空氣泡沫驅(qū)氧化機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究

周冰靈

（東北石油大學(xué)提高采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江大慶163318）

空氣泡沫驅(qū)技術(shù)創(chuàng)造性地將空氣驅(qū)[1]和泡沫驅(qū)[2]組合起來，不僅克服了空氣驅(qū)容易氣竄的不足，而且還具有調(diào)剖和驅(qū)油的雙重作用。在油藏條件下，注入油層中的空氣泡沫破裂后，其中空氣中的O2與原油接觸，發(fā)生低溫氧化反應(yīng)[3]，產(chǎn)生一定量的CO2、水以及少量的含氧烴類化合物。同時(shí)低溫氧化過程中放熱，產(chǎn)生的熱量使油層溫度升高，促使輕質(zhì)組分蒸發(fā)，直接起驅(qū)油作用的不是空氣，而是在油層內(nèi)生成的CO、CO2、N2和蒸發(fā)的輕烴組分等組成的煙道氣。因此，空氣泡沫驅(qū)具有空氣驅(qū)和泡沫驅(qū)兩種技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為一種很有發(fā)展前途的三次采油技術(shù)。但是如果注入空氣中的O2與原油反應(yīng)不充分，在原油中O2與甲烷氣體的含量達(dá)到爆炸所需的有效濃度時(shí)，就有可能發(fā)生爆炸現(xiàn)象。因此，O2的含量是決定注空氣泡沫工藝成敗的關(guān)鍵因素。開展空氣泡沫驅(qū)氧化機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究，主要目的是使注入的空氣在油藏中有足夠長(zhǎng)的滯留時(shí)間，使O2與原油、粘土、地層水等充分反應(yīng)，以便消耗大量的O2，從而將O2濃度控制在安全范圍內(nèi)，為現(xiàn)場(chǎng)注氣安全性的分析提供了理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)條件

1.1 儀器和藥品

空氣瓶，壓力表，恒溫箱，安捷倫7890A氣相色譜儀，高壓反應(yīng)容器，高壓管線，溫度控制系統(tǒng)等。

1.2 空氣對(duì)原油的低溫氧化原理

向輕質(zhì)油藏注入空氣后，空氣的O2和原油自發(fā)發(fā)生氧化反應(yīng)，在油層中產(chǎn)生輕組分碳?xì)浠衔镆约盁煹罋猓–O2、N2等）[4]，同時(shí)氧化反應(yīng)過程中釋放熱量，這些熱量能夠局部增加油藏溫度，維持氧化反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行。所以，空氣驅(qū)油不但能達(dá)到一般注氣的效果，還能產(chǎn)生氧化反應(yīng)帶來的附帶效應(yīng)。

注入油藏的空氣主要有兩個(gè)作用，即驅(qū)油作用和與原油發(fā)生氧化作用。注空氣低溫氧化法就是通過注入空氣和油藏中的原油發(fā)生低溫氧化，使空氣中的O2與碳?xì)浠衔锓磻?yīng)生成醇、醛、酮等，生成的這些化合物又會(huì)和氧氣發(fā)生反應(yīng)生成含碳氧化物和水，機(jī)理[5]見圖1。

圖1 注空氣低溫氧化機(jī)理Fig.1 Low temperature oxidation mechanism on air injection

1.3 原油成分及產(chǎn)出氣成分分析方法

使用安捷倫7890A氣相色譜儀分析氧化反應(yīng)后原油成分的變化，并對(duì)產(chǎn)出氣進(jìn)行了氣相色譜分析，通過氣相色譜柱分析出產(chǎn)出氣體的組成及各組分的含量。圖2、3分別是分析原油和空氣成分的氣相色譜圖，與標(biāo)準(zhǔn)譜圖對(duì)比可知原油和空氣的組成以及原油各組分的含量。

圖2 原油成分氣相色譜全烴分析圖Fig.2 Hydrocarbon gas chromatography analysis diagram of crude oil composition

圖3 氣體成分分析氣相色譜圖Fig.3 Chromatography analysis diagram of gas composition

1.4 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)設(shè)備見圖4。

圖4 氧化反應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置Fig.4 The equipment of LTO experiment

將反應(yīng)物裝入容器中，再向容器內(nèi)充入高壓空氣100mL，加壓至預(yù)設(shè)壓力8MPa，放置到恒溫箱中加熱到設(shè)定溫度（保溫），高壓反應(yīng)容器置于恒溫箱中，分別進(jìn)行不同時(shí)間段（15、30、60、120d）的氧化反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后從各個(gè)容器中取油樣、氣樣，研究原油成分、氣體組分變化，并通過容器上安裝的壓力表觀測(cè)壓力變化。最后分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，給出結(jié)論。

2 結(jié)果分析

2.1 油與空氣的氧化反應(yīng)

將氧化反應(yīng)速率定義為單位反應(yīng)時(shí)間及單位體積內(nèi)原油的耗氧量。

O2消耗的物質(zhì)的量=n1-n2

式中 n1：反應(yīng)前注入高壓反應(yīng)器中O2的摩爾數(shù)，n2：反應(yīng)后高壓容器中剩余O2的摩爾數(shù)。

在25、35、45、70℃4種溫度下，原油恒溫放置15、30、60、120d，分析不同溫度不同反應(yīng)時(shí)間后原油成分的變化。典型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖5、6。

圖5 25℃氧化反應(yīng)不同時(shí)間原油成分含量對(duì)比Fig.5 The contrast of oil composition during various reaction time at 25℃

圖6 45℃氧化反應(yīng)不同時(shí)間原油成分含量對(duì)比Fig.6 Contrast of oil composition during various reaction time at 45℃

隨著時(shí)間的增加，原油逐漸被氧化，輕質(zhì)組分含量增加，重質(zhì)組分含量減少，且溫度越高效果越明顯。但是當(dāng)反應(yīng)時(shí)間超過60d以后，原油成分變化不大。

表1為不同溫度下氧化反應(yīng)后的氧化速率、O2含量及CO2含量實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表1 不同溫度下不同時(shí)間原油氧化速率及含氧量變化Tab.1 The experimental results during various reaction time at different temperature

由表1可知，隨著溫度的增加反應(yīng)速率增大，氧氣的含量逐漸減少，生成CO2的量相應(yīng)增加，而且反應(yīng)時(shí)間達(dá)到30d時(shí)氧化速率明顯加快，90d以后反應(yīng)速率趨于緩慢。

2.2 含水對(duì)原油氧化速率的影響

在實(shí)際油藏條件下水總是存在的，必須考慮地層水對(duì)原油低溫氧化速率的影響。在相同的反應(yīng)條件下（8MPa，35℃），分別進(jìn)行了在油砂中加水和不加水的實(shí)驗(yàn)。

表2 含水對(duì)氧化反應(yīng)的影響Tab.2 The effect of stratum water

從表2中數(shù)據(jù)可看出，加水的反應(yīng)速率比不加水時(shí)提高了22.3%，說明水的存在能加快反應(yīng)的進(jìn)行，含水也是提高氧化速率的有利因素。同時(shí)，反應(yīng)后的O2含量較不加水時(shí)降低了2.6%，一方面，高壓條件下水中可以溶解一部分氧，使含氧量降低，另一方面，由于地層水是潤(rùn)濕相，優(yōu)先吸附在巖石表面，擴(kuò)大了原油與空氣的接觸面積，從而加速了氧化反應(yīng)的進(jìn)行。

2.3 粘土對(duì)氧化反應(yīng)速率的影響

地層中的粘土礦物能夠促進(jìn)氧化反應(yīng)的發(fā)生，促進(jìn)重油裂解，是原油粘度降低，從而進(jìn)一步加速原油的氧化速率，使得油藏條件下注入空氣中的氧氣盡可能消耗掉，對(duì)于避免安全隱患和提高原油采收率都十分有利。

通過在油砂中加黏土與不加黏土的油砂的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)一步分析黏土對(duì)氧化反應(yīng)的影響。測(cè)試的氧化速率實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 粘土對(duì)氧化反應(yīng)速率的影響Tab.3 The effect of clay

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，加入粘土的氧化反應(yīng)速率較不加粘土提高了36.1%，反應(yīng)后的O2含量降低了4.2%，這是因?yàn)?，一方面，粘土表面能夠吸附一定?shù)量的氧，另一方面，粘土對(duì)原油的氧化反應(yīng)有一定的催化作用，使得氧化反應(yīng)能夠更好的進(jìn)行，不僅加快了氧氣的消耗，相對(duì)應(yīng)生成的CO2含量也增多。另外，加粘土反應(yīng)后的原油輕質(zhì)組分含量也比不加粘土反應(yīng)的輕質(zhì)組分含量高，說明氧化反應(yīng)的效果更明顯。

3 結(jié)論

（1）溫度是影響氧化反應(yīng)速率的重要因素之一。在壓力8MPa，溫度為25℃的條件下空氣基本不與原油發(fā)生氧化反應(yīng)，70℃時(shí)的氧化反應(yīng)效果最明顯，O2消耗量及氧化速率最大，說明較高的溫度更有利于低溫氧化反應(yīng)的進(jìn)行和O2的消耗。

（2）反應(yīng)時(shí)間對(duì)氧化速率有比較明顯的影響。反應(yīng)時(shí)間達(dá)到30d時(shí)氧化速率明顯加快，反應(yīng)時(shí)間超過60d以后，原油成分變化不大，90d以后反應(yīng)速率趨于緩慢，說明反應(yīng)基本結(jié)束。

（3）水和粘土的存在對(duì)原油的氧化反應(yīng)速率有較大的影響。結(jié)果表明，粘土可以對(duì)氧化反應(yīng)起到一定的催化作用；而水的存在有利于油藏中原油的氧化。粘土和水可以加快氧化反應(yīng)的速率，增大氧化的程度，對(duì)反應(yīng)起到催化的作用，且粘土的作用更為明顯。

［1］張旭,劉建儀,易洋,等.注氣提高采收率技術(shù)的挑戰(zhàn)與發(fā)展-注空氣低溫氧化技術(shù)［J］.特種油氣藏,2006,（2）:6-9.

［2］廖廣志,李立眾,孔繁華,等.常規(guī)泡沫驅(qū)油技術(shù)［M］.北京:石油工業(yè)出社,1999.

［3］MOHAMMEDRF,KEVINOM.Lowtemperatureoxidationofviscous crudeoils［J］.SPEReservoirEngineering，1990，5（4）：609-616.

［4］張曉剛.注空氣技術(shù)［G］,中外科技情報(bào),2004:3-27.

［5］王杰祥,張琪,李愛山，等.注空氣驅(qū)油室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究［J］.石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2003,27（4）：73-75.