稠油火驱化学点火技术的改进

2016-12-20张守军

特种油气藏 2016年4期

关键词：助燃剂油砂稠油

张守军

(中国石油辽河油田分公司，辽宁盘锦 124109)

稠油火驱化学点火技术的改进

张守军

(中国石油辽河油田分公司，辽宁盘锦 124109)

曙光油田薄互层状稠油油藏杜66块火驱原有的化学点火方法存在安全不可控、套管损坏率高的问题，点火成功率仅为80%，平均点火见效期为96d。为安全快速点燃油层，开展了以点火剂为核心的化学点火技术研究，结合原油油品特性，通过理论计算、数值模拟和室内实验等研究，开发了具有催化、助燃功能的新点火剂。新点火剂可在240 ℃及有氧条件下快速点燃油层，并设计了N2携带、分段注入、层内混合的施工工艺，保证了点火的安全性和成功率。现场试验点火成功率为100%，点火见效期为58d。该技术的成功可为火驱开发打下良好基础。

稠油；火驱；化学点火；杜66块；辽河油田

0 引言

火驱具有适用范围广、驱油效率高、成本低、绿色环保等优势[1]，作为稠油开发接替技术，在曙光油田薄互层状稠油油藏杜66块现场试验取得了初步成功。目前火驱所采用的点火方式主要有自燃、电和化学点火3种方式[2]。稠油点火温度高，且需要相匹配的空气量来保证反应温度，自燃点火很难实现；国内普遍采用井下电加热点火器的人工点火方式[3-5]，其存在设备占用时间长、易烧毁、点火成本高等问题；杜66块火驱初期引进了美国的蒸汽预热辅助化学点火技术，蒸汽预热后直接用空气携带点火剂注入地层，其施工简单，但也存在诸多问题，点火剂易在井口及井筒内反应放热，增加安全风险和套管损坏几率，且点火剂无效消耗导致点火成功率仅为80%，平均点火见效时间长达96d。为安全快速点燃油层，对杜66块化学点火技术进行了改进和试验，为火驱开发打下了良好基础。

1 化学点火机理

化学点火方法是通过向油层中注入少量能够发生放热反应的化学物质，增强点火区原油反应活性，使其在初始油藏温度下放热速率大于散热速率，油藏温度持续升高，进而实现点火，其本质是通过油井内部产生热量的方式使原油达到门槛温度而燃烧。其点燃油层的机理[6-7]主要为：催化氧化反应，增加原油反应活性；增加燃料浓度；提供初始点火能量。由于油层点火受多种因素影响，且实现稳定燃烧需要满足一定的能量条件，因此，化学点火是通过加入点火剂的方法消除各种不利影响因素，并促进能量蓄积，满足点火要求。化学点火剂应该具有与原油混合降低原油活化能，或是在一定温度条件下自燃，提供初始点火能量的特性，从而实现点燃油层的目的。

2 化学点火剂的研究

2.1 催化剂的研究

最简单的化学点火方法是使用催化剂降低原油氧化反应活化能，加速氧化放热，从而点燃油层。常用的催化剂主要为碱(碱土)金属和过渡金属化合物的盐[8]，其主要是通过金属阳离子的催化作用，降低原油的活化能和燃烧门槛温度。经过文献调研，兼顾经济性，初步选定铬、铁、铜和锌等过渡金属盐，以及钾和钠等碱金属盐作为金属催化剂。采用TGA-DSC(热重分析-差示扫描量热法)热分析技术比较其催化效能(图1)。将杜66块原油样品、原油样品+不同成分催化剂等多个样品进行TGA-DSC分析。TGA-DSC热分析仪为Mettler-Toledo公司生产；样品量为3～10mg；保护气(N2)流速为20mL/min；吹扫气(空气)流速为50mL/min；样品室为70μL带盖陶瓷坩埚；温度范围为25～600 ℃。

图1 杜66块原油DSC测试曲线

由图1可知：亚铁、铬、铜、锌等过渡金属的盐虽能够大幅降低杜66块原油高温氧化反应温度、增加放热量(提高燃烧效率)，但催化剂开始发挥较明显作用时的温度要达到320 ℃以上，仅依靠催化剂仍不足以实现快速点火，因此，从增大点火能量的角度需考虑添加助燃剂。

2.2 助燃剂的研究

助燃剂需要能够在地层温度250 ℃左右(蒸汽预热后的地层温度)及有氧条件下快速点燃原油。为此，助燃剂中应该有热敏感药剂作为触发剂，使其能在接近250 ℃条件下发生放热反应，同时考虑选取有机或无机易燃物质，作为维持初始燃烧的燃料，从而有利于局部油层热量积累达到原油燃烧的门槛温度，促使油层从低温氧化向高温氧化发展，最终点燃油层。

根据研究目的以及安全点火需要，初步确定不同助燃剂配方，再利用氧平衡和最小自由能原理对助燃剂配方进行配比计算和模拟计算，分析不同类别助燃剂的燃烧特性参数，并据此进行配方设计和优化，从中选出能产生高温、高压和较多灼热固体残渣的配方进行助燃剂性能实验，以确定满足实际使用需求的助燃剂(表1)。

表1 助燃剂的不同配方组成

在此基础上，利用填砂模型发火实验装置进行助燃剂发火实验，考察助燃剂的发火温度和发火状况(表2)。每次实验样品质量为3g，实验用油砂质量比为1∶10。

表2 不同配方发火实验结果

第1、2、4种配方加热至300.0 ℃时尚未发火，达不到助燃目的。

第3种配方在油砂加热至229.3 ℃时样品发火，发火后温度升高8.0 ℃。样品发火燃烧产生耀眼的白色火焰，燃烧速度非常快，助燃剂燃烧之后出现稳定持续的黄色燃烧火焰，但持续时间短。说明助燃剂燃烧迅猛，放热量大，瞬间产生的高温能够引燃油砂，可作为点火助燃剂，但其能否保持稳定燃烧的传播尚需进行模拟油藏条件的点燃油层实验。

第5种配方在油砂加热至262.9 ℃时，样品瞬间腾起一个火球，并伴有“嘭”的剧烈爆炸声。说明该样品发火后反应速度非常快，能瞬间产生大量的热量和气体。发火剂燃烧后出现短暂的稳定燃烧火焰，但油砂内部温度几乎不变。这种程度的燃烧过于剧烈，不适宜火驱采油施工现场。

第6种配方在油砂加热至259.1 ℃时，样品发火，燃烧产生明亮耀眼的火焰，并伴有“啪”的爆炸声，发火后温度升高5.0 ℃。发火剂燃烧后出现短暂的、持续的、稳定燃烧火焰，说明油砂被点燃，发火剂燃烧比较剧烈。由于发火所需温度较高，且燃烧过于剧烈，不适用于现场。

对比分析6种助燃剂发火实验结果，优选第3种助燃剂为现场应用的助燃剂。

2.3 点火剂性能测试

利用化学助燃剂点燃模拟实验装置对第3种助燃剂进行了点火性能测试。化学助燃剂点燃模拟实验装置主要由燃烧管、加热保温系统、安全系统、管阀件、压力与温度测量系统和远程控制系统等部分组成，实验装置测温点分布见图2。采用G语言编写数据软件——ISC化学点火数据采集系统，记录和储存实验数据，测试点火剂点燃油层情况。

图2 点燃模拟油层实验装置测温点分布

实验研究表明，杜66块原油氧化反应活化能随压力升高而降低，因此，压力升高对点火更有利，故实验中采用常压状态点火。模拟储层的孔隙度为25%，原油含水饱和度为49.31%，点火剂由催化剂、助燃剂混配而成，催化剂、助燃剂用量分别为3g和5g，加注方式为在240 ℃左右温度条件下注入点火剂，再持续注空气，实验结果如图3所示。

图3 点火剂点燃含水油砂实验测试结果

由图3可知，1～6处测温点依次监测到温度峰值且呈现升高趋势，各处温度峰值均超过400 ℃，实验后发现模拟储层内的原油基本消耗干净，说明点火剂在240 ℃、有氧条件下发生放热反应，其放出热量能够引燃实验装置内的原油。

3 点火工艺研究

3.1 施工参数设计原则

根据流体物性、储层参数和热量损失等资料，以及预设地层预热后的温度，来设计注汽参数；根据油层厚度及室内实验用量来设计点火剂用量；按维持低温氧化来计算点火期间最低注气速度，按不导致降温来计算点火期间最大注气速度。

3.2 施工工艺优化

针对助燃剂在一定温度、有氧条件下即可发生放热反应的特点，设计了N2携带、分段注入(先注催化剂、再注助燃剂)、地下混合的施工工艺。同原有工艺对比，先注入N2降温，可避免在井口附近发生反应，保障了施工安全；N2携带降低了助燃剂损失，有利于提高点火成功率；催化剂、助燃剂被N2携带到地层混合，避免在井筒内放热损坏套管。

4 现场试验情况

该技术现场试验3井次，点火后周围井均见到明显效果，平均见效时间为58d，点火成功率为100%，点火效果好于原有的化学点火技术，且单井次措施成本在10.00×104元以下，对比原有的化学点火技术成本(14.27×104元)明显下降。

以曙1-38-055井为例。曙1-38-055井于1990年11月热采投产，转驱前蒸汽吞吐生产15周期，转火驱前累计注蒸汽1.28×104t，累计产油0.83×104t，累计产水3.18×104t，采注比为3.13。设计点火前注蒸汽量为500t，预热后地层温度可达到270 ℃以上；该井油层厚度为42.1m，射孔密度为16孔/m，考虑油层吸附损失，按1.5倍系数设计点火剂为8kg，其中催化剂为3kg，助燃剂为5kg；根据射孔厚度，计算点火期间注空气最小速度应该在7 000m3/d以上。

该井按设计方案进行了改进后的化学点火试验，注入蒸汽500t后，在注入1 000m3N2后加入3kg催化剂，累计注入1 500m3N2后加入5kg助燃剂；累计注入2 000m3N2及点火剂后按照8 000m3/d的配注注入空气，点火后见到明显效果。

(1) 井筒内温度明显高于蒸汽加热温度。注蒸汽预热时测试井下温度为277 ℃，基本符合预热设计，点火后测试，井筒内主力吸气层最高温度接近400 ℃，超过正常注蒸汽后井下温度，说明点火剂发生放热反应，但部分射孔井段温度在200 ℃以下。

(2) 井组内生产井尾气组分表现出高温燃烧状态(表3)。点火52d后周围4口邻井明显见到尾气，且表现出高温燃烧状态[9]：N2含量超过70%，CO2含量大于12%，气体指数为0.66～1.00。