原油黏度对火驱开采效果的影响实验

孙梓齐 赵仁保，2 石兰香 李秀峦王田田 李 鑫 龙海庆

（1. 中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249；2. 中国石油大学（北京）克拉玛依校区，新疆 克拉玛依 834000；3. 中国石油勘探开发研究院，北京 100083）

0 引 言

目前中国大多数的稠油油藏已进入注蒸汽开发后期，面临着地下油水分布复杂、剩余油分散、驱油效率低和经济效益差等问题［1］，且储层中的稠油流动能力差，常规提高采收率技术的开采效果有限，亟需一种有效的方法来进一步提高这类稠油油藏的原油采收率。此外，蒸汽锅炉的普遍应用加剧了环境污染和温室气体排放，不利于“碳达峰、碳中和”目标的实现。

火烧油层技术具有采油成本低、热利用率高、驱油效率高、环境污染小等优点［2］，已经在新疆油田、辽河油田取得了显著的开采效果［3-5］。对于稠油油藏，尤其是注蒸汽开发后的稠油油藏而言，火烧油层技术具有良好的适应性，是极具潜力的接替开采技术。在矿场应用时，需要根据储层物性、原油性质、油水分布特征等开展火驱技术的可行性研究［6-7］。黏度作为原油最重要的性质，对火线的推进、燃烧前缘的稳定性和火驱的开采效果有着重要的影响［8-9］。李秋等［10］研究了不同黏度稠油火驱的驱替特征，发现黏度较大的原油初期产液速率小，甚至不产液，大部分原油在火驱中后期产出。李秋等［11］研究了火驱过程中油墙形成的机理和影响因素，发现原油黏度影响着油墙形成的宽度与速度，原油的黏度越低，油墙形成的宽度越大，速度越快。C.D.Yuan 等［12］研究了不同黏度原油的燃烧特征，发现原油的黏度越低，低温氧化反应更剧烈。上述研究主要集中在黏度对原油的氧化反应特征、火驱的驱替特征和油墙的形成机理等方面，但是黏度对火线推进过程中的燃烧稳定性及火驱采油效果的影响尚缺乏规律性认识，需要进一步的研究。

本文利用新疆油田、河南油田和辽河油田的3种不同黏度原油开展了燃烧管实验，得到了不同黏度的原油在火驱过程中产出气体的浓度、温度、驱替压差和注气速度随时间变化的关系曲线，对比分析了原油黏度对火线的推进特征、燃烧前缘的稳定性和火驱开采效果的影响。研究成果可为现场应用提供指导。

1 实验设计

1.1 实验仪器和材料

实验所用不同黏度的油样分别取自新疆油田、河南油田和辽河油田，实验前利用旋转流变仪（RS6000 型，德国HAAKE）绘制了新疆、河南和辽河原油黏度与温度的关系曲线（图1）。新疆油田原油在常温常压下的密度为0.95 g/cm3，50 ℃条件下的黏度为1 500 mPa·s。河南油田原油常温常压下的密度为0.96 g/cm3，50 ℃条件下的黏度为15 310 mPa·s。辽河油田原油在常温常压下的密度为0.98 g/cm3，50 ℃条件下的黏度为27 226 mPa·s。实验所用石英砂取自河北的水洗河砂，粒径为40～60 目。所用的高岭土为北京鑫葆海化学科技有限公司生产。

图1 原油黏度与温度的关系Fig. 1 Relationship between oil viscosity and temperature

一维燃烧管实验装置是研究火驱技术驱油机理的常用室内研究方法［13］。实验所用的燃烧管为自主设计（图2），由注气系统、点火控制系统、燃烧管、气体分析仪和数据监测系统等组成。注气系统包括气体流量计、氮气、空气和气体单向阀。点火控制系统由电加热棒和温度控制器组成。温度控制器通过热电偶监测和控制加热棒的温度，并将温度数据传输至计算机。数据监测系统通过计算机监测和记录实验过程中的压力、温度数据。燃烧管由哈氏合金制成，长度为60 cm、内直径为3.8 cm，燃烧管的两端用法兰和石墨垫圈密封。注气端的上方装有加热棒，其长度为10.5 cm、直径为1.4 cm。

图2 燃烧管实验装置示意Fig. 2 Schematic diagram of combustion tube experiment equipment

燃烧管装有6 个测温井（标记为T1、T2、T3、T4、T5 和T6），其中，测温井T1 安装在电加热棒中，监测着加热棒的温度变化。测温井T2 在加热棒附近，实验过程中维持着较高的温度。燃烧管的测温井T3—T6 分别装有2 根热电偶，如图3 所示，上部的热电偶距离燃烧管顶部0.8 cm，下部的热电偶距离燃烧管底部1.0 cm。燃烧管的出口端连接着气液分离器（江苏拓创石油机械有限公司），气体从分离器上部进入气体分析仪（武汉四方光电有限公司）以实现对气体组分体积分数的实时监测。燃烧管填砂后，利用氮气在室温条件下测定了渗透率，测试时氮气的流量设置为1.5 L/min。

图3 测温井T3—T6的热电偶位置Fig. 3 Thermocouple locations of temperature detection wells T3-T6

1.2 实验方案及流程

实验的物性参数如表1 所示，实验1 所用的油样为新疆油田原油，渗透率为2.5 μm2，含油饱和度为52.3%；实验2 所用油样为河南油田原油，渗透率为2.7 μm2，含油饱和度为50.7%；实验3 所用油样为辽河油田原油，渗透率为2.8 μm2，含油饱和度为51.4%。火驱实验开展前，燃烧管外壁由陶瓷棉包裹以减少火驱过程中的热量损失。

表1 实验原油的物性参数Table 1 Property parameters of experiment oil

实验步骤：

（1）将不同黏度的石英砂、原油和高岭土按照质量比例为100∶15∶5 混合后充分搅拌，得到实验所用的油砂，再将油砂均匀地填充至燃烧管，并称量记录装填的油砂质量；

（2）以1 L/min 的注气速度向燃烧管中注入氮气，待压力稳定在2.0 MPa 后检查实验装置的气密性；

（3）气密性检测完毕后连通所有实验装置，测定燃烧管油砂的渗透率，然后调节注入压力和背压，当背压稳定在0.5 MPa 时，启动升温程序进行预热，预热时加热棒的温度维持在600 ℃；

（4）在充分预热之后，转注空气点火，并实时记录实验过程中各测温井的温度、驱替压差和产出气体的体积分数；

（5）为了保证实验安全，火线推进到测温井T6 时进行注氮气熄火，待燃烧管温度降低至室温后，取出燃烧后的油砂；

（6）实验结束，整理和分析实验数据。

2 实验结果与讨论

2.1 火线的推进特征

火驱过程中各测温井的温度变化如图4 所示。测温井T1 监测加热棒的温度，实验过程中一直维持在600 ℃。由于对流传热作用，加热棒附近的测温井T2 一直维持着较高的温度范围。实验过程中各测温井均监测到了峰值温度，这意味着火线稳定推进至生产井附近。其中，各测温井监测到的峰值温度表明黏度大的原油在火驱过程中的燃烧温度高。河南和辽河油样的测温井T3 上部热电偶的峰值温度明显的高于下部，这是燃烧管上部的燃烧效果好所致。为了分析了不同黏度原油在火驱过程中燃烧的温度变化，选取了上部热电偶的峰值温度。

图4 各测温井的温度随时间的变化Fig. 4 Variation temperatures of different temperature detection wells with time

河南和辽河油样的测温井T3 上部热电偶的峰值温度明显的高于下部，这是燃烧管上部的燃烧效果好所致。为了分析了不同黏度原油在火驱过程中燃烧的温度变化，选取了上部热电偶的峰值温度。从图4 中可以看出，新疆原油燃烧管实验的测温井T3、T4、T5 和T6 的峰值温度分别为519.2、451.5、493.6、454.5 ℃。河南原油的测温井T3、T4、T5和T6 的峰值温度分别为534.6、504.7、501.5、436.8 ℃。辽河原油的黏度大，火驱过程中的燃料沉积量大。燃烧产生的温度高，各测温井的峰值温度分别为631.9、599.7、490.3 和566.8 ℃。

依据各测温井中热电偶监测到的峰值温度的时间，计算了火线在测温井T3—T4、T4—T5 和T5—T6 段之间的平均推进速度（表2）。不同黏度原油在测温井T3—T4 和T5—T6 段的火线推进速度变化表明黏度大的原油火线推进速度小。然而，在测温井T4—T5 段的火线推进速度出现了异常变化，黏度较大的河南原油的火线推进速度变慢，而黏度最大的辽河原油的火线推进速度变快，这是由于火线推进过程中燃烧状态的变化导致的［14］。由图5 中河南油样火驱过程中的产气体积分数变化可知，测温井T4—T5 段（7 550～11 576 s）内的火线的燃烧状态变差，导致了火线推进速度变慢。辽河油样的燃烧管实验中，测温井T5 不同高度处的热电偶峰值出现了时间差（410 s），这表明火线出现了超覆燃烧现象。此时，火线主要沿着油砂上层快速推进。在整个实验过程中，黏度小的新疆原油的火线平均推进速度为0.31 cm/min，黏度较大的河南原油的火线平均推进速度为0.26 cm/min，黏度最大的辽河原油的火线平均推进速度为0.25 cm/min（表2）。

表2 各测温井间的火线推进速度Table 2 Fire line advance speed of different temperature detection wells

图5 不同油样产出气体的体积分数Fig. 5 Volume fractions of produced gases of different oil samples

2.2 产出气体的体积分数

火驱过程中产出气体的体积分数是研究火线燃烧特征的重要依据［15］。实验过程中产出气体的体积分数如图5 所示。黏度大的原油在点火时需要更充分的预热，新疆、河南和辽河原油的预热时间分别为19、28 和44 min。实验开始阶段的燃烧面积小，产出的COx（CO+CO2）体积分数低。随着加热棒周围燃烧面积的扩大，产出气体中COx的体积分数逐渐升高［16-17］。产出气体的体积分数变化是火线推进过程中的燃烧状态改变导致的，新疆原油火驱过程中产出的COx体积分数在3 721 s 升至15.94%，此时火线的燃烧效果达到最佳。然后随着火线的传播，COx体积分数逐渐降低并维持在6.4%左右。产出的CH4体积分数在3 721 s 升至1.68%，然后保持在0.7%左右。整个实验过程中产出的COx和CH4的平均体积分数为7.13%和0.59%。河南油样在注空气点火后产出的COx体积分数在点火后快速的升至11.88%，并波动变化至5 157 s 的14.59%，此时火线的燃烧状态达到最好。然后随着燃烧效果的变差，COx体积分数逐渐降低，最终为6%左右。产出的CH4体积分数在注空气点火后维持在1.3%左右。整个实验过程中产出的COx和CH4的平均体积分数为7.52%和1.45%。黏度最大的辽河原油点火后产出的COx体积分数在3 979 s 升至11.99%。在6 085～7 075 s 内火线的燃烧效果变差，COx体积分数由17.11% 降低至4.31%。在7 075～9 340 s 火线的燃烧效果逐渐改善，产出的COx体积分数增加至24.03%，然后逐渐的降低至实验结束阶段的7.33%。产出的CH4体积分数在8 340 s 内维持在0.6%左右，然后波动变化至实验结束阶段的1.05%。黏度最大的辽河原油在火驱过程中产出的COx的体积分数大，整个实验过程中产出的COx和CH4的平均体积分数为9.94%和1.08%。

从产出气体的体积分数变化来看，黏度越大的原油在火驱过程中产出的COx的体积分数越高。为了分析火线推进过程中原油的燃烧效果，依据产出的气体体积分数，计算了火驱过程中的燃料消耗量的平均值和产出的COx平均体积分数（表3）。计算方法参照行业标准SY/T 6898—2012《火烧油层基础参数测定方法》，燃料消耗量的平均值和产出的COx平均体积分数反映了火线的燃烧特征。黏度低的新疆原油重质组分含量少，火驱过程中产出的COx体积分数和燃料的消耗量低，其平均值分别为7.13%和5.1 kg/m3。河南原油在火线推进至测温井T4 附近时燃烧效果变差，产出的COx体积分数一直维持较低水平，火驱过程中产出的COx平均体积分数为7.52%，燃料消耗量的平均值为5.2 kg/m3。黏度最大的辽河油田原油重质组分含量高，火驱过程中产出的COx平均体积分数和燃料消耗量的平均值大，分别为9.94%和6.9 kg/m3。可见，黏度高的原油在火驱过程中的燃烧效果好，产出COx的体积分数高，燃料消耗量大。

表3 火线推进过程中的燃烧参数Table 3 Combustion parameters during fire line advance

2.3 油墙形成及产液情况

实验过程中的驱替压差及注气速度如图6 所示。为实现火线燃烧面积的迅速扩大，点火后空气注入速度迅速从1 L/min 升至3 L/min。不同黏度的原油火驱过程中的驱替压差表现出相似的变化趋势。注空气点火后，火线开始向生产井方向的稳定推进。在火线的高温、烟道气和水蒸气的复合驱油作用下，原油开始向生产井方向移动，驱替压差缓慢增加。随着火线的持续推进，可流动油逐渐积累成油墙，驱替压差出现了快速上升的变化趋势。油墙累积到相对稳定的规模后，驱替压差维持较高的变化范围。随着油墙移动到生产井附近，驱替压差快速的降低。以新疆原油为例，注空气点火后，驱替压差在1 527 s 内由50.3 kPa 缓慢增至61.2 kPa。随着火线的推进，可流动油逐渐积累成油墙，驱替压差快速增加［18-19］。在1 527～3 649 s 内快速升至431.6 kPa。油墙累积到一定的规模后，驱替压差维持在500 kPa 以上。在此阶段，瞬时注气速度出现了剧烈的波动，这是由于燃烧产生的烟道气在油墙中移动时产生的不稳定多相流动所引起的［20］。在5 062 s 后，油墙移动到生产井附近，驱替压差快速的降低至190.5 kPa（6 500 s）。然后驱替压差缓慢的降低至实验结束时的96.3 kPa。分析不同黏度原油火驱过程中的驱替压差变化可发现，原油的黏度越大，驱替压差越大，油墙形成的时间越晚。

图6 实验过程中的驱替压差和注气速度Fig. 6 Displacement pressure difference and gas injection rate in the process of experiment

驱替压差快速上升意味着油墙的形成，依据驱替压差的变化得到了可移动油开始形成油墙的时间和油墙达到相对稳定规模的时间。火线在稳定推进过程中，油墙的移动速度与火线的推进速度基本一致。依据火线在各测温井间的平均推进速度计算了实验过程中油墙累积到相对稳定规模时的厚度（表4）。新疆原油、河南原油及辽河原油的油墙形成时间段分别为1 527～3 649、2 273～4 551 和8 479～10 537 s；油墙的厚度分别为10.26、9.11 和8.58 cm。可见，原油的黏度越大，火驱过程中的油墙形成时间越晚，油墙达到相对稳定规模时的厚度越小。

表4 油墙的厚度和形成的起止时间Table 4 Thickness and starting and ending time of oil bank formation

实验过程中的累计产油量变化如图7 所示。黏度小的新疆原油流动阻力小，火驱见效时间早，开始产液的时间为5 400 s，累计产油量达到了111.7 g，最终采收率为72.9%。黏度较大的河南原油见效时间晚于新疆原油，开始产液的时间为7 117 s，累计产油量达到了104.2 g，最终采收率为70.3%。黏度最大的辽河原油的见效时间最晚，开始产液的时间为9 340 s，累计产油量达到了93.1 g，最终采收率为65.1%。可见，火驱过程中，原油的黏度越大，见效时间越晚，最终采收率越低。实验结束后，将燃烧后的油砂取出。图8 为油砂分布的外观，可发现，整体油砂可依次划分为灰褐色、浅白色和黑色。其中，灰褐色主要分布在注气端附近，这是由于注气时油砂与空气的不充分接触导致的［21］。浅白色油砂所占的比例最高，主要分布在T2—T6 段，这表明火驱具有很高的驱油效率；黑色油砂分布在测温井T6 附近，出于安全考虑，火线推进至测温井T6 后注氮气熄火，导致此处的油砂颜色深。

图7 实验过程中的累计产油量Fig. 7 Cumulative oil production in the process of experiment

图8 实验结束后的油砂状态Fig. 8 Oil sand status after the end of experiment

2.4 火驱采油阶段的特征

依据不同黏度原油火驱过程中的累计产液量、产出气体体积分数和驱替压差的变化规律，火驱开采过程可划分为点火阶段、可动油流动阶段、油墙形成阶段、快速产油阶段和火驱结束阶段（图9）。以辽河原油的燃烧管实验数据为例，分析了火驱开采各阶段的驱替特征。

图9 火驱的采油阶段Fig. 9 Oil production stages of ISC

点火阶段（Ⅰ）：注空气点火后，随着燃烧面积的逐渐扩大，产出气体中的COx（CO+CO2）体积分数逐渐上升。黏度大的原油点火难度大，需要更充分的预热。

可动油流动阶段（Ⅱ）：点火成功后，火线开始向生产井方向稳定推进。在火线的高温、烟道气和水蒸气的复合驱油作用下，原油开始向生产井方向移动，驱替压差缓慢增加，产出的COx维持着较高的水平。一般黏度高的原油流动性差，原油开始流动的时间晚，可动油流动阶段的持续时间长。

油墙形成阶段（Ⅲ）：随着火线的持续推进，产出的COx维持着较高的水平，可移动油逐渐累积成油墙。此时驱替压差快速增加，采油井开始见效产液。低黏度原油的流动能力强，驱替压差增加幅度小，油墙形成阶段出现的时间早。

快速产油阶段（Ⅳ）：油墙累积到一定规模后维持相对的稳定，驱替压差维持较高的范围，产油速度逐渐增加。随着油墙移动至生产井附近，驱替压差迅速降低，产油速度出现降低的趋势。

火驱结束阶段（Ⅴ）：火驱进入结束阶段后的驱替压差小，逐渐发生气窜现象，火线的燃烧效果变差，产出的COx的体积分数较小。气窜导致了采油井的产气量增加，产液速度降低。

3 结 论

（1）黏度高的稠油在火线推进过程中的燃烧效果好，产出的COx浓度高，燃料消耗量大；火线推进速度慢，驱替压差高，油墙的形成时间晚，油墙达到相对稳定规模时的厚度小。

（2）火驱过程中，黏度高的稠油见效时间晚，最终采收率低。黏度低的新疆原油产液时间为5 400 s，最终采收率为72.9%。黏度较高的河南原油产液时间为7 117 s，最终采收率为70.3%。黏度最大的辽河原油产液时间为9 340 s，最终采收率为65.1%。

（3）依据不同黏度原油火驱过程中的累计产液量、产出气体浓度和驱替压差的变化规律，将火驱开采过程划分为点火、可动油流动、油墙形成、快速产油和火驱结束5 个阶段。