火烧油层注气流量对火驱前缘影响的室内研究

2015-12-03何龙李忠权李洪奎刘雅丽

长江大学学报(自科版) 2015年2期

何龙，李忠权，李洪奎，刘雅丽

油气藏地质及开发工程国家重点实验室（成都理工大学）

构造成矿成藏国土资源部重点实验室（成都理工大学），四川成都610059

火烧油层作为一种具有明显优势的稠油热力采油技术［1］，具有成本低、驱油效率高（具有蒸汽驱、热水驱的作用）、适应性强等优点。国际上对火烧油层技术的研究始于20世纪50年代，虽然取得了一系列成果，但是该种开采方式仍然没有得到现场的大量应用，而目前在我国火烧油层还处于试验阶段［2］。我国的稠油分布广、储量大，在现今石油资源日益短缺的情况下，稠油的开采势在必行，但一方面因其黏度高、密度大、流动性差，这不仅增加了开发难度和成本，还使油田的采收率很低；另一方面，火烧油层技术要求很高，过程复杂，且很难控制地下燃烧。因此，在开展现场试验之前，火烧油层的室内研究具有很强的理论和现实意义［3～5］。火烧油层现场试验最重要的2个参数分别是流量和压力，笔者选取其中之一，讨论不同流量对火驱前缘的影响，优选流量参数，为现场开发提供理论依据。

1 试验部分

1.1 试验原料及试验装置

试验原料来自于新疆油田提供的含油砂岩的野外露头以及压缩的氮气和空气。

试验装置主要分为4大部分：注气系统、燃烧系统、数据采集控制系统和收集系统（如图1）。

1）注气系统压缩氮气、空气以及气体流量计。试验之前需先通入氮气预热，使试验样品与空气隔绝，保证预热过程中样品不发生氧化反应；压缩空气则为燃烧过程提供稳定、新鲜的空气源。

2）燃烧系统主要为燃烧腔和燃烧管。燃烧管是长度为400mm的钢管，燃烧管嵌入燃烧腔内部，燃烧管上设置13个温度监测点，实时地向数据采集系统传输数据；燃烧腔外层包裹保温棉，以减少热量散失；进气端设置有电火花点火装置，待达到预热温度后，点火引燃燃烧管内样品。

3）数据采集控制系统主要采集燃烧过程中的温度、压力、空气流量参数，并向计算机传输，由计算机记录数据，数据采集时间间隔为1s。

4）收集系统主要收集燃烧过程中产生的气体、液体。

1.2 试验样品制备及试验过程

1）样品制备试验主要所用材料为野外出露的含油砂岩，粉碎后筛选粒径大小在0.6mm至3.35mm之间的样品，并与粒径小于0.6mm的油砂样品按质量比10∶1进行配比，均匀混合后，填入燃烧管内。

2）试验过程首先通入氮气进行预热，目的是为了防止样品在预热阶段与空气接触发生氧化反应，影响试验结果；达到预热温度后（270℃），关闭氮气，缓慢通入空气并点火，使燃烧腔内压力达到设定的压力值（2.0MPa），并控制注入空气流量的大小，待达到试验所需的流量（1.0～3.5L／min不等）后，保持注入流量恒定不变，反复试验；燃烧管各温度监测点监测到的数据由计算机实时记录，整个数据采集过程由计算机控制；待燃烧结束后，取样、分析试验数据。

图1 火驱模拟试验装置图

2 试验结果分析

试验过程中压力是固定不变的，每个流量参数的试验至少进行3次以上，从1.0～3.5L／min不等，共6个。取每个流量下燃烧相对稳定的数据，部分试验结果如表1所示；并对火驱前缘推进距离、推进速率、前缘温度分布特征进行分析。

表1 不同流量条件下部分试验结果

2.1 火驱前缘推进距离分析

火驱前缘推进距离是试验燃烧成功与否的最直接反映。试验中，火驱前缘的推进距离并不总是随着注气流量的增大而增大（图2）。当注气流量为1.0L／min时，推进距离仅为85mm，而它的峰值温度达到368.4℃，说明在该流量条件下，油砂能顺利点燃，但由于流量过小，无法维持后续燃烧以致熄灭；流量增加至1.5、2.0L／min时，推进距离有显著的增加，达到155mm；流量为2.5L／min时，推进距离达到最大值（330mm），而当流量继续增大时，燃烧过程变得不稳定，推进距离忽大忽小，但并未超过330mm。说明流量在2.5L／min时，火驱前缘推进距离最大且燃烧过程相对稳定。

2.2 火驱前缘推进速率分析

火驱前缘推进速率除了与注气流量有关外，还与很多因素有关，如注气压力、油砂的孔隙度等。在封闭的一维管中，由于注气压力恒定，从理论上讲，注气流量越大，气体获得的动能越大，更有利于在油砂中流动和扩散，增大了空气与油砂的接触面积，从而有助于油砂的燃烧，火驱前缘推进速率也相应得以提高。

这里的火驱前缘推进速率指的是在每次试验中，火驱前缘的推进距离与所耗费时间的比值，即整个火驱过程中火驱前缘推进的平均速度。结合表1与图3，注气流量在2.5L／min及以下时，推进速率与注气流量大小大致成正相关；流量从1.0L／min增加至2.0L／min时，火驱前缘推进速率变大，但其大小的变化相对较慢；当注气流量增至2.5L／min时，推进速率大幅上升，说明此时增大流量对火驱前缘推进速率的影响最大，而继续增大注气流量导致燃烧出现不稳定的情况，致使火驱前缘的推进速率发生紊乱。由此可见，在燃烧过程相对稳定的情况下，适当增加注气流量对火驱前缘推进速率有着积极的作用，当注气流量增至2.5L／min时，推进速率达到最大。

图2 不同注气流量下火驱前缘的推进距离

图3 不同注气流量下火驱前缘的推进速率

2.3 火驱前缘温度分布分析

图4是在不同注气流量条件下火驱前缘峰值温度的分布图。从图4中看出，注气流量对火驱前缘峰值温度的影响并不明显，当流量为2.5L／min时，前缘的峰值温度最高达到502.5℃；各温度监测点在该流量条件下所监测到的峰值温度都达到最高，如图5所示。

图4 不同注气流量下火驱前缘的峰值温度

图5 不同注气流量下各温度监测点的峰值温度

试验表明，在注气流量为2.5L／min的条件下，火驱前缘推进最为稳定，如图6所示（图中1＃～12＃为温度监测点）。不同位置的火驱前缘峰值温度总体上表现出随着距注气口的距离增大而降低的特点，这正是火驱前缘由注气口向燃烧管尾部缓慢推进的印证。

在火驱前缘推进过程中，热量向四周传递会有损失，具体表现为不同位置峰值温度的降低。试验过程为恒速注气，燃烧管内所发生的化学反应可视为一个动态平衡的过程，当火驱前缘推进到某一位置时，最先与空气接触的油砂发生了快速而强烈的氧化反应，被蒸馏出来的轻质油组分和水被气流驱替到后面的位置，重质油裂解为轻质油组分和焦炭；燃烧前缘继续向前推进，由前一位置驱替到此的轻质油组分和水的再次蒸馏需要消耗部分热量，而且前一位置燃烧不完全的油砂还将继续消耗空气，加之随着距离的增加，油砂对空气的阻力也在逐渐增大，空气与油砂接触面积逐渐减小，化学反应减弱，温度逐渐降低，直至最后燃烧前缘的熄灭。