火驱燃烧前缘位置预测与影响因素研究

曲占庆, 李 杨, 田相雷, 蒋海岩, 林珊珊, 黄德胜

(1.中国石油大学石油工程学院, 山东青岛 266555； 2. 胜利油田分公司现河采油厂, 山东东营 257068；3.西安石油大学石油工程学院, 陕西西安 710065； 4.中海油田服务股份有限公司, 天津 300450)



火驱燃烧前缘位置预测与影响因素研究

曲占庆1, 李 杨1, 田相雷2, 蒋海岩3, 林珊珊4, 黄德胜1

(1.中国石油大学石油工程学院, 山东青岛 266555； 2. 胜利油田分公司现河采油厂, 山东东营 257068；3.西安石油大学石油工程学院, 陕西西安 710065； 4.中海油田服务股份有限公司, 天津 300450)

及时掌握火驱过程中火线的位置，有助于进行生产调控，通过调研现场预测火线位置的方法，得出一套针对不同特征油藏的适用方法：红外照相法适用于浅层油藏；用测温元件直接测试法适用于观察井和生产井密集的油藏；生产动态和物质平衡相结合的方法适用于均质性好且井网形式规范的油藏；示踪剂监测和生产动态相结合的方法适用于非均质性严重或井网形式不规范的油藏；压降试井法由于计算复杂，有待进一步研究。最后指出应在前期地质筛选的基础上，做到“少注气、多采油”，并结合生产动态分析加强对油井的管理，引导燃烧前缘均匀稳定的推进。

火驱； 燃烧前缘； 压降试井； 物质平衡； 示踪剂； 影响因素

目前大多数稠油油藏已进入多轮次蒸汽吞吐阶段，火烧油层是一种非常有潜力的接替技术。通过将空气注入油层，利用电点火、化学点火等方式点燃油层，使地下形成移动的热源，原油的流动性在热作用下得到大幅度改善，并且生成的二氧化碳伴随着氮气形成烟道气驱，在多重有利因素的共同作用下，原油被趋向井筒，提高了稠油油藏的采收率[1-3]。实时掌握注气井各个方向火线的移动距离，有助于了解地下燃烧状况，确定合理的注气速度，及时进行生产调整控制燃烧前缘的推进方向和移动速度[4]，提高油藏的动用程度，避免出现不利的情况，对油田开发意义重大。

1 火驱燃烧前缘研究进展

油层成功点燃之后，需要对燃烧动态进行监控，及时获知燃烧前缘的位置、推进速度、由燃烧造成的储层特征的改变，以及各生产井的开发动态，合理调节不同开发阶段的注气强度，以便采取相应的控制措施，保证燃烧前缘均匀稳定的向前推进。

目前现场所用的方法主要有直接测试法和计算法。直接测试法包括红外照相、用测温元件直接观测火线推进等；计算法包括不稳定试井、物质平衡法、示踪剂监测法等。直接测试法通过直观的分析现场检测到的数据来判断火线的位置，实施方便，应用范围广，但这种方法易受到金属管线和电力设施的干扰，因此，要想继续应用这种方法需要开发新技术消除环境因素的影响[3]。压降试井法、物质平衡法和示踪剂监测法与其他方法相比，相对比较简便可行，准确率高，并可以作为其他预测方法的基础，在一些油田均有涉及，但是目前现场还没有找到一套直接从地面找火线的科学有效的方法。

2 火线位置预测方法

2.1 压降试井法

20世纪70年代，Hossein提出了用压降试井的方法来确定燃烧前缘位置[5-8]。如果地层中出现断层、韵律性严重、流体流动出现分界面等，这些情况会在压降试井曲线上体现出来，依照此原理，可以对火烧油层过程中的火线位置进行预测。

在常规水驱和气驱项目中，压降试井方法可以用于求取储层特性参数，将流体匀速注入地层，达到稳态后改变注入量，绘制井底压力随时间变化的半对数曲线。在接触面附近，曲线被分为两部分，对应着地层被接触面划分成波及区和未波及区，如图1所示，区域Ⅰ表示波及区，区域Ⅱ表示未波及区，这两个区域中直线的斜率m均与该区域的流动能力成反比，即：

(1)

式中，m为转换因子，常数；q为流量，m3/d；μ为黏度，mPa·s；B为地层体积系数，m3/m3；k为渗透率，mD；h为地层厚度，m。

若交界面是一个圆柱体，而且已波及区域的地层是均质的，那么注气井到交界面的径向距离r可以表示为：

(2)

式中，β为常数，取值范围为(4.19～5.53)×103；φ为孔隙度，%；c为压缩因子，MPa-1；θ为压降曲线转折点对应的时间(关井时间)，min。

图1 井底压力随时间对数的变化

Fig.1 The relationship of wellbore pressure and logarithm of time

按照由压降试井曲线求取常规驱替项目中交界面的原理，预测火驱过程中燃烧前缘的位置是可行的。用试井法计算火线位置有以下假设条件：

a. 地层水平、等厚，均质性良好；b.燃烧区是一个圆柱形的各向同性系统，垂向的一致性达到100%(具有定向渗透率的系统)；c.在径向上燃烧前缘的厚度视为无穷小；d.燃烧前缘后面的区域只有空气，前面的区域不仅有烟道气，还有碳氢化合物、水蒸气、液态烃和水(如图2所示)；e.烟道气主要是氮气，燃烧前缘前后的气体具有相同的热力学性质；f.烟道气的流动性远大于液相的流动性，故只考虑气体流动；g.地层中的温度分布用Chu[9]建立的模型来表示；h.流体为径向流动，忽略重力作用和毛细管现象；i.在进行压降试井前流动处于稳态；j.在试井的几个小时内燃烧前缘的位置不变，因此温度仅是时间的函数。

图2 燃烧前缘示意图

Fig.2 Profile of combustion front

2.2 物质平衡法

物质平衡法是在火烧油层驱油机理的基础上，根据燃烧反应的物质平衡、能量守恒定理推导出来的[10-12]。在火驱实际过程中，由于地层的非均质性导致火线位置到各个生产井间的距离是不同的。油井见效后，某一生产井方向的火线位置可用(3)式表示：

(3)

式中，r为各生产井对应的火线位置，m；V为各生产井方向的燃烧体积，m3；Qf为各生产井的分配产出气体体积，m3；Y为各生产井方向的氧气利用率，%；α为各生产井方向的分配角度；H为各生产井对应的油层平均燃烧厚度，m；As为燃烧单位体积油砂的空气耗量，m3/m3。

该方法使用起来比较简便，但是为了保证准确度，首先需要准确计算各个变量。经过调研发现，该方法计算得到的火烧前缘位置与现场钻井取芯资料确定的实际燃烧前缘位置吻合程度较高，相差不到7%，结果准确可靠。在现场应用中，物质平衡法经常作为利用其他方法预测火线位置的基础，用物质平衡的理论进一步推导出更简便可行的方法。

2.3 示踪剂监测方法

示踪剂监测法是指在生产井中注入一段含有示踪剂的空气段塞，油井见效以后，在生产井的产出流体中检测示踪剂的含量[13]。由示踪剂含量的高低确定火线与生产井的距离百分比，同时还可以判断油层与生产井的连通情况，确定是否产生气窜通道、有无人工裂缝等。示踪剂监测方法简便可行，主要流程可以归为：筛选示踪剂→注入段塞→油井取样→示踪剂含量测试→数据分析→数值模拟→产出曲线解释。

目前现场上应用最广泛的是将示踪剂监测法与气体分析法相结合，形成示踪剂辅助判断火线位置的方法，目前在辽河油田已经得到普遍应用。示踪剂辅助判断火线位置方法的具体步骤为：首先，计算不同生产井方向的示踪剂分配率β，按照分配率将注气量分配到各个生产井；结合储层特征记录各个生产井的产气情况，对示踪剂的分析结果进行验证；根据产气情况计算各生产井的来气量和来气方向；根据来气方向和来气量计算火线位置；最后画出燃烧前缘的等值线图。

和其他判断方法相比，示踪剂辅助判断火线位置的方法能够为准确预测井组间的气体流向和不同方向的流量提供依据，方法简单可行，准确度较高，在现场已经得到广泛应用。

3 火线位置预测方法对比分析

3.1 实例分析

已知某油田某区块的基础数据为：油水界面为1 300 m，油藏深度900 m，油层厚度平均为42 m。开发区块平均厚度为5.3 m，孔隙度平均为0.25，渗透率平均为780×10-3μm2，岩石压缩系数为0.002 MPa-1，原始含油饱和度为65%，原油体积系数为 1.055，井底压力为1.9 MPa，注气速率为10 000 m3/d，注气黏度为0.018 mPa·s[14-16]。

表1为该区块利用3种不同方法计算的火线距井的距离。其中，压降试井法计算出的结果为火线距注气井距离的最大值，从宏观上反映出火线的发展情况；而物质平衡法和示踪剂监测法可以计算出某一井组里各个生产井与注气井之间的火线位置。

表1 某区块利用3种方法计算的火线距离

3.2 火线位置预测方法选取

综合近几年现场所用预测火线位置的方法得出，对于浅层油藏来说，可采用红外照相法在地面直接获取燃烧前缘的位置，但是结果受盖层影响较大，当油藏埋藏较深时，热损失容易造成图像失真，此类方法适用于在1 000 m以内的浅层实施。

对于观察井和生产井密集的井组来说，使用测温元件直接获取火线位置不失为一种简便可行的方法，将测温元件安装在观测井或生产井内随时测量油层温度变化，通过绘制等温线图读出火线位置，但是当观察井和生产井数不足的时候，由于测温点少进而会影响准确度，若想提高准确度需要增加测试点，导致付出更多的成本。

当油藏的均质性较好且井网形式比较规范(如排状井网、五点井网等)时，将井组的生产动态和物质平衡方法相结合，即在物质平衡方法的基础上，将注气量按照各生产井的方向进行平均分配，以此来计算火线与注气井间的距离，可以大致了解火线在地下的移动情况。

对于非均质性严重或井网形式不规范的油藏来说，利用示踪剂监测和生产动态相结合的方法，可以更准确的反映出各生产井的真实来气量，计算结果会更加准确，结果可靠，成本也不高，局限在于样品采集多、监测分析起来比较麻烦。

压降试井法由于计算比较复杂，计算结果是建立在理想模型下的宏观值，目前在现场应用不是很广泛。

4 火线推进影响因素

4.1 地质条件

对进行火驱的油层进行地质筛选，是火烧油层技术取得理想效果的重要因素。一般来说，要求油层岩性好，有合适的埋藏深度、厚度大、岩层密封性好，在油层成功点火的基础上，火线稳定均匀地向前推进。对于非均质性严重的油层，气体容易沿着渗透率高的空隙突进形成气窜，一旦形成气窜需要立即封堵，否则容易造成油层熄火严重影响采收效果；对于埋藏过深的油藏，注气过程需要非常高的压力，控制不好容易压裂地层，对储层造成永久伤害；对于薄层油藏和密封性不好的油藏来说，火烧过程中油层往上下岩层的热损失增加，使油层温度降低最终可能导致油层熄火。

4.2 注气强度

油层成功点燃之后，需要提高注气强度保证油层持续燃烧。但是过高的注气强度又容易形成气窜通道，或者造成回烧现象，导致油层燃烧不稳定。在一定范围内，随着注气强度的提高，火线推进速度相应增加，但是注气强度超过一个最佳值后，火线推进速度会与注气强度成反比，所以注气速度并不是越大越好。另外，根据注采平衡的原理，在火烧油层过程中最理想的状态是在某一井组内的注入量等于采出量，但是这一目标在现场很难实现，现场上应该尽量做到“少注气、多采油”[17]。

克拉玛依油田某区块火烧层位岩性以中粗砂岩和中细砂岩为主，垂向层理相互交错，裂缝发育，油层厚度变化在0.5～2.4 m，平均为1.22 m。在火驱过程中，井组燃烧不理想，井组之间连通性差，产油量较少，通过诱导气流、补钻新井等措施，在投产后调整注采比为0.7 m3/m3，地下燃烧逐渐趋于稳定[18]。

4.3 油井管理

生产井的产气量可以直接反映出油层的燃烧情况，CO2含量高而且产气量大，说明油层燃烧情况良好。当各油井之间的生产情况差异较大时，对于产量低的油井，可以放大油嘴，诱导燃烧前缘在此生产井方向的推进，扩大波及范围，提高油井产量；当注气强度比较低、注气不稳或者停注的时候，可以通过及时更换小油嘴的措施来保持地层压力，防止原油倒流。

井间的连通性也是影响火线推进的重要因素，在点火之前，要考虑到射孔、污染等因素是否造成了井间连通性变差，以便及时采取措施进行改善，单井吞吐是最简便有效的一种方法。因此，加强对生产井的动态分析，及时采取相应措施调整燃烧前缘的前进方向和推进速度，对火烧油层取得良好效果十分重要。

5 结论

(1) 红外照相法适用于浅层油藏，用测温元件直接测试法适用于观察井和生产井密集的井组，生产动态和物质平衡相结合的方法适用于均质性好且井网形式规范的油藏，示踪剂监测和生产动态相结合的方法适用于非均质性严重或井网形式不规范的油藏，压降试井法由于计算复杂，有待进一步研究。

(2) 地质条件、注气强度和油井管理是影响火线推进的主要因素，现场应做到“少注气、多采油”，维持合理注采比，并结合生产动态分析对油井加强管理，引导燃烧前缘稳定均匀推进。

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(编辑 王亚新)

Prediction Method and Influence Factors of Combustion Front in the Process of Fireflooding

Qu Zhanqing1， Li Yang1， Tian Xianglei2， Jiang Haiyan3， Lin Shanshan4， Huang Desheng1

(1.School of Petroleum Engineering, China University of Petroleum, Qingdao Shandong 266555, China;2.XianheOilProductionPlant,ShengliOilfieldBranch.Co.,Ltd.,DongyingShandong257068,China;3.CollegeofPetroleumEngineering,Xi’anShiyouUniversity,Xi’anShaanxi710065,China;4.ProductionResearchInstitute,ChinaOilfieldServicesLimited,Tianjin300450,China)

Locating the combustion front timely is helpful to production control. The prediction methods of combustion front used in field were researched, then a set of application method specific to reservoirs with different feature was obtained. Infrared photography was suitable for shallow layer reservoirs, and direct testing method using thermometric component was suitable for reservoirs with intensive observation well and production well. Method combining production performance and material balance was suitable for homogeneous reservoirs with regular well pattern, and method combining tracer monitoring and production performance was suitable for heterogeneous reservoirs or reservoirs with irregular well pattern. The pressure drop test method was so complicated that it needed further study. At last the suggestions were proposed that on the basis of geological screening in advance, the aim of "less air injection and more oil production" should be achieved, besides, the management of production well should be strengthened by combining analysis of production performance, so that the combustion front could be moving forward evenly and steadily.

Fireflooding; Combustion front; Falloff testing; Material balance; Tracer; Influence factor

1006-396X(2015)01-0036-05

2014-03-20

2014-05-20

国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”(2011ZX05051)。

曲占庆(1963-)，男，博士，教授，从事油气田开发方面的研究； E-mail:quzhq@upc.edu.cn。

TE345

A

10.3969/j.issn.1006-396X.2015.01.008