轻质油储库中原位燃烧的可行性与扫掠效率分析

《Geoenergy Science and Engineering》：Feasibility and Sweep Efficiency Analysis of In-Situ Combustion in Light Oil Reservoirs

轻质油藏中空气注入点火（ISC）技术通过实验与数值模拟，分析了渗透率、非均质性和预注水对气驱效率的影响，发现ISC可实现稳定燃烧前沿推进，位移效率达92.43%，高温高压促进混相驱替，但高渗透层和强非均质性会降低气驱效率。

　　

Bingyan Liu|Changfeng Xi|Pengcheng Liu|Fang Zhao|Jinzhong Liang

中国地质大学能源资源学院，北京，100083，中国

摘要

空气注入驱油技术因其丰富的资源来源和低成本而受到越来越多的关注。高压空气注入（HPAI）传统上一直主导着轻质油藏的开发。最近的技术进步凸显了空气注入后引发的原位燃烧（ISC）在这些油藏中的巨大潜力。然而，在不同的油藏条件下，特别是点火后的气体扫驱效率方面，ISC的有效性仍需进一步研究。以中国华北油田的一个轻质油藏为案例研究，本文进行了空气注入后的点火实验。实验阐明了燃烧动态和生产特征。数值模拟进一步分析了油藏渗透率、垂直渗透率变化、高渗透率条带以及预注水对点火后扫驱效率的影响。结果表明，轻质油藏中的ISC能够实现稳定的燃烧前沿传播。燃烧前沿的峰值温度上升幅度略低于重质油藏中的ISC，但显著高于HPAI。油驱效率达到了92.43%。垂直渗透率变化和高渗透率条带会显著降低气体扫驱效率；相比之下，均匀的油藏渗透率水平和预注水对扫驱效率的影响相对较小。因此，应在特定油藏条件下评估ISC在轻质油藏中的应用，以优化驱油和扫驱效率。

引言

提高采收率（EOR）仍然是油田开发的关键焦点。气体注入（如CO₂、天然气、氮气或空气）通过气体与原油之间的物理和化学相互作用来提高驱油效率（Abdelaal等，2023；Davoodi等，2023；Sheng，2015；Yuan等，2024）。由于空气成本低且供应充足，空气注入技术受到了越来越多的关注，这解决了高氮气生产成本和天然气或CO₂供应有限等问题（Zhang等，2007）。

空气注入主要包括高压空气注入（HPAI）和原位燃烧（ISC），以及氧还原空气注入和空气泡沫注入等变体（Gargar等，2015；Huang等，2016；Lang等，2020；Qi等，2021）。其主要优势在于使用空气这种廉价且易于获取的介质来提高原油的流动性。与水驱或化学驱油相比，空气注入技术成本更低，适用范围更广，在低渗透率、低压或高含水率的油藏中具有独特的潜力，因此被视为未来油田开发的一个有前景的方向（Yuan等，2020）。

ISC技术包括将空气注入油藏并点燃，引发氧气与重质原油成分之间的高温氧化（HTO）反应。由此产生的高温和热裂解显著降低了原油的粘度，同时通过生成的烟气实现热驱油（Akkutlu等，2003；Dingley，1965；Dong等，2019；Liu等，2021）。相比之下，HPAI注入高压空气（通常超过油藏原始压力），通过气体膨胀来驱油。同时，氧气和原油发生低温氧化（LTO）反应，产生CO₂和热量，从而降低原油粘度（Gutierrez等，2009；Khakimova等，2020；Ren等，2002）。

ISC作为一种热驱方法，而HPAI则是一种气体驱替方法。这两种方法在能量来源和温度分布上存在根本差异（Khlebnikov等，2016）。HPAI的LTO反应效率有限，反应区温度通常在150°C到300°C之间（Chen等，2013），这不足以显著改变原油的物理性质。研究表明，氮气驱替贡献了HPAI总油收率的69%，温度升高和CO₂分别贡献了26.7%和4.3%。这证实了在轻质油藏中，烟气驱替是空气注入的主要方式，热效应起次要作用（Huang等，2016；Jiang等，2010）。

ISC能够实现超过450°C的燃烧温度，通过裂解重质成分为较轻的组分，有效降低原油粘度（Cinar等，2011；Fadaei等，2011；Karimian等，2017；Liu等，2024b；Pu等，2020；Zhang等，2019）。与HPAI不同，HPAI中的气体通道效应会导致扫驱效率逐渐下降，而ISC的燃烧前沿具有自我调节能力。在非均质油藏中，燃烧前沿倾向于沿着高渗透率区域前进。然而，高饱和度油层会改变流体流动方向：一旦形成主导通道，原油会迁移到这些路径中，降低气体饱和度和相对渗透率，从而减少通道效应（Guan等，2020；Guan等，2010）。因此，ISC在提高扫驱效率方面明显优于HPAI。

传统上，HPAI主要应用于轻质油藏，而ISC则针对重质油藏（Greaves等，2000；Gutierrez等，2008；Moore等，2002；Ren等，2002）。这是因为在轻质油藏中通常不进行点火过程，燃烧前沿比在重质油藏中更难以维持。最近在点火技术、气体注入方法和前沿监测方面的进展揭示了ISC在轻质油藏中的潜力。研究表明，ISC过程中的高温和高压显著降低了烟气与原油之间的最小混溶压力（MMP），促进了混溶驱油并提高了采收效率（Jiang等，2024；Xi等，2024；Xi等，2022）。因此，轻质油藏中ISC过程产生的高温和高压条件可以实现烟气的混溶驱替，大大提高油收率。

目前轻质油藏中的空气注入研究主要集中在HPAI上，ISC的应用仍处于探索阶段。特别是，目前尚无明确结论表明ISC是否能在保持高油驱效率的同时实现高扫驱效率。这一知识空白阻碍了ISC在轻质油藏中的优化和应用。

本研究调查了中国华北油田轻质油藏中空气注入和点火后的气体扫驱效率。首先，进行了一维物理模拟实验，以阐明ISC在轻质油藏中的生产动态和燃烧特征。随后，利用实验数据开发了数值模拟模型，系统评估了油藏非均质性（细粒化/粗粒化序列和高渗透率条带）以及预注水对扫驱效率的影响。研究结果为设计轻质油藏中的空气注入策略提供了理论指导。

实验装置

与通常使用细管模型的HPAI实验不同，ISC实验使用了一维燃烧管。图1显示了燃烧管平台的示意图。本实验系统由四个部分组成：注入系统、燃烧管模型、数据采集与控制系统以及生产系统。详细的结构和参数规格在作者之前的研究中已有记载（Liu等，2024a；Liu等，

数值模拟

实验室实验证明了ISC在轻质油藏中的可行性，驱油效率超过90%。为了阐明不同油藏条件下的扫驱效率，使用CMG-STARS构建了数值模型，分析了渗透率、非均质性（细粒化/粗粒化和高渗透率条带）以及预注水的影响。

结论

• (1)
  轻质油藏中的ISC产生的温度上升幅度小于重质油藏，但高于仅依靠低温氧化的HPAI。温度分布随时间保持稳定，证实了燃烧前沿的稳定传播。点火后，O₂含量迅速降至5%以下，而CO₂含量超过12%，驱油效率达到92.43%。
• (2)
  在高渗透率均匀模型（6000 mD）中会发生气体覆盖现象，但在低渗透率模型中不会

CRediT作者贡献声明

Bingyan Liu：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，研究，正式分析。Changfeng Xi：方法论，资金获取，概念构思。Jinzhong Liang：资源，项目管理。Pengcheng Liu：监督，资金获取。Fang Zhao：数据整理

未引用参考文献

Akkutlu和Yortsos，2003；Khakimova等，2019。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

数据可用性

数据可应要求提供。

致谢

作者感谢中国石油集团有限公司（CNPC）“热混溶驱油技术研究”（2023ZG18）项目的财政支持，以及国家自然科学基金“中低成熟度大陆性砂岩油藏形成机制及原位转化开采机制”（项目编号U22B6004）的联合资金，还有中国国家留学基金委（CSC）提供的奖学金。