原油放热性的测定和在火烧油层可行性判定中的应用

编译:吴军 (新疆油田公司重油开发公司)

审校:阮林华 (新疆油田公司重油开发公司)

王晓钦 (新疆油田公司勘探开发研究院)

原油放热性的测定和在火烧油层可行性判定中的应用

编译:吴军 (新疆油田公司重油开发公司)

审校:阮林华 (新疆油田公司重油开发公司)

王晓钦 (新疆油田公司勘探开发研究院)

在油藏压力条件下,利用加速量热仪 (ARC)对三个油藏的原油放热性进行了测定。Wolf Lake重油和Clair中质油放热性实验采用干净的、含有3%高岭石的石英砂模拟油藏储层,而对于Athabasca沥青矿,则模拟原始油藏状态,测定其油砂放热性。Wolf Lake重油油藏和Clair中质油油藏在实验中水饱和度较高,这是水驱或蒸汽驱后的油藏状态。对Athabasca沥青矿进行的另一个放热性实验采用的是低饱和度原油的油砂,但是没有对原始盐水饱和度进行调整。虽然Clair中质油在所有温度范围内都具有较好的放热性,但是初始分解温度较Athabasca油砂高很多。活化能的计算表明Athabasca油砂在低温氧化阶段反应活性非常强。原油放热性的测定表明:以上三个油藏都具有很好的实施火烧油层开采的潜力。

原油 放热性 火烧油层 加速量热仪

1 前言

在提高采收率 (IOR)工艺的选择中,是否有适合的、容易得到的流体注入油藏是最关键的考虑因素。在油藏开发不断发展的情况下,轻质油和重质油油藏开发对采用空气注入法提高采收率给予高度的关注。最近,印度Cambay Basin油田采用传统的火烧油层 (ISC)方法开采稠油,Christina Lake稠油油田采用先进的水平段注空气工艺(THAI)开辟了第一个先导实验区。采用注入高压空气方式开发轻质油油藏也有了重大的进展。例如在Williston Basin油田进行经济可行的空气注入开发实验,在阿根挺Barrancas油田和墨西哥Cantun油田进行空气注入工艺的可行性研究。

空气注入工艺在经济上和技术上有许多优点:驱替效率高,增加了燃烧前沿原油的流动性和油藏压力;注入的气体、气体剥离作用后产生的燃料气以及燃烧副产品CO2对原油具有膨胀驱替作用。另外,高压高温油藏还具有原油易燃、组分之间易互溶的特性。

Yannimaras等首次提出可采用加速量热仪(ARC)法对适宜采用空气注入法开发的油田进行筛选。该技术已经发展成为一种在绝热条件下,尤其在高压环境中研究反应动力学的方法,而且该技术可以解释低温氧化 (L TO)和高温氧化 (HTO)现象。以前ARC主要用于研究轻质油。本文利用ARC获得了稠油和Athabasca油砂放热性的测试参数,并利用测试参数分析发生的氧化反应,从而确定稠油和 Athabasca油砂采用传统的 ISC和THAI工艺开采的可行性。

2 实验

2.1 ARC实验设备

主要仪器由耐压壳体和测试容器构成 (图1)。样品池的顶部、底部和周围均安装有加热器。整个仪器内嵌多个炉壁热电偶,另外一个热电偶安装在测试容器的内部。测试容器和内部的样品保持在近乎绝热的状态。在质量流量计控制下向测试容器注入持续的空气流。在测试容器内气体是以回压控制的,然后进行干燥,以便利用气相分析仪对CO2、CO和O2的浓度进行测定。

图1 加速量热仪结构示意图

2.2 ARC实验过程

实验前,系统要进行热损失校准 (HLC)。HLC可以补偿测试容器在不断升温过程中的热损失。ARC的测试分为加热—等待—搜索三个过程。在搜索过程中,ARC自动程序确定温升变化率是否超过设定值。假如试样的温升变化率大于设定值,加热器接着执行“跟踪”模式,对整个反应的温升变化过程进行扫描。如果试样的温升变化率小于设定值,ARC将按照预先选择的温度升高幅度自动进行加热-等待-搜索循环。油和砂样准备好后装入测试容器。实验前,系统进行试压以检验仪器连接处的密封状况,并对热损失校准,以便在计算机控制下进行ARC实验。

3 实验结果和讨论

四种原油ARC实验条件见表1。

表1 四种原油ARC实验条件

3.1 Clair中质油 (19.8 API)

Clair中质油放热反应趋势见图2。在图2中, Clair中质油初始分解温度是162.5℃,这比原始油藏温度高很多。水驱前油藏状态和油藏含水饱和度对原始油藏温度影响很大。试验温度达到205℃左右时,压力快速升高,这是由于在油、砂样品的上面形成了气相二级反应区。轻质碳氢化合物组分从原油中挥发出来进入流动的气相区域,当满足最低燃烧条件时,就出现自燃现象。由温升变化率的剧烈变化可以看出,300℃时温度和压力出现陡增。这说明此时原油开始完全燃烧,或者出现键断裂反应。当反应温度达到仪器的最大测试温度 (不到500℃)时,系统自动切断,反应结束。

放热反应的自加热速率 (SHR)见图3。L TO阶段初始温升变化率是0.06℃/min,高于温升变化率设定值0.02 ℃/min。实际上,在油藏条件下,初始分解温度比162.5℃低得多,这是因为油藏绝热条件比ARC实验绝热条件好很多。在图3中,L TO和 HTO区间很明显。SHR是400℃/ min。API重度值为31的Barranca轻质油在开放的反应条件下SHR也可达到400℃/min,然而在密闭的容器中,SHR可接近1 000℃/min。由图3可明显地看出,实验中两个氧化区之间存在270～300℃这一较宽的过渡带。对轻质油来说,过渡带越宽越平滑,氧化反应转变为充分燃烧的可能性就越大,因此Clair中质油具有实施火烧油层开采的较好潜力。原油是由碳数量完全连续的不同碳氢化合物混合而成的,这确保了样品随着温度的升高,能不间断地持续放热。Li等应用高压差扫描量热法的研究结果表明,原油的化学结构对氧化反应有非常重要的影响。

图2 Clair中质油反应温度与时间关系 (油藏压力202 bar)

图3 Clair中质油SHR与温度关系 (油藏压力202 bar)

3.2 Wolf Lake重油 (10.3 API)

在L TO阶段,Wolf Lake重油放热变化趋势(图4)同Clair中质油基本相似,但该阶段Wolf Lake重油的SHR没有Clair中质油的高,并且在两个氧化反应之间没有过渡带。该阶段SHR最大值为30℃/min。Wolf Lake重油初始分解温度是158℃,比Clair中质油低了近5℃。这表明,虽然Wolf Lake油藏压力比Clair油藏低很多,但是在L TO阶段,Wolf Lake重油具有较强的氧化活性。同时也表明,在温度升到某一高度时,Wolf Lake重油会出现自燃现象。Wolf Lake重油可在SHR非常低的情况下由L TO阶段连续地、不很平滑地过渡到燃烧阶段。在实验结束时,Wolf Lake重油SHR超过100℃/min。在整个过程中,反应消耗了大量的氧气,产生了大量的碳的氧化物,并且持续反应时间比 Clair中质油长很多,毫无疑问,Wolf Lake重油有较好的燃烧特性。

3.3 Athabasca沥青矿油砂 (8 API)

图4 Wolf Lake重油SHR与温度关系 (油藏压力102 bar)

在对Athabasca沥青矿油砂进行的两个实验中,油砂均含有原始油藏盐水。在前面的实验中, Wolf Lake重油和 Clair中质油采用洁净的含有3%高岭石的石英砂来模拟这两个油藏的储层。图5显示含油饱和度为80%的Athabasca油砂初始分解温度是113℃,此时SHR为0.04℃/min。此后SHR缓慢增长,300℃时,达到低温氧化阶段的最大值2.5℃/min。在另一个针对含油饱和度为50%的Athabasca油砂的实验 (图6)中,SHR的变化趋势同含油饱和度为80%的Athabasca油砂是类似的。然而初始分解温度高很多,达到147℃,SHR非常低,只有0.02℃/min。这是因为砂和水的“散热器”作用以及反应原料——原油含量较低的缘故。在从L TO转变为 HTO过程中,两种原油饱和度油砂的SHR曲线都是连续的,但是在HTO阶段SHR差别很大。从图5可以看出,含油饱和度为80%的Athabasca油砂在400℃时出现短期较高的SHR,最大达到200℃/min,然后不断降低,最终在实验结束时降到40℃/min。这表明,热裂解反应产生的轻质混合物的气相浓度达到了气体的燃点。但是同样的现象没有发生在原油饱和度为50%的Athabasca油砂实验中。这是因为虽然也发生了热裂解反应,但是原油饱和度低,由热裂解反应产生的轻质混合物的气相浓度没有达到混合物的燃点。

图5 含油饱和度80%的Athabasca油砂SHR与温度关系(油藏压力40 bar)

3.4 ARC实验反应速率参数

四种原油放热性参数测试结果见表2。对注蒸

图6 含油饱和度50%的Athabasca油砂SHR与温度关系(油藏压力40 bar)

汽开发后的油藏实施火烧油层时,需要考虑此时油藏原油低饱和度对点火的影响以及油藏放热性的变化。例如Athabasca油砂,当原油饱和度从80%降到50%时,初始分解温度提高了34℃,然而自燃温度从 350℃降到 300 ℃ (图 2)。Xia和Greaves的研究结果表明,油藏在水平段蒸汽驱(THSF)之后采取火烧油层工艺,其自燃和稳定燃烧是可行的。L TO和 HTO阶段热能变化见表3。从表3可以看出,在压力不同、其他条件类似的情况下,Clair中质油和Wolf Lake重油在L TO和HTO阶段释放的热能是大致相同的。然而含油饱和度为80%的Athabasca油砂在L TO阶段释放的热能比HTO阶段高很多。这是由于ARC仪器最高测量温度的限制,使得HTO被人为缩短了。但是这说明含油饱和度为80%的Athabasca油砂具有较好的自燃能力。在针对含油饱和度为50%的Athabasca油砂进行的ARC试验中,两个氧化阶段释放的热能是大致相同的。

表2 四种原油放热性参数测试结果

对表2试验数据进行排序,得到以下结果:

初始分解温度:Athabasca＜Wolf Lake＜Clair;

自燃温度:Athabasca＞Wolf Lake＞Clair;

最大自加热速率:Athabasca=Wolf Lake＜Clair;

最大燃烧温度:相同 (仪器限制),接近500℃。

虽然 Athabasca油砂在L TO阶段活性较强(初始分解温度为113℃),但是它的自燃温度最高,约为350℃。表2中表观活化能排序如下:

L TO阶段:Athabasca＜Wolf Lake＜Clair;

HTO阶段:Athabasca＞Wolf Lake＞Clair。

表3 ARC试验中各个阶段原油放 (吸)热情况

可以看出,L TO阶段初始分解温度的变化同该阶段活化能的变化相一致,HTO阶段的自燃温度变化同该阶段活化能相一致。在L TO阶段, Athabasca油砂的活化能较低,进一步表明它具有较强的氧化反应能力。在 HTO阶段,Athabasca油砂的活化能达到最高 (147.24 kJ/mol),说明Athabasca油砂只有在高温下才可能发生燃烧放热现象。

4 结论

◇根据油藏压力下进行的ARC试验,Clair中质油、Wolf Lake重油和Athabasca油砂都具有持续氧化放热的特性,并都能从低温氧化转变为高温氧化或充分燃烧。这三种原油都具有实施火烧油层的潜力。

◇Athabasca油砂初始分解温度最低,只有113℃,这接近于某些埋藏较深的轻质油油藏温度。

◇在L TO阶段,Athabasca油砂活化能低,只有44.6 kJ/mol,这表明 Athabasca油砂活性强,在空气注入的情况下可以发生自燃。

资料来源于加拿大《JCPT》2007年9月

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.9.009

2009-05-05)