火烧油层技术研究现状与应用前景

黄 俊，鲁军辉，张誉才

（1.长江大学石油工程学院油气钻采工程湖北省重点实验室，湖北武汉 430100；2.上海海洋石油局第三海洋地质调查大队，上海 200137；3.湖北省天然气发展有限公司，湖北武汉 430000）

火烧油层又称层内燃烧，是指将空气或氧气注入油层使原油持续燃烧的采油方法，能够有效提高原油采收率，适用于多种类型的油藏，尤其是稠油油藏及沥青矿藏。

火烧油层技术的原理是将事先预热的空气注入到井底附近，借助井底电加热器或通过化学反应使油层温度达到原油燃点，然后连续注空气或氧气，通过燃烧少量的地层原油（主要是重质组分）产生热量和压力，降低地层原油的粘度。火烧油层是注空气采油的一种形式，在国外已商业运作近50年[1]，然而，判断火烧油层项目是否取得成功的最基本原则还未能确定。通常，人们根据室内燃烧管实验预测油田现场的火烧油层能否成功，需要注入多少空气等，并以此设计试验区块火烧油层的过程[2]。

火烧油层技术由于原油组分多，燃烧情况复杂，难以精确描述，加之反应形式多样，实验模拟难度大，因此，研究工作要求强化对反应动力学及相关学科知识的深入了解。

1 室内研究进展

火烧油层的采收率一般在50%以上，可以在比蒸汽驱采油更复杂、更苛刻的地层条件下应用，但其实施工艺难度大，地下燃烧不易控制，如果燃烧不充分会使油层性质急剧变化，将来应用其他方法更难，因此，在现场实施前有必要进行针对性的室内研究。本文介绍了用于火烧油层研究的最新方法及其成果，包括从室内研究向现场推广的研究流程、原油组分效应及组分对反应路径的影响、含水燃烧管实验及燃烧参数的确定。

1.1 综合化的研究流程

Bazargan[3]等提出一种综合研究流程以预测油藏火烧油层的成功，研究流程图（见图1）。该流程综合了动力反应实验、燃烧管实验、原油组分分析、高分辨率物理模型及用于预测油藏规模下火烧油层的针对性燃烧实验。

动力反应实验用以探究燃烧反应动力学机理，为开展等转化率分析工作，需要在不同升温速率下完成一系列实验，所有其他参数，如压力、初始温度、空气注入流速等在这一系列实验中均是固定不变的。至少需要五组实验数据[4]。

火烧油层反应速率由燃料含量和O2分压决定[5]，由于碳氢化合物氧化反应复杂，反应模拟困难，燃烧速度方程难以准确建立。等转化率法[6]不必假设反应机理函数就可以计算出反应活化能，回避了上述问题。Cinar[7]等研究表明，在有效燃烧的情况下，560 K温度下发生的低温氧化反应（LTO）由负温度梯度区（NTGR）主导（以600 K为中心）。该区域内有效活化能不断降低直至最小，然后进入高温氧化反应（HTO）。图2、图3均为有效活化能（纵坐标）与转化率（横坐标左）及平均温度（横坐标右）的关系。负温度梯度区向高温氧化反应区平滑过渡是燃烧效果好的标志（见图2），而不适宜采用火烧油层的油藏在低温氧化反应区呈现出明显的间断（见图3）。

通过等转化率分析不仅可以判别燃烧过程的不同反应区，得到样品在不同温度和燃烧状态下的动力学基本参数，还可以直观看出燃烧前缘的推进是否成功，而燃烧前缘的成功推进正是火烧油层项目成功实施的必备条件。

1.2 SARA组分热氧化敏感性研究

火烧油层复杂的燃烧反应给室内研究带来了种种困难，人们尚不清楚究竟要开展多少组实验及怎样从实验数据中获取相关参数的有效数值。一直以来，SARA（饱和烃、芳烃、胶质、沥青质）组分模型被用于实验室研究火烧油层提高原油采收率技术。

Priyanka[8]等在前人研究基础上，开展了SARA组分的热氧化敏感性研究，包括SARA模型的14组反应模式：胶质、芳烃、沥青质的高温分解或裂解反应；饱和烃、芳烃、胶质、沥青质低温氧化反应；高温裂解形成的焦炭、低温氧化反应形成的氧化沥青质、氧化胶质、氧化芳烃、氧化饱和烃及胶质、芳烃的高温氧化反应。该研究旨在探究组分效应及组分对反应路径的影响。结果表明，沥青质作为原油中最重的组分之一最难被氧化，而饱和烃最易被氧化。空气注入速度、氧气浓度和反应活化能对原油采收率影响很大，注入过量空气或高速注空气会使燃烧前缘降温，降低原油采收率；提高氧气浓度可以提高采收率，而且，氧气浓度增加有利于氧化反应的进行，而低的氧气浓度则促进重质组分的裂解反应。实验中还观察到氧气浓度增加可以扩大蒸汽带的范围及其推进速度，实现了更有效的蒸汽驱。

1.3 考虑含水的燃烧管实验

火烧油层过程的模拟需要对许多现象，如相变化、化学反应、质热交换、流体性质等进行精确描述。低温氧化反应一般发生在350℃以下，反应组分为轻质组分，一般生成如羧酸、醛、酮、乙醇和过氧化物等氧化物，该反应使原油沸点、粘度和密度增加[9]。高温氧化反应发生在350℃以上，反应组分为焦炭和部分低挥发性碳氢化合物，主要生成CO、CO2和H2O。非氧化反应以原油高温裂解反应为主，以低温氧化反应为起点，贯穿于整个燃烧过程。

Lapense[10-11]等在前期工作中研究了含水对原油氧化反应的影响，结果表明，与干式燃烧相比，水蒸气影响低温氧化反应，能够显著降低耗氧量，延长反应时间；水蒸气也直接影响高温氧化反应，延长耗氧时间，可以产生更多的CO2，并减少由焦炭燃烧产生的CO量。他们还进行了含水时的重油燃烧管实验，通过比较干式燃烧与湿式燃烧，旨在进一步优化火烧油层模拟模型。实验结果表明，在相同条件下，湿式燃烧过的区域温度更低，热能利用率更高，因此，在建立火烧油层模拟模型时需要考虑含水的影响。

1.4 最小空气通量研究

为成功实施火烧油层项目，油藏内必须存在持续推进的燃烧前缘，因此，需要充足的空气维持断键反应，否则会发生不利的加氧反应（如原油低温氧化），不仅消耗了O2，而且不利于原油流动，最终导致火烧油层项目的失败。因此，将维持燃烧前缘持续推进的最小空气通量定量化对于确定油藏体积（将用于热力采油区）下注空气设备的容量是很有必要的。

Moore[12]等认为，如果火烧油层项目进行顺利，采油速度应接近注空气速度，但现场操作时人们常常忽略这一事实，如果油田生产出现问题，人们一般是将注空气速度尽可能降低，而这极有可能导致燃烧前缘持续推进的失败。他们还指出，即使项目操作顺利，最小空气通量仍难以确定。

起初，研究人员利用一维燃烧管实验开展了最小空气通量的研究[13-15]。Alamatsaz[16]等认为一维燃烧管实验不适用于确定最小空气通量，主要是因为传统的燃烧管热容量不够有效，而且在实验过程中减小空气通量可能会引起短暂的波动，而燃烧管的长度不足以维持该过程的稳定。英国卡尔加里大学设计了具有高效热容量的燃烧管（抗压可达41.4 MPa，实验过程中维持绝热）及圆锥形燃烧反应器（见图4），该燃烧反应器可以确保在氧化或燃烧前缘推进时减小空气通量而维持注空气速率的稳定。Alamatsaz等利用上述燃烧管及燃烧反应器开展了燃烧管实验，在空气通量低至3 m3/（m2·h），实验压力3.55 MPa时不仅维持了阿萨巴斯卡沥青砂燃烧前缘的推进，而且70%的初始油量以液体态产出。然而，由于实验中注空气速率范围小，该研究依然未能获得在火烧油层中维持断键反应所需的最小空气通量。

2 应用前景探讨

火烧油层技术作为EOR方法的一种，可以提高稠油油藏和沥青质矿藏的采收率。印度Balol油田地层原油粘度介于0.15～1 Pa·s，沥青质含量高，一次采收率低于13%，其1 000 m埋深、平均净产层小于5 m等特点限制了蒸汽驱的应用。采用湿式燃烧，原油产量由350 m3/d增加到700 m3/d[17]，展现了火烧油层技术良好的应用前景。在现场操作中，还可以根据实际需要调整注入介质，或与其他方法共同作用以达到更好的增产效果。

2.1 优化注入介质

我国高升油田某区块试验了火烧油层技术，随着时间的延长，油井产气量剧增，引发了因气体导致的泵效等问题，导致油井负荷增加，无法正常生产[18]。由于油井产出气中N2占主要部分，因此，除去空气中的N2，即改为富氧注入，必定会极大地减少燃烧产生的气体量，并获得高的O2分压，有利于燃烧反应的推进。

在注入介质中加入能够催化空气原油氧化反应的催化剂对于火烧油层的应用也有独特效果。催化剂的使用可以提高氧气利用率，加快氧化反应，提高稠油降粘率[19]。在火烧油层实施5个月后注入泡沫减少气窜则可以提高体积波及系数，增强火驱效果。

2.2 火烧油层技术下的SAGD

蒸汽辅助重力泄油简称SAGD，是利用水平井、浮力、重力及蒸汽开采稠油的一种技术，现在通常采用的是双水平井SAGD技术，即在靠近油藏底部位置钻一对上下平行的水平井，经油层预热形成热连通后，蒸汽由上部水平井注入，下部平行水平井生产。

SAGD已成为商业开采沥青矿的成功方法，已经将加拿大广阔的沥青矿砂体转化为可开采油藏，然而，由于操作上的限制及油藏非均质性的影响，蒸汽推进速度及热效不够理想。Oskouei[20]等研究了在SAGD中运用火烧油层技术的效果，即首先在SAGD模型蒸汽腔产生大量蒸汽，然后通过“水平井”将空气从模型顶部注入到SAGD腔中，在“注入井”附近建立燃烧前缘。结果表明，该方法比单独的SAGD法增产20%以上。

3 结语

火烧油层技术可以有效提高稠油油藏或沥青质矿藏的采收率，在某些情况下比蒸汽驱更具有适用性，是稠油油藏开发最具有应用前景的方法之一。现场应用时可以根据需要调整注入剂及其注入方式，或与其他方法（如蒸汽驱等）相结合以达到更好的增产效果。

火烧油层燃烧情况的精确描述牵涉知识面广，给室内模拟研究带来诸多困难，限制了该技术从实验室向油田现场的大面积推广。今后，不仅要进一步探究燃烧过程，结合数值模拟技术加强物理模拟以实现燃烧过程的精确描述，而且要确定火烧油层过程中维持燃烧前缘持续推进的最小空气通量，并研究含水对维持有效驱替的最小空气通量的影响以成功设计注气工艺的核心部分-空压机的额定排量和额定压力。

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