火烧油层(干式燃烧)室内实验研究

杨俊印

(中油辽河油田公司，辽宁 盘锦 124010)

火烧油层(干式燃烧)室内实验研究

杨俊印

(中油辽河油田公司，辽宁 盘锦 124010)

在现场火驱开发过程中，火烧状态很难判定，为解决这一难题，对火驱采油机理进行了室内模拟研究。使用冷37－45－562井天然油砂，开展一维模型火烧油层物理实验，分析了在火烧过程中产出气体和火烧前后原油组成的变化特征。实验结果表明:CO2、CO浓度变化规律反映了原油从被点燃到形成稳定燃烧区的过程，其浓度变化的第1个峰值对应原油自燃温度。运用色谱、色质、红外等分析手段，结合相关化学反应机理，证实了在火烧过程中原油经历低温氧化、高温裂解和高温氧化的过程。其研究方法和结论可为现场火驱动态监测提供依据。

火烧油层;自燃温度;低温氧化;高温裂解;高温氧化

引 言

火烧油层是油藏开发的一种重要方式，与其他开发方式相比具有投资少、采收率高的明显优势［1］。世界范围内从20世纪50年代开始进行火烧油层实验至今，此开发方式仍没有普及，在中国这种开发方式仍然处于试验阶段。火烧油层对其相关技术要求很高，有些关键技术至今还没有得到解决。火烧油层(干式燃烧)室内实验化学反应特征研究主要是通过对实验过程中油、气、水等化学性质的分析，从化学反应的角度去认识火烧油层的驱油机理，并根据油气组成变化特征与火烧的动态过程建立对应关系，进而也可以解决现场试验过程中难于判定地层火烧状态等难题。

1 实验流程

实验采用一维模型进行火烧油层物理模拟实验。模型尺寸为42 cm×9 cm×4 cm，装置主要包括模型本体、注气系统、油气分离系统、测量与控制系统4部分组成。岩心取自冷37－45－562井天然油砂，取心井段为1 480～1 600 m。原油密度为0.971 8 kg/m3，黏度为 4.42 ×104mPa·s，实验压力为0.50 MPa，点火温度为500℃。

燃烧首先从点火器端开始发生燃烧，向出口端缓慢推进，直至燃烧结束。期间燃烧过程温度场的变化由布置于模型本体的热电偶进行实时监测，产出的流体经油气分离系统分离收集，然后再进行物化性质分析。火烧后原油密度为0.877 6 kg/m3，原油黏度为6.80 mPa·s。

2 火烧油层化学反应特征

在火烧油层过程中，原油化学反应主要包括裂解反应和氧化反应，其中氧化反应又可分为低温氧化反应和高温氧化反应。低温氧化阶段主要是原油与氧结合的过程，生成C O和-OH等含氧基团。高温氧化反应是原油与O2反应直接生成CO2、CO、H2O 的过程［2－5］。

2.1 气体组分分析

由于高温氧化阶段主要生成气体产物，因此气体组分跟踪监测是判别火烧状态的有效手段。图1是O2、CO、CO2浓度随火烧时间变化图。从图1中看出，CO和CO2的变化趋势是一致的，而O2的浓度与CO和CO2的浓度是反相关系。原油在点火过程中CO2的浓度快速上升，在燃烧时间为107 min达到第1个峰值(浓度为10.99%)。一般认为，此点对应模型燃烧区的最高温度，即原油的自燃温度，这是火驱试验的一个重要参数。

2.2 原油组分分析

根据原油化学性质组成差异，一般将原油分为4个组分，即饱和烃、芳烃、非烃、沥青质。从火烧前后原油族组分分析数据来看(表1)，火烧后原油饱和烃含量明显增加，非烃、沥青质含量相对减少。原油黏度主要由非烃、沥青质性质和含量决定，这也是火烧后原油黏度降低的主要原因。

表1 冷37－45－562井烧前后原油组分分析结果

2.3 色谱分析

2.3.1 饱和烃色谱分析

图2为冷37－45－562井饱和烃火烧前后色谱图。原始饱和烃主要是以异构烃为主，其中高碳数(C27～C35)的四环甾烷烃、五环藿烷烃占有明显优势。这些大分子烃类化合物的存在导致色谱难于分离，基底升高，形成大包络。火烧后原油的饱和烃色谱中，均出现了丰富的低碳数系列正构烷烃和异构烃。大分子结构甾烷、萜烷等环烷烃相对含量明显降低，同时分布主峰由原来的后峰型变为前锋型，主峰碳数由原来的C28～C30变为C13～C15。烃类化合物组成主要是以低碳数的直链正构烃为主，支链异构链烷烃含量也增加。

图2 冷37－45－562井饱和烃火烧前后色谱分析

从室内物理模拟实验温场监测结果来看，冷37块原油在稳定持续燃烧时燃烧温度达520℃。相关研究表明，原油在350℃以上主要呈现为热裂解反应［6］，由于原油是由复杂的烃类化合物组成，并含有O、N、S等杂原子化合物，其中杂原子化合键、各类单体烃C－C离解能差异反映在不同温度下原油组分不同的裂解特征。从饱和烃火烧前后对比结果看(图2)，火烧后低分子饱和烃含量相对增加。从裂解反应活化能角度考虑，其增量主要来源于原油中裂解活化能较低的非烃和沥青质所含杂原子脱除、稠环大分子网状结构中的侧链烷基的热降解或热裂解产物。而饱和烃中高碳数(C27～C35)的四环甾烷烃、五环藿烷烃相对含量降低说明，大分子烷烃自身也会发生裂解反应。

2.3.2 芳烃色谱分析

火烧前，芳烃色谱分析主要为高环数的多环芳烃，如四、五环以上的含硫苯并噻吩、苯并苝类等，色谱呈后峰型大包络分布(图3);火烧后，后峰部分的多环重质芳烃基本消失，低环数芳烃(如单环苯、二环萘与三环菲等)明显增多，色谱成前锋型分布。

图3 冷37－45－562芳烃火烧前后色谱

火烧后原油中低环数芳烃增加的主要原因［7］，一方面，带有侧链烷基低环数芳烃在热力作用下侧链烷基断裂，另一方面原油中大分子长链单体烃在裂解过程中，也会出现环化和芳构化的过程，形成芳烃化合物［8］。芳烃色谱中多环重质芳烃消失，这是芳烃化合物发生了缩合反应形成大分子芳香核片交联，再进一步深度缩合形成焦炭的结果。

2.4 芳烃色谱－质谱分析

从冷37－45－562井火烧后芳烃色质菲系列质量色谱图中发现了蒽化合物的存在。原始地层中烃源岩在还原环境下演化有机质中不含此类物质，它的存在是原油在氧化环境下经历高温裂解作用的结果，是反映原油受热程度的重要的标记化合物。这也反映原油经历了高温裂解的过程。另外，在菲系列色质图也可以看出，随着苯环的烷基取代基的增加，在原油火烧过程中含量逐渐降低，到四甲基菲系列基本消失，反映苯环侧链烷基断裂是原油裂解的主要反应形式。

2.5 饱和烃、芳烃、非烃、沥青质、原油火烧前后红外特征分析

红外光谱是由分子中的原子或原子团振动而对特定频率的红外光产生的吸收图谱。不同频率、强度的红外谱峰可以反应官能团的结构和相对含量高低，它是研究化学反应动力学的重要手段。

在红外光谱中1 700 cm－1表征C O基团的伸展振动;1 600 cm－1是芳核的骨架C C振动吸收峰;1 460 cm－1是脂族链振动吸收峰;1 380 cm－1主要来自CH3基团的对称弯曲振动［9］。对于石油类产品红外分析中，通常用A1460/A1377比值来反映烷烃支化度也就是烷烃异构化程度的指标;把A1700/(A1600+A1460)的比值做为衡量样品含氧量变化指标;把A1600/(A1600+A1460)的比值相当于整个样品的芳碳与总碳之比，即为衡量样品芳香度的指标［10］。

火烧前烷烃支化度指标A1460/A1377比值为1.64，火烧后增加到2.08，表明直链烷烃含量的增加。原油含氧基团主要存在于芳烃、非烃和沥青质之中，火烧前后红外光谱分析参数见表2。

表2 冷37－45－562井火烧前后红外对比分析数据

将C O基增加的参数A1700/(A1600+A1460)定量化，芳烃由火烧前0.177增加到0.420，非烃由火烧前0.627增加到0.804，沥青质由火烧前0.226增加到0.419。C O基增多表明原油在火烧过程中存在与氧结合的过程，也就是存在低温氧化过程。

从原油红外光谱分析中发现，在火烧过程中，单一组分芳烃、非烃、沥青质氧的含量都有所增加，原油饱和烃组分含量增加明显，总体上反映在火烧后原油红外光谱分析结果中的含氧量并没有增加，而芳碳与总碳之比由火烧前的0.21降为火烧后为0.09，这说明富含芳碳的非烃、沥青质含量明显降低。另外，1 000～1 300 cm－1频带的基底也明显降低，表征杂原子化合物相对含量降低，原油性质也发生了很大改变。

3 结论

(1)与其他热采方式不同，火烧油层原油黏度的降低主要是原油的化学性质发生了改变，组成原油的轻质组分含量的增加。

(2)沿着火烧方向分布着低温氧化、高温裂解、高温氧化3个区带。

(3)从裂解反应的活化能角度考虑原油的裂解过程:一方面包括含杂原子脱除、稠环芳烃所带有大量侧链烷基断裂和大分子单体烃自身分子链断裂等;另一方面是芳构化和多环芳烃的缩合反应。

(4)从化学反应角度认识火驱过程:火线前缘在温度较低区域存在着原油与氧结合的过程，随着火线前移温度升高，原油组分发生裂解和缩合反应，轻质组分在气驱和热蒸馏作用下快速前移，致使轻质和重质组分发生分离，残存的重质组分继续发生裂解和缩合反应，最终缩合为焦炭，为高温氧化提供燃料，推动火线持续前移。

(5)火烧后的饱和烃、芳烃色谱组分和生物标记物特征，与原始烃源岩热演化所形成的饱和烃、芳烃组分特征基本一致。

(6)通过油、气组分变化特征可对火烧现场地层原油燃烧状态进行监测。

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Lab experimental study on in situ combustion(dry combustion)

YANG Jun–yin
(Liaohe Oilfield Company，PetroChina，Panjin，Liaoning 124010，China)

The combustion situation is difficult to determine during in situ combustion process in oil fields，so lab simulations are conducted to study the mechanism of in situ combustion．The experiments were conducted with a one－dimensional physical model and natural oil sands from Well Leng37－45－562 to analyze the characteristics of the change in the gas produced from the combustion process and the oil compositions before and after combustion．The experimental results indicate that the change pattern of CO2and CO concentration reflects the process from the ignition of the oil to the stage when the stable combustion has developed in an area and the first peak of the concentration change corresponds to the self－ ignition temperature of the oil．Using the analysis methods of the chromatography，chromatograph mas spectrometer and infrared as well as the related chemical reaction mechanism，it has been confirmed that the crude oil has experienced low temperature oxidization，high temperature pyrolysis and high temperature oxidization during in situ combustion process．The research method and conclusions in this paper can provide a basis for monitoring the performance of the in situ combustion in oil fields．

in－situ combustion;self－ignition temperature;low－temperature oxidization;high－temperature pyrolysis;hightemperature oxidization

TE357.44

A

1006－6535(2011)06－0096－04

20110329;改回日期20110526

国家科技专项“渤海湾盆地辽河坳陷中深层稠油开发技术示范工程”(2008ZX05053)

杨俊印(1966－)，男，高级工程师，1990年毕业于中国地质大学(武汉)工业分析专业，现从事有机地化分析研究工作。

编辑 周丹妮