基于数值模拟的火烧油层过程中的相变作用

蒋海岩, 杜 坤, 袁士宝, 任宗孝, 程海清

(1.西安石油大学 石油工程学院，西安 710065; 2.陕西省油气田特种增产技术重点实验室，西安 710065; 3.长庆油田采油十厂，甘肃 庆城 745100； 4.中国石油辽河油田分公司，辽宁 盘锦 124010)

火烧油层是一种具有明显技术优势和潜力的采油方法。火驱开采过程中将油层中的原油裂解产物当作燃料点燃，依靠持续向地层中注入空气维持燃烧，不断产生热量，依靠热力等综合驱动方式协同作用，达到提高采收率的目的[1-3]。火烧油层还具有适用范围广、物源广、采收率高、成本低等特点。但由于火烧油层过程中包含一系列的化学反应，同时伴随气、液、固三相的运移过程，包含相变和热膨胀等，地面很难直观准确地监测储层中的燃烧反应和驱油过程，为火烧油层调控带来较大的难度。因此，火烧驱油技术还未达到像注蒸汽采油技术一样广泛的应用，开展影响火驱效果的机理研究十分必要。

火烧油层因存在复杂的燃烧反应，温度高、范围大，导致地层中原油及气体产生剧烈的相态变化，形成了冷凝带、蒸汽带和燃烧带等，产生热废气、蒸汽和热水协同驱油作用，进而影响采收效果[4-6]。但是到目前为止，对火驱过程中原油在地层中的相变研究较少。

本文致力于火烧油层中相态变化对驱油效果研究，针对火驱中原油受高温作用引起相变强弱的问题，采用数值模拟软件，首先建立多组分模型模拟地下原油性质，其次使用热采模型模拟原油受不同程度相变作用，并对火驱燃烧效果和特征场进行分析。

1 模型的建立

火驱燃烧伴随有大量的热量产生，地层中的烃类在受到高温时会发生剧烈的相态转变和相间的传递[7-10]，产生复杂的物理化学变化，对火驱生产的监测和调控带来巨大的挑战。为此，利用CMG油藏数值模拟软件建立火驱模型，讨论相变作用对火驱的影响。

1.1 组分和相态的划分

稠油中存在很多复杂的组分，而且各个组分在火驱过程中也都参与了化学反应。为缩短火驱数学模型运算时间，通过参考相关文献和资料[11-12]后，对火烧油层中的化学反应采取如下简化：首先建立四相七组分模型，分别为气相、水相、油相和固相及水、重油(heavy oil)、轻油(lite oil)、CO2、CO/N2、O2和焦炭(coke)7个组分(表1)。其中空气中的N2不参与燃烧反应，而CO在燃烧产物中所占比例较小，因此，将N2和CO两种气体归于一个组分。

表1 四相七组分基本表Table 1 Phase classification and components

由于原油氧化反应产物复杂，为减少组分数量并提高模型在计算中的运算速度，考虑将性质相似的组分合并，得到2个油相拟组分。其中，C1～C30为轻油，约占摩尔组成的 0.633 1；C30+为重油，约占摩尔组成的 0.353 3;CO2和N2/CO摩尔组成分别约占 0.013 2和 0.000 4。利用数值模拟软件CMG中的Winprop模块拟合原油各组分理化性质。对拟组分进行拟合的理化参数包括黏度(η)、密度(ρ)、平衡常数(K值)等。计算得到轻油的分子量214.7 g/mol、临界压力 2.241 91 MPa、临界温度458.32℃；重油的分子量652.0 g/mol、临界压力 1.145 83 MPa、临界温度688.04℃；压力为101 kPa、20℃下，原油密度 1 095.07 g/cm3，原油黏度 1 520.84 mPa·s。

1.2 火烧油层模型建立

图1为STARS模块模拟的火驱网格模型示意图。模型采用直角网格系统，网格数量为35×20×3，网格步长为5 m×5 m×3.3 m，储层埋深600 m，油藏温度20℃，原始地层压力8 MPa，孔隙度(q)25%，渗透率350×10-3μm2，平均含油饱和度65%，地层原油黏度 1 176.5 mPa·s，地层原油密度 0.946 4 g/cm3。油藏边界封闭，盖层与底层有热量损失，盖层与底层的体积热容为2.350×106J/(m3·℃)，导热系数为1.496×105J/(m·d·℃)。采用排状井网进行开采，注采井距70 m。注气井和生产井在3层中全部投入使用。2018年1月开始进行火驱生产，向油藏中注入空气，注气速度为 3 000 m3/d，连续注入20年，生产井井底温度高于300℃立刻关井，最小井底流压1.5 MPa。

火驱模型中7个拟组分发生的原油氧化反应如表2所示。

1.3 稠油火驱过程中相平衡的表达

通常对复杂油气体系中相变规律的研究有实验和数值模拟计算2种方法[13-17]。相态实验是通过有代表性的油气样品，用于PVT(压力-体积-温度)实验室分析，确定储层流体的组成和物理化学性质。相态实验分析研究是相态数值模拟的基础和依据，实验的准确性直接影响后期相态数值模拟结果的准确性和可靠性。但通过实验的方法受到仪器工作温度、压力范围等的限制，还无法得到完整的相图和全部的相态参数，这就需要相态变化和相平衡计算来描述和预测油气体系的PVT相态特征和变化规律。其中，相态变化的主要表示方法包括相律、相图，表达相平衡所需的计算方程主要包括物料平衡条件方程、热力学平衡条件方程以及状态方程。为了更直观地表达气液间相平衡，通常采用气液相平衡常数Ki表示。气液相平衡常数Ki表示i组分在平衡状态时气、液相的比例，等于相平衡条件下该组分在气相中的摩尔分数与在液相中的摩尔分数的比值，即

Ki=yi/xi

(1)

表2 火驱中7个拟组分氧化反应Table 2 Oxidation reactions of 7 quasi-components in combustion drive

其中：yi表示i组分气相中的摩尔分数，xi表示该组分液相中的摩尔分数。

气液相平衡常数Ki通常可由图版法和计算法得到，而数值模拟软件(CMG)通常使用下式

(2)

其中:p为压力；t为温度；k1为气-液K值关系式的第一个系数，与压力相关；k2为气-液K值关系式的第二个系数，与压力倒数相关；k3为气-液K值关系系数，无量纲；k4为气-液K值关系式的第四个系数，与温度相关；k5为气-液K值关系系数，与温度相关。

利用Winprop模块拟合原油各组分理化性质，通过拟合各组分的密度、黏度，并进行两相闪蒸实验计算后，绘制出符合该原油的p-t相图(图2)。图中添加了典型常规气藏、典型凝析气藏、典型挥发性油藏和稠油藏的临界点(C1、C2、C3、C)，并标出了常规水驱油藏、注蒸汽以及火驱的温度压力范围。常规水驱温度一般在50～100℃，一般压力 <18 MPa；注蒸汽驱温度通常在220～350℃，通常压力<16 MPa；火驱开发压力较低，在0.3～14 MPa，一般温度>300℃[18]。从图中可以看出，相比常规油藏开采方法，稠油临界点的温度高、压力低。显然火驱的温度更高、范围更大，相变是火驱开发方式不能忽略的过程。蒸汽吞吐井底蒸汽温度最高维持在200～300℃。而火驱反应发生在整个油层内，且存在明显的区带特征，特别是燃烧区，反应剧烈，温度>300℃，相变就越发剧烈。

利用Winprop软件，针对油相中轻油、重油2个拟组分油品在0.1～80 MPa和16.85～700℃条件下进行常规PVT拟合后，计算得到不同温度和压力下轻油的气液相平衡常数K值(表3)。

表3 不同温度和压力下拟组分气液相平衡常数(K值)Table 3 Vapor-liquid equilibrium constant K of pseudo-components at different temperatures and pressures

火驱生产过程中，部分轻质组分由重质组分受热裂解产生，易产出，且占产量的主要部分，因此，本文重点讨论轻质组分。

下文中表述的Ki均表示轻油的气液相平衡常数，但气液相平衡常数Ki受多个参数(如温度、压力等)的影响，且一旦油层条件确定，气液相平衡常数即为定值。这里考虑从理论角度，通过改变气液相平衡常数大小，描述不同性质稠油在火驱中气液相态之间相互传热及传质的强弱。由气液相平衡常数定义式可知，Ki越大，则气液两相平衡后，气相含量越大，表示相同条件下原油中含有轻质组分越多，受热后原油越易挥发，更多液相轻质组分进入气相，导致气液相平衡常数越大；相反，稠油中含轻质组分越少，重质组分越多，更多的热量被重质组分裂解反应吸收，使相同量轻质组分由液相转化成气相所需热量减少，气液平衡状态下，气相含量少，气液相平衡常数值较小。因此简化计算过程，直接修改式(2)中的k1i，分别使k1i增大一定倍数，由式(2)可知Ki也得到相应的增大，从而模拟火驱作用下不同性质原油在高温燃烧带内的相变作用强弱。表4列出不同性质原油在高温燃烧带(温度505℃，压力2.193 MPa)内K值的变化，其中k1为 1.892 9×103kPa，k2和k3均为0，k4为 -4 680.1℃，k5为-132.05℃。

表4 不同性质原油的相平衡常数Table 4 K values of different phase equilibrium constants

为进一步揭示相变对不同类型稠油的火驱驱油机理和优势，下面详细对比和总结不同类型稠油受不同程度相变下的火驱模拟结果。

2 不同相变程度对驱油效果的影响

气液相平衡常数依次增大时，采收率和累计产油的变化规律如图3所示。

由图3分析可知，火驱过程中，气相轻质组分含量越多，相态变化越剧烈，采收率越高。这是因为气相流动阻力远小于液相流动阻力，而气相含量的增加使越来越多的轻质油更容易流动，更容易被生产井采出，导致累计产油增加，采收率上升。火驱现场中生产井温度超过一定值会对地下管柱和生产设备等造成损害，因此模拟过程设置当生产井温度到达300℃时模型运算停止。从模拟结果可见不同K值下采收率曲线的截止时间存在差异，相平衡常数越大驱替推进速度越快。

图4和图5分别表示不同相平衡常数下的含水率和产油速率的变化规律。含水率曲线总体呈现先下降后上升的趋势，且随着相平衡常数K的增加，同一时期的含水率逐渐下降。前期含水率曲线高是因为油藏处于蒸汽吞吐末期的排水期，地层中大量的水被排出，含水率降低；一旦油墙越过生产井，含水率开始上升，产油速率逐渐下降。随着相平衡常数的增大，气相中轻质组分含量增加，相变剧烈，生产速率加快，地层中流体越早被排出，导致同一时期含水率和产油速率曲线下降越快。

3 不同相变程度对燃烧效果的影响

如图6所示为火驱生产第二年不同性质原油的气液相平衡常数的注入井和生产井间温度分布曲线。

由图6可知，燃烧规律基本按照由点火井端向生产井端推进的规律。不同的是，随着原油中气相轻质组分含量增加，导致相变越剧烈，使油层温度峰值降低，整体温度波及范围扩大。这是因为气体在流动过程中携带部分热量，到集油带冷凝释放热量；当原油中气相含量越多时，气体从燃烧前缘中携带的热量就越多，氧化反应中更多的热量被气相带入原始油区，原油降黏作用越明显，越有利于稠油开采。因此，相变作用增强，不仅能保证火驱取得较好采出程度，同时还能扩大热量的波及范围，有效降低注气成本。

空气注入油藏并成功点火后与原油发生剧烈的燃烧，导致油藏中各种气体浓度产生变化。利用数值模拟软件对不同气液相平衡常数下的气体产出及分布规律进行研究，图7和图8模拟出火驱生产1年后CO2和O2在注采井间的分布情况。

由图7和图8可知，同一时刻，随着原油中气相轻质组分含量增加，相变越来越剧烈，注入的O2和燃烧产生的CO2移动速度越快，越靠近生产井，波及范围越大。同时，相变越剧烈，生产井附近CO2浓度越高，燃烧越剧烈，产生热量越大，火驱效果越好。

4 饱和度场特征分析

火驱属于一种注空气提高采收率的热采方法，空气随注入井注入油层后，原油会与之发生剧烈反应，导致反应过程中油气水饱和度发生变化。图9为不同相变程度下油气水三相饱和度场随时间变化的场图。

由图9可知，从注入井到生产井依次出现纯气相(红色)、原油气化蒸馏带(黄色)、水蒸发带(紫红色)、集水带(蓝色)、集油带(绿色)、原始未受影响区带(浅蓝色)。同一时刻，轻质组分的气相含量越多，相变程度越剧烈，集油带越厚，油相饱和度越高，油墙前缘越早到达生产井。同时由于相变作用增强，油藏流体的流动阻力下降，增大了流体的波及速率，有助于连通各个注气井，使地下油墙较早地形成统一的含油驱替界面，扩大火驱波及范围，提升驱替效率。

在成功点火后，蒸汽带内含水饱和度较高(超过42%)且燃烧较充分，油层水和燃烧产生的水遇高温汽化，就地蒸发形成水蒸发带(图9中黄色)。由于蒸汽推进速度比火线快，在受驱替作用向前推移过程中，蒸汽带遇冷液化，放出大量热量，供前方低温区流体受热降黏。从图9中看出，轻质组分越多，相变越剧烈，蒸汽带波及范围越远，越多重质组分受热，降黏效果越好。此外，同一相变程度下，氧化反应生成的CO2随着时间而增加，导致氧化前缘形成主要由CO2和N2组成的烟道气，在一定程度上强化了烟道气的驱油效果。

此外，结合图7、图8可知，气相中轻质组分含量越高，相变作用越剧烈，气体波及速度越快；同一时刻下，相变作用越强，气相饱和度越高，波及范围越大，气腔由圆胖形逐渐向长瘦形转变，气体越早地到达生产井，火驱生产速率提升，效果增强，采收率升高。相变作用越强，从燃烧带携带走的热量越多，让更多存留在燃烧区的热量进入原始油带，增加重质组分裂解降黏等作用，提高采收率。

5 压力场特征分析

油藏压力不仅反映地层能量的变化，还影响地下流体的相态，而相变作用也影响着压力场的变化。图10给出了3个依次增大的相平衡常数下，油藏压力随时间的分布情况。

由图10可知，在火驱生产初期(1～1.5年)，相变作用越强，生产井排与注气井排之间的压力梯度越大。这是因为空气注入地层后与原油发生剧烈的氧化反应，产生气体，燃烧驱替前缘的集油带阻碍了气体的推进，使集油带附近“憋”起部分高压，形成高压区带，一定程度上保持油藏压力，增加地层能量，为后续生产提供动力。随着生产时间的增加(1～3年)，地层整体压力逐渐下降，而相变作用越强，压力下降越快。这是因为，相变作用越强，空气与原油接触越充分，燃烧作用越强，流体受热降黏，增加地层中可动流体，形成高压与热效应的协同驱油作用，使原油越早地被采出。采油速率(图5)和油气水三相饱和度图(图7)也说明，相变作用越剧烈，集油带过早地被驱替到生产井，采油速度越快。

6 结 论

本文通过建立典型的火驱热采概念模型，将不同性质原油相变强度下的驱油和燃烧效果进行对比，分析了相变对驱油的作用机理，揭示了相变在火驱过程中提高采收率的作用，为火驱现场生产提供理论依据和借鉴。

根据数值模拟结果和理论分析，可以得到以下结论：

a.火驱开发过程中油藏气相中轻质组分含量越多，相变越剧烈，火驱生产时间越短，生产效果越好。

b.相变程度的增强虽然降低了火驱氧化反应的温度峰值，但扩大了热量的传播范围，改善原油性质，缩短生产时间，降低生产成本。

c.气相中轻质组分含量增加，相变作用增强，产生更多CO2。不仅形成了以N2、CO2、O2和水蒸气以及硫化物等烟道气驱的协同驱油，而且在一定程度上又强化烟道气的驱替效果，提高采收率。

d.轻质组分气相含量的增加，导致在压力场图中“憋”起高压带，高压与热效应共同作用加速注采井的连通。