原油放熱性的測定和在火燒油層可行性判定中的應用

編譯:吳軍 (新疆油田公司重油開發公司)

審校:阮林華 (新疆油田公司重油開發公司)

王曉欽 (新疆油田公司勘探開發研究院)

原油放熱性的測定和在火燒油層可行性判定中的應用

編譯:吳軍 (新疆油田公司重油開發公司)

審校:阮林華 (新疆油田公司重油開發公司)

王曉欽 (新疆油田公司勘探開發研究院)

在油藏壓力條件下,利用加速量熱儀 (ARC)對三個油藏的原油放熱性進行了測定。Wolf Lake重油和Clair中質油放熱性實驗采用干凈的、含有3%高嶺石的石英砂模擬油藏儲層,而對于Athabasca瀝青礦,則模擬原始油藏狀態,測定其油砂放熱性。Wolf Lake重油油藏和Clair中質油油藏在實驗中水飽和度較高,這是水驅或蒸汽驅后的油藏狀態。對Athabasca瀝青礦進行的另一個放熱性實驗采用的是低飽和度原油的油砂,但是沒有對原始鹽水飽和度進行調整。雖然Clair中質油在所有溫度范圍內都具有較好的放熱性,但是初始分解溫度較Athabasca油砂高很多?；罨艿挠嬎惚砻鰽thabasca油砂在低溫氧化階段反應活性非常強。原油放熱性的測定表明:以上三個油藏都具有很好的實施火燒油層開采的潛力。

原油 放熱性 火燒油層 加速量熱儀

1 前言

在提高采收率 (IOR)工藝的選擇中,是否有適合的、容易得到的流體注入油藏是最關鍵的考慮因素。在油藏開發不斷發展的情況下,輕質油和重質油油藏開發對采用空氣注入法提高采收率給予高度的關注。最近,印度Cambay Basin油田采用傳統的火燒油層 (ISC)方法開采稠油,Christina Lake稠油油田采用先進的水平段注空氣工藝(THAI)開辟了第一個先導實驗區。采用注入高壓空氣方式開發輕質油油藏也有了重大的進展。例如在Williston Basin油田進行經濟可行的空氣注入開發實驗,在阿根挺Barrancas油田和墨西哥Cantun油田進行空氣注入工藝的可行性研究。

空氣注入工藝在經濟上和技術上有許多優點:驅替效率高,增加了燃燒前沿原油的流動性和油藏壓力;注入的氣體、氣體剝離作用后產生的燃料氣以及燃燒副產品CO2對原油具有膨脹驅替作用。另外,高壓高溫油藏還具有原油易燃、組分之間易互溶的特性。

Yannimaras等首次提出可采用加速量熱儀(ARC)法對適宜采用空氣注入法開發的油田進行篩選。該技術已經發展成為一種在絕熱條件下,尤其在高壓環境中研究反應動力學的方法,而且該技術可以解釋低溫氧化 (L TO)和高溫氧化 (HTO)現象。以前ARC主要用于研究輕質油。本文利用ARC獲得了稠油和Athabasca油砂放熱性的測試參數,并利用測試參數分析發生的氧化反應,從而確定稠油和 Athabasca油砂采用傳統的 ISC和THAI工藝開采的可行性。

2 實驗

2.1 ARC實驗設備

主要儀器由耐壓殼體和測試容器構成 (圖1)。樣品池的頂部、底部和周圍均安裝有加熱器。整個儀器內嵌多個爐壁熱電偶,另外一個熱電偶安裝在測試容器的內部。測試容器和內部的樣品保持在近乎絕熱的狀態。在質量流量計控制下向測試容器注入持續的空氣流。在測試容器內氣體是以回壓控制的,然后進行干燥,以便利用氣相分析儀對CO2、CO和O2的濃度進行測定。

圖1 加速量熱儀結構示意圖

2.2 ARC實驗過程

實驗前,系統要進行熱損失校準 (HLC)。HLC可以補償測試容器在不斷升溫過程中的熱損失。ARC的測試分為加熱—等待—搜索三個過程。在搜索過程中,ARC自動程序確定溫升變化率是否超過設定值。假如試樣的溫升變化率大于設定值,加熱器接著執行“跟蹤”模式,對整個反應的溫升變化過程進行掃描。如果試樣的溫升變化率小于設定值,ARC將按照預先選擇的溫度升高幅度自動進行加熱-等待-搜索循環。油和砂樣準備好后裝入測試容器。實驗前,系統進行試壓以檢驗儀器連接處的密封狀況,并對熱損失校準,以便在計算機控制下進行ARC實驗。

3 實驗結果和討論

四種原油ARC實驗條件見表1。

表1 四種原油ARC實驗條件

3.1 Clair中質油 (19.8 API)

Clair中質油放熱反應趨勢見圖2。在圖2中, Clair中質油初始分解溫度是162.5℃,這比原始油藏溫度高很多。水驅前油藏狀態和油藏含水飽和度對原始油藏溫度影響很大。試驗溫度達到205℃左右時,壓力快速升高,這是由于在油、砂樣品的上面形成了氣相二級反應區。輕質碳氫化合物組分從原油中揮發出來進入流動的氣相區域,當滿足最低燃燒條件時,就出現自燃現象。由溫升變化率的劇烈變化可以看出,300℃時溫度和壓力出現陡增。這說明此時原油開始完全燃燒,或者出現鍵斷裂反應。當反應溫度達到儀器的最大測試溫度 (不到500℃)時,系統自動切斷,反應結束。

放熱反應的自加熱速率 (SHR)見圖3。L TO階段初始溫升變化率是0.06℃/min,高于溫升變化率設定值0.02 ℃/min。實際上,在油藏條件下,初始分解溫度比162.5℃低得多,這是因為油藏絕熱條件比ARC實驗絕熱條件好很多。在圖3中,L TO和 HTO區間很明顯。SHR是400℃/ min。API重度值為31的Barranca輕質油在開放的反應條件下SHR也可達到400℃/min,然而在密閉的容器中,SHR可接近1 000℃/min。由圖3可明顯地看出,實驗中兩個氧化區之間存在270～300℃這一較寬的過渡帶。對輕質油來說,過渡帶越寬越平滑,氧化反應轉變為充分燃燒的可能性就越大,因此Clair中質油具有實施火燒油層開采的較好潛力。原油是由碳數量完全連續的不同碳氫化合物混合而成的,這確保了樣品隨著溫度的升高,能不間斷地持續放熱。Li等應用高壓差掃描量熱法的研究結果表明,原油的化學結構對氧化反應有非常重要的影響。

圖2 Clair中質油反應溫度與時間關系 (油藏壓力202 bar)

圖3 Clair中質油SHR與溫度關系 (油藏壓力202 bar)

3.2 Wolf Lake重油 (10.3 API)

在L TO階段,Wolf Lake重油放熱變化趨勢(圖4)同Clair中質油基本相似,但該階段Wolf Lake重油的SHR沒有Clair中質油的高,并且在兩個氧化反應之間沒有過渡帶。該階段SHR最大值為30℃/min。Wolf Lake重油初始分解溫度是158℃,比Clair中質油低了近5℃。這表明,雖然Wolf Lake油藏壓力比Clair油藏低很多,但是在L TO階段,Wolf Lake重油具有較強的氧化活性。同時也表明,在溫度升到某一高度時,Wolf Lake重油會出現自燃現象。Wolf Lake重油可在SHR非常低的情況下由L TO階段連續地、不很平滑地過渡到燃燒階段。在實驗結束時,Wolf Lake重油SHR超過100℃/min。在整個過程中,反應消耗了大量的氧氣,產生了大量的碳的氧化物,并且持續反應時間比 Clair中質油長很多,毫無疑問,Wolf Lake重油有較好的燃燒特性。

3.3 Athabasca瀝青礦油砂 (8 API)

圖4 Wolf Lake重油SHR與溫度關系 (油藏壓力102 bar)

在對Athabasca瀝青礦油砂進行的兩個實驗中,油砂均含有原始油藏鹽水。在前面的實驗中, Wolf Lake重油和 Clair中質油采用潔凈的含有3%高嶺石的石英砂來模擬這兩個油藏的儲層。圖5顯示含油飽和度為80%的Athabasca油砂初始分解溫度是113℃,此時SHR為0.04℃/min。此后SHR緩慢增長,300℃時,達到低溫氧化階段的最大值2.5℃/min。在另一個針對含油飽和度為50%的Athabasca油砂的實驗 (圖6)中,SHR的變化趨勢同含油飽和度為80%的Athabasca油砂是類似的。然而初始分解溫度高很多,達到147℃,SHR非常低,只有0.02℃/min。這是因為砂和水的“散熱器”作用以及反應原料——原油含量較低的緣故。在從L TO轉變為 HTO過程中,兩種原油飽和度油砂的SHR曲線都是連續的,但是在HTO階段SHR差別很大。從圖5可以看出,含油飽和度為80%的Athabasca油砂在400℃時出現短期較高的SHR,最大達到200℃/min,然后不斷降低,最終在實驗結束時降到40℃/min。這表明,熱裂解反應產生的輕質混合物的氣相濃度達到了氣體的燃點。但是同樣的現象沒有發生在原油飽和度為50%的Athabasca油砂實驗中。這是因為雖然也發生了熱裂解反應,但是原油飽和度低,由熱裂解反應產生的輕質混合物的氣相濃度沒有達到混合物的燃點。

圖5 含油飽和度80%的Athabasca油砂SHR與溫度關系(油藏壓力40 bar)

3.4 ARC實驗反應速率參數

四種原油放熱性參數測試結果見表2。對注蒸

圖6 含油飽和度50%的Athabasca油砂SHR與溫度關系(油藏壓力40 bar)

汽開發后的油藏實施火燒油層時,需要考慮此時油藏原油低飽和度對點火的影響以及油藏放熱性的變化。例如Athabasca油砂,當原油飽和度從80%降到50%時,初始分解溫度提高了34℃,然而自燃溫度從 350℃降到 300 ℃ (圖 2)。Xia和Greaves的研究結果表明,油藏在水平段蒸汽驅(THSF)之后采取火燒油層工藝,其自燃和穩定燃燒是可行的。L TO和 HTO階段熱能變化見表3。從表3可以看出,在壓力不同、其他條件類似的情況下,Clair中質油和Wolf Lake重油在L TO和HTO階段釋放的熱能是大致相同的。然而含油飽和度為80%的Athabasca油砂在L TO階段釋放的熱能比HTO階段高很多。這是由于ARC儀器最高測量溫度的限制,使得HTO被人為縮短了。但是這說明含油飽和度為80%的Athabasca油砂具有較好的自燃能力。在針對含油飽和度為50%的Athabasca油砂進行的ARC試驗中,兩個氧化階段釋放的熱能是大致相同的。

表2 四種原油放熱性參數測試結果

對表2試驗數據進行排序,得到以下結果:

初始分解溫度:Athabasca＜Wolf Lake＜Clair;

自燃溫度:Athabasca＞Wolf Lake＞Clair;

最大自加熱速率:Athabasca=Wolf Lake＜Clair;

最大燃燒溫度:相同 (儀器限制),接近500℃。

雖然 Athabasca油砂在L TO階段活性較強(初始分解溫度為113℃),但是它的自燃溫度最高,約為350℃。表2中表觀活化能排序如下:

L TO階段:Athabasca＜Wolf Lake＜Clair;

HTO階段:Athabasca＞Wolf Lake＞Clair。

表3 ARC試驗中各個階段原油放 (吸)熱情況

可以看出,L TO階段初始分解溫度的變化同該階段活化能的變化相一致,HTO階段的自燃溫度變化同該階段活化能相一致。在L TO階段, Athabasca油砂的活化能較低,進一步表明它具有較強的氧化反應能力。在 HTO階段,Athabasca油砂的活化能達到最高 (147.24 kJ/mol),說明Athabasca油砂只有在高溫下才可能發生燃燒放熱現象。

4 結論

◇根據油藏壓力下進行的ARC試驗,Clair中質油、Wolf Lake重油和Athabasca油砂都具有持續氧化放熱的特性,并都能從低溫氧化轉變為高溫氧化或充分燃燒。這三種原油都具有實施火燒油層的潛力。

◇Athabasca油砂初始分解溫度最低,只有113℃,這接近于某些埋藏較深的輕質油油藏溫度。

◇在L TO階段,Athabasca油砂活化能低,只有44.6 kJ/mol,這表明 Athabasca油砂活性強,在空氣注入的情況下可以發生自燃。

資料來源于加拿大《JCPT》2007年9月

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

2009-05-05)