含油饱和度对火驱开发影响的实验研究

赵庆辉，刘其成，程海清

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

引 言

火驱(也称火烧油层)是一种重要的稠油热采方法[1-3]，具有油藏适应范围广、物源充足、成本低、采收率高等技术优势，在国外已有多年较大规模的矿场应用历史，取得了许多成功的现场经验和较好的开发效果。现场试验资料证实，火烧油层方式采收率可达50 %～80 %[4-5]。目前，辽河油田稠油主力区块正处于注蒸汽热采中后期，面临着蒸汽吞吐轮次高、蒸汽驱汽油比低等问题，开发效果逐年变差，亟需探索新的接替方式。火烧油层采油技术无疑是极具前景的一项提高采收率接替技术，近几年在现场试验中也取得了较好的效果。

油藏含油饱和度是任何一种开发方式的物质基础，直接对开发过程和效果产生影响。多年来，人们一直没有停止过研究含油饱和度对水驱、蒸汽驱等不同方式的影响，但相对来讲，研究含油饱和度对火驱影响的资料较少，主要集中在火驱含油饱和度技术界限上，但不同专家学者[6-9]提出的火驱含油饱和度技术界限差异较大，35%～50%不等。本文以辽河油田J91块为油藏原型，通过室内实验系统研究了含油饱和度对火驱基础参数的影响，探索了可以实施火驱开发的含油饱和度技术界限，评价了含油饱和度对火驱开发效果的影响，为火驱油藏工程设计和开发方案编制奠定技术基础。

1 实验装置及方法

1.1 实验装置

研究中用到的火烧油层物理模拟实验装置[10]主要由注气系统、点火系统、模型本体、数据采集系统、气液分离及回收处理系统等5部分组成，实验流程如图1所示。沿模型轴向分布3层13行共39支温度传感器。在模拟注气井处设置了电加热装置，与调压器、电源等相连共同构成了点火系统，通过该系统可以实现实验过程中点火温度的精确控制。注气系统由空气压缩机、干燥器、流量计等设备组成，可以满足实验过程中对注气强度调整的需要，并且能够实现对注气速率精确计量与控制。热电偶、数据采集板与计算机组成了数据采集系统，可以对实验过程中各个测温点温度变化情况实时显示并自动记录。

图1 火烧油层物理模拟实验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of physical simulation experiment device for in-situ combustion

1.2 实验准备及方法

(1)实验材料

选用辽河油田J91块脱水原油为实验用油，该块为普通稠油油藏，50 ℃地面脱气原油黏度28 990 mPa·s；实验用砂采用颗粒粒径与储层岩心相匹配、能反映储层物性特征的石英砂，将原油与水、石英砂按不同比例均匀混合配制(原油与水完全填充石英砂空隙)，得到不同含油饱和度的人工油砂。

(2)实验条件

利用与储层岩心颗粒相匹配、可反映储层物性特征的石英砂模型的平均孔隙度为34%，平均渗透率为2 μm2(气测)。5组油拌砂方式室内实验的含油饱和度分别为10%、15%、20%、30%、60%。根据模型尺寸及J91块现场注气强度折算室内实验通风强度为7.8 L/min，模型出口回压1 MPa。

(3)实验步骤

①将配制好的油砂装入模型内；②模型封盖，并测试气密性；③调试温度采集系统并建立初始温度场；④启动点火系统和注气系统，设计点火温度为500 ℃，进行火烧油层物理模拟实验；⑤燃烧结束后仍继续通风，使模型本体的温度降至室温；⑥拆开模型，观察燃烧情况。

2 实验结果分析

通过实验研究含油饱和度对火驱燃烧基础参数的影响，评价不同含油饱和度条件下高温燃烧的可行性和驱油效果，探索火驱含油饱和度技术下限。

2.1 含油饱和度对火驱燃烧基础参数的影响

表1中给出了不同含油饱和度条件下燃烧基础参数测试结果。实验结果表明，当在模型中形成稳定高温燃烧时，火线前缘推进速率随含油饱和度增大而降低，随着含油饱和度从15%增加到60%，火线前缘推进速率由0.45 cm/min降至0.25 cm/min。分析认为其主要原因是在火驱过程中，燃烧前缘驱替着未被燃烧且受高温作用而黏度大幅度降低的原油向前移动，不断与未受高温波及的原油混合，形成含油饱和度高于初始状态的富油区——油墙。初始含油饱和度越高，油墙的聚集区域就越大，火线前缘驱替油墙的阻力也越大，同时油墙的存在减弱了气体在多孔介质中的有效渗流能力，从而降低了火线推进速率。

表1 不同含油饱和度条件下火驱燃烧基础参数Tab.1 Influence of oil saturation on basic parameters of in-situ combustion

门槛温度、燃料消耗量及空气耗量是反映原油高温氧化固有特性的基础参数，主要受原油组成和组分影响较大，对同一原油，其变化不大。从表1中的实验结果可以看到，随着含油饱和度增大，原油高温燃烧的门槛温度、燃料消耗量和空气耗量等燃烧基础参数变化幅度较小，无太大影响。当含油饱和度在15%～60%，门槛温度在380～391 ℃，燃烧消耗量在28.89～31.80 kg/m3，空气耗量在249.98～274.07 m3/m3。

2.2 含油饱和度对火驱高温稳定燃烧的影响

图2是不同含油饱和度火驱实验模型轴向火线温度峰值的监测结果。从图2中可以看出，在模型点火端附近(距离为0 cm处)，由于受点火系统影响，温度均可达到设定值500 ℃。从含油饱和度为10%的温度分布曲线上可以看到，点火初期，火线温度能达到500 ℃左右，但随着火线向前推进，火线前缘温度峰值沿轴向呈迅速降低趋势，表明在该条件下难以形成有效向前推进的火线，无法形成持续稳定的高温燃烧；当含油饱和度达到或高于15%时，模型中能够形成稳定推进的火线，受油墙运移影响，需持续增加注气强度，导致轴向燃烧峰值温度呈波动状态，介于550～650 ℃。通过对模型产出气体的在线跟踪监测，其中O2体积系数小于2%，O2转化率72%，CO2体积系数为12%～14%，原油轻重比(∑C21-/∑C22+)明显增大，表明模型中实现了高温氧化燃烧[11-12]，形成了向前稳定推进的火线。综合实验结果分析，在实验条件下，能够确保模型中形成高温燃烧的含油饱和度下限值为15%。

图2 不同含油饱和度火驱实验轴向火线温度峰值监测曲线Fig.2 Monitoring curves of axial fire line temperature peak in in-situ combustion experiments at different oil saturation

2.3 含油饱和度对火驱开发效果的影响

(1)驱油效率

不同含油饱和度火烧油层驱油效率实验结果如图3所示。从图3中可以看到，当含油饱和度为15%时，虽然可以实现燃烧前缘稳定推进，但是驱油效率为0，这说明在该含油饱和度下实施火驱开发仅在技术上可行，但在经济上是不可行的；随着含油饱和度的增加，火驱驱油效率也逐渐增大，含油饱和度为20%、30%、60%时对应的驱油效率依次为20.87%、46.97%、74.47%。分析认为在火驱开发过程中，原油作为燃料参与高温氧化消耗的量是一定的，从表1中可以看到随着含油饱和度的增加，燃料消耗量变化不大， 没有被烧掉的原油均被驱替出来，即含油饱和度越大，驱替出原油的量就越多，驱油效率亦越大。

图3 含油饱和度与驱油效率关系曲线Fig.3 Relation between oil saturation and oil displacement efficiency

(2)空气油体积比

空气油比是反映火驱开发效果的另一个重要指标。空气油体积比越低，火驱效果越好。表2中给出了不同含油饱和度对空气油体积比影响的实验结果。表2中数据表明，在相同的通风强度下，随着含油饱和度增大，空气油体积比降低，当含油饱和度大于30%，空气油体积比降幅明显减小。

表2 含油饱和度对空气油体积比的影响Tab.2 Effect of oil saturation on air-to-oil volume ratio

3 结 论

(1)含油饱和度对门槛温度、燃料消耗量与空气耗量等火驱基础参数影响较小，但对火线推进速率有较大影响。当模型中形成高温稳定燃烧时，火线前缘推进速率随含油饱和度增加而降低。

(2)实验条件下能够实现模型中稳定高温燃烧的最低含油饱和度下限值为15%，低于该含油饱和度无法形成持续稳定火驱前缘。

(3)从驱油效率和空气油体积比指标评价了含油饱和度对火驱开发效果的影响。随着含油饱和度增大，火驱驱油效率呈增大趋势；在相同的通风强度下，随着含油饱和度增大，空气油比降低，当含油饱和度大于30%后降幅减小。综合考虑，火驱开发含油饱和度下限值为30%。