指纹分析技术在火驱燃烧状态识别中的应用

张方礼，赵庆辉，闫红星，杨俊印，刘家林

(国家能源稠(重)油开采研发中心 中国石油辽河油田分公司，辽宁 盘锦 124010)



指纹分析技术在火驱燃烧状态识别中的应用

张方礼，赵庆辉，闫红星，杨俊印，刘家林

(国家能源稠(重)油开采研发中心 中国石油辽河油田分公司，辽宁 盘锦 124010)

为判识原油改质程度和原油火驱过程中燃烧状态，对稠油火驱前后样品的全烃色谱指纹特征进行分析，探索了火驱开发过程中燃烧状态的识别方法，并对稠油高、低温氧化特征进行了研究，取得的成果在Du66块火驱取心井分析中得到应用。研究表明，全烃色谱指纹技术可对比火驱反应前后样品的微小特征变化。稠油在低温氧化阶段，姥鲛烷与nC17、植烷与nC18比值增大，正构烷烃相比姥鲛烷、植烷更易受低温氧化作用的影响，CPI和OEP升高；在高温氧化阶段，原油明显改质，原油轻重比显著增大。利用该技术方法判识Shu1-46-K037取心井火烧层段，分析认为埋深约为978.15 m的岩心具有高温氧化的特征，可能是火驱的过火层段。稠油火驱过程中，全烃色谱指纹分析技术可作为识别燃烧状态的有效手段，为火驱效果综合评价奠定了基础。

指纹分析技术；全烃色谱；火驱 ；稠油油藏；燃烧状态；Du66块

0 引 言

火烧油层是继蒸汽吞吐、蒸汽驱、SAGD后稠油油藏有效开发的一种提高采收率技术，其具有适应性强、开采成本低、采收率高等诸多优势[1-2]。经过调研，火驱过程中原油燃烧状态对火驱开发效果有直接影响，因此，评价火驱燃烧状态显得十分重要和必要。

由于火驱作用机理复杂，火驱过程中燃烧状态难以快速判定，这是火驱开发的技术难点。原油在火驱过程中经历了非常复杂的物理化学变化，低温氧化与高温氧化可能同时存在，不能用简单的低温、高温氧化反应或者某一个简单的方程式来表述火驱过程[3-7]。通过大量的室内实验，建立了利用全烃色谱指纹技术捕捉原油样品火烧前后微小特征变化的方法，以达到判识原油改质程度和原油火驱过程中燃烧状态的目的。该方法已在火驱取心井样品分析中得到了应用，为火驱效果综合评价奠定了基础。

1 室内实验

1.1 实验用油

低温与高温氧化实验以Shu1-43-32井原油为实验样品，50 ℃原油脱气黏度为902 mPa·s，以下该井样品简称稠油样品。

1.2 设备与方案

为了获取低温与高温氧化条件下的稠油样品，分别开展了原油的低温与高温氧化反应室内模拟实验。低温氧化实验采用低温氧化罐进行物理模拟，将稠油样品加入氧化罐后密封，升温至90 ℃后恒温120 h，待充分反应后冷却至室温采集稠油样品；高温氧化实验采用一维驱替模型，点火温度为500 ℃，燃烧结束后继续通风，驱替过程中采集产出的油样。

采集的油样在Agilent6890上进行全烃色谱分析。色谱柱规格为30.00 m×250.00 μm×0.25 μm，升温程序为先50 ℃恒温4 min，然后以6 ℃/min的升温速率升至320 ℃，该温度下保持30 min，检测器为FID，载气为氦气，进样量约1～2 μL。

2 实验结果分析

全烃色谱指纹分析技术可对不同稠油样品烷烃分布特征进行定性描述，图1是稠油原始样品全烃色谱指纹图。由图1可知，正构烷烃分布特征，主峰碳较大(nC19)，碳数分布范围较小(nC13～nC34)，nC5～nC13之间较轻的正构烷烃未检测到，C22以后高碳数正构烷烃含量下降较缓慢，峰型为明显的单峰特征。异构烷烃中的姥鲛烷(Pr)、植烷(Ph)含量低于相邻的正构烷烃(nC17、nC18)。

图1 稠油原样全烃色谱指纹图

图2是稠油90 ℃低温氧化后全烃色谱指纹图。由图2可知，在经历90 ℃低温氧化后主峰碳无变化(nC19)，正构烷烃分布范围略微缩小(nC14～nC31)，峰型依然保持单峰型，但从nC16开始基线逐渐抬起，出现明显的大包络，表明稠油在低温氧化阶段难以分辨的复杂化合物明显增加，反应机理较复杂[8]。另外，异构烷烃中植烷含量增加，明显大于相邻的正构烷烃(nC18)含量，姥鲛烷则略小于相邻的正构烷烃(nC17)含量。

图2 稠油90℃低温氧化后全烃色谱指纹图

图3是稠油高温氧化后全烃色谱指纹图。在经历高温氧化后稠油改质特征明显，表现为主峰碳由之前的nC19前移至nC15，碳数分布范围明显增大(nC7～nC37)，低碳数正构烷烃明显占优势，尤其是nC15之前低碳数正构烷烃明显增加，nC22之后高碳数正构烷烃含量明显降低，说明稠油在高温氧化过程中长链烷烃发生断裂，生成了分子质量较小的短链烷烃，而峰型依然为单峰型。异构烷烃中的姥鲛烷、植烷相对含量低于相邻的正构烷烃(nC17、nC18)。

图3 稠油高温氧化后全烃色谱指纹图

全烃色谱指纹技术可对稠油样品烷烃分布形态进行定性描述，对不同烷烃之间相对含量进行定量分析，表1是稠油样品火烧前后的全烃色谱参数。碳优势指数(CPI)和奇偶优势比(OEP)可粗略估算原油的成熟度，由表1可知，稠油原样的CPI和OEP均大于1.00，分别为1.08和1.09，略呈奇碳优势，表现为成熟有机质的特征。此外，稠油低温氧化后CPI和OEP值表现出升高的特征，奇碳优势明显，说明稠油中偶碳对低温氧化作用更敏感，而在高温氧化阶段，CPI和OEP值基本无变化。

原油轻重比表示的是低碳数正构烷烃含量总和与高碳数正构烷烃含量总和的比值，其既可反映母质来源的差异，又可反映热演化程度的高低，一般水生生物来源越多、热演化程度越高，轻重比值越高[9-10]。由表1可知，稠油原样轻重比值为0.81，经历低温氧化后，该比值基本无变化(0.79)，结合全烃色谱指纹图(图2)分析认为，在90 ℃低温氧化阶段高碳数与低碳数正构烷烃同时受氧化作用的影响，且影响的程度接近，导致2个样品该比值接近；高温氧化后，轻重比值增大到1.74，这是因为在高温氧化阶段，热动力学作用较强，长链烷烃受热作用断裂成分子质量较小的短链烷烃，全烃色谱指纹图(图3)可看到，nC15之前正构烷烃含量增加，nC22之后正构烷烃含量降低，这也是高温氧化作用下稠油黏度降低的主要原因。

表1 Shu1-43-32井稠油样品火烧前后全烃色谱参数

姥鲛烷、植烷以及姥植比经常用作判别氧化还原环境及古环境水体的深浅[11-12]。经典观点认为，姥鲛烷形成于氧化作用较强的富氧环境，植烷形成于还原作用较强的缺氧环境，姥植比小于1，表明沉积环境缺氧，此时指示水体环境较深；姥植比大于1，则指示沉积环境富氧，水体环境较浅。另外，姥植比也可反应成熟度的差异，一般姥植比会随热成熟作用的增强而增加，Pr与nC17、Ph与nC18比值也可用来判别热演化作用的强弱。由表1可知，在经历低温氧化后，稠油姥植比由1.68减小至0.33，Pr与nC17比值由0.63增加0.93，Ph与nC18比值由0.40增加2.26，这可能是由于低温氧化作用导致稠油中具有植烷侧链的大分子前身化合物发生断裂，植烷含量增加，并说明正构烷烃相比于类异戊二烯类烷烃(姥鲛烷、植烷)更易受低温氧化作用的影响；高温氧化后，稠油姥植比由1.68略微减小至1.37，Pr与nC17比值由0.63减小0.49，Ph与nC18比值保持0.40不变。分析认为，在高温氧化阶段，高碳数正构烷烃断裂成低碳数正构烷烃，nC17、nC18含量增加，类异戊二烯类烷烃(姥鲛烷、植烷)热稳定性好于正构烷烃，含量变化不大，因而导致Pr与nC17、Ph与nC18比值减小。

3 实际应用

全烃色谱指纹分析技术能够有效识别稠油火驱的燃烧状态，可利用全烃色谱指纹图和全烃色谱参数来判断是否发生高温或者低温氧化过程。

Shu1-46-K037井为辽河油田Du66块火烧油层矿区的取心井，选取5块埋深为966.00～1 060.77 m的岩心样品，其中深度1 047.98、1 066.77 m处为未动用油层，对采集的5块样品按照标准SY/T 5118-2005得到储层抽提物，并进行全烃色谱指纹分析来判识燃烧状态(图4)，表2为相应的全烃色谱参数。

表2 Shu1-46-K037井不同深度抽提物全烃色谱参数

从图4a、b可知，因埋藏较浅，受到生物降解作用影响，966.00、968.75 m岩心抽提物全烃色谱图中正构烷烃含量极低，主峰碳较大(nC25)，异构烷烃中姥鲛烷、植烷占明显优势(Pr大于nC17、Ph大于nC17)；图4d、e分别为1 047.98、1 060.77 m岩心抽提物全烃色谱指纹图，由于该深度范围的样品来自于未动用油层，保留了比较完整的原始地层信息，在5个样品的全烃色谱指纹图中正构烷烃分布最完整，且含量丰富，主峰碳为nC17，碳数分布范围较大(nC12～nC31)，呈单峰型分布，异构烷烃中姥鲛烷、植烷略占优势；图4c为978.15 m全烃色谱指纹图，既不同于图4a、b岩心样品有生物降解的特征，也不同于图4d、e岩心样品保存较完整的原始地层信息，该岩心样品全烃色谱图中整体呈单峰型分布，主峰碳为nC17，碳数分布范围较大(nC12～nC29)，但nC15～nC21之间的低碳数正构烷烃占绝大多数，分析认为该深度附近原油由于受高温氧化作用的影响，长链烷烃发生断裂生成了低碳数烷烃，但因为该地区该深度原油火烧之前受生物降解影响，所以其烷烃分布特征与室内高温氧化实验有差异。

图4 Shu1-46-K037井不同深度全烃色谱指纹

室内实验证明，低温氧化过程中OEP值升高。由表2可知，无论是与浅部966.00、978.15 m岩心样品还是与深部1 047.98、1 060.77 m岩心样品相比，978.15m岩心样品的OEP值最低，并未表现出低温氧化的特征。

轻重比可判识火驱过程中长链烷烃是否断裂为短链烷烃，进而判识火驱燃烧状态。978.15 m岩心样品轻重比值高达4.64，明显高于其余4块岩心样品(表2)，表明该深度附近发生了高温氧化作用，原油品质得到改善，高碳数长链烷烃发生断裂，形成了低碳数烷烃。

由表2可知，5块岩心样品的姥植比变化不大，初步分析认为与该地区生物降解有关。978.15 m岩心样品的Pr与nC17、Ph与nC18比值明显小于其余4块样品。这是因为该地区火驱前普遍受生物降解，正构烷烃基本消失殆尽，在发生高温氧化后长链烷烃断裂生成低碳数正构烷烃，而Pr、Ph热稳定性又好于正构烷烃，从而导致该深度样品Pr与nC17、Ph与nC18比值明显偏低。此外，该井组自2006年11月转火驱，年产液、年产油量在火驱之后均有大幅度提高，年产液量由火驱前的551 t/a升至火驱后的9 368 t/a，年产油量也由火驱前的275.90 t/a大幅提高到火驱后4 063.55 t/a(图5)，火驱效果明显。这与前面利用全烃色谱指纹技术判断的Shu1-46-K037井发生了高温氧化的观点一致。

图5 Shu1-46-K037井组不同年份产液量和产油量

4 结 论

(1) 稠油火驱过程中，全烃色谱指纹技术可作为识别燃烧状态的有效手段。

(2) 稠油经历低温氧化，主峰碳不变，正构烷烃分布范围略变小，CPI和OEP值升高，奇碳优势明显，稠油中偶碳对低温氧化作用更敏感；轻重比基本不变，基线抬升，出现明显的大包络，说明稠油在低温氧化阶段难以分辨的复杂化合物明显增加；姥植比减小，Pr与nC17、Ph与nC18比值增大，正构烷烃相比于类异戊二烯类烷烃更易受低温氧化作用的影响。

(3) 稠油经历高温氧化，改质作用最明显，主峰碳前移，碳数分布范围变大，CPI和OEP值基本不变；轻重比值增大，低碳数正构烷烃占优势；姥植比、Pr与nC17比值、Ph与nC18比值变化不大。

(4) 利用全烃色谱指纹技术分析了Du66块火驱取心井Shu1-46-K037井966.00～1 060.77 m的5块岩心样品，认为978.15 m岩心样品具有高温氧化的特征，该深度附近可能是火驱的过火层段。

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编辑 王 昱

20150722；改回日期：20150928

国家科技重大专项“渤海湾盆地辽河坳陷中深层稠油开发技术示范工程(二期)”(2011ZX05053)专题“直井火烧油层调控技术示范”

张方礼(1961-)，男，教授级高级工程师，1983年毕业于大庆石油学院油藏工程专业，本刊主编，现从事油气田勘探与开发研究工作。

10.3969/j.issn.1006-6535.2015.06.017

TE135

A

1006-6535(2015)06-0080-05