边底水油藏火驱注气速度室内实验研究

张 鸿

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

0 引言

目前辽河油田稠油油藏开发方式以蒸汽吞吐为主，且已进入开发中后期，面临强水侵、低地层压力、低油汽比、无效热循环等诸多问题，亟待进行开发方式的转换[1-6]。火驱技术具有驱油效率高、热损失少、适用范围广、经济效益好的优势，已成为稠油吞吐后期重要的接替方式[7-13]。注气速度作为火驱开发的重要参数，直接影响燃烧前缘推进速率，同时也是地层内能否维持燃烧的重要因素。注气速度偏低则不足以维持油层稳定燃烧，甚至出现灭火；注气速度偏高则氧气利用率偏低，经济效益变差。目前资料显示，火驱过程注气速度的研究主要应用于没有经历过注蒸汽吞吐或注蒸汽开发的稠油油藏，并且多数研究只针对火驱过程的某一个阶段。蒋海岩等人[14]根据火驱点火阶段的低温氧化原理和传热学原理，推导了最大和最小注气速度计算公式，进行了敏感性参数分析。袁士宝等人[15]利用燃烧管实验研究不同注气速度、不同预热温度等对原油点火及燃烧过程的影响。何龙等人[16]利用新疆油田含油砂岩的野外露头开展物模实验，认为适当加大注气流量有助于火驱前缘向前推进。Nelson和Mcniel[17]提出了火驱稳定燃烧时三段式变速率的注入方式。

与原始油藏火驱不同，注汽后的油层具有较高的含水饱和度[18]，会直接影响火驱驱替过程的前缘温度。为了保证边底水油藏顺利点火及火线连续推进， 火驱的注气参数需要进行相应调整。 该文以辽河油田J9块为油藏原型，通过室内火驱一维模拟实验，探索注气速度对边底水油藏火驱燃烧效果的影响，为复杂类型油藏实施开发方式转化储备新技术，为同类油藏开发方案设计提供借鉴依据。

1 实验设计与方法

1.1 实验材料

实验采用辽河油田J9块为典型边底水普通稠油油藏。地面脱气原油50 ℃黏度为16 960 mPa·s，20 ℃原油密度0.983 2 g/cm3，族组分含量饱和烃15.19%、芳烃27.82%、非烃29.90%、沥青质27.09%。对原油进行脱水处理，含水率不大于0.5%。实验用砂采用颗粒粒径与储层岩心相匹配、能反应储层物性特征的石英砂。实验用水为地层水。

依照行业标准SY/T 6898—2012《火烧油层基础参数测定方法》，将处理后的原油、石英砂和地层水按比例配比出含油饱和度60%的人工油砂模型。

1.2 实验装置

火驱一维物理模拟实验装置见图1，由注气系统、模型本体、测控单元和产出系统4部分组成。注气系统包括空气压缩机、气体增压泵、气体流量计控制器等；模型本体尺寸为(42×9×3.6)cm，模型内部采用隔热材料，沿轴向布设3行13列39个测温点，模型中央处布设1支测压点以监测模型内压力变化， 并设计1口注气/点火井， 1口生产井；测控单元主要是利用数据采集板对不同位置的温度、压力进行实时监测并自动记录； 采出系统由高温高压大流量回压控制器、气液分离装置、在线烟气分析仪、回收处理装置等组成。

图1 火驱一维物理模拟实验装置Fig.1 One dimensional physical simulation experimental device of fire flooding

1.3 实验过程

1)将配置好的人工油砂装入模型内，确保装填均匀；2)安装模型盖体，测试密封性；3)连接检查流程，确保各个系统运转正常；4)以低速1 mL/min注入室温水，保证模型出口端不产油情况下建立油水共存状态；5)设置回压1 MPa，以2 L/min注气速度低速注气，启动点火器(点火器温度500 ℃)，模型内形成稳定火线后关闭点火器，并逐渐调节注气速度。实验过程中火线稳定推进的最低注气速度为8 L/min，最高注气速度为20 L/min，折算成现场注气强度分别为288 m3/(m·d)和720 m3/(m·d)；6)监测模型内温度、压力变化，当火线推进到模型出口处结束实验。模型本体降温，拆开模型。

2 实验结果与分析

将原始油藏火驱室内实验注气速度经验值2 L/min作为点火阶段初始注气速度[19-20]，火线稳定推进的注气速度一般为4 L/min，该数值并未考虑油藏受水体侵入后对火驱过程的影响，而油藏被水侵后热效率低，会引起火线温度不稳定，因此，边底水油藏火驱室内实验需通过调节注气强度保障驱替的稳定性。

2.1 注气速度对燃烧温度的影响

火驱实验过程一般包括点火阶段、火线稳定推进阶段、停止注气阶段。

点火阶段采取阶梯式升温，温度与注气速度对应关系如图2所示。从2 L/min逐渐提高注气速度，维持至少大于6 L/min的注气速度注气，保障原油顺利越过低温氧化向高温氧化阶段进行，避免低温氧化结焦，使得油藏温度达到燃烧所需温度。同时加热油藏使得近井地带油藏温度达到并超过点火器温度500 ℃以上，最高达到598 ℃，实现成功点火。

图2 点火阶段温度与注气速度对应关系曲线Fig.2 Corresponding curve of temperature and gas injection speed in ignition stage

当达到火线稳定推进阶段，关闭点火器。注气速度由8 L/min逐步增加至12 L/min，16 L/min，20 L/min。不同注气速度与火线最高温度对应关系，以及火线形成后不同注气速度火线波及特征如图3和图4所示。

图3 火线稳定推进阶段注气速度与火线最高温度关系Fig.3 Relationship between gas injection speed and maximum temperature of live line in stable propulsion stage of live line

图4 火线形成后不同注气速度火线波及特征Fig.4 Characteristics of fire line sweep at different gas injection speeds after the formation of fire line

火线形成后，首先以维持最低空气耗量的8 L/min注气速度注气能够实现高温燃烧，但随着火线推进最高温度有所降低，提高注气速度到12 L/min甚至16 L/min，由最高温度和波及温度场特征(图3和图4)均显示能够维持燃烧区最高温度，但一段时间后温度仍然下降，不能够稳定驱替，这正是因为油藏有水体存在，火驱产生的一定热量被火线前方水体吸收，使得温度有所降低。再次提高注气速度到20 L/min，火线最高温度逐渐升高，并保持相对稳定，实现了火线继续稳定推进。说明油藏中含有存水情况下，火线形成后，在维持高温燃烧所需最低注气速度基础上逐步提高注气速度，保证较高燃烧温度，进而实现火线稳定驱替。

由实验可知，水侵油藏实施火驱维持燃烧的最低注气速度较原始油藏火驱高，至少为8 L/min，对应现场注气强度为288 m3/(m·d)。此外，数值模拟研究也认为通过增大注气量可以提高火线前缘温度，释放更多热量，有利于保障边底水油藏火驱过程火线推进的稳定性[19]。

2.2 注气速度对火线推进速度的影响

火线推进速度是指点火成功后火驱过程中火线前缘推进距离与经历时间的比值，即火驱前缘推进的平均速度。注气速度与火线推进速度关系如图5所示。

图5 注气速度与火线推进速度关系Fig.5 Relationship between gas injection speed and fire line propulsion speed

当注气速度为8 L/min时火线形成，火线推进速度初期能够达到0.512 cm/min，但随着时间变化呈现降低趋势，降低到0.171 cm/min，图3火线最高温度也显示由最高的685 ℃降低到589 ℃。当注气速度提到12 L/min甚至16 L/min，推进速度仍然很低，甚至达到0.08 cm/min，火线前缘平稳推进受阻。当注气速度提高到20 L/min后推进速度猛然增大，此时增大注气速度对火线推进速度的影响最大，燃烧出现不稳定情况，说明发生了气体突破，当以20 L/min注入一段时间后，烟气通道已经逐渐形成，气体获得一定能动，更有利于在油藏中流动和扩散，有助于原油的燃烧，火线前缘以平均0.93 cm/min推进速度稳定向前推进，实现稳定驱替。

由此可见，边底水油藏火驱当火线形成后，为了保持火线稳定推进，需要逐步增加注气速度，适量增大注气速度对火线推进有积极作用，在驱替过程中，注气速度为20 L/min时，推进速度达到最大。

2.3 注气速度对压力的影响

火驱过程中，随着火线推进，调整注气速度，模型内压力也随之发生变化，如图6所示。

图6 不同时刻注气速度与压力关系Fig.6 Relationship between gas injection speed and pressure at different times

分析注气速度与压力对应关系图可知，火线形成后，注气速度从8 L/min提高到12 L/min时，压力从0.049 MPa缓慢增长变化幅度很小，一直未超过0.1 MPa，直到注气速度提高到16 L/min时，压力陡然上升将近0.3 MPa，持续提速到20 L/min，压力继续增大达到高峰0.49 MPa。

分析压力变化可知，火驱过程中随着燃烧前缘向前移动，原油运移过程对空气阻力逐渐增大，该阻力主要来源火驱过程中产生的油墙[22-23]，由于水侵影响，原油中轻质组分更易凝结成油墙，较原始油藏火驱油藏更宽，所需阻力更大，使得边底水油藏火驱增压作用更加强烈，当注气速度为16 L/min时，结合图5火线推进速度减低到0.08 cm/min，火线不能够持续稳定向前运移进而憋压导致了压力陡升，当继续增加注气速度即增大驱动原油推动力的时候，火线推进速度增大能够持续稳步向前。此外，随着压力增大，受空气压缩影响，氧气更加富集，原油与氧分子充分接触，加快了氧化反应速率，使得燃烧更加充分，火线前缘温度更高(见图3)。因此分析，适当加大注气速度对于边底水油藏火驱过程主要起到两方面作用，一是提供充足的氧气维持高温燃烧，二是提供油墙运移的推动力。

3 结论

1)保持一定的注气速度是维持燃烧的必要条件。火线推进速度与注气速度呈正相关关系，但推进速度猛然增大，易发生气体窜流。边底水油藏实施火驱，建议维持燃烧的最低注气速度为8 L/min，即注气强度为288 m3/(m·d)；

2)水侵油藏火驱过程中的注气速度和压力有较大影响。注气速度越高，增压作用明显，压力由0.049 MPa升到0.49 MPa，火线前缘温度最高达到858 ℃。主要原因是火驱过程中产生的油墙聚集程度越大造成运移阻力变大，以及氧气富集加快反应速率使得燃烧更充分；

3)对于边底水油藏实施火驱技术开发，考虑到水侵油藏热效率低的特点，火驱过程中，采用变速注气方式，适当增大注气强度保证火线前缘水体加热后释放更多热量，提高火线前缘温度，实现火线稳定推进。