火驱阶段特征对比与分析

蒋海岩，李晓倩，高成国，任宗孝，袁士宝

（1.西安石油大学石油工程学院，陕西西安710065；2.中国石油新疆油田分公司勘探开发研究院，新疆克拉玛依834000）

在我国，最常见的燃烧阶段划分方法是引用《中国油藏管理技术手册——稠油分册》中的阶段划分方法[1-2]。该方法主要通过静、动态资料，计算分析14类16项火驱技术、经济指标来对燃烧过程阶段划分。

火驱驱替过程特殊，火驱的生产动态呈现出明显的阶段性，随着燃烧前缘的不断推进，产出气体和流体性质也呈现出与燃烧或者氧化密切相关的特征，可以指导现场的生产设计与调控。从20世纪60年代，罗马尼亚在稠油区块开产火烧油层以来，经过40 多年的实践，罗马尼亚对确定火线推进速度、控制、调节和预测火线位置，探索出了一套实施可行的办法[3-4]。近年来，中国先后在新疆、玉门、胜利、吉林和辽河等油田开展了火烧油层室内研究和矿场试验，其中新疆油田开展的火驱先导试验，取得了较好的开发效果[5-7]。但火驱燃烧机理复杂，以有限的矿场实例和数据分析，划分阶段的特征和参数指标的适用性不强。为得到更全面的火驱的燃烧阶段特征与参数指标，基于一维燃烧管实验对比分析数值模拟与其他现场试验，研究了火驱过程中燃烧前缘距离注采端不同位置的生产井产量和动态参数的变化；并通过对比各不同火驱的生产动态，对各项指标的变化规律分析，结合以前的阶段特征分析，提出较全面的火驱的燃烧发展规律及驱油特征，并建立了划分燃烧阶段的标准。

1 火驱室内实验

燃烧管实验是一种模拟实际油层条件下的火驱室内实验，燃烧管实验比燃烧釜尺寸偏长，主体长度通常为1 ～2 m，属于一维实验，因此，燃烧管实验比燃烧釜能够得到更多的信息，尤其是燃烧前缘推进速度等，其结果对矿场更有借鉴意义[8-10]。燃烧管模型国内外广泛应用，主要有水平放置和垂直放置2类。燃烧管由岩心管和同心的外护套构成，具有保温、密封的特点（图1）。本实验燃烧管装砂主体部分长度达2.0 m，其内径0.191 m。壁厚6 mm，保温层厚60 mm，充填物为硅酸铝。内管外壁焊有不锈钢法兰。在内管外壁上缠有2 段电阻丝，每段约宽1 m，用于加热内管外壁，维持内管内外壁温度基本相同，减少热损失。燃烧管左侧装有点火电热管，内部均匀装有16支热电偶，用来测量内管不同位置的温度。

图1 火驱燃烧管室内实验装置Fig.1 Indoor experimental equipment of combustion tube of ISC

实验中管壁温度与岩心中央温差控制在5 ℃内。本次实验用砂为80～120目的石英砂，为了更好地反映实验与实际储层，而采用原油与石灰岩及石英砂的混合物为实验工质，其中实验用砂是根据杜66油田地层岩性成分与粒度来配置、实验选取杜66脱水原油，常温下油的密度为0.945 g/cm3，实验用水为蒸馏水。可以模拟实际油藏温度压力条件下进行实验。

燃烧样品制作：用七级筛子分离出实验用砂粒，并用游标卡尺测量填砂管的几何参数，计算填砂管有效体积；按照合适的比例混合油砂，将砂粒充填进填砂管并均匀压实，制作成性质相似的填砂模型；在模型中加入杜66脱水原油，使其充分浸润混合，作为本实验的燃烧样品。本实验采用0.5～2 MPa压力注入空气。计算机每隔20 s 记录一次温度、空气注入速度、产出油气水量等，并对燃烧前缘进行实时监测。

2 火驱动态特征分析

2.1 生产动态分析

火驱过程中，生产井的产量变化与燃烧前缘距离注采端的远近有很强的相关性，所以一般按照火线推进距离来研究火驱阶段特征。通过实验与数值模拟来对采出程度变化与燃烧前缘距离注采端的远近进行分析。

2.1.1 产液规律

通过本实验与数值模拟和斯坦福富氧实验采出程度变化曲线的对比（图2），可以看出本实验与斯坦福富氧实验曲线变化规律大致相同，采出程度在初期和后期都增加缓慢，在20%～80%增加明显，其中以40%～80%增加迅速，这一阶段的斜率将是上阶段的2倍以上；当燃烧前缘推进超过井距的80%，采出程度增长的幅度变缓，与油井见效期基本持平，也就是说该阶段的产量与油井见效期基本持平。虽然采出程度在热效驱替阶段增长最快，产出大量的油，但该阶段持续的时间并不长，这是由于产液速度提高的缘故。

图2 不同实验的采出程度变化曲线Fig.2 Variation curves of recovery degree in different experiments

而数值模拟基于矿场尺度概念模型，矿场尺度下，火驱调控难度加大，采出程度明显低于室内实验。在注气速度偏大的情况下（2 000 m3/d），采出程度较早达到了45%，后期由于气窜等因素，采出程度增加不明显，这也说明了矿场火驱调控的难度较大。

2.1.2 含水率变化规律

对比本实验与各试验的含水变化规律（图3），火线推进注采井距的20%，室内实验基本不产水，或者低产水。而现场的火驱试验由于储层一般经过蒸汽吞吐或者注水等开采方式，因此，现场在此阶段可能会含水；火线推进注采井距的20%～40%含水率缓慢上升；火线推进注采井距的40%～80%，含水稳定平缓上升；火线推进注采井距的80%以上，含水率变化趋于稳定。

图3 含水率变化规律曲线Fig.3 Variation law curve of water content

图3为本实验、辽河油田庙5 块、蒸汽吞吐转火驱现场试验和富氧燃烧实验对比的含水率变化规律。其中辽河油田庙5 块实验由于火驱前进行过注水等工艺[11]，该区块含水率较大，所以含水率高于其他实验。室内实验含水率先稳定平缓上升，再急剧上升，而现场火驱的含水率上升规律与之不同，由于蒸汽吞吐转火驱的，在进行火驱开采前进行了蒸汽吞吐等工艺，所以相较于传统火驱，试验区块内含水多，燃烧过程中先进入排水阶段[12]，含水率下降，最后趋于稳定，稳定在30%～40%。富氧燃烧实验的含水率上升趋势相较于常规火驱较慢，从富氧燃烧的燃烧特点可知，前期反应阶段，富氧燃烧的烟气、水与其携带未燃尽物充分燃烧，排烟量比常规火驱的排烟量明显降低，含水率上升也较常规火驱慢。而热效驱油阶段，由于富氧燃烧过程中，随着烟道气的排出，高温氧化聚合物充分燃烧生成水，含水率大幅增加。可以看出燃烧阶段的划分是相对的，在划分燃烧阶段时需考虑各参数主要变化规律，进行多参数的比较后综合划分燃烧阶段。

2.1.3 空气油比变化规律

空气油比（AOR）是衡量火驱经济效果的重要指标，一般在1 000～4 000 m3/t。该值越大，火驱成本越高，在某种程度上比采收率更能表现出火驱矿场项目的经济性。

本实验与Morichal 油田和蒸汽吞吐转火驱的对比可知空气油比在整个火驱过程中变化较大，在初期较高，呈现逐渐下降的趋势（图4）。空气油比可作为一个约束条件于其他参数对应来综合划分火驱的生产阶段。对空气油比的规律进行幂函数拟合，公式如下：

式中：RA/O为累积空气油比，m3/t；x为燃烧程度，火线位置与注采井距的比值。

图4 累计空气油比与燃烧程度的关系曲线Fig.4 Relation curve between cumulative air-oil ratio and combustion degree

2.1.4 氧气含量变化规律

在火驱实验过程中，氧气的含量在产出端是可以检测到的，氧气的含量多少直接与燃烧速度、燃烧状态有关。

图5 产出气体中O2含量变化曲线Fig.5 Change curve of O2 content in output gas

由图5可知通过不同实验的对比，气体含量基本呈3大阶段变化，火线推进占井距的20%左右，氧气含量下降，火线推进占井距的20%～50%，氧气含量明显下降；火线推进占井距大于50%左右，氧气含量明显上升，斯坦福火烧实验中选用了富氧空气作为助燃剂[13]，导致其氧气含量远超其他实验中的氧气含量，但该实验的氧气含量变化仍呈现规律性，可以看出在见效阶段氧气含量相较反应阶段明显下降。在富氧条件下，氧气浓度虽能作为划分阶段的依据，但氧气浓度大于5%不能作为关井的依据。

2.2 燃烧前缘推进特征

在火驱中，燃烧前缘的位置是火驱的重要参数，我们从燃烧前缘推进速度、燃烧带厚度、燃烧前缘温度3 个方面进行实验对比，确定不同燃烧阶段的特征。燃烧前缘推进速度直接反映燃烧状态，应当是区别火驱生产阶段的重要标志，也是现场判断各个阶段的重要指标。

从图6各类资料中获得的燃烧速度与本次实验对比结果来看，虽然各个试验的条件不同导致燃烧速度各有不同，但是燃烧速度的变化仍存在较明显的阶段性。燃烧速度变化可以看出火驱基本划分4个阶段，从本次实验以及其他实验可以看出以下特征：火线推进注采井距的25 %～55 %，燃烧速度在3.8～12 cm/h；火线推进注采井距的25%，燃烧速度在15～25 cm/h；火线推进注采井距的55%～80%，燃烧速度在10 cm/h左右；火线推进注采井距的80%以上，燃烧速度将超过10 cm/h，此阶段应加强生产井检测，做到适时关井，否则生产井将遭到高温破坏。图6可看出富氧燃烧的火驱见效速度较普通火驱的快，燃烧速度在35%左右达到最快，而常规火驱燃烧速度在45%左右才可达到最快。并随着注入氧气浓度的增加，燃烧速度加快。

图6 燃烧管各部位燃烧速度Fig.6 Combustion rate at various parts of combustion tube

一般认为，火驱的燃烧前缘是一个很薄的区带[14-15]，但在试验的结果分析中发现一个规律：可以称得上是高温燃烧的区带范围比较宽，且成规律变化。通过试验，得到不同位置的同一时刻温度曲线（图7）。

燃烧管主体长度为2 m，将温度大于400 ℃的区域划分为高温范围，根据图7a 中不同位置的同一时刻温度曲线，可以看出一个明显的特征，火线推进注采井距的20%，高温范围在20 cm左右；火线推进注采井距的20%～50%，高温范围可以达到80 cm 左右；火线推进注采井距的50%～80%，高温范围可以达到120 cm 左右；火线推进注采井距的80%以上，高温范围可以达到140 cm 左右；火线推进到达生产井井底，高温范围可以达到150 cm 左右。而蒸汽驱转火驱实验中（图7b），平均峰值温度较低，具有类似于湿式燃烧的特点。一个完整燃烧的高温范围在20～80 cm以内，可看出蒸汽驱转火驱火线推进较均匀，推进速度较普通火驱实验快。例如火线推进注采井距的20%～40%，高温范围达到50 cm以上，火线推进到达生产井井底，高温范围可以达到80 cm左右。表明燃烧带厚度在不同的阶段存在明显变化规律，燃烧带厚度可作为划分火驱阶段的指标。

3 数值模拟

图7 轴线上不同位置同一时刻温度变化Fig.7 Temperature change of different positions at same time on axis

表1 红浅一区地质参数Table1 Geological parameters of Hongqian area-1

Petrel 导出的新疆红浅一区地质模型，并将模型导入CMG中，运用CMG中的stars模块结合所选的新疆红线一区的油藏地质特征、储层性质、流体类型等参数性质，建立蒸汽驱转火驱的数值模型，具体参数详见表1。通过生产历史拟合，使初始化计算的生产动态与该区块的生产动态相吻合。利用该模型进行生产动态分析（图8）。

将数值模拟出的生产动态与室内实验、现场实例的生产动态相对比，模拟从2018年2月开始点火到2024年12月氧气含量超过5 %关井，所对应图8中燃烧程度的0 ～70 %。从图8中生产动态可以看出，CMG 模拟出的蒸汽驱转火驱的空气油比在前期点火时空气注入量较低，点火成功后，空气注入量增大，蒸汽驱转火驱的生产动态阶段中，排水阶段和反应阶段相应的时间延长，当模拟到2019年6月后（燃烧程度10%左右），数值模拟出的生产阶段特征与实验的生产动态的阶段相符。进一步论证了列举的阶段划分方法。

图8 CMG模拟蒸汽驱转火驱的生产动态阶段分析Fig.8 Analysis of production dynamic stage of CMG simulated Steam flooding to in situ combustion

通过对比CMG 模拟和实验的主要生产动态参数，可以看出在矿场尺度下，火驱调控难度加大，采出程度明显低于室内实验。含水率的动态阶段与实验基本一致，但最终含水率达到60%左右，高于实验所得的最终含水率，这也说明了矿场火驱调控的难度较大。

4 火驱阶段划分

以室内实验为基础，结合国内外的试验和现场实例，最后通过CMG 数值模拟验证综合分析各项指标的变化规律，结合数值模拟的概念模型，提出较全面的火驱的燃烧发展规律及驱油特征，将火驱燃烧过程划分以下4 个阶段：燃烧建立阶段、油井见效阶段、热效驱油阶段、油井见火阶段。选取10个阶段划分对比指标：产量增加倍数、采出程度、含水率、空气油比、生产井的氧气含量、燃烧前缘推进速度、燃烧带厚度、燃烧前缘温度、注气、产出端温度变化。根据指标建立燃烧阶段划分的标准（表2）。

表2 燃烧阶段划分评判依据Table2 Basis for classification of combustion stages

蒸汽吞吐后期的油井，在燃烧建立阶段中会排出一定量油层中滞留的水，出现短暂的含水率高值，燃烧建立期燃烧速度慢，燃烧逐渐稳定，如果操作不当，极易熄灭，为此，此阶段要及时监控和调整注气井的注气速度。蒸汽吞吐转火驱的井在油井见火阶段的氧气浓度高于5%，需要立即关井，而利用富氧空气作为助燃剂的火驱中氧气含量远远超过正常含量，这时氧气浓度并不能作为关井的标准，需结合其他参数综合判断。在火驱之前进行过压裂，含水充沛的井在油井见效阶段含水率迅速上升，而在热效驱油阶段平缓上升，与常规火驱井规律相反。

5 结论

1）通过实验对比，对常规火驱燃烧过程进行阶段划分，将其划分为以下4个阶段：燃烧建立阶段、油井见效阶段、热效驱油阶段、油井见火阶段。富氧燃烧特性与常规火驱燃烧特性相似，所以富氧燃烧的阶段划分与常规火驱划分基本一致，但富氧燃烧的氧气含量和燃烧速度大于常规火驱。

2）根据室内实验和生产动态特征，将蒸汽吞吐后转火驱的燃烧过程阶段划分为：排水阶段、见效阶段、产量上升阶段、稳产阶段、氧气突破阶段。

3）燃烧阶段的划分是相对的，实际上这些阶段互相交错重合，并没有明显的分割点，在划分燃烧阶段时考虑各参数主要变化规律，进行多参数的比较后，综合划分燃烧阶段。