国内外火烧油层研究进展与应用

刘 海, 潘 一, 冷 俊

（辽宁石油化工大学, 辽宁 抚顺 113001）

国内外火烧油层研究进展与应用

刘 海, 潘 一, 冷 俊

（辽宁石油化工大学, 辽宁 抚顺 113001）

随着常规油气资源开采的枯竭,我国各大油田已经进入了二次,三次采油时期。稠油作为一种非常规石油资源具有极大的开采价值。火烧油层技术是稠油开采的重要手段,因此对火烧技术的研究有助于稠油资源的开发。文章在调研国内外火烧油层研究与试验文献的基础上,对国内外火烧油层技术进行了全面的总结和概括,介绍了火烧技术的室内试验与现场应用,提出下一步火驱发展的方向为反应原理的研究与现场操作的实施规划。

火烧油层；稠油；室内试验；研究应用；提高采收率

1 火烧油层技术介绍

1.1 简介

火烧油层又称火驱是提高原油采收率的一种重要方法,是利用外部添加的氧气源和人工加热点火手段把地下油层点燃,储层燃烧后的重质成分可以当做下一步燃烧的物质,达到进一步驱动的作用[1-3]。

1.2 火驱过程

整个燃烧过程可以分为低温氧化、燃料沉积和燃烧3个阶段。将空气作为氧源,把热空气注入注入井把油层点燃。形成一个径向移动的燃烧前缘及一个燃烧区,在燃烧前缘的前方,原油受高温高压热作用,最后剩下的裂解产物—焦炭作为火烧的燃料,维持油层向前燃烧[4]。原油不断发生复杂化学反应,生成气相和液相产物,进而引起各种热物理反应并改善地层渗透率驱动原油运移。

2 国外研究与应用

2.1 国外理论研究

20世纪初美国人J.O.里维斯第一次阐述了以提高油层采收率为目的的注驱替液和热力理论。1923年Wolcott和Howard提出用空气作助燃剂使油层燃烧生成热气降低地层黏度是油层持续燃烧的重要措施[5],这是最早有关火驱理论的认识。

1959年, 对于干式正向燃烧的效率与燃烧体积的关系,tadema做了初步的评估并研究了气体用量的数学公式。Benhand和Poettmann,Larken和Bailey等人在这期间也提出了这方面的分析结果[6]。这些工作奠定了火烧油层理论分析和室内实验的初步基础。1960 年Read和Willson[7]等模拟了正向燃烧物理实验,提出了实验的影响要 素和相关的理论公式。20世纪60年代初亚历山大[8]等进行了原油密度与燃料的关系、原始含油饱和度对燃烧的影响等试验,探讨了影响火烧油层的主要因素。1963 年朱杰（Chu C.）[9]和托马斯[10]为了估算 最少燃料用量和位于注入井附近的温度刨面,两人创建了火驱数学模型。1965 年葛待弗雷德[11]建立了一个不完善的一维数模,该数模考虑了流体力学的一些因素（三相流、导热、对流）但忽略了毛细管力及质量。1968年 Kuo[12]建立了考虑热流前缘与燃烧前缘的数学模型。这些理论研究对火烧油层各区域的确定奠定了基础。

70-80年代年代国外学者对火烧油氧化原理,模式以及燃料沉淀量都有很多研究[13],这些都为以后的现场试验奠定了理论基础。

2.2 国外火烧技术试验

1942年美国进行了世界上第一次火烧现场实验。之后美国又实施了70多个火驱项目. 此外前苏联,加拿大等多个国家也先后进行了火烧油技术的相关项目[14]。

在国外,通过对燃料、气体用量、空气与石油比例、原油采收率的研究为干式正向燃烧的现场操作提供了丰富的经验。研究表明火驱具有注入气维持储层压力的作用 且面积波及系数比气驱要高得多。大的湿式正向燃烧项目虽没有干式燃烧那么多,但从成功的现场项目可得知有利的条件参数如表1所示 。

表1 火驱技术有利条件参数Table 1In-situ combustion favorable condition parameters

这些数据为以后的现场试验提供重要的了参考依据。

经过多年的理论研究与室内、现场试验,火驱已成三次采油的一种有效手段,如东欧的Suplaeu油田,中亚的Karazhan油田,北美的Mobil,MidwaySunset油田等,原油采收率都提高到了近 60%[15],均取得了良好的经济效益。

3 国内研究与应用

3.1 国内理论研究

20世纪50年代末大量的室内压力燃烧试验在新疆油田进行。进入60年代后又相继开发了汽油与电热点火器,使之成为我国较早开展火驱研究的油田。

中石油勘探开发研究院于 80年代陆续建立了燃烧釜等火驱物理实验设备。90年代中期胜利油田为了研究室内火烧油试验也建立了一维火烧模拟设备。进入21世纪为了开展大型火驱油层的数值模拟实验,我国购进了CMG公司的stars数值软件[16]。2001年,胜利油田分公司采油工艺研究院的蔡文斌等人[17]利用火烧油层燃烧管物理模拟技术,对河口油区稠油开展了湿式燃烧实验,研究了湿式燃烧下的空气需要量、燃烧前缘推进速度、视氢碳原子比和燃料消耗量等技术参数,以及注空气与注水量的比值对火烧油层效率的影响[18]。为了充分利用已燃区的热能,应当采用湿式燃烧,研究表明湿式燃烧可以有效减少空气需要量与燃料消耗,提高采收率[19]。

2005年,赵东伟、蒋海岩、张琪通过室内火驱一维模拟装置分析了辽河油田原油样品的产出气体成分以及液体物性。为下一步的数模建立提供了地层温度、气液性质等必须的数据和控制条件[20-23]。

2006年中国石油天然气集团公司建立稠油开采重点实验室。完成了火驱室内试验的系统化。2006、2007年中石化与中石油分别成功完成了国内首次火驱三维模拟试验与水平井条件下的重力泄油三维物理试验。

2011年,东北石油大学刘其成、刘永建和刘喜林等[24]进行了火烧油层室内实验及驱油机理研究工作。实验结合了辽河油田实际情况,研究了温度分布特点与燃烧带的划分,以及各种厚度条件下的火烧波及面积和驱替效率。并且随着火烧内部重要追踪化合物的研究进展,成功找到了火驱进程中石油黏性,密度等物性减小的主要原因。

3.2 国内火烧技术实验

50年代末之后国内分别在新疆,玉门,胜利,辽河等油田进行火烧油藏现场实验,其中克拉玛依油田的火驱规模最大,进展最好。具体项目见表2[25,26]。

表2 克拉玛依油田火驱项目表Table 2 Karamay oilfield fireflood projects list

但由于受当时众多原因和环境的影响,最终以失败告终。在火烧油层项目停滞了二十多年后,新疆克拉玛依油田,胜利油田,辽河油田又先后开展了火烧油层现场试验。

进入 21世纪中石化和中石油都进行了火驱开发的现场实验: 2003年胜利油田郑408区块火驱实验点火成功[27], 2009年中石油为了研究稠油油层注蒸汽开发后期接替方案所开展的新疆红浅1井现场试验点火成功。11年中石油为了研究传统蒸汽辅助重力泄油（SAGD）以外的开采技术,通过并实施了新疆风城水平井火驱-重力泄油实验项目。

4 结 论

火驱工艺作为三次采油的中重要的热力采油技术,囊括了气体驱、热力驱、混相和非混相等驱替机理[28]。如能有效认识火驱的反应复杂性,解决前期投资费用高的问题,充分发挥火驱驱替效率与热利用率高的特点,火驱将成为继稠油注水和蒸汽吞吐后提高原油采收率的另一个重要技术方法。进一步的研究应侧重于对反应原理的研究和规划设计方面的全面认识。

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Research Progress and Application of the In-situ Combusion Technology at Home and Aboard

LIU Hai，PAN Yi，LENG Jun
（Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China）

With depleting of the conventional oil and gas resources, China's major oil fields have entered the second, third recovery periods. Heavy oil as a kind of unconventional oil resource has great exploitation value. In-situ combustion technology is an important method for heavy oil recovery, thus development of the in-situ combustion can contribute to the recovery of the heavy oil resources. In this paper, based on research and experimental literatures of the in-situ combustion technology, domestic and foreign in-situ combustion technologies were summarized, the laboratory test and field application of the in-situ combustion technology were introduced. It’s pointed out that the development direction of in-situ-combustion technology should be the study on its reaction principle and field operation plan.

In-situ combustion; Heavy oil；Laboratory test；Research application；Enhanced oil recovery

TE 357

: A

: 1671-0460（2015）03-0545-03

2014-10-15

刘海（1990-）, 男, 辽宁石油化工大学在读硕士，研究方向: 油气田开发工程。E-mail:183187972@qq.com。