燃烧条件对火驱效果的影响

杨永洪，姚团军，李涛，李丽，朱文光

（中油新疆油田分公司，新疆克拉玛依834000）

燃烧条件对火驱效果的影响

杨永洪，姚团军，李涛，李丽，朱文光

（中油新疆油田分公司，新疆克拉玛依834000）

对火驱燃烧条件的认识与评价是火驱油藏的重要环节。针对目前火驱过程中存在的燃烧过程不清楚及燃烧条件对火驱开发效果的影响不清楚等问题，进行了一系列室内模拟研究。研究了在不同的孔隙度、点火温度、注汽压力和注气量等燃烧条件对火驱效果的影响。实验结果表明，孔隙度越大火驱前缘的推进速度越快；预热温度和火驱前缘温度呈正相关关系；提高注气压力不仅可以维持火驱前缘正常推进和提高火驱前缘温度，还可以弥补低孔隙度油砂火驱技术的限制；随着注气流量的提供，前缘温度和前缘推进速度也在稳定提高。此次模拟实验为下一步提高油层产量、降低成本、提高产出比提供了一定的理论基础和研究路线。

火驱；物理模拟；燃烧条件；火驱效果

随着稠油资源开发的重要性日益增大，火烧油层技术的研究也不断深入，美国、加拿大、罗马尼亚、印度等国进行了大量的矿场试验［1］，国内胜利、辽河、新疆等油田也陆续开展火驱技术矿场试验。国外火驱技术主要用于原始未开发油藏，而目前国内辽河油田、新疆油田主要对注蒸汽开发后的油藏进行火驱开发［2-3］，相比之下其开发机理更加复杂，工艺水平要求更高，开发生产规律需要重新认识。新疆油田开展的火驱先导试验，目前处于高温稳定燃烧阶段，取得了较好的开发效果［4-5］。但是也面临很多问题，如火驱燃烧过程不清楚，燃烧条件对火驱开发效果的影响不清楚等问题。利用取心样品开展了一维火驱物理模拟实验，通过对改变孔隙度、点火温度、注汽压力和注气量等单因素变化情况，研究对火驱效果的影响，取得的研究成果提升了对火驱机理的认识。

1　火驱实验模拟装置

一维燃烧管物理模拟装置，主要包括注气系统、模型本体、测控系统、计量检测系统。该物理模拟装置具有预热温度多段控制，模型本体升温速度可调，注气流量及压力可控，火驱前缘温度实时采集，火驱燃烧后岩矿样品能迅速降温、保持岩矿本征特性等特点。

2　燃烧条件对火驱效果的影响

2.1火驱实验孔隙度的优选

火驱能否正常推进受孔隙度和渗透性影响较大。根据现有成功的火驱项目，孔隙度都需要大于20%。在高孔隙度和高渗透性的油藏中开展火驱采油技术，需要的空气量和燃料亦相对较低。通过室内模拟实验装置，采用不同粒度的油砂进行配置，分析在不同孔隙度下能够正常开展火驱实验所对应的样品管中油砂填充量及填充粒度［6-7］。为后面的火驱效果研究提供基础数据。

实验设计在样品管中填充6～30目1 000 g和30目以下100 g、6～30目1 000 g和30目以上150 g、6～30目1 000 g和30目以上200 g、6～30目1 000 g和30目以上250 g、6～30目1 000 g和30目以上300 g等不同粒级的油砂样品，分别在0.4 MPa、0.6 MPa、0.7 MPa、0.8 MPa、0.9 MPa、1.2 MPa、1.6 MPa、2.0 MPa、2.4 MPa、2.8 MPa等注气压力下燃烧。观察样品管燃烧情况，实验结果（见表1）。

表1　不同孔隙度下油砂样燃烧情况表Table1 The oil sample combustion under different porosity table

从表1中可以看出，孔隙度大的储层，油砂燃烧更充分，火驱前缘稳定推进。随着孔隙度的降低，油砂不能充分燃烧，容易形成油墙，堵塞孔隙，提高注气压力也不能使火驱前缘继续推进。孔隙度过低，火驱前缘甚至不能推进，油砂就熄灭。

因此，选择火驱前缘能稳定推进的6～30目1 000 g和＞30目100 g的实验样品进行配比，进行火驱效果的研究比较合适。

图1　实验模拟装置Fig.1 Simulating experiment device

2.2点火温度对火驱效果的影响

油层点火需要满足加热预热范围内岩石至燃点的热量、加热原油并使之蒸馏的热量、加热水并使之蒸馏的热量以及点火过程中的热损失。单凭加热棒加热要将油砂、样品管及模型本体预热至点火温度，耗时、耗电，效率低，且油砂容易发生结焦反应。为了提高预热效率，减少因预热时间过长而导致的油砂氧化，采用外加热的方式将模型本体、样品管及管内油砂预热至设定温度。

实验设计：利用一维燃烧管物理模拟装置，将含油量为9.1%的油砂样品，进行隔绝空气预热到270℃，然后以流量为2.4 L/min注入空气。利用监控系统，观察样品管内前缘温度和着火点之间的关系。利用同样的方法将含油量为9.1%的油砂样品预热到250℃后，以同样的流量注入空气，观察前缘温度和着火点之间的关系。

图2　点火温度为270℃燃烧管内前缘温度变化曲线Fig.2 The combustion tube front temperature change curve under the ign ition temperature of 270℃

当油砂预热至270℃，并且从预热到点火时间为60 min时进行点火实验（见图2），由图2可见，样品管中油砂燃烧至55 mm处，最高峰值温度近370℃。从点火开始至燃烧完全的全部实验时间为110 min，样品管中的油砂燃烧速度较快。

图3　点火温度为250℃燃烧管内前缘温度变化曲线Fig.3 The combustion tube front temperature change curve under the ignition temperature of 250℃

当油砂预热至250℃时，并且从预热到点火时间为55 min时进行点火实验（见图3），由图3可见，样品燃烧至330 mm处，最高温度达到330℃。从点火开始至燃烧完全的全部实验时间为200 min，样品管中的油砂燃烧速度较慢。

油砂预热温度在250℃和270℃两种温度下，样品虽然能燃烧至结束，火驱效果迥异。预热温度低，火驱前缘温度明显的降低；预热温度高，相应的火驱前缘燃烧速率大，油砂中的稠油发生高温氧化速度快。这一方面是由于油砂预热温度低，相应火驱燃烧过程中产生的油烃粘度较高，流动速度慢，火驱前缘推进速度低，另一方面是由于油砂的预热温度低，油砂中的稠油发生高温氧化需要的活化能高，在吸收高热值后才能燃烧，所以火驱前缘推进速度慢，同时也说明了油砂预热温度低，也会导致火驱前缘温度较低。

2.3注气压力对火驱效果的影响

实验设计：利用一维燃烧管物理模拟装置，样品采用6～30目1 000 g和30目以下150 g油砂样品混合，预热温度270℃，预热30 min后将高压空气充入反应管，点燃预热油砂，注气压力分别为0.4 MPa、0.8 MPa、1.2 MPa、1.6 MPa、2.0 MPa、2.8 MPa。

在注气压力为0.4 MPa时，室内燃烧不充分，油砂燃烧30%后即发生熄灭，火驱前缘最高温度达到370℃。至140 mm处燃烧良好。140 mm至300 mm仅上部少部分油砂燃烧，底部颗粒结焦。样品管300 mm以后部分未能燃烧（见图4）。

图4　在0.4 MPa下油砂燃烧情况Fig.4 The oil sample combustion under 0.4 MPa

注气压力继续提高至1.6 MPa时，样品管内油砂部分燃烧，未燃烧油砂处有结焦现象，火驱前缘推进至225 mm处，火驱前缘最高温度达到400℃，火驱前缘仍不能正常推进（见图5）。

图5　在1.6 MPa下油砂燃烧情况Fig.5 The oil sample combustion under 1.6 MPa

当注气压力增加至2.0 MPa后，样品管内油砂完全发生高温氧化，火驱前缘推进至400 mm处，火驱前缘最高温度的达到436℃，最后段油砂部分有结焦现象（见图6）。

当注气压力提高至2.8 MPa时，火驱前缘最高温度可达到470℃，油砂样品中的重油完全被驱替（见图7）。

图7　在2.8 MPa下油砂燃烧情况Fig.7 The oil sample combustion under 2.8 MPa

从图4到图7的实验结果可见，在一定范围内增加注气压力，提高氧气浓度，可以促进火驱前缘的正常推进。随着压力的继续增加，火线推进不明显，但提高了火驱前缘温度。

图8　注气流量1.0 L/min时油砂燃烧情况Fig.8 The oil sample combustion under 1.0 L/min

2.4注汽流量对火驱效果的影响

实验设计：利用一维燃烧管物理模拟装置，样品采用6～30目1 000 g和30目以下100 g油砂样品混合，在燃烧压力1.0MPa下，改变空气流量，1.0 L/min、1.5 L/min、2.0 L/min、2.5 L/min、3.0 L/min（见图8，图9）。观察燃烧情况，实验结果（见表2）。

图9　注气流量3.0 L/min时油砂燃烧情况Fig.9 The oil sample combustion under 3.0 L/min

表2　不同注汽流量下油砂样燃烧情况表Table2 The oil sample combustion under different steam injection flow

从不同的注气流量下油砂样的燃烧情况可以看出，空气注入速度与火线距离成正比。注气速度较小时，燃烧速度变慢，火线温度低，甚至会造成油层局部熄火的可能。注气速度过大，造成空气耗量增加，也会导致火驱成本升高的不良结果。

3　结论

（1）孔隙度越大，火驱前缘的推进速度越快，推进越稳定。对于开发后期稠油油藏，储层物性越好，火驱效果越明显。

（2）预热温度低，火驱前缘温度明显的降低；预热温度高，相应的火驱前缘燃烧速率大，油砂中的稠油发生高温氧化速度快。

（3）在一定的注气压力范围内，燃烧带推进速度与注气压力呈正相关，维持火驱前缘正常推进和提高火驱前缘温度。

（4）随着注气流量的提供，样品管后端的前缘温度和火驱前缘推进速度也在稳定提高。注气流量的调节对火驱效果比注气压力更为敏感。

［1］Turta A T，Chattopadhyay S K，Bhattacharya R N，et al.Current status of commercial in situ combustion projects worldwide［J］.JCPT，2007，46（11）：8-14.

［2］黄继红，关文龙，席长丰，等.注蒸汽后油藏火驱见效初期生产特征［J］.新疆石油地质，2010，31（5）：517-520.

［3］刘应忠，胡士清.高3-6-18块火烧油层跟踪效果评价［J］.长江大学学报（自然科学版），2009，6（1）：52-56.

［4］王延杰，顾鸿君，程宏杰，等.注蒸汽开发后期稠油油藏火驱燃烧特征评价方法［J］.石油天然气学报，2012，34（10）：125-128.

［5］程宏杰，顾鸿君，刁长军，等.注蒸汽开发后期稠油藏火驱高温燃烧特征［J］.成都理工大学学报（自然科学版），2012，39（4）：426-429.

［6］杨德伟，王世虎，王弥康，等.火烧油层的室内实验研究［J］.石油大学学报（自然科学版），2003，27（2）：51-55.

［7］王艳辉，陈亚平，李少池.火烧驱油特征实验研究［J］.石油勘探与开发，2000，27（4）：69-71.

Influence of combustion conditions on in-situ combustion effect

YANG Yonghong，YAO Tuanjun，LI Tao，LI Li，ZHU Wenguang
（CNPC Xinjiang Oilfield Company，Karamay Xinjiang 834000，China）

On the understanding and evaluation of fire flooding combustion condition is an important link of fireflooding reservoir.Onto the problems of fire flooding during the combustion process is not clear and influence of combustion conditions on in-situ combustion effect is not clear，a series of laboratory simulation studies have been carried out.Study the influence of combustion conditions such as porosity，ignition temperature，steam injection pressure and the volume of gas injection，on fire flooding effect.The results show that the porosity，the greater the fire flooding front advance faster，preheat temperature and fire flooding front temperature into positive correlation，to improve the gas injection pressure not only can maintain normal fire flooding front advancement and improvement of fire flooding front temperature，also can make up for the low porosity sands fire flooding technology limited，with steam injection flow increase，front temperature and front advance speed is steady increase.The simulation for the next step to improve the oil production，reduce the cost，improve the ratio of output to provide a theoretical basis and research route.

fire flooding；physical simulation experiment；combustion conditions；in-situ combustion effect

10.3969/j.issn.1673-5285.2015.03.009

TE357.44

A

1673-5285（2015）03-0036-05

2015－01-08

国家重大科技专项“火烧驱油技术研究与应用”，项目编号：2011ZX05012-002。

杨永洪，男（1987-），助理工程师，硕士研究生，目前主要从事油气田开发工作，邮箱：yyhlemuel@163.com。