基于动力学参数的火驱效果影响分析

蒋海岩, 王 姣, 赵黎明, 袁士宝, 任宗孝

(1.西安石油大学，西安 710065；2.中国石化西北油田分公司采油一厂，乌鲁木齐 830011)

原油氧化动力学是注空气提高采收率技术的基础理论，随着对火驱理论的认识不断加深，人们逐渐意识到化学反应动力学参数在火驱工程计算上的重要性。合理的活化能和指前因子，不仅可以提高点火成功率，还能帮助石油工作者更好地设计火驱方案、认识火驱状态以及调整火驱效果。

原油氧化动力学参数主要包括活化能、指前因子及反应机理函数，通过积分法[1]、燃烧池试验[2]、热重实验[3-4]、加速量热仪实验[4]等均可以得到火驱中的动力学参数大小。然而，这些研究大多只针对动力学参数的求取，并没有就氧化动力学参数大小对火驱效果的影响这一方面进行专项研究。利用油藏数值模拟软件(CMG)建立火驱模型，结合Arrhenius方程分析原油氧化动力学参数的改变对火驱效果的影响，为火驱的理论研究提供了新的理论支撑。

1 火驱动力学分析

1.1 火驱中的化学反应

图1 原油地下燃烧过程示意图Fig.1 Schematic diagram of underground combustion process of crude oil

作为提高采收率技术之一，火驱燃料以重质油的裂解产物为主，助燃剂为富氧气体，点火方式以自燃或人工点火为主，使重质油在高温作用下裂解为轻质油，从而流向生产井被采出[4]。原油地下燃烧过程如图1所示。由图1可知，原油燃烧首先通过低温氧化积累热量，使重质油在高温下裂解进而形成结焦带，在达到燃点后点燃结焦带，从而完成点火过程。点火燃烧后，地下原油的燃烧主要是裂解、焦炭沉积和燃烧的闭路过程，如果反应中出现某一环节的中断，反应又会从头开始。原油氧化反应阶段可大致分为以下4类[5]。

1.2 氧化动力学参数

原油氧化反应机理复杂，涉及的中间反应极多[6-8]，其化学反应动力学参数对火驱的工程计算就显得尤为重要，这些参数包括活化能、指前因子等[6]。通过热重实验可以求取这些参数，令α为转化率[7]，它可以表示为

(1)

式(1)中：α为t时刻试样的失重百分比；m、m0、m∞分别为试样在反应t时刻、初始时刻、结束时刻的质量，mg。

原油氧化的反应速率可由转化率的快慢表示[9]，对α求导得：

(2)

目前氧化动力学参数常用计算方法是Arrhenius方程[9]，k用Arrhenius方程表示为

(3)

所以

(4)

式中：k为Arrheniu方程速率常数；T为温度，K；E为活化能，kJ/mol；R为气体常数，8.314 J/(mol·K)；A为指前因子，min-1；f(α)为反应机理函数。

基于以上认识，可以认为火驱效果受原油氧化动力学参数的影响，即受活化能和指前因子的影响。

2 建立数值模拟模型

为准确认识实际生产中各参数与火驱效果之间的关系，以原油氧化实验结果为依据，将其与现场情况相结合，通过CMG软件建立火驱模型，分析活化能和指前因子的改变对各生产参数的影响，进一步揭示了这些参数对火驱效果的影响。

结合油藏实际情况，采用 CMG软件建立火驱模型。在此模型中选择直角网格系统，其中网格数量为35×20×3，步长为5 m×5 m，设计储层埋深为600 m，令原始地层压力保持在8 MPa，同时保持油藏温度为20 ℃。规定油藏渗透率为350 mD，孔隙度为25%，地层原油黏度为1 176.5 mPa·s，平均含油饱和度为65%，地层原油密度为0.946 4 g/cm3。在本模型中需要考虑的组分包括以下7种：COKE、LIGHT OIL、HEAVY OIL、WATER、CO/N2、CO2、O2。其中COKE、LIGHT OIL、HEAVY OIL、CO2为油相组分。规定本模型以排状井网的方式进行开采，其中注采井距70 m。

原油氧化动力学参数的大小受温度、压力以及油藏特性等因素影响，一般可以由室内实验得到[10-11]。给定模型初始参数值如表1所示。

为便于研究氧化动力学参数与火驱效果之间的关系，要选取合适的注气速度保证模型的合理性[12-13]。不同注气速度下的模拟结果如图2和图3所示。

表1 模型初始参数值

图2 日产液量变化曲线Fig.2 Daily liquid production curve

图3 采收率变化曲线Fig.3 Recovery curves

由图2、图3可知，原油的最大日产油量随注气速度的增大而上升，生产时间随注气速度的增大而缩短，在注气速度达到6 000 m3/d时采收率最高，同时，注气速度在3 000 m3/d和6 000 m3/d时采收率基本相同，而6 000 m3/d的注气速度下生产时间缩减至3 000 m3/d的一半。综合考虑最终采收率与生产时间的影响，认为火驱的合理注气速度为6 000 m3/d。

图4 活化能对原油采收率的影响Fig.4 Effect of activation energy on oil recovery

3 活化能对火驱效果的影响

3.1 活化能对火驱采收率的影响

设定模拟注气速度为6 000 m3/d，并改变各反应活化能大小，模拟结果如图4所示。

由图4可知，在氧化过程中，裂解反应、轻质油氧化、重质油氧化3个反应的原油采收率基本不受活化能变化的影响，但是在焦炭燃烧反应中，采收率随活化能的增大明显降低，生产时间也随之大幅缩短。观察图4(a)可知，当焦炭活化能达到110～160 kJ/mol时，采收率在72%左右，生产时间可达16 a；而当焦炭燃烧活化能大于160 kJ/mol时，其采收率仅达到28%，生产时间也仅为2 a左右，这是因为当活化能过大时，生产井温度迅速增加，很快超过了300 ℃，达到模型的边界条件值，使运算停止。因此，在火驱中焦炭燃烧的活化能不宜过大，保持在130～140 kJ/mol为宜。

3.2 活化能对注采关系的影响

进一步讨论不同活化能下注气速度的改变对采收率和生产时间的影响，得到模拟结果如图5、图6所示。

图5 不同活化能下采收率变化曲线Fig.5 Recovery curves at different activation energies

图6 不同活化能下生产时间变化曲线Fig.6 Production time curves at different activation energies

由图5和图6可知，采收率随注气速度的增加逐渐降低，生产时间也逐渐缩短。原油氧化过程中裂解反应、轻质油氧化、重质油氧化反应中，在不同活化能下，采收率仍表现出随注气速度升高而降低的现象，其合理注气速度仍保持在6 000 m3/d左右，但是在焦炭燃烧反应中，这种现象发生了明显的变化，尤其当是焦炭燃烧活化达到160 kJ/mol时，注气速度在3 000 m3/d时的采收率只有28%，生产时间也仅有1 000 d，而当注气速度提升到6 000 m3/d时采收率达到了74%，生产时间也提高到4 000 d，说明在焦炭燃烧反应中，活化能的改变使火驱空气需要量发生变化，需要提高注气速率来增加反应中的氧气含量。适当地提高注气速度可以改变原油采收率和生产时间。

3.3 焦炭燃烧中合理的注气速度

为进一步讨论焦炭燃烧反应中注气速度与活化能大小的关系，模拟了活化能不同(110～200 kJ/mol)时不同注气速度下的采收率，结果如表2、图7所示。

由表2可知，在焦炭燃烧反应中，火驱的合理注气速度随活化能的增大变化明显，从6 000 m3/d上升至18 000 m3/d。当反应活化能较低(110～140 kJ/mol)时，随着活化能增大，火驱的合理注气速度范围逐渐增宽，但此时即使注气速度较低也能取得较高的采收率；而反应活化能较高(170～180 kJ/mol)时，达到稳定火驱的注气速度大幅增加。这是由于原油氧化所要跨越的能垒随着活化能越大逐渐升高，为提高原油采收率，需要提高注气速度，增加反应的含氧量；但反应活化能过大(190～200 kJ/mol)时，即使注气速度达到最大，原油采出程度依旧较差。这是因为活化能过大，空气带走了大部分的热量，导致生产井温度迅速超过300 ℃，达到模型边界值，运算停止，导致原油采收率较低。

从图7(e)可以看出，在反应活化能较大的情况下，较低的注气速度也能取得较高的采收率。这是因为活化能较高，地层温度并未达到焦炭燃点，焦炭未被点燃。而高采收率则是因为轻质油氧化释放热量，降低了原油黏度，同时由于注气速度较低，只带走了少部分的地层热量，进而提高了采收率。虽然采收率较高，但是由于注气速度低，注气量小，地层压力恢复缓慢，大大增加了开采时间。综合分析，在焦炭燃烧的最佳活化能(130～140 kJ/mol)下，火驱的合理注气速度为4×103～8×103m3/d。

表2 合理注气速度范围随焦炭燃烧活化能变化

图7 不同焦炭燃烧活化能下注气速度与采收率的关系Fig.7 Relationship between gas injection rate and recovery at different activation energies of coke combustion

4 指前因子对火驱效果的影响

4.1 指前因子对火驱采收率的影响

设定模拟注气速度为6 000 m3/d，并改变各反应指前因子大小，模拟结果如图8所示。

分析图8可以看出，在氧化反应中，焦炭燃烧、轻质油氧化和重质油氧化3个反应中采收率基本不受指前因子影响，而在裂解反应中，生产时间和最终采收率随着指前因子的增加而提高。所以可认为指前因子对于火驱采收率的影响主要是由原油氧化过程中裂解反应指前因子的变化引起的。

为分析不同裂解反应指前因子变化对采收率影响的原因，模拟出裂解反应中不同指前因子下的焦炭分布图如表3所示。

图8 指前因子对原油采收率的影响Fig.8 The influence of pre-exponential factors on oil recovery

观察表3可得，当指前因子较小时，裂解反应只产生少量焦炭，尤其是第一层几乎无焦炭产出，在第二、三层只有少量的焦炭，这是由于活化能不变，较小的指前因子导致反应中分子碰撞频率较小，反应难以进行，而当指前因子较大时，图中各层的焦炭分布几乎相同，没有原油氧化反应中焦炭逐渐生成的痕迹。造成这种现象的原因是过大的指前因子使软件在数值模拟过程中出现错误，使地层原油瞬间转化为焦炭而出现这种情况，这并不符合实际。所以裂解段的指前因子过大或过小都不符合原油正常氧化规律。

4.2 指前因子对注采关系的影响

进一步讨论不同指前因子下注气速度的改变对采收率和生产时间的影响，得到模拟结果如图9、图10所示。

图9 不同指前因子下采收率变化曲线Fig.9 Recovery curve under different pre-exponential factors

由图9和图10可以看出，原油氧化反应中焦炭燃烧、轻质油氧化和重质油氧化3个反应模型中采收率生产时间随注气速度的增加而降低，生产时间则逐渐缩短，而在裂解反应中，尤其是指前因子达到3×107～3×109min-1时，随着注气速度的增加，采收率降低趋势平缓，指前因子越大采收率随注气速度变化越小，出现这种现象的原因是随着指前因子的增大，氧化反应中分子间的碰撞频率增加，达到较高采收率的注气速度也就越大。此外，裂解反应中，生产时间随注气速度的变化较为平缓，在相同的注气速度下，指前因子越大，生产时间越长。建议在火驱中指前因子的合理范围为3×105～3×108min-1。

4.3 原油裂解中合理注气速度

为进一步讨论裂解反应中指前因子的变化对注气速度的影响，模拟出裂解反应中指前因子不同时，不同注气速度下的采收率变化曲线，如图11所示。

由图11可知，火驱合理注气速度范围随着指前因子的增大而增大，当指前因子过大(大约3×1010min-1)时，无论注气速度是多少，均能取得较高的采收率，注气速度不再影响最终采收率的大小，由前文可知，此时的氧化并不符合原油正常氧化规律。

图10 不同指前因子下生产时间变化曲线Fig.10 Production time curve under different pre-exponential factors

图11 不同指前因子下注气速度与采收率关系Fig.11 The relationship between gas injection rate and recovery under different pre-exponential factors

5 结论

(1)注气速度的变化对采收率的影响较大，合理的注气速度对燃烧具有促进作用，可以保证火驱取得较好的采出效果，同时也能缩短生产时间，减少生产成本。

(2)活化能对于火驱采收率的影响主要是由焦炭燃烧中活化能的改变引起的。焦炭燃烧活化能的增大使火驱空气需要量增多。建议焦炭燃烧合理的活化能值为130～140 kJ/mol，此时合理的注气范围最大，有利于火驱的顺利进行。

(3)指前因子对于火驱采收率的影响主要是由裂解反应的指前因子改变引起的。指前因子越大采收率随注气速度变化越小。过大或者过小的指前因子均会造成数值模拟结果与现场实际偏离。建议在火驱中指前因子的合理范围为3×105～3×108。