【文章內(nèi)容簡介】 燃后 ， 可停止注入井的加熱 。 燃燒區(qū)的溫度將會隨時間不斷增高 ， 可達到的最高溫度和前緣推進的速度受到油品 、 油層地質(zhì)和人為外加控制因素的制約 。 有最高溫度的燃燒區(qū)可視為移動的熱源 ， 在燃燒區(qū)前緣的前方 ， 原油在高溫熱作 用下 ， 不斷發(fā)生各種高分子有機化合物的復雜化學反應 ， 如蒸餾 、 熱裂解 、低溫氧化和高溫氧化反應 ， 其產(chǎn)物也是復雜的 。 除液相產(chǎn)物外 ， 還有燃燒的煙氣 ， 包括一氧化碳 、 二氧化碳及天然氣等 。 熱水 、 熱汽 、 氣都能把熱量攜帶或傳遞給前方的油層 ， 從而形成熱降粘 、 熱膨脹 、 蒸餾汽化 、 油相混相驅 、 氣驅 、 高溫改變相對滲透率等 一系列復雜的驅油作用 。 一般認為 ， 在燃燒前緣附近是裂解的最后產(chǎn)物 — 焦炭形成的結焦帶 ， 再向外依次是蒸汽和熱水反應生成水 、 原生水以及濕 法燃 燒的注入水等形成的熱水蒸汽帶 、 被蒸餾的輕質(zhì)烴類油帶 ， 以及最前方的已降粘的原始富油帶 。 正是 因為火燒油層 有眾多的驅油機理聯(lián)合作用 ， 可以比現(xiàn)在的任何一種采油方法獲得更高的采收率 。 圖 油層剖面示意圖 由以上機理不難看出火燒油層法有以下特點 ： （ 1） 具有注空氣保持油層壓力的特點 ， 其面積波及系數(shù)比氣驅高 （ 五點井網(wǎng)氣驅約為 45%， 火驅可達 70%） 。 （ 2） 有相當于水驅的面積波及系數(shù) ， 但驅油效率比水驅高得多 。 （ 3） 具有蒸汽驅 、 熱水驅的作用 ， 但火驅的熱效率更高 ， 且產(chǎn)物的輕質(zhì)組分因熱裂解反應而更多些 。 （ 4） 有二氧化碳驅的性質(zhì) ， 但其二氧化碳是原油高溫氧化反應的產(chǎn)物 ， 無需制造設備 。 西南石油大學本科畢業(yè)設計 （論文） 8 （ 5） 具有混相驅降 低原油界面張力的作用 ， 但比混相驅有高得多的驅油效率和波及系數(shù) 。 （ 6） 熱源是運動的 ， 所以火驅井網(wǎng)、井距可以比蒸汽驅、化學驅更靈活。 影響因素 火燒油層技術的影響因素 ， 主要是指火燒油層技術從實施開始，點火、注氣、生產(chǎn)過程中影響火燒技術成功實施的 各種 因素。研究火燒油層技術的影響 因素，可以找出存在的問題，確定完井需求，為火燒油層完井技術的研究 指明方向。 點火 火燒油層成功的關鍵是油層點火 [3]， 以前的油田開發(fā)偏向粗放式 ， 對點火的控制也僅僅局限于一些感性的現(xiàn)場操作 。 目前所采用的點火方式主要有自燃 點火 、 化學點火和電點火三種方式 。 其中自燃點火不需要外加任何點火設備 ， 如果自燃時間為幾小時或者幾天 ， 就應該研究自燃的可能性 ， 若時間長達幾個月或者幾年 ， 則要從外部能源補給能量 。 當油層溫度過低 ， 應用自燃點火方式不足以滿足經(jīng)濟效益時 ， 就可以選擇人工點火的方式 ， 其中電點火是最常用的一種 。 電加熱器受實際深度的限制 ， 壽命短 ， 加熱功率有限 ， 一般不超過 75kW。 而火焰加熱器 ， 特別是氣體燃料燃燒器 ， 不受深度的限制 ， 可以產(chǎn)生 100kW 以上的加熱功率 。 因此 ， 在含有難氧化 ， 燃點高 ，厚度大的儲油層 ， 使用火焰加熱器比較合理 。 對于化學點火 可以分為液體燃料加熱和氣體燃料加熱兩種 ， 其操作相對簡單在現(xiàn)場也得到了比較廣泛的應用 。 單一點火的方式要求條件比較苛刻 ， 成功率比較低 ， 為此對各個影響點火時間的因素分析 ， 對制定合理的點火方案是很有現(xiàn)實意義的 。 在火燒油層點火的實施過程中，大多數(shù)情況下會對地層進行能量補給以升高點火區(qū)域的地層的溫度。井下直接加熱和注入熱空氣提高點火區(qū)域溫度的方法效率高，但同時成本也太高不適合普遍使用。而根據(jù)以往注 蒸汽吞吐以及蒸汽驅的一些經(jīng)驗 ，點火前通過注入一定的蒸汽來提高點火區(qū)域的溫度，雖然效果沒有井下直接加熱和注入熱空氣的效果好， 但仍可以明顯縮短點火時間 。 另外，針對油層的各種性質(zhì)往往還會選擇適合的添加劑（如 金屬鹽類添加劑 、過氧化氫等）以提高點火的效率。因此，為縮短點火時間，提高點火的效率， 應根據(jù)油藏的特點綜合考慮考慮現(xiàn)場實際與經(jīng)濟投入 ， 采用多種點火方式結合 ， 優(yōu)選 出最佳點火方案實現(xiàn)成功點火的目的。 提高熱采水平井火驅開發(fā)效率的完井技術研究 9 由上可知，在點火階段，完井方面主要面臨多種點火方法的配合使用問題。 實施完井時應充分考慮到各種點火工具使用時的影響，為點火的順利實施創(chuàng)造便利的條件。同時，這些點火方式也會帶來一些問題，例如添加劑和氧化劑在高溫環(huán)境下相互反應、添加劑和氧化劑的對 套管和井下工具的腐蝕、濃度不合理引起的爆炸、空氣互竄以及高溫環(huán)境下井下工具的穩(wěn)定性。這些都是在完井時需要克服的問題。 溫度 前面已經(jīng)提到過，在實施火燒油層點火 之 前，大多數(shù)情況下會先對油層進行加熱以縮短點火的時間，提高點火的效率。要將油層點燃， 點火區(qū) 地層溫度必須達到油層的著火點以上，一般為 400℃ ~600℃， 從這一刻起，注入井就開始承受高溫的影響 [4]。 圖 火驅不同階段油層平面溫度場 油層燃燒 產(chǎn)生 大量的熱，溫度可達到 1000℃以上 （如圖 所示 ） ， 高溫會 降低稠油粘度 ， 同時分解稠油產(chǎn)生 復合驅動作用，但高溫本身會對井下包括完井工具在內(nèi)的各種工具帶來巨大的影響，甚至損壞、局部熔化井下工具，從而嚴重阻礙火燒油層技術的實施 [5]。 另外，完井時使用的水泥和套管在較長時間內(nèi)是否能承受住高溫的影響也對火燒油層過程至關重要。如果完井水泥和套管一旦 發(fā)生破損甚至熔化穿孔，導致與其他地層連通或竄槽。對于注入井而言 注氣就沒法再繼續(xù)進行 ， 對于生產(chǎn)井而言會嚴重影響原油的生產(chǎn)。 如圖 所示，實驗中 被燒毀的水平井段。 圖 實驗模擬出的被燒毀的水平井段 西南石油大學本科畢業(yè)設計 （論文） 10 在火燒油層實施過程中，我們希望溫度盡可能的小，以減小對完 井及其工具的影響；但我們又希望溫度盡可能的高（在一定范圍內(nèi)） ，這樣充分發(fā)揮火燒油層的高驅替效率，裂化重質(zhì)組分，提高產(chǎn)出原油 質(zhì)量 的優(yōu)勢 。所以，一方面要選取適合的溫度以最大限度的滿足上述要求，另一方面要提高相應的完井技術，使之能滿足對溫度需要。 腐蝕 火燒油層 實施 過程中 ， 原油燃燒生成的 CO SO2以及過剩空氣中的氧氣 ， 是引起管材嚴重腐蝕的主要因素。 從國內(nèi)外 火燒油層的 腐蝕井分析來看 ，火燒油層技術實施 過程中普遍存在以下問題 [6]： （ 1） 濕式燃燒中注入井 的氧化 腐蝕。 （ 2） 生產(chǎn)井在高溫條件下的酸腐蝕及 氧突破造成的氧 化 腐蝕。 在點火過程實施時，會對油層注入高溫氧化性氣體（空氣或富氧空氣），同時還會使用一些添加劑（ 金屬鹽類添加劑 、過氧化氫等 ），點燃后仍然會繼續(xù)注入空氣或富氧空氣以使油層持續(xù)燃燒， 使 燃燒前緣向前推 進。這些空氣和添加劑在高溫環(huán)境和有水的環(huán)境下（地層水、殘余水、水 蒸汽和濕法燃燒注入的水）擁有很強的氧化性，其后果使井下套管 、 油管 、 生產(chǎn)泵及地面閥門 、 管件等局部產(chǎn)生不同程度的腐蝕坑 、腐蝕麻點 、 甚至會產(chǎn)生腐蝕穿孔 ， 造成管材強度降低 甚至報廢。 地層條件下燃燒生成的 CO SO2 以及過剩的 O2 與地層內(nèi)部的水發(fā) 生化學反應形成碳酸 、 亞硫酸 、 硫酸 ， 對設備產(chǎn)生嚴重的電化學腐蝕 。 有關反應如下 ： CO2+H2O→H2CO3 →H++HCO3 （ ） SO2+H2O→H2SO3→2H++SO32 （ ） 2H2SO3+O2→2H2SO4→4H++2SO42 （ ） 2H++Fe→H2↑+Fe2+ （ ） 4Fe2++O2+10H2O→4Fe(OH)3↓+8H+ （ ） 主要表現(xiàn)為 ： 注入井濕式火燒過程中 ， 空氣與水交替注入所引起的氧腐蝕 。 氧腐蝕使管材局部產(chǎn)生很深的腐蝕坑 ， 長期作用導致管材腐蝕穿孔 ， 或出現(xiàn)嚴重的麻點現(xiàn)象 ， 使管材強度降低 ； 生產(chǎn)井由于產(chǎn)液溫度較高 （ 150℃ 左右 ） ， 酸性腐蝕 、 氧化腐蝕同時并存 。 CO2的含量及影響 如 表 和表 所示 。 提高熱采水平井火驅開發(fā)效率的完井技術研究 11 表 952 井組典型井氣樣分析 （ CO2 含量 ） 井號 Φ（ CO2） /% 井號 Φ（ CO2） /% 951 942 953 961 954 992 941 994 1173 1162 73 1163 P22 1164 1161 1171 表 不同 CO2 分壓對腐蝕的影響 CO2分壓 /MPa 年腐蝕深度 /mm 由此可見，腐蝕問題將在火燒油層技術實施的過程中引起十分嚴重的問題。在火燒油 層實施前，應充分考慮到這種腐蝕問題，有針對選擇可行的完井措施和防治措施，保證火燒油層過程的順利進行。 出砂 到目前為止，火燒油層技術主要用于稠油和剩余油 （粘度較大） 的開采。只要是稠油的開采，不管采用什么開采方法，油層出砂幾乎都是必然會發(fā)生的問題。所以在火燒油層生產(chǎn)過程中都必須要 有相應的完井措施以應對油層出砂問題， 即 在 現(xiàn)有的火燒油層技術的基礎之上增加相應的防砂完井措施及其工具。另外，不止是生產(chǎn)井存在出砂問題，在注入井停止注氣的間歇也存在出砂問題，這些都 需 要 有相應 完井 措施來應對 。 如圖 所示， 一種 防砂井的結構。 西南石油大學本科畢業(yè)設計 （論文） 12 圖 熱采過程中的防砂井 傳統(tǒng)火燒油層技術 布井方式 傳統(tǒng)的火燒油層技術布井組合主要是直井 直井組合、常規(guī)的直井 水平井組合以及少數(shù)的水平井 水平井組合。 由于 燃燒過程發(fā)生在油層內(nèi)部 ， 人們在進行過程量劃時有很大的局限性 ， 缺乏全面的認識 ，不能準確的確定井間間距 ，造成井網(wǎng)不匹配等。如下圖： 圖 直井 直井組合（九點井網(wǎng)） 圖 直井 水平井組合 提高熱采水平井火驅開發(fā)效率的完井技術研究 13 圖 直井 水平井組合（ 反向） 圖 水平井 水平井組合 直井 直井組合以九點井網(wǎng)為例， 如圖 所示 ， 中心為一口注入井，四周 8 口生產(chǎn)井。油層點燃后 ，在地層非均質(zhì)性比較理想的情況下，產(chǎn)生的混合驅動由中心向四周傳播。 圖 直井 直井組合剖面示意圖 直井 水平井組合與直井 直井組合類似，只不過用水平井代替了直井生產(chǎn)井，注入井仍然為直井。如圖 所示 ，在油層非均質(zhì)性比較理想的情況下，中心注入井點燃油層后向四周傳播產(chǎn)生的混合驅動力，井原油驅替到生產(chǎn)井中。直井 水平井組合比直井 直井組 合的井數(shù)有所減少，采收率有所提高。 直井 水平井組合還衍生出了反向生產(chǎn)的直井 水平井組合，即將水平井作為注入井，直井作為生產(chǎn)井，如圖 所示 。將水平井作為注入井有諸多優(yōu)勢，但受技術的限制和實施的復雜性，將水平注入井用作現(xiàn)場實際生產(chǎn) 例子還 沒有 ，還處于 室內(nèi) 實驗模擬 階段 。另外，受井網(wǎng)組合的限制，水平注入 井 的諸多優(yōu)勢 并不能很好的體現(xiàn)出來（直到重力泄油技術的引入） 。所以，在傳統(tǒng)的火燒油層技術中，水平井用作注入井的反向直井 水平井組合并未被使 用。 西南石油大學本科畢業(yè)設計 （論文） 14 為了進一步提高采收率，由反向生產(chǎn)的直井 水平井組合衍生出的水平井 水平 井組合，如圖 所示 ，與直井 水平井組合類似，只不過用水平井代替了直井生產(chǎn)井。和直井 水平井組合一樣，受技術和井網(wǎng)組合的限制，在實際生產(chǎn)中少有使用。 生產(chǎn)方式 上節(jié) 中 介紹了傳統(tǒng)火燒油層技術的布井方式，分別為：直井 直井組合、直井 水平井組合、反向直井 水平井組合、水平井 水平井組合。這 4 種組合下的生產(chǎn)方式都存在一個相同的問題，阻礙了火燒油層技術的發(fā)展和采收率的提高 ，如 圖 所示。 圖 火燒油層各區(qū)帶及特征 由上圖可以得出，在生產(chǎn)初期，油層剛被點燃，燃燒前緣離注入井很近，距生產(chǎn)井 很遠。此時生產(chǎn)井附近的含有飽和度、溫度和壓力 等于 原始地層的飽和度、溫度和壓力。油層燃燒所產(chǎn)生的混合驅動力剛剛開始向四周傳播，很難能傳到生產(chǎn)井，尤其是稠油和 剩余 油的開采。也就是說，在油層點燃后 生產(chǎn) 初期的相當長的一段時間內(nèi)（燃燒前緣的一般推進速度為 每天 幾厘米至十幾厘米 ，與油層性質(zhì)有關 ），生產(chǎn)井都不會因火燒油層產(chǎn)生的混合驅動而出油。若要保證生產(chǎn)，此時只有采取常規(guī)的開采方式，如使用抽油泵等 生產(chǎn)設備 進行生產(chǎn)，技術本身與火燒油層技術沒有直接關系。 隨著生產(chǎn)的繼續(xù)進行，燃燒前緣逐漸遠離注入井，與生產(chǎn)井的距離減小，火燒油層 產(chǎn)生的混合驅動能夠傳到生產(chǎn)井，驅替效果逐漸由小變大 。此時生產(chǎn)井開始出油，但產(chǎn)量較少，而且生產(chǎn)出的原油粘度較高，往往會伴隨著較嚴重的出砂問題。產(chǎn)出的原油帶有少量的燃燒生成氣體（如 CO SO2），仍然需要一些井下設備將油從井底抽出來。 提高熱采水平井火驅開發(fā)效率的完井技術研究 15 到了生產(chǎn)的后期，燃燒前緣距離注入井越來越遠，距離生產(chǎn)井越來越近。 遠離注入井 給 氣體注入帶