《火烧油层采油技术的应用前景探讨》由会员分享，可在线阅读，更多相关《火烧油层采油技术的应用前景探讨（5页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、火烧油层采油技术的应用前景探讨汪子昊,李治平,赵志花(中国地质大学沉积盆地与能源地质实验室,北京 100083)摘 要:火烧油层,国外又叫 “就地燃烧”(In- SituCombustion),它利用油层本身的部分燃烧裂化产物作为燃料,利用外加的氧气源和人为的加热点火手段把油层点燃,并维持不断的燃烧,燃烧生热使温度达到1000,从而实现复杂的多种驱动作用.火烧油层技术是一种具有明显技术优势和潜力的热力采油方法,随着采油理论和技术的不断深化,火烧油层采油的应用前景得到了普遍的认可。目前火烧油层工艺正朝着三个方面继续发展:一是伴随燃烧物注入的多样化;二是新型助采技术的运用;三是火烧油层工艺的非常规
2、应用.本文就火烧油层的概念,发展历程,原理,技术特点,应用优势,发展前景等相关问题进行了阐述和分析,并就其未来发展提出了几点建议。关键词:火烧油层;伴随燃烧物;水平井辅助火烧油层;直井压力循环火烧油层前言火烧油层又称为地下燃烧或层内燃烧,亦称火驱开采法,是一种在油层内部产生热量的热力采油技术.准确的说,是指把空气或氧气体注入到油层里面,使其在油层中与有机燃料起反应,用产生的热量来帮助采收未燃烧的原油。火烧油层技术是一种具有明显技术优势和潜力的热力采油方法,是稠油开采的第二大技术。 它具有驱油效率高(一般达80%90% )、 单位热成本与蒸汽相当(注空气、 注蒸汽产生1. 0104千卡热量的直接
3、成本分别为1. 2元、1. 3元)、 油藏适应范围广(从薄油层到厚油层、 从浅油层到深油层、 从稀油到稠油,及已开发油藏)等特点。美国早在1917年J. O.李威斯就提出了采用热力或注溶剂的方法,驱替地层中的原油以提高采收率的概念。1923年瓦尔科特(W olcott)和霍华德(Howard)也认识到,把空气注入到油层,使油层在地下燃烧过程的关键是燃烧掉一部分原油,产生热量以降低粘度,同时产生驱替原油的驱动力。 他们的这种认识分别在1923年申请到美国专利.当时,由于新油田勘探成功率比较高,投资商无意进行试验.直到1947年才开始了实验室试验研究.进入50年代后,美国的石油资源日见枯竭,新油田
4、勘探成功率降低,这项新技术才得到广泛的关注.从1951年开始,各个石油公司在油田展开了一系列的试验研究,使得火烧油层技术得到了快速的发展。世界上最早的一次火烧油层现场试验是1942年在美国俄克拉荷马州的伯特勒斯维尔油田进行的. 50年代以后,据统计,美国已经开展了70多个火烧油层项目.另外还有前苏联,荷兰,罗马尼亚,匈牙利,德国,印度等40多个国家先后开展了火烧油层采油的相关工作。我国从1958年起,先后在新疆,玉门,胜利,吉林和辽河等油田开展了火烧油层试验研究,因受当时条件的限制,火烧油层技术让位于注蒸气采油,在我国的现场应用直到目前还为数不多.但是,室内研究一直没有停止,特别是在中国石油天
5、然气总公司石油勘探开发科学研究院热力采油研究所,中科院化学所等单位, 80年代以来不断开展火烧油层的物理模拟,化学模拟和数学模拟研究,配置了一批研究设备和仪器,开展了大量的室内试验,也进行了现场火烧可行性研究和施工设计与预测.中国石油天然气总公司石油勘探开发科学研究院热力采油研究所还与罗马尼亚开展了有关现场火烧工艺的交流合作研究项目,现已取得了不少可喜的成果。1 火烧油层采油的原理及其特点火 烧 油 层,国 外 又 叫“就 地 燃 烧”(In -SituCombustion),因为它主要是利用油层本身的部分燃烧裂化产物作为燃料,利用外加的氧气源和人为的加热点火手段把油层点燃,并维持不断的燃烧,
6、燃烧生11 2008年第7期 内蒙古石油化工收稿日期: 2007- 08- 12热使温度达到1000,实现复杂的多种驱动作用。 其驱油原理为:当用空气作为氧源,向注入井注入热空气把油层点燃时,主要燃烧参数是焦炭的燃点;控制注入气温略高于焦炭的燃点,并依一定的通风强度不断注入空气,会形成一个慢慢向前移动的燃烧前缘及一个有一定大小的燃烧区,当确信油层已被点燃后,可停止注入井的加热。 燃烧区的温度会随时间不断增高。 有最高温度的燃烧区可视为移动的热源;在燃烧区前缘的前方,原油在高温热作用下,不断发生各种高分子有机化合物的复杂化学反应,如蒸馏,热裂解,低温氧化和高温氧化反应,其产物也是复杂的,除液相产
7、物外,还有燃烧的烟气(一氧化碳,二氧化碳,天然气等);热水,热气都能把热量携带或者传递给前方的油层,从而形成热降粘,热膨胀,蒸馏汽化,油相混合驱,气驱,高温改变相对渗透率等等一系列复杂的驱油作用。 一般认为,在燃烧前缘附近是裂解的最后产物焦炭形成的结焦带,再向外依次是蒸汽和热水(反应生成水,原生水以及湿烧的注入水等)形成的热水蒸汽带,被蒸馏的轻质烃类油带,以及最前方的已降粘的原始富油带。 正是因为火烧油层法有众多的驱油机理联合作用,可以比现在的任何一种采油方法获得更高的采收率。火烧油层采油和注蒸汽采油一样,都是通过加热的方式,降低原油的粘度,使其变得更容易流动从而提高了原油的采收率.火烧油层的
8、采收率常可达到50%以上,并且可以在比蒸汽驱采油更复杂,更苛刻的地层条件下应用,因而是对稠油和残余油开采的一种具有诱惑力的热采技术。但与注蒸汽相比火烧油层有着一些本质上的优势:它所使用的注入剂空气到处都有,而注蒸汽则需要大量的水,水资源在某些地区可能严重匮乏.火烧油层烧掉的是原油中约10%的重组分,改善了剩余油的性质.火烧油层比注蒸汽有着更为广泛的油藏适用条件.火烧油层的热量就地产生,比注蒸汽的热能利用率要高,并可节省地面和井筒隔热措施的投资。总的来说,火烧油层法有以下特点:具有注空气保持油层压力的特点,其面积波及系数比气驱高(五点井网气驱约为45% ,火驱可达70% );有相当于水驱的面积波
9、及系数,但驱油效率比水驱高得多;具有蒸汽驱,热水驱的作用,但火驱的热效率更高,且产物的轻质组分因热裂解反应而更多些;有二氧化碳驱的性质,但其二氧化碳是原油高温氧化反应的产物,无需制造设备;具有混相驱降低原油界面张力的作用,但比混相驱有高得多的驱油效率和波及系数;热源是运动的,所以火驱井网,井距可以比蒸汽驱,化学驱更灵活。2 火烧油层工艺的现状及发展前景火烧油层采油法从本世纪20年代起,至今已经经历了70多年.在世界上150- 160多个稠油和轻质油油藏上进行了现场试验,并取得了一定的成果。 据资料统计, 1998年全世界共有29个火驱项目,火驱开发日产原油4800t ,单井日产油4. 8t。其
10、中,美国的8个火驱项目日产油960t;加拿大的3个项目日产油1040t ,火驱产能规模占非蒸汽开采的50%以上;印度与罗马尼亚各有5个火驱项目,罗马尼亚原油总产量中10%以上的产量是用该方法开采出的。现今全球范围内还有14个大规模的工业性火烧油层项目正在进行之中。由于存在很多尚未解决的问题,人们对该方法的应用前景还一直存有争议。该方法之所以不能得到广泛的认同,主要有以下几个原因:火烧油层本身的复杂性.因为其燃烧过程发生在油层内部,人们在进行过程量划时有很大的局限性,缺乏全面的认识。火烧油层对现场操作和管理要求比较苛刻。先导试验的严格评估存在很大困难。工艺方法的推陈出新.例如循环注蒸汽工艺的出现
11、。由此可见,在提出火烧油层技术的初期因为对驱油机理认识不够,驱油方案设计不合理(如井组面积大小与注气速度不匹配,燃烧温度与原油性质不匹配,湿式燃烧参数不合理等) ,造成试验失败,所以在实际生产上该方法一直未能被广泛应用。尽管如此,火烧油藏仍然以其独有的优势吸引着油田开发人员对其进行更深层次的研究.其优势主要集中在以下几个方面:火烧油层所使用的注入剂(空气和水)相对造价十分低廉。火烧油层燃烧的约10%的燃料是原油中不需要的重组分,提高了剩余油的品质。火烧油层适合的现场条件比注蒸汽更加广泛,特别是较深的油藏。正因为火烧油藏具有这些优势,伴随着近年来21内蒙古石油化工 2008年第7期 对其燃烧驱油
12、机理认识的不断提高,火驱技术重新被重视。 火驱技术采收率高、 热效高、 适用范围广,只要合理地应用,就一定会取得好的效果。目前火烧油层工艺正朝着三个方面继续发展:一是伴随燃烧物注入的多样化;二是新型助采技术的运用;三是火烧油层工艺的非常规应用。211 伴随燃烧物注入的多样化21111 富氧燃烧工艺富氧燃烧工艺被普遍认为是一种新型的改良工艺,其实早在1960年就已经有人提出了 “富氧燃烧”的概念。 和其他的燃烧过程一样,在火烧油层中使用氧气的效果明显优于使用空气。通过除去燃烧空气中的氮气而使得氧气富集,结果必然会导致较少的燃烧气体量,较少的产出气体体积,较高的氧气分压和较高的燃烧温度。较高的燃烧
13、温度和较高的氧气分压,在氧气富化的环境下提供了快速反应的能力。1983年费尔菲尔德和怀特在提交的关于富氧燃烧现场实验结果的报告中指出,将富氧燃烧工艺应用于浅而疏松的油层,结果证明注氧区块井的产能明显高于注空气区块的井的产能。 总的来说,其优越性主要体现在以下几点:注入压力较低,井距较大。注氧大大降低了生产井的产气速度。注氧加大了二氧化碳的分压。较高的二氧化碳分压加速了其自身在油水两相中的溶解,大大降低了原油的粘度,从而改善了油层中原油的流动性。油层中的流体与二氧化碳的接触较快,一方面二氧化碳的溶解降低了原油的粘度,另一方面也加速了原油自身的膨胀,油层里流体的体积系数变大,从而增加了采收率。采器
14、气量减少,原油流动度增大,从而大大缩短了一次注氧火驱的时间。富氧燃烧工艺的应用在油田生产上的优点主要集中在以下几个方面:采油速度较快。产出物中气油比较低。产出气的纯度较高。21112 金属盐类添加剂改善火烧油层效果火烧油层是一种有效的提高采收率技术,其原理是通过燃烧少量的地层原油产生热量和压力从而降低地层原油的粘度。由于热量散失严重所以注蒸汽的方法不适合深井和薄地层,所以火烧油层的方法更适用于深井。根据反应温度的不同,可以分为低温氧化、 中温氧化和高温氧化。 低温氧化主要产生部分氧化产物,对于重油应尽量减少低温氧化过程防止原油粘度上升,热反应和催化裂解开始发生在中温氧化中,碳氢的裂解主要发生在
15、高温氧化过程中,并产生二氧化碳和水。2. 112. 1 试验设备和过程为了对比不用金属盐和具有表面活性的粘土以及表面惰性的硅土粉末对燃烧的影响,采用不锈钢制造了长为1m、 壁厚0. 14cm、 内径7. 5cm的加热装置,并且通过热电偶测定加热管中的温度分布。 在填砂管中混合沙子、 粘土、 原油、 水以及其它物质进行试验。 在加热管的1015cm处安装240V、1000W的点火线圈,燃烧产生的气体通过分离器冷却和干燥并可以进一步分析其成分。在试验设计中主要对比了金属盐的存在、 金属盐在燃烧管中的长度、 具有表面活性的粘土和表面惰性的硅土对燃烧的影响情况。当燃烧的前缘到达90cm处或是出口的氧气
16、浓度发生了明显的变化并保持稳定后,表明燃烧已经结束了。最后用JEOLJSM - 500LV型扫描电镜对颗粒进行分析。2. 112. 2 试验结果燃烧试验:使用威尔士轻质原油(34A P I)进行试验。 首先在燃烧管内的前半段加入浓度为0. 5%的金属盐,在燃烧中燃烧前缘的温度为400450,推进速度为0. 14cm?s,在燃烧370m in后前缘到达了56cm处,然后推进速度、 温度以及CO2、CO的浓度都明显下降,在450m in后氧气的浓度达到20% ,说明燃烧结束。这说明加入的金属盐在燃烧管中没有发生运移。 当在燃烧管内全段加入金属盐,燃烧持续了6. 5hr。动力学试验:对于轻质原油使用了高岭石、 高岭石和Fe3+以及惰性硅土粉末进行试验。在硅土中加入Fe3+后氧的消耗量增加了10% ,在低温氧化和高温氧化中活化能分别降低了8%和5%。在用高岭石的实验中Fe3+起到了明显的增强作用,低温氧化过程明显增强,在低温氧化和高温氧化过程中增加了氧气的消耗量。对于威尔
