室内火烧驱油物理模拟实验研究

室内火烧驱油物理模拟实验研究

自2003年9月郑408号成功燃烧以来，自2003年9月采集以来，已完成855.14m3和10426吨石油。现已进入攻坚阶段,在目前24MPa的高注气井口压力下,对是否需要进一步提高注气速度,是否对一、二线井采取调整措施等问题,需要抓紧时间做出决策,同时,目前对火烧油层的深层机理尚认识不清。为了解决这些问题,有针对性地开展系列室内火烧油层物理模拟实验是非常必要的。1点火系统实验过程室内模拟实验系统主要包括4个部分:点火系统、压缩机供气系统、岩心管模型本体、数据采集系统,如图1所示。岩心管内部沿轴向均布温度传感器13支,其中θ1为靠近点火器一端岩心顶面温度,θ2为顶面向下30mm岩心内部温度,θ3～θ13依此类推,测温点均布置在岩心轴线上,相邻两个测温点间隔30mm。此外还设置了模型环空温度传感器3支,外壳温度传感器2支,用于对模型环空温度的控制和初始温度场的建立。同时设置了2个差压变送器,将岩心管等分为两段,可分别测试火烧过程中岩心两端总的压差以及岩心上半部分的压差。实验过程中通过计算机自动控制点火器温度,自动采集模型入口压力、出口压力、各测试点温度以及气体流量等数据,最小采样周期为1s。在以往的火烧模型中,普遍采用金属岩心管,由于金属导热系数远远大于岩心导热系数,容易造成点火过程中热量沿岩心管壁优先传递,从而使燃烧过程失真,而且这样的岩心管还多次出现金属管壁附近岩心结焦现象。为了更好地模拟地层真实燃烧过程,本实验中系统研制了非金属岩心管,其导热系数为0.47～0.7W/(m·℃),而郑408块地层岩心导热系数为0.55～0.65W/(m·℃),两者非常接近。实验岩心取自郑408块取心井,在V(苯)∶V(乙醇)=3∶1、温度69～72℃条件下,将岩心用洗油仪清洗,清洗后的样品在85℃条件下烘干后混匀。实验油样取自郑408-3井。火烧实验的方法及步骤如下:①将洗好的岩心与原油、地层水按预定的比例混合,在80～95℃条件下搅拌均匀,装入岩心管中捣实;②将温度、压力传感器接入指定位置;③装填环空介质,安装模型本体;④建立初始温度场,并通风进行实验系统调试;⑤启动点火装置,进行室内燃烧实验,同时监测相关数据;⑥燃烧结束继续通空气,冷却降温,拆开模型分析实验结果。2岩心含油饱和度室内共进行了4次火烧驱油模拟实验,实验基础参数见表1。岩心含油饱和度与地层含油饱和度基本一致。通过这些实验,确定了点火温度,研究了注气强度对燃烧过程的影响、燃烧前后岩石组分的变化以及燃烧带前后的压降变化规律。2.1岩心顶面温度特征通过点火器直接对岩心管顶面加热,使其温度逐渐升高。室内观察,当岩心管顶面温度θ1达到360℃以后,θ1温升速度明显加快,在短时间内,岩心顶面温度超过电热管控制温度400℃,对产出气体进行在线组分分析,CO2含量为5%～6%,证明地层油砂被成功点燃。通过岩心顶面温度变化曲线和温升速度变化曲线,很容易判断点火温度。综合4次点火实验结果,最终确定郑408块地层点火温度为365～375℃。2.2燃烧带中心温度a图2和图3为两次实验点火后不同时刻岩心轴向温度分布,温度最高点是燃烧带所在位置。实验结果表明,在一定范围内,注气强度与火烧前缘推进速度呈正相关。随着注气强度增大,燃烧过程中出现的最高温度即燃烧带中心区峰值温度θmax也随之升高。当注气强度为4L/min时,燃烧带前缘推进速度为4.1mm/min,燃烧带中心区峰值温度θmax为771℃;当注气强度为2L/min时,燃烧带前缘推进速度为2.1mm/min,θmax为694℃;当注气强度过低时,燃烧不够充分,甚至可能出现灭火现象,实验中当注气强度低于1L/min时,燃烧曾经中断。2.3燃烧后岩心的渗透率对火烧前后的岩心进行肉眼观察,除了火烧后的岩心略呈淡红色之外,看不出明显区别。经化验分析证实,火烧后岩心中粘土矿物的含量略有下降,由火烧前的6%下降到火烧后的5%。在粘土矿物中高岭石的含量由火烧前的65%下降到火烧后的44%,伊/蒙混层由18%下降到12%,而伊利石则由10%上升至36%。这表明经过充分燃烧之后,从矿物组分变化的角度看,岩心的渗透性不仅没有受到伤害,而且水敏性有所降低,有利于渗透性能的改善,实验中表现为火烧之后岩心通风压降小于火烧前。对实验3的产出原油进行了粘温关系测试,由于产出油样较少,为便于化验分析,没有对其进行脱水处理(产出油含水率为5%)。将测试结果与含水42%的原始地层原油粘温特性进行了对比,结果见表2。可见产出原油粘度明显低于原始地层原油粘度,原油性质有了很大改善。2.4生产压差和燃烧过程的关系压差随时间变化曲线和岩心各个测温点的温度随时间变化曲线见图4。通过测温曲线可以判断不同时刻火烧前缘的位置(当某一测温点达到峰值温度,即可认为火烧前缘到达该点),再通过压差曲线判断火烧前缘到达某个位置时岩心两端压差及岩心上半部分压差,从而可以大致判断火烧前缘前后的压降变化规律。如图4所示,当θ2出现峰值温度时,表明火烧前缘到达第二个测温点,即火烧前缘位于岩心顶面向下30mm,从压差曲线可以看出,此时岩心上半部分的压差为岩心两端总压差的60%;当θ4出现峰值温度,即火烧前缘推进到距离岩心顶面90mm时,岩心上半部分的压差已经小于岩心两端总压差的50%,并且此后岩心上半部分的生产压差迅速下降,在总压差中所占的比例越来越小,而总压差在相当长的一段时间内保持不变;当θ12出现峰值温度,即火烧前缘推进到接近岩心末端时,岩心上半部分压差和岩心两端总的压差均大幅度下降,且明显低于燃烧之前。由图4可以看出,在点火初期,总的生产压差要上升,压降主要集中在模型上半部分,也就是火烧前缘附近。火烧前缘推进到1/4岩心长度之后,已燃部分的压降明显减小,而总压差上升了50%～100%,说明生产压差主要集中在燃烧带之前的高含油饱和度区域。燃烧接近尾声时,生产压差急剧下降,压降分布重新均衡。燃烧过后的生产压差明显低于燃烧之前,说明燃烧后岩心渗透性能没有受到损害。需要指出的是,由于实验过程中岩心管内部压力一直保持在1.0MPa左右,重力对火烧过程影响可以忽略。以往的实验结果也证实,竖直放置或水平放置岩心管对实验结果几乎没有影响。本组火烧实验过程中一维物理模型为竖直放置。3燃烧带注气强度对储层燃烧的影响(1)采用原型地层岩心,用原始地层原油装填模型进行的室内一维火烧实验,能够实现成功点火和保持稳定燃烧。室内燃烧实验中的最低含油饱和度仅为51.8%。经过多次实验,较精确地确定了郑408块储层的点火温度为365～375℃。(2)在一定的