區(qū)域溫度較低。為了兼顧實(shí)驗(yàn)過(guò)程的可操作性和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的代表性，設(shè)置火驅(qū)前初始實(shí)驗(yàn)溫度為80 ℃。

主要實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。為提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信度，同一實(shí)驗(yàn)組合條件進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，檢查關(guān)鍵參數(shù)的可重復(fù)性。油樣1 進(jìn)行了3 次實(shí)驗(yàn)，其余油樣均進(jìn)行了2次實(shí)驗(yàn)。重復(fù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方法具有良好的重復(fù)性，2 次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)差別小于10%。

表1 主要實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table1 Main experimental parameters

2 結(jié)果分析與討論

2.1 火驅(qū)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)火前產(chǎn)液量

一維燃燒管實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，若直接開(kāi)啟點(diǎn)火器，待其溫度達(dá)到點(diǎn)火溫度后注入空氣，易造成裂解結(jié)焦堵塞氣流通道而無(wú)法注入氣體的情況，因此，點(diǎn)火前為確保整體流體管匯系統(tǒng)的通暢，需要從燃燒管注入端以較低的速度注入氮?dú)?。點(diǎn)火過(guò)程中，也需要注入氮?dú)庖员苊獾蜏貤l件下原油的氧化過(guò)程對(duì)后期燃燒產(chǎn)生的影響。點(diǎn)火器溫度達(dá)到點(diǎn)火溫度之前，向模型中注入的氮?dú)鈺?huì)驅(qū)掃出一定的油水混合物，稱為點(diǎn)火前產(chǎn)液量。實(shí)際火驅(qū)實(shí)踐中，注入的氮?dú)庠诘貙訔l件下相對(duì)于地層孔隙空間而言是可忽略不計(jì)的，其對(duì)生產(chǎn)動(dòng)態(tài)的影響較小。而實(shí)驗(yàn)過(guò)程中這一階段注入的氮?dú)饪蛇_(dá)到油藏條件下1 PV 甚至更多。其對(duì)火驅(qū)動(dòng)態(tài)也會(huì)產(chǎn)生不可忽視的影響，因此有必要對(duì)點(diǎn)火前產(chǎn)液量進(jìn)行研究。

從4 組油樣點(diǎn)火前階段產(chǎn)液量對(duì)比（圖3）可以看出：隨油樣黏度的增加，點(diǎn)火前產(chǎn)液量顯著下降，說(shuō)明點(diǎn)火前注氮?dú)鈱?duì)稠油燃燒管實(shí)驗(yàn)影響較小，而對(duì)稀油實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響較大。另外，點(diǎn)火前階段產(chǎn)液量可近似看作氮?dú)怛?qū)的驅(qū)油效率。諸多學(xué)者已經(jīng)從室內(nèi)實(shí)驗(yàn)證明了氮?dú)怛?qū)驅(qū)油效率與黏度相關(guān)性極高，這與本實(shí)驗(yàn)的結(jié)論一致［26-27］。另一方面也說(shuō)明氮?dú)怛?qū)對(duì)于原油黏度的敏感性，氮?dú)怛?qū)更適合應(yīng)用于低黏油藏。

圖3 4種油樣點(diǎn)火前階段產(chǎn)液量Fig.3 Liquid production volumes of four kinds of oil samples before ignition

2.2 火驅(qū)產(chǎn)液動(dòng)態(tài)特征

為了方便統(tǒng)一對(duì)比，將累積產(chǎn)液量和注氣量換算成油藏條件下所占孔隙體積的倍數(shù)，用孔隙體積倍數(shù)表征產(chǎn)液量和注氣量有利于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的橫向?qū)Ρ龋⒔Y(jié)果匯總（圖4）。從圖4 可以看出，由于火驅(qū)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)火前會(huì)注入氮?dú)獠Ⅱ?qū)出少部分液體，導(dǎo)致注氣量為0 時(shí)也具有產(chǎn)液速率，且黏度越低初始產(chǎn)液速率越高。在實(shí)驗(yàn)初期，油樣1由于黏度最低，原油被吹出，因此初始產(chǎn)液速率最大，而之后驅(qū)替過(guò)程較為平穩(wěn)。相反，油樣4黏度最大，其產(chǎn)液速率波動(dòng)較大。隨著注氣量的持續(xù)增加，產(chǎn)液速率在初期極低，然后增加，再回落，最后大幅增加。這說(shuō)明在高黏度條件下火驅(qū)時(shí)原油是一股一股產(chǎn)出的，是一種間歇性生產(chǎn)過(guò)程。這一特征與新疆油田紅淺1井區(qū)火驅(qū)先導(dǎo)試驗(yàn)的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)特征一致［28］。

圖4 4組油樣的產(chǎn)液速率變化Fig.4 Liquid production rates of four groups of oil samples

油樣2 燃燒管實(shí)驗(yàn)的初始含油飽和度較低，點(diǎn)火后不久便出現(xiàn)了產(chǎn)液量的小高峰，一度達(dá)到0.05 PV。油樣3 產(chǎn)液過(guò)程相對(duì)穩(wěn)定，點(diǎn)火后不久即達(dá)到了產(chǎn)液量高峰期，然后維持該產(chǎn)液速率穩(wěn)定生產(chǎn)。結(jié)合油樣1，2，3 的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，以油樣1，2，3 分別作為研究對(duì)象時(shí)，在前中期產(chǎn)液速率較大，之后產(chǎn)液速率逐步下降。說(shuō)明當(dāng)稠油油藏黏度較低時(shí)，火驅(qū)技術(shù)在稠油油藏開(kāi)發(fā)前期即可較快地提高采收率。

油樣4 屬于超稠油，在油藏溫度條件下火驅(qū)產(chǎn)液量幾乎為0。說(shuō)明當(dāng)原油黏度過(guò)高時(shí)，原油在地層條件下流動(dòng)性極差，火驅(qū)技術(shù)也無(wú)法將其驅(qū)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)后期，燃燒前緣推進(jìn)到燃燒管的后半段，燃燒管內(nèi)部溫度超過(guò)150 ℃，此時(shí)超稠油流動(dòng)性顯著增強(qiáng)，因此大量產(chǎn)液。故超稠油火驅(qū)主要在中后期產(chǎn)液。實(shí)際地層條件下，注采井間距離遠(yuǎn)大于實(shí)驗(yàn)條件，井間區(qū)域無(wú)法通過(guò)火驅(qū)進(jìn)行有效加熱，地層溫度較低，原油流動(dòng)性極差，幾乎不產(chǎn)液。除非有先遣技術(shù)實(shí)現(xiàn)注采井間的熱連通，在火驅(qū)之前將地層溫度大幅提高，否則火驅(qū)將難以動(dòng)用超稠油油藏。

2.3 火驅(qū)含水率特征

利用蒸餾法將產(chǎn)出液進(jìn)行油水分離，從而研究產(chǎn)出液的含水率。由于進(jìn)行蒸餾所需的樣品量不能過(guò)少，因此只能根據(jù)產(chǎn)液量將相鄰的多個(gè)樣品合并，導(dǎo)致含水率的數(shù)據(jù)點(diǎn)明顯少于產(chǎn)液量（圖5）。從圖5 中可以看出，在束縛水飽和度條件下進(jìn)行火驅(qū)時(shí)，點(diǎn)火初期含水率一般較低，不超過(guò)5%。與所用油樣的含水率近似，說(shuō)明模型中的束縛水并未參與滲流過(guò)程。當(dāng)模型存在可動(dòng)水體時(shí)（油樣2），火驅(qū)初期含水率較高，達(dá)到40%左右。待可動(dòng)水體大部分被采出以后，含水率逐漸下降并穩(wěn)定在15%左右。說(shuō)明當(dāng)?shù)貙哟嬖诳蓜?dòng)水時(shí)，地層水會(huì)優(yōu)先采出。這是由于水相流度遠(yuǎn)高于油相，氣驅(qū)過(guò)程中水會(huì)優(yōu)先采出。當(dāng)?shù)貙铀懦龃M，火驅(qū)逐漸恢復(fù)到以產(chǎn)油為主的生產(chǎn)過(guò)程。新疆油田紅淺1井區(qū)火驅(qū)先導(dǎo)試驗(yàn)和遼河油田錦91 塊邊底水油藏火驅(qū)項(xiàng)目的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)也印證了該現(xiàn)象［29］。對(duì)于蒸汽吞吐技術(shù)開(kāi)發(fā)的油田來(lái)說(shuō)，多輪次的蒸汽注入會(huì)造成地層水含量較大的特點(diǎn)。在這種前提下，使用火驅(qū)技術(shù)可能會(huì)使油田含水率保持穩(wěn)定或者下降，這有利于提高采收率。而其他熱采技術(shù)，對(duì)于高含水油藏并沒(méi)有像火驅(qū)技術(shù)一樣的良好適應(yīng)性，表明若將火驅(qū)作為多輪次蒸汽吞吐后續(xù)開(kāi)發(fā)技術(shù)，可以較好地挖掘油藏采油潛力。

圖5 火驅(qū)實(shí)驗(yàn)4組油樣的含水率變化Fig.5 Water cuts of four groups of oil samples in fire flooding experiment

2.4 火驅(qū)采出程度與煙道氣驅(qū)采出程度對(duì)比

火驅(qū)剩余油區(qū)尚未受到燃燒前緣高溫的影響，主要受煙道氣驅(qū)作用，因此從提高采收率效果上來(lái)說(shuō)，火驅(qū)與煙道氣驅(qū)關(guān)系密切。為了研究火驅(qū)和煙道氣驅(qū)的關(guān)系，在相同條件下進(jìn)行火驅(qū)和煙道氣驅(qū)實(shí)驗(yàn)。本次實(shí)驗(yàn)的煙道氣由15%的CO2和85%的N2組成［30］，驅(qū)替速度設(shè)置為0.7 L/min。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明（圖6），火驅(qū)和煙道氣驅(qū)在前期的采出程度曲線斜率相近，說(shuō)明火驅(qū)初期的驅(qū)油機(jī)制與煙道氣驅(qū)相近。隨著氣體的持續(xù)注入，兩者均出現(xiàn)拐點(diǎn)（約1 PV），但火驅(qū)的采出程度與氣體注入量之間的斜率顯著高于煙道氣驅(qū)。后者在注氣量超過(guò)10 PV 后采出程度幾乎無(wú)增加，而火驅(qū)則表現(xiàn)出持續(xù)的采油過(guò)程。

圖6 采出程度與注氣量的關(guān)系Fig.6 Relationship between recovery and gas injection volume

為了研究煙道氣驅(qū)對(duì)于溫度的敏感性，進(jìn)行不同溫度下的煙道氣驅(qū)實(shí)驗(yàn)（圖7）。可以發(fā)現(xiàn)不同溫度條件下煙道氣驅(qū)實(shí)驗(yàn)的生產(chǎn)特征曲線相似，初期采出程度隨著溫度的升高而顯著提高。相比火驅(qū)而言，煙道氣驅(qū)的驅(qū)油效率較低，最高僅為55%。說(shuō)明煙道氣驅(qū)的主要采油期集中在開(kāi)發(fā)初期，注氣量0.5 PV 以前的采出程度占總采出程度的75%以上。

圖7 不同溫度下煙道氣驅(qū)采出程度與注氣量的關(guān)系Fig.7 Relationships between recoveries by flue gas flooding and gas injection volumes at different temperatures

為了對(duì)比火驅(qū)和煙道氣驅(qū)的提高采收率效果差異，對(duì)實(shí)驗(yàn)中相同注氣量條件下火驅(qū)與煙道氣驅(qū)采出程度的值作差。從相同注氣量下火驅(qū)對(duì)煙道氣驅(qū)的采出程度的差與注氣量的關(guān)系（圖8）可以發(fā)現(xiàn)，火驅(qū)對(duì)煙道氣驅(qū)的采出程度之差與注氣量之間呈現(xiàn)較好的線性特征。考慮到火驅(qū)過(guò)程中油墻的穩(wěn)定推進(jìn)對(duì)火驅(qū)采油的影響，可認(rèn)為火驅(qū)是煙道氣驅(qū)和油墻的穩(wěn)定驅(qū)油2個(gè)過(guò)程的疊加效應(yīng)。

圖8 火驅(qū)對(duì)煙道氣驅(qū)的采出程度之差與注氣量的關(guān)系Fig.8 Relationship of difference in recovery between fire flooding and flue gas flooding with gas injection volume

2.5 火驅(qū)采出程度和累積注氣量關(guān)系

從火驅(qū)采出程度與累積注氣量的關(guān)系（圖9）可以看出，火驅(qū)的采出程度與累積注氣量之間呈近似線性的關(guān)系，而水驅(qū)或氮?dú)怛?qū)的采出程度曲線隨注水（注氣）量的變化往往不具有這樣的特點(diǎn)。當(dāng)原油黏度較低時(shí)（油樣1），火驅(qū)特征曲線表現(xiàn)出上凸的特征，采出程度與累積注氣量之間呈凸函數(shù)關(guān)系，說(shuō)明低黏度條件下，火驅(qū)一開(kāi)始即有原油采出，前期采油速度較快，隨著火驅(qū)的進(jìn)行而逐漸降低；當(dāng)原油黏度較高時(shí)（油樣4），火驅(qū)特征曲線則表現(xiàn)為下凹的特征，說(shuō)明當(dāng)原油黏度較高時(shí)，火驅(qū)初期的一段時(shí)間幾乎不產(chǎn)油，只有當(dāng)火驅(qū)進(jìn)行到一定程度，地層溫度上升后，原油具備了足夠的流動(dòng)性才能被采出。因此需要有針對(duì)性地對(duì)地層進(jìn)行預(yù)熱開(kāi)發(fā)，例如可考慮研究低輪次蒸汽吞吐能否提高火驅(qū)開(kāi)發(fā)的采油效果。此外，對(duì)于火驅(qū)采出程度與累積注氣量關(guān)系，能否用數(shù)學(xué)方程對(duì)其進(jìn)行較為精確的描述，將是我們下步研究工作的重點(diǎn)。

圖9 火驅(qū)采出程度與累積注氣量的關(guān)系Fig.9 Relationships between recovery by fire flooding and cumulative gas injection volume

3 結(jié)論

通過(guò)一系列不同原油黏度條件下的稠油油藏火驅(qū)一維燃燒管實(shí)驗(yàn)較為系統(tǒng)地研究了火驅(qū)實(shí)驗(yàn)的驅(qū)替特征，發(fā)現(xiàn)了火驅(qū)階段產(chǎn)液速率主要受原油黏度影響，黏度越大，火驅(qū)產(chǎn)液速率波動(dòng)越劇烈，初期產(chǎn)液速率越小，產(chǎn)液階段越集中在中后期；實(shí)驗(yàn)室條件下的油樣含水率較低，而礦場(chǎng)油藏含水率較高，更易出現(xiàn)初期只產(chǎn)水不產(chǎn)油的現(xiàn)象；將火驅(qū)實(shí)驗(yàn)與煙道氣驅(qū)實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)油動(dòng)態(tài)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)當(dāng)注氣量小于1 PV 時(shí)，二者生產(chǎn)動(dòng)態(tài)特征相近。而當(dāng)注氣量超過(guò)10 PV 后火驅(qū)可以持續(xù)產(chǎn)油，而煙道氣驅(qū)實(shí)驗(yàn)的采出程度增加幅度極?。淮送猱?dāng)原油黏度較低時(shí)，采出程度與累積注氣量之間呈凸函數(shù)關(guān)系，火驅(qū)初期就有原油采出，前期采油速率較快，隨著火驅(qū)的進(jìn)行而逐漸降低；當(dāng)原油黏度較高時(shí)，火驅(qū)特征曲線則表現(xiàn)為下凹的特征，火驅(qū)初期幾乎不產(chǎn)油。只有隨火驅(qū)進(jìn)行，地層溫度升高，原油流動(dòng)性增強(qiáng)，才開(kāi)始產(chǎn)油。

總之，稠油油藏火驅(qū)開(kāi)發(fā)的效果與稠油黏度相關(guān)，黏度過(guò)大不利于火驅(qū)開(kāi)發(fā)。對(duì)比火驅(qū)和煙道氣驅(qū)的開(kāi)發(fā)效果來(lái)看，火驅(qū)具有持續(xù)產(chǎn)出和采收率高的特點(diǎn)。另外，通過(guò)系列實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)到稠油油藏火驅(qū)的采出程度與注氣量呈近似線性的關(guān)系，這從機(jī)理上說(shuō)明，若在礦場(chǎng)火驅(qū)開(kāi)發(fā)中獲得較高的原油采收率，應(yīng)當(dāng)保證足夠的累積注氣量。針對(duì)火驅(qū)采出程度和注氣量的這種近似線性的關(guān)系，建議下一步對(duì)其進(jìn)行深入理論研究及公式推導(dǎo)，期望推導(dǎo)并總結(jié)形成類似水驅(qū)特征曲線的火驅(qū)特征曲線，從而指導(dǎo)稠油油藏火驅(qū)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用。

符號(hào)解釋

m——產(chǎn)出氣中CO2與CO含量的比值；

x——火驅(qū)燃料的碳原子數(shù)；

y——火驅(qū)燃料的氫原子數(shù)。