理829井區(qū)注空氣原油氧化速率影響因素的研究

牛菊葉 沙帆 馮娟

摘? ? ?要：針對(duì)子北油藏理829井區(qū)在2016年以后由于層內(nèi)、層間和油層組滲透率非均質(zhì)性強(qiáng)，孔隙類型差異明顯，導(dǎo)致注水開發(fā)后期含水率高，產(chǎn)油量不斷下降，總體開發(fā)效果差的問題，開展了空氣泡沫驅(qū)。而空氣泡沫驅(qū)具有與原油發(fā)生低溫氧化，減小油水界面張力，堵水堵氣，擴(kuò)大泡沫波及體積從而改善開發(fā)效果的作用。為了深入研究理829區(qū)塊原油與空氣的氧化速率與不同介質(zhì)、溫度及壓力等因素的關(guān)系，開展注空氣原油氧化實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明隨著溫度和壓力的升高，反應(yīng)物活性明顯增強(qiáng)，該區(qū)塊的原油與空氣氧化速率加快;隨著反應(yīng)時(shí)間延長，原油氧化速率先急劇增大后緩慢減小。在300 m×150 m反九點(diǎn)井網(wǎng)試驗(yàn)區(qū)塊中經(jīng)歷前期注水開發(fā)和后期空氣泡沫調(diào)剖堵水，綜合含水率下降，增油效果明顯，油井產(chǎn)量穩(wěn)定，累積增油197 t。該研究結(jié)果表明該井區(qū)注水開發(fā)后期采取空氣泡沫調(diào)驅(qū)方式具有可行性，可為同類油田現(xiàn)場(chǎng)提供數(shù)據(jù)和理論上的支持。

關(guān)? 鍵? 詞：理829區(qū)塊; 壓力; 溫度; 反應(yīng)時(shí)間; 氧化速率

中圖分類號(hào)：TE341? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ?文章編號(hào)：1671-0460（2019）09-1926-04

Abstract：? Due to the heterogeneity of the intra-layer， inter-layer and the permeability of oil-bearing formations， as well as obvious difference of pore types in the Li829 well area after 2016， the water cut was high and oil production decreased in the later stage of water injection development and overall development effect was poor. The air foam flooding has the effect of low temperature oxidation with crude oil， reducing the interfacial tension between oil and water， blocking water and blocking gas， and expanding the volume of foam to improve the development effect. In order to further study the relationship between the reaction degree of crude oil and air with different media， temperature and pressure in Li829， the experiment of injection air crude oil oxidation was carried out. The experiment showed that with the increase of temperature and pressure， the activity of the reactants was obviously enhanced， and the oxidation rate of crude oil and air was accelerated. With the extension of reaction time， the oxidation rate of crude oil increased sharply and then decreased slowly. In the 300 m×150 m anti-nine point well network test block， it experienced pre-water injection development and late air foam profile control and water shutoff. The cumulative oil increase was 197 t， the water content decreased， the oil increase effect was obvious， and the oil well production was stable. The results of this study indicate that it is feasible to adopt air foam flooding in the later stage of water injection development in the well area. The paper can provide data and theoretical support for similar oilfield sites.

Key words：Block of Li829; Pressure; Temperature; Reaction time; Oxidation rate

理829井區(qū)儲(chǔ)層深度在600 m至900 m之間，主要油層孔隙度為12%，滲透率為0.96 mD，并伴隨少量的微裂縫，油藏中部溫度為35.6℃，儲(chǔ)層平均地層壓力為4.85 MPa。[1-3]該區(qū)塊地面原油相對(duì)密度0.846 g/cm3，50 ℃地面原油黏度為3.93 mPa·s，屬于輕質(zhì)油。理829井區(qū)主要采用200 m×200 m的正方形反九點(diǎn)井網(wǎng)，水力壓裂投產(chǎn)。截止2017年7月，該地區(qū)長6油層組生產(chǎn)井95口，注入井7口，累積產(chǎn)油2.87×104 t，采出程度1.01%，平均單井日產(chǎn)油0.10 t，綜合含水高達(dá)82.61%;后期由于層內(nèi)、層間以及油層組滲透率的非均質(zhì)性強(qiáng)，孔隙類型差異明顯，導(dǎo)致含水率高，注水開發(fā)效果差。

對(duì)于如何解決理829井區(qū)水竄問題，許多專家提出采用空氣泡沫調(diào)剖技術(shù)。石亞琛[4]、周志軍[5]、張永剛[6，7]等開展了泡沫驅(qū)實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，泡沫具有擴(kuò)大油層波及范圍、增大微觀驅(qū)油效率的作用;林偉民[8]、張瀚奭[9]等分別在胡12區(qū)塊和高淺北區(qū)塊進(jìn)行空氣泡沫驅(qū)實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，空氣泡沫驅(qū)對(duì)儲(chǔ)層具有調(diào)剖和封堵能力[10，11]。結(jié)合理829井區(qū)實(shí)際生產(chǎn)情況，提出了空氣+泡沫劑堵水驅(qū)油技術(shù)，在儲(chǔ)層中通過氧氣和原油接觸并發(fā)生低溫氧化反應(yīng);泡沫對(duì)水竄的封堵，擴(kuò)大水驅(qū)波及體積;泡沫對(duì)空氣的封堵，使得空氣與基質(zhì)中的原油發(fā)生氧化反應(yīng)，從而降低原油黏度，進(jìn)一步提高采收率 [12，13]。為了更深入研究該區(qū)塊原油與空氣反應(yīng)速率與黏土、地層水等其它地層條件因素的關(guān)系，設(shè)計(jì)實(shí)施理829井區(qū)氧化實(shí)驗(yàn)[14-16]，從而對(duì)該區(qū)塊原油空氣氧化做出定性描述。

1? 實(shí)驗(yàn)部分

1.1? 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

材料：理829井區(qū)脫氣原油，巖心砂，空氣，黏土，模擬地層水（礦化度為16 950.68 mg/L，水型為CaCl2型，其中Cl-含量9 842.40 mg/L，HCO3-含量63.28 mg/L，陰離子總含量10 517.78 mg/L;K+、Na+含量4 231.08 mg/L，Ca2+含量2 109.33 mg/L，陽離子含量6 351.88 mg/L）。儀器主要有高溫配樣器，中間容器，手動(dòng)泵，空氣增壓機(jī)，氣體采樣器，具體實(shí)驗(yàn)流程如圖1。

1.2? 實(shí)驗(yàn)步驟

①根據(jù)圖1連接好各裝置管線，并加壓測(cè)試線路密封性，其次在高溫配樣器中按照比例加入原油、巖心砂、黏土和模擬地層水并攪拌均勻，按照設(shè)計(jì)溫度加熱高溫容器;②使用空壓泵將空氣注入到高溫容器，保持壓力靜止半個(gè)小時(shí)后用手動(dòng)泵調(diào)節(jié)到實(shí)驗(yàn)壓力;③設(shè)計(jì)在兩個(gè)不同壓力分別為2.2、4.85 MPa，3個(gè)不同溫度分別為30、35.6、50 ℃，操作過程中依據(jù)變量參數(shù)進(jìn)行不同組實(shí)驗(yàn);④通過控制器控制相關(guān)參數(shù)變化，每12 h測(cè)量接氣體采樣器各氣體含量和溫壓值，考慮到后期原油氧化速率很低測(cè)量時(shí)間到120 h截止。

2? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

空氣與原油在儲(chǔ)層中發(fā)生低溫氧化反應(yīng)，其過程復(fù)雜，可以分為2步驟。第一步是原油中的烴類物質(zhì)與氧氣在地層溫度、壓力下發(fā)生氧化反應(yīng)初步生成烴類氧化物，主要有醇、酮、醛等;第二步烴類氧化物再次在油藏條件下與氧氣進(jìn)一步發(fā)生氧化反應(yīng)最終生成二氧化碳、一氧化碳和水等物質(zhì)，其化學(xué)反應(yīng)如下所示：

整體看來二氧化碳的產(chǎn)生是因?yàn)樵椭袩N類物質(zhì)和注入空氣中的氧氣經(jīng)過一系列氧化反應(yīng)和脫羧反應(yīng)生成的最終產(chǎn)物，有利于于提高驅(qū)油效率。

2.1? 不同介質(zhì)對(duì)氧化反應(yīng)速率的影響

在儲(chǔ)層巖心空隙中原油往往伴隨黏土、地層水等存在，不同的介質(zhì)可能改變?cè)醒趸乃俾剩虼嗽O(shè)計(jì)溫度35.6 ℃，壓力4.85 MPa，黏土（50 g和0 g）和泡沫（空氣150 mL和空氣泡沫150 mL）的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，分析添加物含量對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，進(jìn)一步研究溫壓對(duì)原油氧化速率的影響，其結(jié)果見表1。

從表1得到氧化速率隨時(shí)間逐漸降低，在反應(yīng)時(shí)間24～120 h過程中，第二組相比第一組僅多50 g黏土，但在相同反應(yīng)時(shí)間上其氧氣濃度較低，反應(yīng)了此階段平均氧化速率較大，說明原油通過吸附在黏土介質(zhì)上增加了其比表面積，使得原油與空氣更充分地混合，提高了氧化反應(yīng)的速率;第三組（空氣泡沫）與第二組對(duì)比，在相同時(shí)間段里氧氣消耗較少，氧化速率較小，且氧化速率有先增大后減小的現(xiàn)象，說明泡沫能夠隔絕空氣與原油，阻止空氣與原油接觸發(fā)生氧化反應(yīng)，當(dāng)泡沫破裂后空氣與原油接觸面積增大氧化反應(yīng)速率也增大。

2.2? 壓力對(duì)氧化反應(yīng)速率的影響

在反應(yīng)容器體積一定條件下，氣體反應(yīng)物濃度越高其壓力越大，氧化反應(yīng)速率也會(huì)發(fā)生改變，為了深入研究壓力對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，設(shè)計(jì)溫度在30、35.6、50 ℃條件下，改變壓力大小，分別測(cè)試在壓力為2.2、4.85 MPa條件下，在反應(yīng)時(shí)間72 h時(shí)平均氧化速率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。

根據(jù)圖2得出，當(dāng)溫度保持一定時(shí)，原油注空氣氧化速率與壓力增大成正相關(guān)增長;對(duì)比30、35.6、50 ℃三種不同溫度條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在30、35.6 ℃時(shí)隨著壓力逐漸升高，原油平均氧化速率上升趨勢(shì)較為平緩，且兩者氧化速率相差不大;而在50 ℃時(shí)壓力從2.2 MPa增大到4.85 MPa，反應(yīng)速率上升幅度明顯高于35.6 ℃。以上分析數(shù)據(jù)結(jié)果表明隨著壓力從2.2 MPa逐漸升高到4.85 MPa，理829井區(qū)原油與氧氣更容易參與反應(yīng)。

2.3? 溫度對(duì)氧化反應(yīng)速率的影響

溫度能夠改變反應(yīng)物的活性從而改變反應(yīng)速率，為了研究溫度因素對(duì)原油與空氣參與氧化反應(yīng)的影響，分別設(shè)計(jì)在壓力為2.2、4.85 MPa條件下進(jìn)行三種溫度為30、35.6、50 ℃的實(shí)驗(yàn)研究，測(cè)出在反應(yīng)時(shí)間72 h時(shí)平均氧化速率，其結(jié)果見圖3。

從圖3中可以得出，在相同壓力下，2條曲線表明在反應(yīng)時(shí)間為72 h原油平均氧化速率隨著反應(yīng)溫度升高而增大，壓力為4.85 MPa時(shí)氧化速率上升幅度最快;在2.2 MPa條件下，實(shí)驗(yàn)50 ℃時(shí)原油氧化速率等于溫度30 ℃時(shí)的1.69倍;在4.85 MPa條件下，實(shí)驗(yàn)50 ℃時(shí)原油氧化速率等于溫度30 ℃時(shí)的1.84倍;結(jié)果表明溫度由30 ℃上升至50 ℃，增大了原油和空氣的活性，使得原油與空氣發(fā)生氧化反應(yīng)越快。

2.4? 反應(yīng)時(shí)間對(duì)原油氧化速率的影響

氧化反應(yīng)隨著時(shí)間的進(jìn)行，參與反應(yīng)的反應(yīng)物含量越來越少，生成物越來越多，原油與氧氣的反應(yīng)速率也會(huì)隨之發(fā)生變化，為研究反應(yīng)時(shí)間因素對(duì)氧化反應(yīng)速率的影響，在保持溫度和壓力不變條件下，對(duì)反應(yīng)24、72、120 h氧化速率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，其結(jié)果見圖4。

從圖4中六種條件下的每條曲線變化規(guī)律反應(yīng)了，原油平均氧化速率隨著反應(yīng)時(shí)間的進(jìn)行先急劇增大后逐漸減小，后期下降幅度也是逐漸變小。在溫度50 ℃下，壓力為4.85 MPa最大時(shí)，原油與空氣初期氧化反應(yīng)速率上升幅度最大，其中反應(yīng)時(shí)間稍大于24 h達(dá)到最大值，在反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行到72 h時(shí)，此時(shí)該曲線下降幅度達(dá)到最大;其他溫度、壓力條件下的曲線也表現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)和規(guī)律。分析得到，當(dāng)空氣注入到儲(chǔ)層中由于初期氧氣濃度和活性高的有機(jī)物含量較高，且該反應(yīng)伴隨著放出熱量，導(dǎo)致初期兩者反應(yīng)速率加快，氧化速率上升幅度大，而后期由于兩者反應(yīng)物濃度隨反應(yīng)時(shí)間延長都降低，其氧化速率減小，反應(yīng)物消耗減慢，氧化速率下降幅度也就減小。

3? 理829井區(qū)礦場(chǎng)試驗(yàn)

理829井區(qū)試驗(yàn)區(qū)塊為300 m×150 m正方形反九點(diǎn)井網(wǎng)（如圖5），其中4口注水井，21口油井。大部分井在2011年5月到2012年3月投產(chǎn)。平均初期產(chǎn)液5.8 m3，日產(chǎn)油0.98 t，含水78.5%，沒有無水采油期。生產(chǎn)1 a后產(chǎn)液量由投產(chǎn)初期的接近5.8 m3，降低到3.1 m3，產(chǎn)油量由接近1 t，減低到0.5 t，含水沒有變化（如圖6）。

2016.7-2016.8該階段主要為前期注水階段，注水1 000 m3注水2個(gè)月時(shí)間，穩(wěn)定彌補(bǔ)地層虧空，受益井見到注水效果，但含水上升速度加快，含水率從79.24%上升到82.81%;第二階段2016.9-2016.12，該階段為注空氣泡沫試驗(yàn)階段，按照方案要求3：1的時(shí)間比例開始交替注入空氣和泡沫，注3 d空氣，1 d泡沫，該階段儲(chǔ)層壓力恢復(fù)快，含水率下降了1.51%，油藏遞減速度變慢;第三階段2017.1-至今，注空氣泡沫調(diào)整階段，調(diào)整為注3天空氣，1 d泡沫，受益井產(chǎn)量及含水都較穩(wěn)定。

通過水驅(qū)階段遞減規(guī)律計(jì)算[16]，月遞減率為11.3%（圖7），截止2017年6底，試驗(yàn)區(qū)經(jīng)歷10個(gè)月油井因空氣泡沫驅(qū)累增油197 t，增油效果明顯，且注入空氣泡沫后，油井產(chǎn)量穩(wěn)定。

4? 結(jié) 論

（1）注入的空氣與理829井區(qū)發(fā)生氧化反應(yīng)，其氧化速率快慢受不同介質(zhì)、溫度、壓力和反應(yīng)時(shí)間影響較大，研究結(jié)果可為后續(xù)空氣泡沫驅(qū)替實(shí)驗(yàn)研究提供理論基礎(chǔ)。

（2）當(dāng)溫度一定時(shí)，原油注空氣氧化速率與壓力增大成正相關(guān)增長;在30、35.6 ℃時(shí)隨著壓力升高，原油平均氧化速率平緩上升，且兩者氧化速率相差不大;而在50 ℃時(shí)壓力從2.2 MPa增大到4.85 MPa，反應(yīng)速率上升幅度明顯高于35.6 ℃。結(jié)果表明隨著壓力逐漸升高，理829井區(qū)原油與氧氣更容易參與反應(yīng)。

（3）空氣注入到儲(chǔ)層中由于初期氧氣濃度和活性高的有機(jī)物含量較高，且該反應(yīng)伴隨著放出熱量，導(dǎo)致前期24 h氧化速率上升幅度大，72 h后由于反應(yīng)物濃度降低，氧化速率慢，反應(yīng)物消耗慢，氧化速率下降幅度小。

（4）理829井區(qū)試驗(yàn)區(qū)塊經(jīng)歷前期注水和10個(gè)月油井空氣泡沫驅(qū)，累積增油197 t，增油效果明顯;且注入空氣泡沫后，長6油層試驗(yàn)區(qū)含水率下降，油井產(chǎn)量穩(wěn)定。表明該井區(qū)注水開發(fā)后期采取空氣泡沫調(diào)驅(qū)方式具有可行性。

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