火驱油墙技术界限判定及运移特征

王伟伟

(1.中国石油辽河油田分公司，辽宁 盘锦 124010；2.国家能源稠(重)油开采研发中心，辽宁 盘锦 124010)

0 引 言

在稠油开发方式中，火驱是一种重要的稠油热力采油方法[1-3]，已在国内外开展了大量的室内研究和矿场试验，取得了较为显著的效果[4-10]。由于火驱机理十分复杂，目前没有有效手段能精准监测火线，对火驱地下动态认识不清。在稠油火驱过程中，油墙的形成是确保火线持续稳定向前推进和提高油藏采收率的必要条件，油墙可体现地下流体动态，因此，很多科研人员对火驱过程中的油墙进行了分析研究[11-16]。为明确油墙的技术界限，动态描述油墙形成后的运移特征，以室内火驱实验为基础，结合不同区带机理特征开展相关研究，为现场综合调控提供技术支持。

1 火驱物理模拟实验设计

1.1 实验装置

火驱物理模拟实验系统主要包括注气系统、点火系统、模型本体、数据采集系统、产液气分离及回收系统[17]。模型规格为50 cm×11 cm×4 cm，模型本体为填砂模型，在模型内部布设3行共39个测温点，监测模型内不同位置的温度变化；布设2个测压点，监测模型内不同区域的压力变化及不同区带间的压力降。实验岩心采用辽河油田杜66 块K039井天然岩心，取样点的含油饱和度分析[18]采用TherMAX500热重分析仪。

1.2 实验过程

实验过程主要包括以下几个部分。

(1) 装填模型。将天然岩心捣碎，均匀填入模型内压实，模型密封，试压。

(2) 建立连通性。将模型升温至地层温度45 ℃，向模型内注入氮气，建立注采井间连通性，模型回压设定为2.5 MPa。

(3) 点火及调控。以阶梯式升温方式将点火器升温至500 ℃，向模型内注入空气，控制注气速率为8 L/min，稳定燃烧后关闭点火器。根据燃烧情况调整注采参数，控制火线保持稳定推进；根据实验温度及压力变化采集油、气样品。

(4) 结束实验。当火线到达生产井时注氮气灭火，待模型温度降至室温，拆开模型，直观分析火驱燃烧区带特征，并在不同区带取样(见图1中取样位置1～16)进行饱和度分析。

图1 火驱不同燃烧区带取样位置

2 实验结果及分析

2.1 含油饱和度分析

火驱过程中，从注入端到生产端将储集层划分为6个区带：已燃区、火线、结焦带、冷凝区、油墙和剩余油区[19]。采用常规饱和度分析方法，结合不同区带机理特征，对实验后不同位置的取样点进行了含油饱和度与最高温度的对比分析(表1)。由表1可知：取样点1、2、3、4、5、9最高温度都在450 ℃以上，经充分燃烧后基本不含燃料，含油饱和度在6.00%以下，属于已燃区；取样点7、11、14最高温度在500 ℃以上，含油饱和度略高于已燃区，在9.00%以下，属于火线；取样点6、10、12最高温度为300～400 ℃，主要发生裂解生焦反应，含油饱和度为11.00%～20.00%，属于结焦带；取样点15最高温度为225 ℃，与实验压力下的饱和蒸汽温度(参照饱和蒸汽温度压力对照表可知，实验结束时模型内的压力为2.5 MPa，对应饱和蒸汽温度为224 ℃)保持一致，含油饱和度为49.96%，略大于初始含油饱和度，属于冷凝区；取样点8、13、16最高温度在200 ℃以下，含油饱和度比初始含油饱和度约高10.00～17.00个百分点，属于油墙。受灭火时机影响，取样点中没有剩余油区。

表1 火驱不同取样点含油饱和度与温度对比

2.2 油墙技术界限的判定方法

油墙是指原油从上游被驱替出来汇聚成的高饱和度区域，主要包括高温蒸馏和裂解形成的轻质油、未明显反应的地层原油、燃烧生成的水和二氧化碳以及空气中的氮气[20]。火驱过程中油墙运移需满足2个条件：一是上游原油受热聚集导致含油饱和度增大形成油墙，二是下游原油在驱动力作用下可流动。

由表1可知，凝结区内含油饱和度略大于初始含油饱和度。这是由于过热蒸汽遇冷油后凝结成水所占的体积减小，空余出的体积迅速被冷凝成轻质油的气态烃以及降黏后的原油占领，导致含油饱和度增大，随着火驱继续，原油聚集形成油墙，满足油墙运移的第1个条件。由于蒸汽发生冷凝相变时，始终处于饱和温度的两相共存状态，温度相对保持稳定，参照饱和蒸汽温度压力对照表可获得实验压力下的饱和蒸汽温度值，即为判断油墙的温度上限。

地层孔隙中的稠油在较低温度下很难流动，要达到油藏的开采条件，使稠油具有流动性，需将地层温度升至一定温度，该温度就是拐点温度。拐点温度即为判断油墙的温度下限。稠油拐点温度的计算公式[21]为：

T0=8.6lgμ+22.5

(1)

式中：T0为原油拐点温度，℃；μ为50 ℃时地面脱气原油黏度，mPa·s。

实验用油50 ℃时地面脱气原油黏度为1 707 mPa·s，由式(1)计算出其拐点温度约为50 ℃。实验结束时模型内最低温度为94 ℃，均大于拐点温度，满足油墙运移的第2个条件。

2.3 油墙的运移规律

根据油墙的技术界限，通过分析火线形成后不同时刻的温压数据，绘制出点火后相应5个时刻的油墙分布图(图2)，详细描绘实验过程中油墙的运移情况。由图2可知，点火后75 min火线形成，原油黏度大幅降低，可流动性增大，在热效应与驱替作用下，原油不断聚集形成油墙；随着火线不断推进，燃烧波及面积增大，油墙不断向前推进运移，油墙范围随之增加，增加速率与火线推进速率相当；点火后150 min时，油墙运移至接近生产井，此时油墙范围达到最大，生产井开始进入稳定生产阶段；随着火线继续推进，原油不断被采出，油墙范围逐渐减小，点火后179 min时，火线推进至接近生产井，油墙即将被全部采出，生产井稳产阶段结束；待火线到达生产井时，注氮气灭火，结束火驱实验。

2.4 油墙的增油机理

油墙是保持生产井稳产、实现火驱高采收率的必要条件，也是注采压差的集中消耗地带。在油墙形成并不断推移的过程中，含油饱和度逐渐增大，堵塞了燃烧尾气的通道，降低了气相渗透率，导致模型内压力升高。图3为火驱过程中测压点压力变化情况。图4为火驱过程中阶段产油量及驱油效率曲线。

图2 火驱实验中油墙(黑色区域)移动过程示意图

由图3、4可知，火驱过程存在2个产油阶段：油墙形成之前为注气点火阶段，在气体驱动作用下，模型内压力缓慢小幅上升，出现一个小的产油峰值，该阶段驱油效率为5.9%；油墙形成后为火线稳定推进阶段，该阶段驱油效率为77.0%。油墙刚形成时，模型内压力略有上升，随着油墙范围不断增加，压力逐渐升高，导致火线推进阻力增加，推进速度变慢。为了保证实验过程中火线稳定推进，提高实验注气速度后，模型内压力快速升高，产量随着压力逐步升高，受井距位置影响，压力先于产量达到峰值。油墙接近生产井时，油墙阻力达到最大，模型内压力达到峰值，产量开始大幅度增加，生产井进入稳产阶段；随着油墙范围逐渐减小，其阻力作用也随之减弱，模型内压力下降，火线接近生产井时，产油量达到峰值。火驱过程总驱油效率为82.9%。

图3 火驱过程中测压点压力变化

3 现场应用

辽河油田杜66块为中深层薄互层状普通稠油油藏，埋深为800～1 200 m，50 ℃地面脱气原油黏度为300～2 000 mPa·s。自2005年实施火驱开发，已先后经历了先导试验、扩大试验、规模实施3个阶段，火驱增油效果明显。截至目前，火驱井组日产油由转驱前330 t/d升至785 t/d，先导试验7井组、扩大试验10井组、规模实施24井组和50井组分别上升70、89、143、153 t/d；尾气监测结果表明，先导试验区92%的油井实现了高温氧化燃烧。

图4 火驱过程中阶段产油量及驱油效率曲线

曙试观6井位于先导试验10井组内，与注气井相距140 m，转火驱后井底温度由72.8 ℃持续升至108.6 ℃，地层压力由0.8 MPa升至3.2 MPa又降至2.6 MPa。该区域50 ℃地面脱气原油黏度为902.8 mPa·s，对应拐点温度为48 ℃，2.6 MPa对应饱和蒸汽温度为226 ℃。根据油墙的技术界限，并结合生产井的温度压力升高、产量稳定等生产动态可判断出试验井组油墙已形成，在观察井方向油墙前锋已到达生产井，处于热效驱油稳产阶段。随着生产井继续生产，当油墙被采完时，凝结区水带抵达生产井，伴随井底温度上升(接近地层压力下的饱和蒸汽温度)，产气量急剧增大，含水率达98%以上，此时建议关井，防止火线突破生产井，造成井口高温，导致井筒烧毁等安全隐患。

4 结 论

(1) 通过分析油墙运移条件，结合饱和度与温度的对应关系，提出了油墙技术界限的判定方法：温度上限为火驱过程中对应实验压力下的饱和蒸汽温度，温度下限为原油的拐点温度。

(2) 结合不同区带机理特征，含油饱和度分析结果为：已燃区含油饱和度小于6.00%，火线含油饱和度小于9.00%；结焦带含油饱和度为11.00%～20.00%；凝结区含油饱和度略高于初始含油饱和度；油墙含油饱和度比初始含油饱和度高10.00～17.00个百分点。

(3) 火线形成后，原油受高温作用影响聚集、移动形成高饱和度油墙。随着火线推进，油墙范围逐渐增大，当油墙接近生产井时，油墙范围达到最大，随着原油不断采出，油墙范围逐渐减小并最终消失，火线到达生产井。

(4) 室内实验表明：火驱过程中，点火注气阶段模型内压力缓慢小幅上升，气驱产油阶段驱油效率为5.9%；火线稳定推进阶段产量随压力逐渐升高，油墙接近生产井时模型内压力达到峰值，火线接近生产井时产量达到峰值，随后均逐渐下降，油墙稳定产油阶段驱油效率为77.0%。

(5) 将室内油墙运移特征应用到现场，跟踪监测曙试观6井的温度、压力变化，根据油墙技术界限并结合现场生产动态，判断曙试观6井方向油墙前锋已到达生产井，处于热效驱油稳产阶段。