化学生热体系参数优化及驱油效率试验研究

殷丹丹，杨胜来，赵东锋，孙晓旭，廖长霖

（中国石油大学（北京）石油工程教育部重点实验室，北京 102249）

化学生热体系参数优化及驱油效率试验研究

殷丹丹，杨胜来，赵东锋，孙晓旭，廖长霖

（中国石油大学（北京）石油工程教育部重点实验室，北京 102249）

在一定条件下，NaNO2/NH4Cl化学体系可反应生成大量的热和N2，向高黏低渗油藏注入该体系，可提高油藏温度，降低原油黏度，减少有机堵塞。但影响该生热体系放热速率的因素复杂，文中通过正交实验设计方法，对影响NaNO2/NH4Cl化学生热体系的温度峰值、压力峰值、达到温度峰值的时间等因素进行了直观分析和极差分析，得到影响温度峰值和压力峰值的主要因素是反应物浓度，其次是pH值，最后是初始反应温度；影响到达温度峰值时间的主要因素是pH值，其次是初始反应温度，最后是反应物浓度；优选了适合该生热体系在油层热化学升温过程中各物质的最佳组合方案，并利用该组合方案，对高黏低渗油藏进行了室内驱油物理模拟试验。试验证明：该生热体系与60℃水驱相比，驱油效率提高了19.082百分点。

化学生热；参数优化；正交实验；驱油效率；高黏低渗油藏

长期以来，采用常规水驱进行高黏低渗油藏的开发无法达到预期产量。其中一个原因是，注入地层的冷流体使油层中的原油冷却，黏度增大，甚至原油析蜡或凝固，堵塞了一部分流动通道，对储层造成了冷伤害，同时也降低了多孔介质的导流能力。因此，对高黏低渗油藏的开发，可采用注入化学生热体系。化学生热体系是在常规水驱的基础上，添加一定量的NaNO2、NH4Cl、盐酸及缓蚀剂。在NaNO2/NH4Cl生热剂中加入催化剂盐酸时，会发生化学放热反应，释放出大量热和N2，从而使注入的液体温度升高，进而提高油层温度，并且产生的N2可冲破地层的堵塞［1-6］。措施前，一方面要确定生热剂和催化剂的浓度及注入流体的初始温度，以确保注入的流体反应后的温度高于原油的析蜡温度，并降低原油的黏度；另一方面又要找出影响生热的关键因素，降低经济成本。

本文在NaNO2和NH4Cl反应动力学方程的基础上，研究了影响生热剂生热的主要因素。采用正交实验设计方法，分析了影响生热剂用量的各种因素的主次关系，优化了生热剂用量，并利用该化学体系的最优组合方案，对渗透率较低的高黏油岩心进行了室内驱油模拟试验。

1 生热剂反应原理及动力学方程

NaNO2和NH4Cl反应的物质的量之比为1∶1，用盐酸作为催化剂，化学反应方程式为

该反应过程放热为332.58 kJ/mol。

结合理论研究和室内实验可得NaNO2和NH4Cl的化学反应动力学方程为［3］

由式（1）可知：NaNO2和NH4Cl生热体系的反应物浓度c和催化剂浓度c（HCl）越大，初始反应温度T越高，则化学反应速率越快；反应速率越快，升温越快，生热温度峰值 （反应过程中反应体系温度达到的最大值）也越高。

2 正交实验参数优化

2.1 实验原理

正交实验设计在油气田开发方案优化［7-10］、水平井砾石充填参数优化［11］、整体压裂方案［12］等方面应用广泛。在参数优化过程中，各单因素为最佳参数不代表组合后仍是最佳参数，而且将给定参数作为最佳参数的方法存在一定经验性和随机性，易导致评价结果不够客观。各单因素在相互作用下影响其作用效果，仅使用单因素分析不能说明它们各自的影响程度。因此，引入正交实验［13-15］来进一步分析各因素对结果影响的主次关系。

2.2 实验方法及结果

设计pH值、c和T的3因素5水平实验（见表1），分析这3个因素对t（达到温度峰值时反应时间），ΔTmax（温度峰值），Δpmax（压力峰值）影响的主次关系。用L25（53）正交表安排实验。

实验步骤：1）按表1配制不同浓度的NaNO2和NH4Cl溶液各200 mL。2）用盐酸调节NH4Cl溶液的不同pH值。由于盐酸和NaNO2混合会发生反应，所以盐酸不应加入NaNO2溶液中。3）按表2中的组合，将配制好的不同浓度、不同pH值的溶液倒入500 mL的高压容器内（按表1的温度设计高压容器的初始温度），立刻密封容器，同时用磁力搅拌器匀速搅拌反应溶液。4）通过温度与压力传感器记录反应过程中不同时间对应的温度和压力。

由于pH值小于2时，NaNO2与盐酸接触会发生反应，生成红棕色的NO2气体，不仅浪费NaNO2，还影响生热量，因此pH值不可小于2。

依据表1中各种条件对应的顺序组合进行实验，注意各种条件的控制，共需进行25组实验，实验安排及结果见表2。

对表2中25个方案的实验结果进行直观分析，结果如表3所示。表3中的RΔTmax，RΔpmax，Rt分别为不同水平下的pH，T，c对ΔTmax，Δpmax，t的极差。

参数极差的大小反映了参数水平变化时温度峰值、压力峰值及达到温度峰值的时间变化幅度。不同因素的水平所对应的极差较大时，此因素对结果影响较大，反之亦然。

表2 25个方案对应的实验结果

2.3 最佳方案

根据极差大小决定因素对指标影响的原则，3因素对各指标影响的主次关系为：影响温度峰值和压力峰值的主要因素是c，其次是pH值，最后是T；影响到达温度峰值时间的主要因素是pH值，其次是T，最后是c。

对于浅层低渗稠油油藏，应尽可能提高地层温度，降低原油黏度，溶解地层中的有机堵塞，因此应着重考虑达到较大温度峰值的条件。根据正交实验的结果以及油藏本身的条件，结合对温度峰值影响因素的主次情况，确定最佳方案为：pH=2，NaNO2和NH4Cl浓度均为4 mol/L，初始反应温度60℃。

由于正交实验中没有该最佳参数组合，所以按照2.2的实验方法进行该组合下的生热实验。将实验测定的温度和压力绘成曲线，如图1所示。

表3 水平极差表

图1 最优组合下温度、压力的变化

由图1可知：温度和压力在短时间内迅速上升至峰值。达到峰值的时间为6 min，温度峰值为210℃，与实验初始温度60℃相比，上升了150℃。

3 室内驱油模拟试验

将优化得到的化学生热体系，采用高黏原油饱和的低渗岩心进行热化学驱油试验。岩心基本物性见表4，地层温度45℃时的原油黏度为213.8 mPa·s，50℃时黏度为166.7 mPa·s。

表4 岩心基本参数

实验步骤：1）在地层温度下将排列好的岩心饱和地层水，原油驱水造束缚水；2）分别将装有NaNO2和NH4Cl溶液和地层水的釜放在恒温箱中恒温至60℃；3）分别采用化学生热体系间歇驱替和60℃水驱。2种不同驱替流体下最终驱油效率对比如图2所示。

图2 60℃水驱与生热体系间歇驱油效率对比

由图2可知，与60℃水驱相比，采用生热剂焖井间歇驱的最终驱油效率有很大程度的提高。水驱驱油效率为28.125%，生热剂焖井间歇驱的最终驱油效率为47.207%，比60℃水驱高出19.082百分点。这是由于该生热体系可以提高油层温度，加热原油，降低原油黏度，解除地层的有机堵塞，提高原油的流动能力，同时提高了地层的渗透率。

4 结论

1）NaNO2和NH4Cl生热体系的浓度低于3 mol/L时，反应的热效应不明显。应用于油井时，浓度要高，以免在井下冲稀而降低效果。

2）对NaNO2和NH4Cl生热体系反应达到的温度峰值影响最大的因素是反应物的浓度，其次是pH值，最后是初始反应温度。但考虑成本和化学剂的溶解性，不能一直增大浓度，pH值不能小于2，所以可以对配制的溶液预热。这样既可加快固体药品溶解，又可提高初始反应温度，增大温度峰值。

3）对于高黏低渗油藏，应尽可能提高地层温度。针对油藏实际条件进行正交实验，优选出的生热体系配方为：c（NaNO2）=4 mol/L，c（NH4Cl）=4 mol/L，pH=2，实验前可恒温预热化学剂溶液至60℃。

4）室内模拟驱油实验结果表明，化学生热体系间歇焖井驱油最终驱油效率比水驱高。

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（编辑 孙薇）

Parameter optimization and oil displacement efficiency test on chemical heat generation system

Yin Dandan,Yang Shenglai,Zhao Dongfeng,Sun Xiaoxu,Liao Changlin
(MOE Key Laboratory of Petroleum Engineering,China University of Petroleum,Beijing 102249,China)

The chemical system of NaNO2/NH4Cl generates vast amounts of heat energy and N2under suitable reaction conditions. Injection of the system to low permeability reservoir and heavy oil reservoir can increase the reservoir temperature to reduce the oil viscosity and to reduce the organic block.But the factors affecting the heat release rate of heat generation system are complex.Based on the orthogonal experimental design,the temperature peak of affecting the chemical heat generation system of NaNO2/NH4Cl,the time of attaining the temperature peak and factors of pressure peak are analyzed with intuition and with range.It is believed that the main factor of affecting temperature peak and pressure peak is initial reaction temperature,then reaction concentration and finally pH value.Main impact factor of reaching the time of temperature peak is pH value,then initial reaction temperature,finally reaction concentration.Optimal combination scheme of various materials is optimized in the process of thermochemistry temperature increasing of reservoir for the heat system.Through the use of heat generation system of this combination,oil displacement of low permeability and heavy oil reservoir is simulated in laboratory,which demonstrates that the heat generation system can improve the oil displacement efficiency of 19.082 percentage points,compared with conventional waterflooding.

chemical heat generation;parameter optimization;orthogonal experiment;oil displacement efficiency;oil reservoir with high viscosity and low permeability

国家自然科学基金项目“超深层油气藏岩石物性垂向分布规律及渗流特征研究”（50874114）

TE39

A

10.6056/dkyqt201204023

2012-01-22；改回日期：2012-05-19。

殷丹丹，女，1984年生，流体力学专业在读硕士研究生，2009年毕业于东北石油大学应用化学专业，主要从事油气田开发工作。E-mail：aayindan@163.com。

殷丹丹，杨胜来，赵东锋，等.化学生热体系参数优化及驱油效率试验研究［J］.断块油气田，2012，19（4）：500-503.

Yin Dandan，Yang Shenglai，Zhao Dongfeng，et al.Parameter optimization and oil displacement efficiency test on chemical heat generation system［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2012，19（4）：500-503.