火驱过程中稠油组分变化特征研究

蒋海岩，李天月，杜 坤，袁士宝，张喻鹏

(1.西安石油大学，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.中国石油长庆油田分公司，甘肃 庆城 745100；4.中国石油塔里木油田分公司，新疆 库尔勒 841000)

0 引 言

火驱是以地层稠油中的重质组分为燃料，以注入空气或富氧气体为助燃剂，通过自燃或人工点火等方法使地层温度达到稠油燃点，并在氧气的持续注入下维持稳定燃烧，利用燃烧产生的能量和气体等在混合驱替作用下，将稠油从油井产出的高效热采方法。蒋海岩[1]等采用热重实验将稠油氧化阶段划分为低温氧化前期、低温氧化后期、燃料沉积段和高温氧化段4个阶段，各阶段温度变化范围、发生的反应均不相同，因此，稠油组分变化程度也不同。Adegbesan[2]使用SARA组分划分方法研究了阿萨巴斯卡沥青在低温氧化过程中的组分变化。文萍[3]等对塔里木油田的3种稠油油样进行了红外光谱分析，研究了油样的4个拟组分。基于前期大量研究，已对火驱各组分间的转化有了较清晰的认识，但大多都是采用传统的定量色谱分析技术，而该技术只能给出C1-C6(或C1-C10)等碳氢化合物组分组成[4]。为了提高油气烃类系统相态预测的准确性，有必要将Cn+重组分劈分成一定数量的轻质组分。除此之外，火驱燃烧过程中产生大量热量，部分区带温度可达600.00～700.00 ℃，如此高的温度下，重质组分断键裂解成轻质组分[5]，区带内发生复杂的物理化学反应，导致各区带内的油气烃类体系性质也存在较大差异。针对以上问题，有必要对火驱过程中各区带间的组分转化与迁移进行研究，并对整个烃类体系进行合理划分，分析不同区带的相图特征，以期提高火驱过程中各区带相态预测的准确性。

1 火驱机理及各区带反应特征分析

1.1 火驱稠油反应机理

为了更方便地利用实验分析火驱各区带的组分变化，将火驱过程中稠油的反应分为两大类[6]，一类是由于氧气存在引起的氧化反应，另一类是由于温度引起的热反应。氧化反应可进一步细分为低温氧化反应(发生在120.00～300.00 ℃)和高温氧化反应(一般发生在360.00 ℃以上)。热反应又可分为裂解和聚合2个过程。一般情况下，当反应温度超过150.00 ℃时，稠油就会表现出不稳定性，发生化学键的断裂和自由基的聚合[7]。

1.2 基于热重的氧化特征分析

热重曲线是指在程序控制温度情况下，样品质量百分数随温度变化的曲线，由辽河某区块稠油热重曲线(图1)可以看出，稠油氧化反应过程阶段性明显，稠油氧化反应可以分为低温氧化前期、低温氧化后期、焦炭沉积阶段、高温氧化阶段4个阶段[1]。各反应阶段持续时间不同，低温氧化的持续时间大约为63%，燃料沉积时间约为21%，高温氧化时间约为16%。

图1 辽河某区块稠油的典型热重曲线

1.3 基于氧化实验的组分变化分析

采用氧化反应釜模拟不同地层条件下的静态低温氧化实验，在91.50～250.00 ℃下分析了稠油油样肇43-241[8]与空气氧化反应后族组分变化特征(表1)。

表1 油样肇43-241不同温度下反应后族组分组成

由表1可知：温度低于120.00 ℃条件下，以“加氧反应”为主，饱和烃、芳香烃发生氧化反应转化成胶质、沥青质；温度高于120.00 ℃条件下，以“键裂解反应”为主，部分胶质、沥青质发生裂解向饱和烃、芳香烃组分转化。该实验很好地验证了低温氧化的反应机理。

1.4 基于红外光谱的组分迁移分析

取新疆红浅1井区地下547.84 m处的某稠油油样[9]，使用德国Bruker公司IFS 66/S型傅立叶变换近红外光谱仪(FT-NIR)对其进行红外光谱测定，分析火驱过程中分子结构和化学键的变化，并通过GC-MS分析进一步确定不同区带的物质组成，得到各区带的物质组成(表2)。

(1) 原始油区组分特征。原始油样中存在饱和烷烃、环烷烃、烷基侧链、胶质、沥青质、芳环等组分，并通过原始油段的GC-MS分析可知，原始油带中胶质、沥青质等重质组分含量较高，且环结构较为复杂。

(2) 油墙区组分特征。油墙区域主要由于蒸馏冷凝作用富集一些轻质油，以物理变化为主。

(3) 结焦带组分特征。结焦带发生了碳氢键的断裂，原本与芳环相连的非烃类侧链断裂，芳香族化合物向脂肪族化合物转化，芳环的邻位被取代，芳香结构有所减少，脂肪族的含量不断增加。这主要是由低温氧化和热反应引起。

在低温氧化过程中，饱和烃/芳环烷基侧链发生加氧反应，生成醇类、醛类等物质，醇类物质进一步脱水生成醚。在热反应过程中，燃料沉积阶段经历高温，芳环结构减少，芳环邻位发生取代，而受裂解影响形成的自由基则进一步聚合，缩合成分子量更大的分子。部分稠环芳烃聚合成胶质沥青质。

总结以上反应过程，该区带有热裂解和热聚合反应发生，是形成焦炭的主要阶段。该段的物质变化主要有：饱和烃和芳香烃侧链发生加氧反应形成醛、酮、醇类等烃类含氧化合物，饱和烃含量减少至40.99%；稠环芳香烃由于热裂解反应形成大量自由基，自由基共聚生焦，导致芳香烃多环结构减少至19.48%，稠油组分发生由饱和烃、芳香烃向胶质沥青质的转化，胶质含量增加到30.23%，沥青质含量增加至9.88%。

(4) 燃烧带组分特征。既发生高温氧化反应又发生热裂解，以高温氧化反应为主焦炭燃烧积累大量热量，使得沥青质和胶质达到自燃点开始燃烧，稠油组分氧化程度加深，导致饱和烷烃等轻质组分增多至92.00%，而胶质、沥青质等重质组分由于达到其燃点大量燃烧，胶质、沥青质等含量降至8.00%。可用以下反应表示：

沥青质/胶质/焦炭+氧气→一氧化碳+二氧化碳+水

(5) 已燃区组分特征。已燃区位于燃烧带之后，呈现出原油完全被驱替状态，该区几乎不存在原油，因此不再讨论该区带的组分变化。火烧过程中各区带的组分迁移见表3。

表3 火烧过程中各区带的组分迁移

2 火驱过程中各区带的相态变化分析

2.1 基于组分变化的相态变化分析

为了进一步验证各区带间组分的转化特征，以某稠油油样[10-15]为例，其API比重为11，相对密度为0.993，油样具有代表性。基于实验分析所得的火驱过程中不同区带各组分变化特征[16-21]，由宏观定性到定量，确定原始油样经过火驱后的各组分含量变化，应用CMG软件中的Winprop模块进行模拟，得到火驱过程中各个区带的组分含量百分比(表4)和各区带P-T相图(图2)。

表4 各区带组分含量百分比

由图2可知，火驱过程中不同区带流体的相包络线形态、临界点位置以及曲线分布情况都呈现出不同的特征，以下是基于组分变化的火驱相态变化分析。

图2 各区带P-T相图

(1) 原始油区特征分析。由原始油区P-T相图可知，该油样相图临界点为570.27 ℃、1312.74 kPa，在70.00 ℃以下，气液两相区面积较小，单液相区面积较大。分析认为油藏内的烃类物质大多以液相存在，说明该油样中重质组分较多，油样黏度较大，符合稠油基本特征。原始油样组分组成主要集中在C30+，重质组分含量多，占原始油样组分含量的53.8%以上，这与稠油油样组分特征相一致。

(2) 油墙区带特征分析。油墙带P-T相图中，70.00～150.00 ℃范围内包含了单相液区和气液两相区，气液两相区面积有所增大，此时相图临界点为564.23℃、1 575.87 kPa，相对于原始相图临界点向左上方移动。该区主要是油墙区，富集了可动油，包含过热蒸汽、轻烃、气体，具有明显的油墙效应。该区带油样组分含量与原始油样相比，CO2含量明显增多，C30+等重质组分含量减少，由53.80%降至总组分含量的38.50%，轻质组分含量增加。

(3) 结焦带特征分析。结焦带P-T相图临界点为589.47 ℃、1 220.57 kPa，相对于原始相图临界点向右下方移动。在200.00～400.00 ℃温度范围内，该区域的P-T相图包含了单相液区和气液两相区，且两相区面积相对于原始区油样变大。结焦带油样重质组分C30+组分含量显著提高，组分含量占比上升至79.00%。分析认为，在该温度范围内，部分轻烃类气体逐渐溶解于轻质油中，轻质组分聚合生焦转变为重质组分。

2.2 基于饱和度场图的相态变化分析

将原始油样组分含量数据导入CMG软件中的Builder模块，建立如下火驱模型。模型中，3口注入井和3口生产井呈排状分布。采用直角坐标，网格数为35×20×3，网格步长为5 m×5 m×3 m，渗透率为350 mD，孔隙度和含油饱和度分别为25.00%和65.00%。数模中考虑以下几个反应模型(表5)[15]，并得到火驱不同阶段的油气水三相饱和度场图(图3)。

表5 火驱数值模拟模型化学反应模型

从注入井到生产井依次出现纯气相(红色)、气液两相(紫红色)、油气水三相(蓝色)、油水两相(绿色)。由图3可以看出，随着火驱燃烧反应的进行，火线向前推进，油藏温度逐渐升高，气液两相区(紫红色)逐渐增大，为保证燃烧足够充分，燃烧带的空气必须充足，因此也出现单相气区(红色)，油墙带富集一些蒸馏冷凝的轻质油(绿色)，进一步考察各个区带组分变化，考察燃烧、相变与驱油的关系而不是单纯地考察燃烧与驱油关系，能够较客观地分析区带演变特征从而指导生产。

3 结 论

(1) 已燃区重质组分作为燃料反应掉，没有发生氧化反应，组分变化不明显；燃烧带以高温氧化反应为主，重质组分裂解为轻质组分；结焦带以聚合生焦反应为主，发生轻质组分向重质组分转变；油墙区主要富集轻质油，具有明显的油墙效应。

(2) 从P-T相图来看，随着火驱燃烧反应的进行，油藏温度逐渐升高，气液两相区面积逐渐增大，各个区带均含有单相液区和气液两相区，燃烧带还包含了单相气区。

(3) 在重质组分高温裂解生成轻质油的过程中，油藏临界点向左上方移动，相反，在轻质组分聚合生焦的过程中，油藏临界点向右下方移动。