CN108661615A - 一种新的火烧油层稳定燃烧温度场计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种新的火烧油层稳定燃烧温度场计算方法，包括以下步骤：测试、收集稠油油藏的基本参数，得到储层热容、地层厚度、地层绝对渗透率、孔隙度等数据；收集火烧油层过程中的生产制度数据，得到气体注入速率、含油饱和度、含气饱和度、含水饱和度等数据；分析火烧油层的反应过程，及地层中的传热机理；同时考虑水由液相变为蒸气、地层间存在热传递、以及燃烧过程中氧气含量会发生变化等因素，最后建立新的火烧油层热平衡方程。本发明综合考虑了火烧油层燃烧过程中水蒸气导致的热散失、向相邻地层的传热、以及不同氧气含量等因素，建立了一种新的火烧油层稳定燃烧油藏温度场计算方程，该方程对于指导稠油油藏火驱开采具有重要意义。

Description

一种新的火烧油层稳定燃烧温度场计算方法

技术领域

本发明涉及一种新的火烧油层稳定燃烧温度场计算方法。

背景技术

火烧油层技术因其能极大的提高稠油采收率而受到越来越多的重视，然而目前该技术尚未得到大面积推广，其原因之一在于人们尚未完全了解其燃烧反应过程。随着温度的变化，油藏中会发生不同类型的反应。因此准确计算油藏中的温度场对于人们认识油藏反应程度、反应过程十分重要。

Chieh Chu最早提出了经典的火烧油层过程的温度场计算方法，然而该方法过于简单，无法适用于现场。James T.Smith提出的计算方法仅考虑了水相、气相、油相的反应过程，没有将这三相细分来讨论其反应过程和反应机理。A.A.Mailybaev的方法没有考虑到向相邻地层导热造成的的热损失。因此如何准确的描述反应过程，分析火烧油层过程中的热量变化，从而提出更准确的温度场计算方法，是本专利研究的重点。

发明内容

本发明主要是克服现有技术中的不足之处，提出一种新的火烧油层稳定燃烧温度场计算方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种新的火烧油层稳定燃烧温度场计算方法，包括以下步骤:

步骤1，测试、收集稠油油藏的基本参数，得到储层热容、地层厚度、地层绝对渗透率、孔隙度；

步骤2，收集火烧油层过程中的生产制度数据，得到气体注入速率、含油饱和度、含气饱和度、含水饱和度；

步骤3，分析火烧油层的反应过程；

步骤4，分析火烧油层过程中地层中的传热机理；

步骤5，考虑火烧油层燃烧过程中水蒸气导致的热散失、向相邻地层的传热、以及不同氧气含量等因素，最后得到一种新的火烧油层稳定燃烧油藏温度场计算方程：

式中：T为油藏温度，其单位为K；T_st为293.15，其单位为K；ρ为密度，其单位为g/cm³；λ为孔隙介质热传导系数，其单位为W/Mk；C_m为地层热容，其单位为J/m³·K；Q_LH、Q_HH、Q_RC、Q_RN为轻油组分反应热、重油组分反应热、焦炭组分反应热、其他热解产物的反应热，其单位为J/Kg，W_LH、W_HH、W_RC、W_RN分别为单位时间内的轻质油、重质油、焦炭、其他热解产物组分，其单位为kg/m³·s。

进一步的是，当空气注入储层中时，在多孔介质中，由于相间或内部有温差、压差的存在，因此其内部就会产生流动或传热传质。

进一步的是，具体包含固体骨架与固体颗粒之间的导热过程、孔隙之中流体的导热过程、孔隙中流体的对流换热过程、以及液体的蒸发、沸腾和汽体凝结等相变换热过程导热过程。

进一步的是，所述步骤5油藏温度场计算方法的具体建立过程为：

(1)燃烧过程中，根据阿仑尼乌斯方程，可得燃烧速率为：

(2)燃烧过程中，水蒸发速率为：

P＝b'a'(p^*-p_ν)

式中：p^*为水蒸汽压力；p_v为水蒸气在气相中的分压；b'为外热损失系数，其单位为Btu/(hr)(sq·ft)(℉)，a'为单位体积外热损失面积，其单位为ft^-1；

(3)水蒸发过程中损失的热量为：

q'＝b'a'(T₀-T_r)

式中：T₀油藏原始温度，其单位为K；T_r为蒸发时的温度，其单位为K；b'为外热损失系数，其单位为Btu/(hr)(sq·ft)(℉)，a'为单位体积外热损失面积，其单位为ft^-1；

(4)代入步骤(1)、(2)算出的S、P，计算油藏中气相、水相、油相的渗流方程，分别为：

式中：p_g、p_w、p_o分别为气体、水、油的压力，其单位为MPa；k_g、k_w、k_o分别为气体、水、油的有效渗透率，其单位为μm²；

(5)考虑到热量损失，得到能量守恒方程：

其中：

式中：C_g、C_o、C_r、C_w分别为气体、原油、岩石、水的比热，其单位为Btu/1b-℉；S_g、S_o、S_r、S_w分别为气体、原油、岩石、水地层中的饱和度；λ_c、λ_w为气体、水注入速率，其单位为1b/(hr)(sqft)；K为导热率，其单位为Btu/D-ft-℉；M_a、M_s分别为消耗、产生1b氧气/燃烧1b原油；

(6)考虑到地层中的热传导和热对流，得到能量守恒方程：

(7)考虑到向相邻地层的导热，得到能量守恒方程：

式中：T_AF为考虑了向相邻地层的导热后计算得到的温度，单位为K；α_hAF为考虑了向相邻地层导热时的系数；

(8)原油热解方程式中，其各种热解产物满足如下的平衡关系:

ω_rLH+ω_rHH+ω_rc+ω_rN＝1

式中:ω_rLH、ω_rHH、ω_rc、ω_rN为原油热解反应中轻质油、重质油、焦炭、其他热解产物组分的质量分数，其单位为％；

(9)单位时间原油热解产物为：

式中：n_LH、n_HH、n_RC、n_RN为轻质油、重质油、焦炭、其他热解产物组分的物质的量，其单位为kg/m³；

(10)得到质量守恒方程：

式中：ρ是气体在恒压下的摩尔密度，其单位为mol/m³；u为气相达西流速，其单位为m/s；M_LH、M_HH、M_RC、M_RN为轻质油、重质油、焦炭、其他热解产物组分物质的摩尔质量；

(11)最终得到热平衡方程：

式中：T为油藏温度，其单位为K；T_st为293.15，其单位为K；ρ为密度，其单位为g/cm³；λ为孔隙介质热传导系数，其单位为W/Mk；C_m为地层热容，其单位为J/m³·K；Q_LH、Q_HH、Q_RC、Q_RN为轻油组分反应热、重油组分反应热、焦炭组分反应热、其他热解产物的反应热，其单位为J/Kg，W_LH、W_HH、W_RC、W_RN分别为单位时间内的轻质油、重质油、焦炭、其他热解产物组分，其单位为kg/m³·s。

本发明的有益效果：本发明综合考虑了火烧油层燃烧过程中水蒸气导致的热散失、向相邻地层的传热、以及不同氧气含量等因素，建立了一种新的火烧油层稳定燃烧油藏温度场计算方程，该方程对于指导稠油油藏火驱开采具有重要意义。

具体实施方式

本发明的一种新的火烧油层稳定燃烧温度场计算方法，包括以下步骤：

步骤1，测试、收集稠油油藏的基本参数，得到储层热容、地层厚度、地层绝对渗透率、孔隙度；

步骤2，收集火烧油层过程中的生产制度数据，得到气体注入速率、含油饱和度、含气饱和度、含水饱和度；

步骤3，分析火烧油层的反应过程；

步骤4，分析火烧油层过程中地层中的传热机理；

步骤5，考虑火烧油层燃烧过程中水蒸气导致的热散失、向相邻地层的传热、以及不同氧气含量等因素，最后得到一种新的火烧油层稳定燃烧油藏温度场计算方程：

式中：T为油藏温度，其单位为K；T_st为293.15，其单位为K；ρ为密度，其单位为g/cm³；λ为孔隙介质热传导系数，其单位为W/Mk；C_m为地层热容，其单位为J/m³·K；Q_LH、Q_HH、Q_RC、Q_RN为轻油组分反应热、重油组分反应热、焦炭组分反应热、其他热解产物的反应热，其单位为J/Kg，W_LH、W_HH、W_RC、W_RN分别为单位时间内的轻质油、重质油、焦炭、其他热解产物组分，其单位为kg/m³·s。

其中，所述步骤5油藏温度场计算方法的具体建立过程为：

稠油油藏燃烧在热交换过程中既有热对流，又有热传导发生。由于气体与油层中的岩石颗粒温差的存在，从而引起热传导现象，所以气体与岩石的热对流过程中还伴有热传导现象。气体腔不断扩张，使原油粘度降低，流动性增强，气体与油层中的流体形成对流换热。在温差的作用下，油藏多孔介质中的流体不但存在热对流过程，还存在着热传导现象。此外，燃烧过程中，水相由液态变为水蒸气，这一过程会吸收大量的热。

(1)燃烧过程中，根据阿仑尼乌斯方程，可得燃烧速率为：

(2)燃烧过程中，水蒸发速率为：

P＝b'a'(p^*-p_ν)

式中：p^*为水蒸汽压力；p_v为水蒸气在气相中的分压；b'为外热损失系数，其单位为Btu/(hr)(sq·ft)(℉)，a'为单位体积外热损失面积，其单位为ft^-1；

(3)水蒸发过程中损失的热量为：

q'＝b'a'(T₀-T_r)

式中：T₀油藏原始温度，其单位为K；T_r为蒸发时的温度，其单位为K；b'为外热损失系数，其单位为Btu/(hr)(sq·ft)(℉)，a'为单位体积外热损失面积，其单位为ft^-1；

(4)代入步骤(1)、(2)算出的S、P，计算油藏中气相、水相、油相的渗流方程，分别为：

式中：p_g、p_w、p_o分别为气体、水、油的压力，其单位为MPa；k_g、k_w、k_o分别为气体、水、油的有效渗透率，其单位为μm²；

(5)考虑到热量损失，得到能量守恒方程：

其中：

式中：C_g、C_o、C_r、C_w分别为气体、原油、岩石、水的比热，其单位为Btu/1b-℉；S_g、S_o、S_r、S_w分别为气体、原油、岩石、水地层中的饱和度；λ_c、λ_w为气体、水注入速率，其单位为1b/(hr)(sqft)；K为导热率，其单位为Btu/D-ft-℉；M_a、M_s分别为消耗、产生1b氧气/燃烧1b原油；

(6)考虑到地层中的热传导和热对流，得到能量守恒方程：

(7)考虑到向相邻地层的导热，得到能量守恒方程：

式中：T_AF为考虑了向相邻地层的导热后计算得到的温度，单位为K；α_hAF为考虑了向相邻地层导热时的系数；

(8)原油热解方程式中，其各种热解产物满足如下的平衡关系:

ω_rLH+ω_rHH+ω_rc+ω_rN＝1

式中:ω_rLH、ω_rHH、ω_rc、ω_rN为原油热解反应中轻质油、重质油、焦炭、其他热解产物组分的质量分数，其单位为％；

(9)单位时间原油热解产物为：

式中：n_LH、n_HH、n_RC、n_RN为轻质油、重质油、焦炭、其他热解产物组分的物质的量，其单位为kg/m³；

(10)得到质量守恒方程：

式中：ρ是气体在恒压下的摩尔密度，其单位为mol/m³；u为气相达西流速，其单位为m/s；M_LH、M_HH、M_RC、M_RN为轻质油、重质油、焦炭、其他热解产物组分物质的摩尔质量；

(11)最终得到热平衡方程：

式中：T为油藏温度，其单位为K；T_st为293.15，其单位为K；ρ为密度，其单位为g/cm³；λ为孔隙介质热传导系数，其单位为W/Mk；C_m为地层热容，其单位为J/m³·K；Q_LH、Q_HH、Q_RC、Q_RN为轻油组分反应热、重油组分反应热、焦炭组分反应热、其他热解产物的反应热，其单位为J/Kg，W_LH、W_HH、W_RC、W_RN分别为单位时间内的轻质油、重质油、焦炭、其他热解产物组分，其单位为kg/m³·s。

实施例

某稠油油藏含油面积5.6km²，初始含油饱和度为65％～70％，平均孔隙度为25％，平面上平均渗透率值为1000*10-3，μm²，油藏厚度为20m，地层绝对渗透率为地质储量为2733*10⁴t，油层原油胶质和沥青质含量高，地层原油具有粘度高、密度大的特点。20℃时原油密度为0.97-1.001g/cm³，注入气体密度为0.7g/cm³，原油饱和度为68.4％，原始地层温度为48℃，注入空气量为q_air＝40*10³m³/d，C_w＝4.19kJ/kg，C_g＝6423kJ/kg。p^*为106MPa，p_v为5*10⁵MPa。油藏成功实现点火，并进入稳定燃烧阶段。

计算该油藏燃烧速率：

随着燃烧进行，油藏中的液相水开始蒸发：

P＝ba(p^*-p_ν)

由此可计算出油藏中气相、水相、油相的渗流方程，分别为：

考虑到产层和围岩地层导热率不同，产层会向围岩导热，得到能量守恒方程：

考虑到原油热解反应会产生轻质油、重质油、焦炭以及其他热解产物组分，得到质量守恒方程：

最终得到热平衡方程：

最终得出燃烧不同时刻的油藏温度场数值。将该公式代入CMG油藏数值模拟软件中，对本文所采用的稠油油藏进行生产模拟，发现本文提到的温度场计算公式，和利用软件模拟出的流体渗流公式具有较好的耦合效果，从而能帮助我们更好地进行生产动态分析，更好地掌握油藏生产动态。

以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已通过上述实施例揭示，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些变动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种新的火烧油层稳定燃烧油藏温度场计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，测试、收集稠油油藏的基本参数，得到储层热容、地层厚度、地层绝对渗透率、孔隙度；

步骤2，收集火烧油层过程中的生产制度数据，得到气体注入速率、含油饱和度、含气饱和度、含水饱和度；

步骤3，分析火烧油层的反应过程；

步骤4，分析火烧油层过程中地层中的传热机理；

步骤5，考虑火烧油层燃烧过程中水蒸气导致的热散失、向相邻地层的传热、以及不同氧气含量等因素，最后得到一种新的火烧油层稳定燃烧油藏温度场计算方程：

式中：T为油藏温度，其单位为K；T_st为293.15，其单位为K；ρ为密度，其单位为g/cm³；λ为孔隙介质热传导系数，其单位为W/Mk；C_m为地层热容，其单位为J/m³·K；Q_LH、Q_HH、Q_RC、Q_RN为轻油组分反应热、重油组分反应热、焦炭组分反应热、其他热解产物的反应热，其单位为J/Kg，W_LH、W_HH、W_RC、W_RN分别为单位时间内的轻质油、重质油、焦炭、其他热解产物组分，其单位为kg/m³·s。

2.根据权利要求1所述的一种新的火烧油层稳定燃烧油藏温度场计算方法，其特征在于，当空气注入储层中时，在多孔介质中，由于相间或内部有温差、压差的存在，因此其内部就会产生流动或传热传质。

3.根据权利要求1所述的一种新的火烧油层稳定燃烧油藏温度场计算方法，其特征在于，具体包含固体骨架与固体颗粒之间的导热过程、孔隙之中流体的导热过程、孔隙中流体的对流换热过程、以及液体的蒸发、沸腾和汽体凝结等相变换热过程导热过程。

4.根据权利要求1所述的一种新的火烧油层稳定燃烧油藏温度场计算方法，其特征在于，所述步骤5中油藏温度场计算方法的具体建立过程为：

(1)燃烧过程中，根据阿仑尼乌斯方程，可得燃烧速率为：

(2)燃烧过程中，水蒸发速率为：

P＝b'a'(p^*-p_ν)

式中：p^*为水蒸汽压力；p_v为水蒸气在气相中的分压；b'为外热损失系数，其单位为Btu/(hr)(sq·ft)(℉)，a'为单位体积外热损失面积，其单位为ft^-1；

(3)水蒸发过程中损失的热量为：

q'＝b'a'(T₀-T_r)

式中：T₀油藏原始温度，其单位为K；T_r为蒸发时的温度，其单位为K；b'为外热损失系数，其单位为Btu/(hr)(sq·ft)(℉)，a'为单位体积外热损失面积，其单位为ft^-1；

(4)代入步骤(1)、(2)算出的S、P，计算油藏中气相、水相、油相的渗流方程，分别为：

式中：p_g、p_w、p_o分别为气体、水、油的压力，其单位为MPa；k_g、k_w、k_o分别为气体、水、油的有效渗透率，其单位为μm²；

(5)考虑到热量损失，得到能量守恒方程：

其中：

式中：C_g、C_o、C_r、C_w分别为气体、原油、岩石、水的比热，其单位为Btu/1b-℉；S_g、S_o、S_r、S_w分别为气体、原油、岩石、水地层中的饱和度；λ_c、λ_w为气体、水注入速率，其单位为1b/(hr)(sqft)；K为导热率，其单位为Btu/D-ft-℉；M_a、M_s分别为消耗、产生1b氧气/燃烧1b原油；

(6)考虑到地层中的热传导和热对流，得到能量守恒方程：

(7)考虑到向相邻地层的导热，得到能量守恒方程：

式中：T_AF为考虑了向相邻地层的导热后计算得到的温度，单位为K；α_hAF为考虑了向相邻地层导热时的系数；

(8)原油热解方程式中，其各种热解产物满足如下的平衡关系:

ω_rLH+ω_rHH+ω_rc+ω_rN＝1

式中:ω_rLH、ω_rHH、ω_rc、ω_rN为原油热解反应中轻质油、重质油、焦炭、其他热解产物组分的质量分数，其单位为％；

(9)单位时间原油热解产物为：

式中：n_LH、n_HH、n_RC、n_RN为轻质油、重质油、焦炭、其他热解产物组分的物质的量，其单位为kg/m³；

(10)得到质量守恒方程：

式中：ρ是气体在恒压下的摩尔密度，其单位为mol/m³；u为气相达西流速，其单位为m/s；M_LH、M_HH、M_RC、M_RN为轻质油、重质油、焦炭、其他热解产物组分物质的摩尔质量；

(11)最终得到热平衡方程：

式中：T为油藏温度，其单位为K；T_st为293.15，其单位为K；ρ为密度，其单位为g/cm³；λ为孔隙介质热传导系数，其单位为W/Mk；C_m为地层热容，其单位为J/m³·K；Q_LH、Q_HH、Q_RC、Q_RN为轻油组分反应热、重油组分反应热、焦炭组分反应热、其他热解产物的反应热，其单位为J/Kg，W_LH、W_HH、W_RC、W_RN分别为单位时间内的轻质油、重质油、焦炭、其他热解产物组分，其单位为kg/m³·s。