ABSTRACT

This paper systematically addresses the energy state and related reservoir engineering problems of converting to fire flooding in the late stage of CSS for interbedded conventional heavy reservoirs through physical modeling and numerical simulation. The research shows that after converting to fire flooding, the principal layer with high permeability takes in more air and is likely to form a combustion front, causing the increasing of local temperature and pressure, complying with the production characteristics of high temperature oxidation; while the non-principal layer with low permeability takes in less air and its combustion state complies with the characteristics of low temperature oxidation. Low temperature oxidation also produces much heat, thereby raised reservoir temperature and reduced oil viscosity. Reservoir pressure and temperature are two most important factors affecting the oil production of fire flooding. This study understands the contribution of pressure to production in fire flooding for conventional heavy oil reservoirs. The results are consistent with the in-situ combustion performance, and provide theoretical guidance for the expansion of fire flooding.

Keywords:Fire Flooding, Reservoir Pressure, Energy Analysis, Thin Interbedded Conventional Heavy Reservoir, Block Du 66

多层普通稠油藏火驱中的能量分析

孙洪军^1,2

¹中国石油辽河油田分公司，辽宁 盘锦

²国家能源稠(重)油开采研发中心，辽宁 盘锦

收稿日期：2019年6月7日；录用日期：2019年6月21日；发布日期：2019年6月28日

摘 要

通过物理模拟实验和数值模拟计算，系统研究了互层状普通稠油藏蒸汽吞吐后期转火驱开发的能量状态和相关油藏工程问题。研究表明：转火驱后，渗透率高的主力层吸气比例高，易形成火线，造成局部温度升高、压力升高，燃烧状态符合高温氧化生产特征；渗透率较低的非主力层吸气量较小，燃烧状态符合低温氧化特征。低温氧化也产生较多热量，能使油层温度升高，稠油粘度降低。油层压力和油层温度是影响火驱产量的最重要的两个因素，本次研究获得了普通稠油藏火驱中压力对产量的贡献值，研究结果与现场火驱动态相符，为火驱扩大实施提供了理论指导。

关键词 :火驱，油层压力，能量分析，薄互层普通稠油藏，杜66块

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1. 引言

火驱 [1] [2] 是一个机理复杂的物理化学过程，从能量传递的观点看，是一个在多势场作用下的特殊过程，如在火驱过程中存在压力场、饱和度场、温度场、应力场、渗流场等等，多势场耦合作用极为明显。火驱过程中油藏温度波动往往较大，燃烧区的温度远大于已燃区与未燃低温区的温度，由于油藏温度变化剧烈，加之经常性的注采扰动，导致油藏处于一种复杂的状态，并且随时间、空间不断变化。因此，火驱的注采过程是多势场共同作用的过程。

以杜66块薄互层普通稠油藏火驱先导试验区为对象，针对性的开展了原油氧化特征、室内物理模拟、数值模拟、火驱动态分析等研究，获得了具有原创性的新认识，为现场试验跟踪调整及扩大实施提供了理论依据。

2. 多层火驱现场试验简况

杜66块火驱先导试验区目的层埋深800~1000 m，平均孔隙度19.3%，平均渗透率774 × 10⁻³ μm²，原油粘度300~2000 mPa∙s，为薄互层状普通稠油油藏。

2005年6月，曙1-47-039井组在主力单层上射开3 m注气，开始了单层火驱现场试验，2006年10月增加到6个井组。2008年9月，由于注气井单层射开2~3 m，生产井产量较低，在原有单层注气基础上调整为2~3层注气，火驱效果得以逐步改善(图1)。

截止到2013年末，先导试验区地层压力由转驱初期1.0 MPa升高至3.2 MPa，油井开井率由23.5%提高至90%以上，日产油量由13 t/d升至70~100 t/d。井组平均日产油11.0~17.0 t/d，单井日产油2.5~3.5 t/d，瞬时空气油比550~750 Nm³/t。

通过分析先导试验区实际生产数据，得到了火驱产量与地层压力呈线性关系(图2)，即地层压力每升高1.0 MPa，单井平均日产油升高约1.0 t/d。

2013年8月，注气更新井曙1-46-K037井(平面距离原井17 m)取心发现，注气井段955.5~984.0 m中火线驱扫的厚度为3 m，仅占生产井段内射孔油层厚度9.0 m的33% (图3)。按照纵向火线波及厚度计算，井组平均单井产量为1.1 t/d，相对实际产量低2.2 t/d，即井组的实际产量除了火驱贡献，还存在着贡献较大而未知的“无形能量”，通过室内实验及数值模拟方法进行了初步解析。

图1. 杜66块火驱先导试验井组生产曲线

图2. 先导试验区单井产量随压力变化散点图

图3. 火驱先导试验区取心井段截面图

3. 多层火驱过程物理模拟

3.1. 二维比例模拟实验设计

为探索多层条件下火线波及特征，采用杜66原油进行二维比例模拟实验 [3] [4] [5] [6] 。火驱二维比例模拟实验系统主要由模型本体及注入模块、点火控制模块、数据采集模块、产出流体分离计量与处理模块等5部分构成，见图4所示。注入模块包括空气压缩机、干燥器、流量计及管阀件；点火控制模块实现对油层点火温度及加热时间控制；数据采集模块对实验过程温度、压力进行采集并处理；产出流体分离计量与处理模块主要对模型产出流体进行分离、计量与处理。

图4. 火驱二维比例模拟实验系统

实验装置的模型本体尺寸设计为50 × 20.9 × 4 cm。布设注汽井1口，生产井2口(图5)。模型模拟等厚的2个层，厚度15.9 m，隔层4 m，上层渗透率539 mD，下层2798 mD，模拟井距100 m，笼统注气，分层采油，两层同时预热点火。

图5. 物理模拟比例模型井网及层系布置示意图

3.2. 实验结果分析

多层火驱二维比例模拟实验火线拓展过程如图6所示。点火后下部高渗透层火线推进较快，上部低

图6. 两层火驱物理模拟温度场图

渗透层推进缓慢；高渗透层突破后，关闭高渗透层，低渗透层稳定燃烧并推进，直至结束；高渗透层采气量约占注入量的70%。高渗透层采出程度65%，低渗透层采出程度54.5%，整体采出程度60%。

实验结果表明，在等厚度的两个油层，火驱效果受渗透率级差的影响很大，完成驱替的时间也有较大差别，最终单层采出程度差距较大。对于实际火驱井组中厚度、渗透率级差差别都很大的几个层同时驱替，加上转驱前经历多年的蒸汽吞吐，其平面、纵向上含油饱和度、压力场分布已经非常复杂，每个单层驱替的结果必定是千差万别；但火驱优先向渗透率较大拓展，与曙1-46-K037井取心分析结果基本一致。

4. 原油氧化反应特征

4.1. 原油热分析实验

实验采用德国NETZSCH公司DSC204HP型差示扫描量热仪。将(6.0 ± 0.2) mg杜66块原油至于反应池坩埚内，分析在连续升温条件下该原油放热性能与温度之间的对应关系。实验条件为：反应气氛为空气；空气流量为100l m/min；升温速率为5℃/min；温升范围为室温~600℃。

从杜66块原油在空气中的DSC曲线(图7)上可以看出，温度自60℃~340℃是稠油轻组分发生缓慢氧化反应；340℃~370℃放热量减小，为燃料沉积阶段，370℃是自燃点；370℃~550℃样品发生燃烧。

图7. 杜66块原油在空气中DSC曲线

图8. 杜66块原油在空气中DSC积分曲线

对DSC曲线进行积分，可以得到燃烧过程的放热量(图8)。在DSC实验中，没有点火过程，燃烧主要是依靠稠油在空气中缓慢氧化放出热量以及外界加热使其内部热量积攒到一定程度引起自燃。从积分曲线可以看出，在温度低时，氧化反应进行的非常缓慢，放热量极少。随着温度的增加，氧化反应速度和程度大幅升高，放热量明显增加。发生高温燃烧后产生的总热量约为低温氧化阶段产生热量的3倍。

4.2. 原油氧化实验

为了进一步解析低温氧化过程中原油性质的变化，采用燃烧釜进行了不同温度的氧化反应实验。在常温下注入空气及富氧空气(40%O₂)至4.5 MPa，反应加热到90℃、300℃，反应12 h后，把反应后油样进行分析(表1)。

经过氧化反应之后，原油的物理性质发生了一定变化，其中密度、残碳、苯胺点都有增加，粘度变化最大，由反应前的2635 mPa∙s分别增加到90℃氧化反应后的2990 mPa∙s和300℃氧化反应后的6320 mPa∙s，在过量氧气条件下粘度会进一步升高。原油粘度反映了其化学组成的特性，粘度增大主要是由胶质和沥青质含量增加造成的。

表1. 原油90℃氧化与300℃氧化后油品性质对比表

进一步分析认为，该原油样品经过不同温度条件下空气气氛、富氧气氛的氧化反应，对原油物理化学性质的改变程度是逐渐加深的，但原油性质没有发生本质的变化。也就是说，低温氧化在杜66块火驱过程中起到了升温降粘作用。

5. 室内实验及数值模拟研究

5.1. 火驱过程中压力变化特征

1) 加氧反应、气体溶解导致压力降低

火驱过程中导致压力降低的原因有两个：

一是原油与氧气发生加氧反应导致物质总量减少，90℃时物质量减少0.092 mol，随着温度的升高，减少的幅度增大，150℃时减少0.1619 mol；物质量的减少导致压力降低，反应温度90℃压力由1.0 MPa降至0.84 MPa，150℃压力由1.0 MPa降至0.81 MPa (图9)。

图9. 不同温度低温氧化无因次压力变化

图10. 气体溶解引起压力变化

二是气体溶解导致体系内压力降低，在110℃，8.55 MPa条件下，根据PVT测出氮气与原油溶解气油比为9.037，17.39%的氮气溶于原油中，体系内压力由1.62 MPa降至1.55 MPa (图10)。

2) 热膨胀、裂解生烃、高饱和油墙导致压力升高

受热膨胀影响，温度从50℃升高到350℃，压力由2.0 MPa增大至4.0 MPa，温度与压力呈线性关系(图11)。

图11. 压力随温度变化曲线

当温度大于380℃，原油发生裂解反应，反应产出烃类气体，使压力明显升高(图12)。与此同时，火驱过程中高温裂解生成的轻质油、混合着未发生明显化学变化的地层原油以及燃烧生成的水、二氧化碳、氮气共同组成油墙 [7] ，油墙含油饱和度较高，具有较大的渗流阻力，注入的空气被油墙阻挡，使系统压力缓慢上升。

图12. 裂解反应引起压力变化

5.2. 压力对产量的贡献

通过对比氮气驱与火驱效果，研究增压作用对产量的贡献。模拟结果可划分成两个阶段(图13)：产量上升阶段，氮气驱产量为火驱产量的80%左右，该阶段火驱生产以增压驱替为主；产量平稳阶段，空气与原油发生高温氧化反应，原油粘度大幅降低，重质组分裂解生成轻质油，注入的空气、轻质油、燃烧尾气、水蒸汽共同驱动原油，氮气驱产量是火驱产量的40%左右，说明此阶段火驱增产占主导地位。

图13. 氮气驱与火驱日产油量对比曲线

5.3. 火驱过程中三场变化特征

选用CMG热采数模软件建立100 m反九点面积多层火驱数值模型 [8] [9] [10] [11] [12] ，网格节点22 × 21 × 25 = 11,550，平面网格步长10 m，纵向油层2层，单层厚度15 m，隔层1层，厚度4 m，参考先导试验区地质参数，模型中高渗层孔隙度24%，渗透率2000 × 10⁻³ μm²，低渗层孔隙度18%，渗透率500 × 10⁻³ μm²，原油粘度2000 mPa∙s，密度0.9522 g/cm³。

下部高渗层内燃烧前缘温度超过400℃，最高达600℃，并向油层上部超覆；上部低渗层受物性影响吸气较少，火线推进缓慢，前缘温度200℃~350℃。高渗层单井产量峰值6.3 t/d，低渗层单井产量峰值2.6 t/d；低渗层吸气量较少，为注气量的14.4%；空气油比不断升高，当截止空气油比2500方/吨时，高渗层平均采油速度2.9%，低渗层平均采油速度1.9%；高渗层采出程度66.8%，低渗层采出程度47.2%。

火驱过程中，不同时间段温度、压力、饱和度场变化图(图14~图19)。

图14. 数值模拟不同时间段火驱温度场剖面图

图15. 数值模拟不同时间段火驱温度场平面图

图16. 数值模拟不同时间段火驱压力场剖面图

图17. 数值模拟不同时间段火驱压力场平面图

图18. 数值模拟不同时间段火驱饱和度场剖面图

图19. 数值模拟不同时间段火驱饱和度场平面图

6. 结论

1) 杜66块薄互层普通稠油藏火驱过程中，存在着起主要作用的“无形能量”，即地层压力升高产生的驱动能量。井组平均单井日产油与地层压力成正比，压力每升高1.0 MPa，单井日产油上升约1.0 t/d。

2) 地层压力上升与多种因素有关，其中持续稳定的注气强度、原油热膨胀、裂解生烃、火驱油墙等是压力升高的主要因素。

3) 多层油藏火驱管理中，努力追求主力油层高温氧化燃烧的同时，必须重视非主力层燃烧状态的监测，工程条件允许时单独对这些层进行吞吐引效，最终达到多层动用基本均匀的目标。

基金项目

国家科技重大专项“辽河、新疆稠油/超稠油开发技术示范工程”(2016ZX05055)。

文章引用

孙洪军. 多层普通稠油藏火驱中的能量分析
Energy Analysis of Fire Flooding for Multi-Layer Conventional Heavy Oil Reservoirs[J]. 地球科学前沿, 2019, 09(06): 518-528. https://doi.org/10.12677/AG.2019.96056

参考文献