火驱油藏工程分析与设计

白 玉，赵黎明，张喻鹏，杜 坤

（1.西安石油大学石油工程学院，陕西西安 710065；2.陕西省油气田特种增产技术重点实验室，陕西西安 710065；3.中国石化西北油田分公司，新疆乌鲁木齐 830001）

火驱是一种具有明显技术优势和潜力的稠油热力开采方式，目前全世界已有100 多个油田开展了较大规模的工业性开采实验[1-3]。相对于其他热采方法，火驱能耗低、效率高，采收率可达到50 %～80 %，可以适应比蒸汽驱、蒸汽吞吐更复杂的油藏。但其本身就具有极大的复杂性，火驱设计、实施、操作、控制难度大，技术要求高，对岩石物性的改变很大，工作过程难以控制，对现场操作管理有很高的要求[4-6]。火驱失败的原因有很多，但是关键的原因是缺乏系统的火驱油藏筛选标准、效果预测以及相应的油藏工程设计。

本文给出了一个系统的火驱开发方案设计流程。首先给出了火驱项目的筛选流程，简单介绍了火驱室内实验的方法及基本原理，归纳了不同室内实验在火驱过程中承担的角色。在对火驱驱油认识的基础上，进行了火驱油藏工程参数设计，给出了工程参数设计的基本范围，最后介绍了火驱的监测及评价方法。

1 火驱项目实施流程

一个火驱项目的实施流程可以清晰地划分为四个主要阶段：油藏筛选、实验室实验研究、现场工程设计与施工、火驱监测与评价（见图1）。火驱项目以对于油层资料的清晰认识及原油的氧化和燃烧研究为基础，在此基础上才能进行现场实验的设计和施工，进而通过各项指标的监测结果来评价火驱效果。火驱项目设计相较其他提高采收率技术涉及的基础参数和矿场操作参数更为复杂，因此一个系统科学的火驱开发方案设计对火驱的矿场实验十分重要。因此，这里给出火驱项目的实施流程。

图1 火驱项目实施流程Fig.1 Fire flooding project implementation process

2 火驱开发方案设计

2.1 火驱油藏筛选流程

任何提高原油采收率方法的成功都取决于油藏条件，火烧也不例外。对于一个给定的油藏是否可以使用火驱工艺进行开发，这类问题的解决需要有一个适当的标准。国外几十年火驱的理论研究、实验室和现场实验已累积了大量的资料和经验。研究表明，油藏地质对火驱效果起主要作用，对油藏地质的筛选是火烧项目的成功设计和实施必不可少的条件。因此，这里给出火驱筛选程序框图（见图2）。对于待筛选的火驱目标油藏，要经过多道程序进行筛选，全部符合者为筛选合格油藏，有任何一轮不合格将被淘汰。

（1）第一步，确定适用火驱开采的首选候选油藏类型；

（2）第二步，确定候选油藏的开采历史对火驱是否产生影响；

（3）第三步，确定候选油藏是否在适用于火驱开采的参数范围内；

（4）第四步，预测候选油藏火驱开采效果，利用空气油比、采收率等指标进行技术评价；

（5）第五步，筛选出合格的油藏。

图2 筛选程序框图Fig.2 Filter block diagram

2.2 室内实验评价研究

在进行火烧油层前需进行室内实验，目前的实验手段主要有燃烧实验和氧化实验，主要是确定火烧油层热采的油层物理变化特征。不同的火驱实验在室内评价过程中承担着不同的角色。以下问题是室内实验评价过程中需要解决的：

（1）原油黏度、密度对温度的敏感性及相互关系；

（2）不同温度下油-水、油-气相对渗透率曲线及其端点值；

（3）岩石/水配伍性，岩石矿物演化；

（4）燃烧管实验确定空气耗量、燃料耗量、驱油效率及残余油饱和度等工程计算参数；

（5）火驱对储层岩矿影响的实验、确定其对火驱开发可能造成的不利影响；

表1 不同火驱实验对比Tab.1 Comparison of different fire flooding experiments

（6）静态氧化及热分析实验确定原油氧化动力学参数、燃烧可持续性等。

燃烧实验主要有驱替实验和热分析实验，氧化实验主要有火驱静态氧化实验。不同火驱室内实验的优缺点及用途（见表1）。

不同的火驱实验在室内评价过程中承担着不同的角色，火驱燃烧管实验为火驱工程设计提供了基本参数。静态氧化实验可用于火驱氧化路径分析、耗氧速率计算。热分析实验可计算得到点火温度、氧化阶段的划分、动力学参数计算。当然这些实验只是火驱室内实验的一部分，一个完整的火驱室内实验还需要做绝热实验、干式燃烧、湿式燃烧等实验。

2.3 油藏工程参数设计

2.3.1 井网问题 井网模式直接影响到火驱注采动态及开发效果。通常采用的井网模式有线性井网和面积井网两种[9]。当地层存在较大倾角（一般大于10°）时应采用线性火驱模式，从构造高部位向构造低部位驱扫，可充分利用重力作用，使前缘形成活塞式驱替，最大限度地提高纵向动用程度。线性火驱是一个井间/区间接替的收割式开采过程，其燃烧带推进的速度相对较快。线性井网的优势有：平面波及系数高、理论采收率高、地面设施建设及管理相对容易、油藏管理及配套工艺相对简单、容易实现燃烧前缘的目的性调控。线性井网有线性平行井网和线性交错井网两种类型。与线性火驱不同，面积井网火驱所有生产井的生产周期均与全油藏的生产周期同步。从各井组的中心注气井点火时刻开始，全油藏即进入火驱开发阶段。当油墙突破到生产井时，生产井关井。火驱开发结束。尽管受平面非均质性等影响，各生产井遭遇油墙突破的时间会有先后，但完全不同于线性井网条件下的井间/区间接替。与线性火驱相比，面积火驱也具有一定优势。面积火驱的优势有：火驱阶段累积空气油比低、火驱阶段油藏总的采油速度高、在稠油老区实施能够降低地及油藏管理风险。面积井网有反五点、反七点和反九点三种井网类型。

2.3.2 点火方式 要实施火驱采油提高原油采收率，首先要解决点燃油层的问题，而油层点燃程度的好坏，又直接影响着火驱的成功与否。因此，点燃油层是关键技术之一。点火方式有层内自燃点火和人工点火两大类。一般深井利用层内自燃点火，浅井常用人工点火。人工点火又包括电热器、井下燃烧器、化学剂以及注热介质等多种方法。目前，普遍采用井下电加热点火器的人工点火方式，使用电缆将井下电加热点火器送入油井内通过对注入空气加热，获得热源，提高油层温度，从而点燃油层。

2.3.3 注采参数设计 对每个具体的稠油油藏，在所选定的开发系统条件下，采用火驱开采，注采参数设计极为重要，它将直接关系到火驱效果的好坏及其成败。注采参数确定一般可参考国内外同类型油田经验界限值，应用数值模拟进行优化设计。火驱设计的参数主要有：（1）点火功率与时间；（2）注气速度、注气压力；（3）生产井排气速度与排注比等。

点火功率是火驱能否成功点火的关键，点火阶段地层所需的热量基本都是通过点火器提供。通常情况下，点火器的功率越大，地层升温速率就越快，点火效果就越好。所以尽可能选择大功率的点火器，可以大大缩短火驱的加热时间和成功机率。点火时间应控制在一定范围，过短则没有达到高温燃烧的门限温度，过长则地层积碳过多，在一定程度上降低油藏采收率。

注气速度直接影响燃烧前缘推进速度，同时也是地层内能否维持燃烧的重要因素，注气速度偏低则不足以维持油层稳定的燃烧，甚至出现灭火；而注气速度偏高则氧气利用率偏低，经济效益变差。因此，空气注入速度的选择对于火驱是非常关键的。通常点火阶段注气速度保持一个较低的水平，在0.3 m3/（m3·d）～0.5 m3/（m3·d）。稳定燃烧阶段注气速度保持一个较高的水平，在0.5 m3/（m3·d）～1.5 m3/（m3·d）[10，11]。注气压力是选择注气设备的重要依据。确定注入压力最可靠的办法是从开发区油井的试注资料中获取。在无实测的试注压力时，可采用气体在多孔介质中的平面径向流动原理推导。一般情况下，注气压力不高于地层破裂压力。

注气量和排气量的匹配是保证火驱正常生产的必要条件。在对注气量优选的基础上，对排气量也要进行优选。排气量较小时，向地层注气比较困难，火线推进速度缓慢。排气量较大时，有利于空气的注入，火线推进速度也较快。一般情况下，火驱排注比应大于1，才不会影响火线前缘的均匀推进。

2.4 火驱监测和评价

2.4.1 常规数据监测 在火驱过程中，为更好的利用热能，油藏监测十分的关键，要充分利用油藏监测进行有效分析，准确掌握随时间变化的油藏中的热量分布。油藏监测资料主要包括：压力和温度测试数据、日产量、注气和产气量数据、关井时间和情况、所用的添加剂类型和情况。这些数据必须定期准确的收集，以便及时评价油田的生产动态，从而确定最合适的各种生产方法和增产措施，实现经济、有效地开采油田。

2.4.2 燃烧前缘监测 确定火驱燃烧前缘位置的方法有计算方法、综合分析方法和直接测试法三类。计算方法利用不稳定试井、物质平衡和能量守恒的方法均可以计算燃烧前缘的位置，但是由于油藏的非均质性影响，单纯通过计算方法来分析火线燃烧前缘位置是不可靠的。综合动态分析方法是根据火线在不同位置时生产井的井底温度，油气水的产量及其性质的变化规律，与现场正常见火井获得的变化规律进行对比分析，来确定火线的位置。该方法与物质平衡法相结合，是目前行之有效的方法。直接测试法通过测量仪器直接监测地层火线推进情况，得到的结果是目前所有方法中最为精确的，但需要耗费大量的资金。该方法主要包括热电偶测温法、红外照相法、地球物理电测法、磁法、电位法和地震法。

2.4.3 火驱效果分析和预测 火驱效果的分析和预测方法主要有数值模拟方法和油藏工程方法。数值模拟方法是应用较为广泛、结果较为可信的一种研究法。目前，火驱开采研究与设计常用的热采模拟软件有：美国科学软件公司的THERM 模型和加拿大计算机模拟软件公司的STARS 模型。除了数值模拟方法，传统的数理统计方法也可以进行火驱方案效果预测，比较著名的就是朱杰的统计方法[12]。

3 结论

（1）将一个火驱项目的实施流程划分为四个主要阶段：油藏筛选、实验室实验、现场工程设计与施工、监测与评价，并制作出了火驱项目流程图。

（2）对比了不同火驱实验的优缺点及用途，为火驱方案设计、火驱状态认识和调整火驱效果提供了理论依据。