編譯:余唐 (西南石油大學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

審校:熊偉 (西南油氣田分公司重慶氣礦)

輕質(zhì)油藏注空氣最小空氣流量研究

編譯:余唐 (西南石油大學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

審校:熊偉 (西南油氣田分公司重慶氣礦)

火燒油層技術(shù)在稠油油藏中的應(yīng)用早在上個(gè)世紀(jì)早期就已經(jīng)開始了,如今研究重點(diǎn)放在了確定能夠維持燃燒前緣的最小空氣流量上面。得到的最小空氣流量將用于設(shè)計(jì)空氣壓縮機(jī)的規(guī)模。Nelson和McNeil對(duì)稠油油藏的最小空氣流量做過研究,但在輕質(zhì)油藏中的燃燒機(jī)理不同于稠油油藏,通常輕質(zhì)油藏中的燃燒前緣不如稠油油藏中的穩(wěn)定,因此最小空氣流量的確定方法又有所不同。本文使用熱采模擬器來確定最小空氣流量,在模擬之前,做了高壓變溫氧化實(shí)驗(yàn)來確定火燒參數(shù)。模擬數(shù)據(jù)全來自于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

輕質(zhì)油藏 注空氣 HP-RTO反應(yīng)速率 數(shù)值模擬

1 簡(jiǎn)介

注空氣是提高原油采收率的方法之一?？諝庾鳛橐环N廉價(jià)而常見的介質(zhì),將其注入到稠油油藏中的工藝技術(shù)稱為火驅(qū)或火燒油層。

由于注空氣包含了燃燒過程,所以在研究注空氣時(shí),不僅要考慮相態(tài)的變化,還要考慮化學(xué)反應(yīng)。為此,需要做多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)以滿足火燒油層技術(shù)的需要,例如加速速率量熱儀 (ARC)實(shí)驗(yàn)、熱重壓差掃描量熱儀 (TG/PDSC)實(shí)驗(yàn)和燃燒管(CT)實(shí)驗(yàn)。ARC實(shí)驗(yàn)是為了確定在高溫和低溫下,化學(xué)反應(yīng)的激烈程度以及持續(xù)性;TG/PDSC實(shí)驗(yàn)是為了確定原油與氧氣反應(yīng)時(shí)的溫度范圍;而CT實(shí)驗(yàn)的目的主要有三點(diǎn):①評(píng)價(jià)原油的燃燒性質(zhì) (如燃點(diǎn));②測(cè)量增加噸油空氣和燃料的消耗量以及其他相關(guān)屬性;③測(cè)量產(chǎn)出氣的組分,產(chǎn)出油和水的性質(zhì),為以后的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供參考。

2 ARC及CT實(shí)驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果

ARC實(shí)驗(yàn)表明,Minami-Aga原油在 170～300℃之間能夠發(fā)生持續(xù)的化學(xué)反應(yīng),此時(shí),其點(diǎn)燃溫度超過了103℃。這說明在Minami-Aga實(shí)施注空氣必須考慮點(diǎn)火方式,因此在ARC實(shí)驗(yàn)中,還評(píng)價(jià)了氧氣段塞和亞麻籽油的點(diǎn)燃效果。

分別在低含水飽和度下和高含水飽和度下做了CT實(shí)驗(yàn),在兩種情況下都有穩(wěn)定的燃燒過程、原油產(chǎn)出量、氧氣消耗量。還做了Minami-Aga原油的三維模型煙道氣巖心驅(qū)替,在水驅(qū)之后的煙道氣驅(qū)采不出任何原油。此時(shí),采用了數(shù)值模擬方法來理解驅(qū)油機(jī)理,結(jié)果顯示,熱效應(yīng)對(duì)Minami-Aga原油的驅(qū)替影響較大。為了提高原油采收率,必須維持一個(gè)穩(wěn)定的燃燒前緣,這就需要確定能夠維持穩(wěn)定燃燒前緣的最小注氣速度。

3 高壓變溫氧化實(shí)驗(yàn)

HP-RTO實(shí)驗(yàn)是等熱產(chǎn)出氣組分分析的一種,HP-RTO實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括一個(gè)長(zhǎng)49 cm、直徑2.54 cm的圓柱型反應(yīng)器。注空氣之前,反應(yīng)器中充滿巖屑和原油。注氣結(jié)束后,測(cè)量反應(yīng)器的溫度、產(chǎn)出氣的組分、產(chǎn)出液體的體積。等熱產(chǎn)出氣組分分析可以獲得模擬所需的火燒參數(shù)。實(shí)驗(yàn)壓力為250 KSCG,溫度分別為103、120、140℃,注氣通量為3 STm3/m2h。各個(gè)溫度下的實(shí)驗(yàn)初期都是等熱過程,但在實(shí)驗(yàn)溫度為103℃時(shí),反應(yīng)器溫度先升至170℃,后又升至360℃;實(shí)驗(yàn)溫度為120℃時(shí),反應(yīng)器溫度直接升至360℃;實(shí)驗(yàn)溫度為140℃時(shí),反應(yīng)器溫度升至450℃。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)溫度為103℃和120℃時(shí),產(chǎn)出氣的組分大致相同。實(shí)驗(yàn)溫度為120℃時(shí),在溫度高達(dá)360℃的高溫區(qū)域形成之前,氣相色譜 (GC)就失敗了;實(shí)驗(yàn)溫度為140℃時(shí),在44～88 h后,溫度升高了6℃,產(chǎn)生了摩爾體積為10%的CO2,盡管隨后CO2含量大體保持穩(wěn)定,甚至有所降低,但由于燃燒只發(fā)生了一次,所以CO2驅(qū)有可能是主要的驅(qū)油機(jī)理。

分子量的斷裂和燃燒極有可能是發(fā)生在溫度為170℃和360℃的高溫區(qū)域。當(dāng)氣相產(chǎn)生時(shí),170℃區(qū)域會(huì)發(fā)生移動(dòng),而360℃區(qū)域有可能隨氣相移動(dòng)而移動(dòng),也有可能停留在固體殘?jiān)鼌^(qū)域。

實(shí)驗(yàn)溫度為103℃和120℃時(shí),產(chǎn)出氣的組分有所變化。在這兩種實(shí)驗(yàn)方案中,都沒有放熱反應(yīng)發(fā)生,因此氧氣的消耗量和CO2的產(chǎn)出量都微乎其微。盡管如此,為了理解低溫下的化學(xué)反應(yīng)過程,必須做一些分析:由于CO2的產(chǎn)出量很少,所以即使是微小的體積變化,都會(huì)影響分析結(jié)果。為此,設(shè)定了如下的注入氣組分和每個(gè)實(shí)驗(yàn)剩余時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn):

由于低溫下 HP-RTO的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示組分只有微小的變化,因此注入氣的初始組分對(duì)結(jié)果的影響很大。在 HP-RTO實(shí)驗(yàn)設(shè)備中,氣相色譜和反應(yīng)器出口之間有大片的不流動(dòng)區(qū)域。由于不流動(dòng)區(qū)域的存在,使得氣相色譜開始形成時(shí)間的組分分析延遲了數(shù)小時(shí),因?yàn)榇舜窝芯孔⑷胨俣容^慢,延遲的時(shí)間影響就較大。故在分析中,必須考慮延遲時(shí)間。假設(shè)加熱反應(yīng)器時(shí)反應(yīng)開始,接著氣體組分變化,此時(shí)氣相色譜儀測(cè)得的組分變化時(shí)間稱為 GC開始時(shí)間,103℃、120℃、140℃下的 GC開始時(shí)間分別為7.38 h、7.05 h、6.61 h。可以假設(shè)在實(shí)驗(yàn)開始和 GC開始之間的時(shí)間段內(nèi)氣體組分保持不變。遵照以上定律,就可以確定各個(gè)實(shí)驗(yàn)的注入氣組分,表1給出了注入氣的初始組分。

表1 初始組分

實(shí)驗(yàn)開始時(shí),反應(yīng)器內(nèi)已存在部分空氣,這些空氣會(huì)通過加熱的反應(yīng)器到達(dá)出口。同實(shí)驗(yàn)開始后注入空氣的反應(yīng)時(shí)間相比,已存在空氣的反應(yīng)時(shí)間很短,因此如果注氣速度很大,這些“已存在空氣”的影響就可以忽略不計(jì)。但是此次實(shí)驗(yàn)的注氣速度很小:1 PV空氣通過反應(yīng)器的時(shí)間為10 h,此時(shí)如果不考慮“已存在空氣”的組分,分析結(jié)果就會(huì)出錯(cuò)。因此把“已存在空氣”在反應(yīng)器中的流動(dòng)時(shí)間稱為“過渡時(shí)間”?！斑^渡時(shí)間”可以通過反應(yīng)器的孔隙體積和注氣速度來計(jì)算,“過渡時(shí)間”后氣體組分的分析結(jié)果見表2。

表2 過渡時(shí)間

5 反應(yīng)速率的計(jì)算

為了確定產(chǎn)出氣的體積,假設(shè)N2的體積保持不變 (注入量=產(chǎn)出量),反應(yīng)速率由以下公式計(jì)算:

式中 k——m3/(kg·h)

X ——組分 (O2或CO2)

Q ——注氣速率 (m3/h)

[Xprd]、[N2prd]——產(chǎn)出氣組分 (摩爾含量)

Wrock——巖石質(zhì)量 (kg)

最后將反應(yīng)速率的單位由m3(O2)/(kg·h)變?yōu)?kg(O2)/(kg·h)。

燃燒反應(yīng)可由如下的化學(xué)反應(yīng)方程式表示:

此次研究沒有考慮CO的產(chǎn)生,因此方程右邊的CO項(xiàng)可以忽略,又因?yàn)镹2的體積保持不變,所以N2項(xiàng)也可以忽略。此時(shí),方程 (2)變?yōu)?

a、b、c、x、y 可通過氧氣的消耗量和 CO2的產(chǎn)出量計(jì)算,見表3。

表3 HP-RTO實(shí)驗(yàn)化學(xué)常數(shù)

方程 (3)中的高H/C比表明將有大量的水產(chǎn)生,而事實(shí)上實(shí)驗(yàn)溫度為103℃時(shí),高 H/C比是氧化反應(yīng)的特征,而不能表示有水產(chǎn)生。實(shí)驗(yàn)中也沒有產(chǎn)生水,在實(shí)驗(yàn)開始時(shí)也沒有水。

根據(jù)Arrhenius方程:

式中 k——反應(yīng)速率,m3(ST)/h

f ——頻率因子

E ——活化能,J/g·mol

[CHx]、[O2] ——摩爾分?jǐn)?shù)

m、n ——反應(yīng)級(jí)數(shù)

R——?dú)怏w阿伏伽德羅常數(shù) [8.31447 J(k·g·mol)]

T ——溫度 ,K

方程 (4)也可改寫為:

方程 (5)中的活化能 E表示反應(yīng)速率受溫度影響的程度,可以通過反應(yīng)速率與溫度的關(guān)系式求得E。HP-RTO實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示了氧氣消耗量和CO2產(chǎn)出量的另外一種變化趨勢(shì),表4給出了相應(yīng)的活化能,基于氧氣消耗量計(jì)算的活化能值很小。當(dāng)溫度由103℃變化到120℃時(shí),CO2產(chǎn)出量增加,氧氣消耗量減少;當(dāng)溫度由120℃變化到140℃時(shí),氧氣消耗量又有所增加。即,氧氣消耗量和溫度之間沒有線性關(guān)系。因此,如果使用基于氧氣消耗量計(jì)算的活化能來進(jìn)行數(shù)值模擬,就會(huì)出現(xiàn)誤差。氧氣消耗量和CO2產(chǎn)出量之間的差異表明溫度由103℃變化到120℃時(shí),氧化反應(yīng)占主導(dǎo)地位。

表4 活化能

實(shí)驗(yàn)溫度為140℃時(shí)的反應(yīng)速率對(duì)基于CO2產(chǎn)出量計(jì)算的活化能影響很大,140℃時(shí)的反應(yīng)速率是根據(jù)上個(gè)反應(yīng)算出的,在實(shí)驗(yàn)初期會(huì)發(fā)生放熱反應(yīng),這會(huì)導(dǎo)致剩余油組分發(fā)生變化,很難點(diǎn)燃。研究實(shí)驗(yàn)初始反應(yīng)狀態(tài)時(shí)發(fā)現(xiàn),在20～26 h之間產(chǎn)出氣的組分保持穩(wěn)定,或者更為精確地說,是CO2產(chǎn)出量緩慢升高,從103℃、120℃、140℃所計(jì)算的活化能均為87.535 J/g·mol,其值同基于103℃、120℃反應(yīng)速率所計(jì)算的活化能值很接近。實(shí)驗(yàn)溫度為140℃,在44～48 h之間存在一個(gè)氣相燃燒區(qū)域,但在這個(gè)區(qū)域形成之前會(huì)發(fā)生殘余油組分的燃燒,因此在44～48 h之后,氧氣消耗和CO2產(chǎn)出機(jī)理就會(huì)有很大不同。在氣相點(diǎn)燃之前,還存在一個(gè)感應(yīng)期。

6 數(shù)值模擬研究

使用熱采模擬器是計(jì)算最小空氣流量最好的方法之一。使用的熱采模擬器為 CMG公司的STARS。通常熱采反應(yīng)有三種計(jì)算方法:火焰面模型、Arrhenius方程模型、元素反應(yīng)模型。

火焰面模型是最簡(jiǎn)單的模型,而元素反應(yīng)模型是最復(fù)雜的模型。元素反應(yīng)方法要計(jì)算燃燒包含的所有元素反應(yīng),這又不切合實(shí)際,因?yàn)槿紵婕暗降姆磻?yīng)極多,而Arrhenius方程模型是根據(jù)方程(4)中的經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算反應(yīng)速率。STARS使用了Arrhenius方程來計(jì)算化學(xué)反應(yīng),能夠維持燃燒前緣的最小空氣流量應(yīng)當(dāng)考慮低溫下的反應(yīng),因此在使用模型計(jì)算最小空氣流量時(shí),反應(yīng)速率同溫度應(yīng)是線性關(guān)系。對(duì)于前面所估計(jì)的最小空氣流量,反過來檢查了反應(yīng)速率同溫度之間的線性關(guān)系。

7 HP-RTO實(shí)驗(yàn)擬合

數(shù)值模擬使用的火燒參數(shù)來自 HP-RTO實(shí)驗(yàn)結(jié)果。氧氣和原油的頻率因子和反應(yīng)次序都根據(jù)HP-RTO實(shí)驗(yàn)結(jié)果做了調(diào)整,在本次數(shù)值模擬中,對(duì)原油使用了6個(gè)擬組分 (C1、C2-C3、C4-C6、C7-C11、C12-C17、C18+),各組分都使用相同的頻率因子和反應(yīng)次序。CT實(shí)驗(yàn)的模擬結(jié)果:高溫下的火燒參數(shù)值太大,導(dǎo)致溫度剖面擬合不好,所以根據(jù)CT實(shí)驗(yàn)擬合結(jié)果,調(diào)整了C18+的參數(shù)。C1-C17使用了另一套值,只使用了C18+的參數(shù)擬合結(jié)果,盡管根據(jù)CT實(shí)驗(yàn)對(duì)參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整,但由于C1-C17也使用了和C18+一樣的參數(shù),所以擬合結(jié)果也不是很好。由于輕質(zhì)組分的影響,燃燒前緣的推進(jìn)會(huì)越來越快,從CO2產(chǎn)出速率模擬結(jié)果來看,相對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果,CO2的計(jì)算所得產(chǎn)出速率就太大。這是因?yàn)榛罨苁軠囟扔绊懞艽?無法同時(shí)考慮低溫下和高溫下的所有反應(yīng),所以擬合結(jié)果會(huì)出現(xiàn)偏差。

數(shù)值模擬研究總結(jié)如下:考慮到反應(yīng)機(jī)理的變化,除非有單獨(dú)的氣相燃燒方程以及氧化方程,否則CT實(shí)驗(yàn)不可能擬合好。熱采模擬器可以很好地評(píng)價(jià)模型的敏感性,但由于缺乏180℃和360℃下的GC數(shù)據(jù),所以無法與RTO所有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果很好地?cái)M合。

8 結(jié)論

◇HP-RTO實(shí)驗(yàn)所得的低溫下的活化能與高溫下的活化能有差別;

◇使用HP-RTO實(shí)驗(yàn)低溫下的參數(shù)對(duì)CT實(shí)驗(yàn)進(jìn)行擬合,未得到較好的擬合結(jié)果;

◇CT實(shí)驗(yàn)擬合不僅需要低溫下的液相燃燒數(shù)據(jù),也需要高溫下的氣相燃燒數(shù)據(jù),這樣才能獲得較好的擬合結(jié)果。

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.3.005

資料來源于美國(guó)《SPE 116530》

2009-01-04)