轻质油藏注空气最小空气流量研究

编译:余唐 (西南石油大学国家重点实验室)

审校:熊伟 (西南油气田分公司重庆气矿)

轻质油藏注空气最小空气流量研究

编译:余唐 (西南石油大学国家重点实验室)

审校:熊伟 (西南油气田分公司重庆气矿)

火烧油层技术在稠油油藏中的应用早在上个世纪早期就已经开始了,如今研究重点放在了确定能够维持燃烧前缘的最小空气流量上面。得到的最小空气流量将用于设计空气压缩机的规模。Nelson和McNeil对稠油油藏的最小空气流量做过研究,但在轻质油藏中的燃烧机理不同于稠油油藏,通常轻质油藏中的燃烧前缘不如稠油油藏中的稳定,因此最小空气流量的确定方法又有所不同。本文使用热采模拟器来确定最小空气流量,在模拟之前,做了高压变温氧化实验来确定火烧参数。模拟数据全来自于实验数据。

轻质油藏 注空气 HP-RTO反应速率 数值模拟

1 简介

注空气是提高原油采收率的方法之一。空气作为一种廉价而常见的介质,将其注入到稠油油藏中的工艺技术称为火驱或火烧油层。

由于注空气包含了燃烧过程,所以在研究注空气时,不仅要考虑相态的变化,还要考虑化学反应。为此,需要做多项实验以满足火烧油层技术的需要,例如加速速率量热仪 (ARC)实验、热重压差扫描量热仪 (TG/PDSC)实验和燃烧管(CT)实验。ARC实验是为了确定在高温和低温下,化学反应的激烈程度以及持续性;TG/PDSC实验是为了确定原油与氧气反应时的温度范围;而CT实验的目的主要有三点:①评价原油的燃烧性质 (如燃点);②测量增加吨油空气和燃料的消耗量以及其他相关属性;③测量产出气的组分,产出油和水的性质,为以后的现场应用提供参考。

2 ARC及CT实验参数及结果

ARC实验表明,Minami-Aga原油在 170～300℃之间能够发生持续的化学反应,此时,其点燃温度超过了103℃。这说明在Minami-Aga实施注空气必须考虑点火方式,因此在ARC实验中,还评价了氧气段塞和亚麻籽油的点燃效果。

分别在低含水饱和度下和高含水饱和度下做了CT实验,在两种情况下都有稳定的燃烧过程、原油产出量、氧气消耗量。还做了Minami-Aga原油的三维模型烟道气岩心驱替,在水驱之后的烟道气驱采不出任何原油。此时,采用了数值模拟方法来理解驱油机理,结果显示,热效应对Minami-Aga原油的驱替影响较大。为了提高原油采收率,必须维持一个稳定的燃烧前缘,这就需要确定能够维持稳定燃烧前缘的最小注气速度。

3 高压变温氧化实验

HP-RTO实验是等热产出气组分分析的一种,HP-RTO实验设备包括一个长49 cm、直径2.54 cm的圆柱型反应器。注空气之前,反应器中充满岩屑和原油。注气结束后,测量反应器的温度、产出气的组分、产出液体的体积。等热产出气组分分析可以获得模拟所需的火烧参数。实验压力为250 KSCG,温度分别为103、120、140℃,注气通量为3 STm3/m2h。各个温度下的实验初期都是等热过程,但在实验温度为103℃时,反应器温度先升至170℃,后又升至360℃;实验温度为120℃时,反应器温度直接升至360℃;实验温度为140℃时,反应器温度升至450℃。

4 实验结果

实验温度为103℃和120℃时,产出气的组分大致相同。实验温度为120℃时,在温度高达360℃的高温区域形成之前,气相色谱 (GC)就失败了;实验温度为140℃时,在44～88 h后,温度升高了6℃,产生了摩尔体积为10%的CO2,尽管随后CO2含量大体保持稳定,甚至有所降低,但由于燃烧只发生了一次,所以CO2驱有可能是主要的驱油机理。

分子量的断裂和燃烧极有可能是发生在温度为170℃和360℃的高温区域。当气相产生时,170℃区域会发生移动,而360℃区域有可能随气相移动而移动,也有可能停留在固体残渣区域。

实验温度为103℃和120℃时,产出气的组分有所变化。在这两种实验方案中,都没有放热反应发生,因此氧气的消耗量和CO2的产出量都微乎其微。尽管如此,为了理解低温下的化学反应过程,必须做一些分析:由于CO2的产出量很少,所以即使是微小的体积变化,都会影响分析结果。为此,设定了如下的注入气组分和每个实验剩余时间的标准:

由于低温下 HP-RTO的实验结果显示组分只有微小的变化,因此注入气的初始组分对结果的影响很大。在 HP-RTO实验设备中,气相色谱和反应器出口之间有大片的不流动区域。由于不流动区域的存在,使得气相色谱开始形成时间的组分分析延迟了数小时,因为此次研究注入速度较慢,延迟的时间影响就较大。故在分析中,必须考虑延迟时间。假设加热反应器时反应开始,接着气体组分变化,此时气相色谱仪测得的组分变化时间称为 GC开始时间,103℃、120℃、140℃下的 GC开始时间分别为7.38 h、7.05 h、6.61 h。可以假设在实验开始和 GC开始之间的时间段内气体组分保持不变。遵照以上定律,就可以确定各个实验的注入气组分,表1给出了注入气的初始组分。

表1 初始组分

实验开始时,反应器内已存在部分空气,这些空气会通过加热的反应器到达出口。同实验开始后注入空气的反应时间相比,已存在空气的反应时间很短,因此如果注气速度很大,这些“已存在空气”的影响就可以忽略不计。但是此次实验的注气速度很小:1 PV空气通过反应器的时间为10 h,此时如果不考虑“已存在空气”的组分,分析结果就会出错。因此把“已存在空气”在反应器中的流动时间称为“过渡时间”。“过渡时间”可以通过反应器的孔隙体积和注气速度来计算,“过渡时间”后气体组分的分析结果见表2。

表2 过渡时间

5 反应速率的计算

为了确定产出气的体积,假设N2的体积保持不变 (注入量=产出量),反应速率由以下公式计算:

式中 k——m3/(kg·h)

X ——组分 (O2或CO2)

Q ——注气速率 (m3/h)

[Xprd]、[N2prd]——产出气组分 (摩尔含量)

Wrock——岩石质量 (kg)

最后将反应速率的单位由m3(O2)/(kg·h)变为 kg(O2)/(kg·h)。

燃烧反应可由如下的化学反应方程式表示:

此次研究没有考虑CO的产生,因此方程右边的CO项可以忽略,又因为N2的体积保持不变,所以N2项也可以忽略。此时,方程 (2)变为:

a、b、c、x、y 可通过氧气的消耗量和 CO2的产出量计算,见表3。

表3 HP-RTO实验化学常数

方程 (3)中的高H/C比表明将有大量的水产生,而事实上实验温度为103℃时,高 H/C比是氧化反应的特征,而不能表示有水产生。实验中也没有产生水,在实验开始时也没有水。

根据Arrhenius方程:

式中 k——反应速率,m3(ST)/h

f ——频率因子

E ——活化能,J/g·mol

[CHx]、[O2] ——摩尔分数

m、n ——反应级数

R——气体阿伏伽德罗常数 [8.31447 J(k·g·mol)]

T ——温度 ,K

方程 (4)也可改写为:

方程 (5)中的活化能 E表示反应速率受温度影响的程度,可以通过反应速率与温度的关系式求得E。HP-RTO实验结果显示了氧气消耗量和CO2产出量的另外一种变化趋势,表4给出了相应的活化能,基于氧气消耗量计算的活化能值很小。当温度由103℃变化到120℃时,CO2产出量增加,氧气消耗量减少;当温度由120℃变化到140℃时,氧气消耗量又有所增加。即,氧气消耗量和温度之间没有线性关系。因此,如果使用基于氧气消耗量计算的活化能来进行数值模拟,就会出现误差。氧气消耗量和CO2产出量之间的差异表明温度由103℃变化到120℃时,氧化反应占主导地位。

表4 活化能

实验温度为140℃时的反应速率对基于CO2产出量计算的活化能影响很大,140℃时的反应速率是根据上个反应算出的,在实验初期会发生放热反应,这会导致剩余油组分发生变化,很难点燃。研究实验初始反应状态时发现,在20～26 h之间产出气的组分保持稳定,或者更为精确地说,是CO2产出量缓慢升高,从103℃、120℃、140℃所计算的活化能均为87.535 J/g·mol,其值同基于103℃、120℃反应速率所计算的活化能值很接近。实验温度为140℃,在44～48 h之间存在一个气相燃烧区域,但在这个区域形成之前会发生残余油组分的燃烧,因此在44～48 h之后,氧气消耗和CO2产出机理就会有很大不同。在气相点燃之前,还存在一个感应期。

6 数值模拟研究

使用热采模拟器是计算最小空气流量最好的方法之一。使用的热采模拟器为 CMG公司的STARS。通常热采反应有三种计算方法:火焰面模型、Arrhenius方程模型、元素反应模型。

火焰面模型是最简单的模型,而元素反应模型是最复杂的模型。元素反应方法要计算燃烧包含的所有元素反应,这又不切合实际,因为燃烧涉及到的反应极多,而Arrhenius方程模型是根据方程(4)中的经验公式来计算反应速率。STARS使用了Arrhenius方程来计算化学反应,能够维持燃烧前缘的最小空气流量应当考虑低温下的反应,因此在使用模型计算最小空气流量时,反应速率同温度应是线性关系。对于前面所估计的最小空气流量,反过来检查了反应速率同温度之间的线性关系。

7 HP-RTO实验拟合

数值模拟使用的火烧参数来自 HP-RTO实验结果。氧气和原油的频率因子和反应次序都根据HP-RTO实验结果做了调整,在本次数值模拟中,对原油使用了6个拟组分 (C1、C2-C3、C4-C6、C7-C11、C12-C17、C18+),各组分都使用相同的频率因子和反应次序。CT实验的模拟结果:高温下的火烧参数值太大,导致温度剖面拟合不好,所以根据CT实验拟合结果,调整了C18+的参数。C1-C17使用了另一套值,只使用了C18+的参数拟合结果,尽管根据CT实验对参数进行了调整,但由于C1-C17也使用了和C18+一样的参数,所以拟合结果也不是很好。由于轻质组分的影响,燃烧前缘的推进会越来越快,从CO2产出速率模拟结果来看,相对于实验结果,CO2的计算所得产出速率就太大。这是因为活化能受温度影响很大,无法同时考虑低温下和高温下的所有反应,所以拟合结果会出现偏差。

数值模拟研究总结如下:考虑到反应机理的变化,除非有单独的气相燃烧方程以及氧化方程,否则CT实验不可能拟合好。热采模拟器可以很好地评价模型的敏感性,但由于缺乏180℃和360℃下的GC数据,所以无法与RTO所有的实验结果很好地拟合。

8 结论

◇HP-RTO实验所得的低温下的活化能与高温下的活化能有差别;

◇使用HP-RTO实验低温下的参数对CT实验进行拟合,未得到较好的拟合结果;

◇CT实验拟合不仅需要低温下的液相燃烧数据,也需要高温下的气相燃烧数据,这样才能获得较好的拟合结果。

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.3.005

资料来源于美国《SPE 116530》

2009-01-04)