注空氣提高低滲透油藏采收率實(shí)驗(yàn)及低溫氧化反應(yīng)特征

錢川川 駱飛飛 蔣志斌 祁麗莎 馮利娟

（中國石油新疆油田公司，新疆 克拉瑪依 834000）

0 引 言

中國低滲、特低滲油藏的開發(fā)方式一直以注水開發(fā)為主，開發(fā)效果較差［1‐4］，尤其是在開發(fā)中后期，普遍面臨“注不進(jìn)、采不出”等問題，嚴(yán)重制約了此類油藏的高效開發(fā)。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)及礦場試驗(yàn)均表明，相比注水開發(fā)方式，注氣開發(fā)可以顯著提高注入能力，補(bǔ)充油藏能量，有效解決低滲透油藏壓力系統(tǒng)難以建立的問題。然而，氣源和成本往往成為制約注氣開發(fā)的關(guān)鍵因素。與其他氣源相比，空氣驅(qū)氣源不受限制，成本低，是低滲透油藏提高采收率的潛在技術(shù)［5‐8］。

從20 世紀(jì)60 年代開始，國外對(duì)空氣驅(qū)油機(jī)理開展了大量研究，礦場試驗(yàn)也取得了不錯(cuò)的效果，整體理論技術(shù)和配套工藝比較成熟［9‐11］。國內(nèi)空氣驅(qū)研究開始于20 世紀(jì)90 年代，先后在百色油田、勝利油田、大慶油田等地開展了礦場試驗(yàn)和室內(nèi)研究。但是，礦場試驗(yàn)規(guī)模普遍較小，雖然取得了一定效果，但基本以空氣泡沫調(diào)驅(qū)為主，研究主要集中在多孔介質(zhì)中氣體驅(qū)趕泡沫的性質(zhì)、起泡劑濃度和空氣泡沫氣油比等氣液相驅(qū)替機(jī)理方面。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究由于基礎(chǔ)薄弱，方法單一，大多采用熱重分析儀等儀器，側(cè)重于反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)和氧化速率等方面［12‐16］，而采用巖心驅(qū)替評(píng)價(jià)空氣驅(qū)油效果的研究較少。本文通過模擬實(shí)際油藏條件，采用長巖心開展空氣驅(qū)提高采收率實(shí)驗(yàn)，分析不同注入壓力下空氣驅(qū)油效果和低溫氧化反應(yīng)特征，為低滲透油藏開發(fā)后期注空氣提高采收率提供了理論依據(jù)。

1 空氣驅(qū)油機(jī)理

空氣驅(qū)是提高低滲透油藏采收率的有效方法之一，也被稱為“高壓注空氣”（HPAI），是主要通過注入設(shè)備把高壓空氣從注入井注入油藏中，實(shí)現(xiàn)高效驅(qū)替原油的一種開發(fā)方式，其機(jī)理如圖1 所示。由于空氣的黏度比水小，更易進(jìn)入注水難以進(jìn)入的細(xì)小孔隙。而且，空氣中的氧氣在一定條件下可以和原油發(fā)生低溫氧化反應(yīng)，改善油藏開發(fā)效果，進(jìn)而提高采收率。

圖1 空氣驅(qū)油機(jī)理示意Fig.1 Schematic diagram of the air displacing oil mechanism

低滲透油藏注空氣提高采收率的主要機(jī)理包括：（1）高壓注空氣有助于保持或提高地層壓力；（2）原油與氧氣發(fā)生低溫氧化反應(yīng)，消耗空氣中的氧氣，形成氮?dú)怛?qū)；（3）氧化反應(yīng)產(chǎn)生部分熱量，降低原油黏度，同時(shí)部分氣體溶解在原油中，使原油體積膨脹，降低原油黏度；（4）在一定的條件下，空氣與原油的低溫氧化反應(yīng)產(chǎn)生的煙道氣可以與原油形成近混相驅(qū)替；（5）對(duì)于一些特殊油藏，如巨厚或傾斜層狀油藏，在頂部注氣可以產(chǎn)生重力驅(qū)效果［17‐20］。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

以國內(nèi)某低滲透砂巖油藏為例，該油藏受儲(chǔ)層特征及開發(fā)因素影響，目前面臨含水率高、產(chǎn)液量低的問題，急需尋找一種合理的開發(fā)方式對(duì)油藏進(jìn)行開發(fā)調(diào)整。為此，利用巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)手段，開展空氣驅(qū)在該類油藏的可行性分析。

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和材料

由于目標(biāo)油藏可鉆樣的天然巖心不足，因此實(shí)驗(yàn)巖心采用與目標(biāo)油藏孔、滲等物性條件近似的人造巖心，油樣取自目標(biāo)油藏。驅(qū)替儀器：ES‐100A恒速恒壓泵、DGM‐Ⅲ型多功能巖心驅(qū)替裝置、巖心夾持器、壓力表、六通閥、高壓管線等。樣品分析儀器：7890B 油相色譜儀等。圖2 為實(shí)驗(yàn)裝置。

圖2 空氣驅(qū)油實(shí)驗(yàn)裝置示意Fig.2 Experiment instruments of air displacing oil

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

為掌握實(shí)際油藏空氣驅(qū)油規(guī)律，利用長巖心物理模擬實(shí)驗(yàn)，在實(shí)際油藏條件下研究空氣驅(qū)效果，設(shè)計(jì)2 組實(shí)驗(yàn)，表1 為實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

表1 空氣驅(qū)實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 1 Experiment parameters of air injection displacement

第1 組：巖心只進(jìn)行空氣驅(qū)，設(shè)計(jì)3 種不同注氣壓力的空氣驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，分析不同注入壓力對(duì)空氣驅(qū)油效果的影響。

第2 組：巖心先進(jìn)行水驅(qū)至含水率98%，再進(jìn)行空氣驅(qū)，研究高含水期的驅(qū)替規(guī)律。

實(shí)驗(yàn)流程：（1）清洗巖心，測試孔隙度和滲透率等基本參數(shù)；（2）抽真空、飽和水、飽和油，模擬原始地層條件；（3）地層溫度下，分別采用恒壓（35、33 和31 MPa）注入方式，至出口端氣油比大于8 000 m3/m3結(jié)束，記錄不同注入量的生產(chǎn)壓差、采出油量、氣量和氣油比；（4）水驅(qū)至含水率98%，再采用恒壓（33 MPa）注入空氣驅(qū)替，至出口端氣油比大于8 000 m3/m3結(jié)束，同樣記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 空氣驅(qū)實(shí)驗(yàn)

3.1.1 注入壓力對(duì)采收率的影響

圖3 為不同注氣壓力下的巖心驅(qū)替結(jié)果?？梢钥吹?，隨注氣壓力增加，驅(qū)替結(jié)束后巖心的顏色逐漸變淺，效果更好。然而，注入壓力從31 MPa 上升到35 MPa，采收率僅增加了2.17 百分點(diǎn)，增加幅度較小。對(duì)于單組巖心來說，沿驅(qū)替方向，由于注入空氣與入口端率先接觸，入口端的顏色淺，驅(qū)替效果好，出口段顏色深，剩余油富集。

圖3 不同注氣壓力下巖心驅(qū)替照片F(xiàn)ig.3 Core displacement photos under different air injection pressures

圖4 為采出程度與注入量的關(guān)系。當(dāng)注入量為0.2~0.3 PV 時(shí)，出口端開始見油，之后采收率快速上升。注入壓力不同，氣竄拐點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間不同。這主要是由于油氣黏度的差異所導(dǎo)致的。

圖4 不同注氣壓力下采出程度與注入量關(guān)系Fig.4 Relationship between recovery degree and injection volume with different air injection pressures

由于空氣黏度遠(yuǎn)小于原油黏度，空氣能夠進(jìn)入更小的孔道之中，通過與原油的反復(fù)多次接觸，發(fā)生低溫氧化反應(yīng)，部分氣體溶解使原油體積發(fā)生膨脹，原油黏度降低，滲流能力增強(qiáng)。然而，考慮到空氣的組分以氮?dú)鉃橹鳎y以與原油實(shí)現(xiàn)混相，油氣流度比遠(yuǎn)大于1，巖心內(nèi)極易發(fā)生嚴(yán)重的指進(jìn)現(xiàn)象。驅(qū)替過程中，空氣在大孔道中不斷匯聚，形成大氣泡，直至形成連續(xù)氣相帶，形成氣竄。一般來說，壓力越高，氣體的高速攜帶作用越強(qiáng)。但高注入壓力，同樣會(huì)導(dǎo)致氣竄拐點(diǎn)提前出現(xiàn)，影響最終采出程度。因此，對(duì)于油田現(xiàn)場，注氣參數(shù)應(yīng)綜合考慮，在適當(dāng)增加注入壓力的前提下，盡量避免過早見氣，降低氣竄風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 為不同注入壓力下產(chǎn)出端氣油比的變化。注入壓力越高，氣竄拐點(diǎn)越早出現(xiàn)，說明注入壓力越高，越易導(dǎo)致氣竄，影響驅(qū)油效果。由表2 可知，氣竄發(fā)生后，生產(chǎn)壓差明顯降低。

表2 空氣驅(qū)氣竄前后參數(shù)對(duì)照表Table 2 Contrast of the parameters before and after gas channeling of air injection

圖5 不同注氣壓力下氣油比與注氣量關(guān)系Fig.5 Relationship between gas-oil ratio and injection volume with different air injection pressures

實(shí)際生產(chǎn)中，由于空氣中的氧氣與原油中的甲烷混合后，容易發(fā)生爆炸，過早氣竄給安全生產(chǎn)帶來巨大風(fēng)險(xiǎn)。因此，實(shí)際油藏實(shí)施空氣驅(qū)，應(yīng)對(duì)注入壓力進(jìn)行優(yōu)化，在降低氣竄風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)提高采出程度。

3.1.2 原油組分的變化

低溫氧化作用是注空氣提高采收率技術(shù)的重要機(jī)理，低溫氧化反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生CO2、水、醚、醛、酮等含氧烴類化合物（圖6）。氧化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量使油層溫度升高，促使原油中的輕質(zhì)組分蒸發(fā)，氧化生成的CO、CO2、空氣中的N2和蒸發(fā)的輕組分等形成煙道氣驅(qū)［21‐23］。

圖6 低溫氧化機(jī)理Fig.6 Mechanism of low-temperature oxidation

以35 MPa 為例，通過對(duì)不同注氣量下的產(chǎn)出原油進(jìn)行色譜分析（圖7），發(fā)現(xiàn)隨著注氣量的增加，原油中較輕的組分（C5—C13）體積分?jǐn)?shù)明顯下降，而較重質(zhì)（C21—C30）組分體積分?jǐn)?shù)明顯增加。

圖7 35 MPa下不同注入量原油碳組分體積分?jǐn)?shù)Fig.7 Volume fractions of carbon components in oil under different injected volumes at 35 MPa

低溫氧化反應(yīng)導(dǎo)致原油中部分輕質(zhì)組分蒸發(fā)，原油中的中質(zhì)和重質(zhì)組分體積分?jǐn)?shù)增加，這些組分含有更多的支鏈，相對(duì)分子質(zhì)量更大，空間立體結(jié)構(gòu)更復(fù)雜。一般來說，注入空氣量越多，低溫氧化反應(yīng)越充分，原油中的輕質(zhì)組分越少，重質(zhì)組分越多。

圖8 為不同注氣壓力下原油密度與注入量關(guān)系。初始階段，原油密度略有降低，這是因?yàn)椴糠挚諝馊芙獾皆椭?。隨著驅(qū)替進(jìn)行，低溫氧化作用使原油中的輕質(zhì)組分減少，重質(zhì)組分增加，密度逐漸增大。一般來說，注入壓力越高，油氣接觸越充分，低溫氧化作用越強(qiáng)，產(chǎn)出原油的密度越大。

圖8 不同注氣壓力下原油密度與注入量關(guān)系Fig.8 Relationship between oil density and injection volume with different air injection pressures

3.2 水驅(qū)后轉(zhuǎn)空氣驅(qū)實(shí)驗(yàn)

3.2.1 采出程度

圖9 為水驅(qū)至含水率98%后轉(zhuǎn)空氣驅(qū)的采出程度與注入量關(guān)系。轉(zhuǎn)空氣驅(qū)后，采收率提高了9.65百分點(diǎn)。這主要是由于空氣進(jìn)入了很多注水無法驅(qū)替的小孔喉。然而，水的存在，在一定程度上阻礙了原油和空氣的接觸，減弱了低溫氧化作用，一旦出現(xiàn)氣竄，空氣將沿大孔道突進(jìn)，產(chǎn)氣速率急速增加，無法有效驅(qū)替原油。

圖9 水驅(qū)轉(zhuǎn)空氣驅(qū)采出程度與注入量的關(guān)系Fig.9 Relationship between recovery degree and injection volume by water drive converted to air injection

3.2.2 原油物性

基于低溫氧化反應(yīng)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，空氣驅(qū)過程中會(huì)發(fā)生低溫氧化作用，產(chǎn)生醚、醛、酮等含氧烴類化合物，導(dǎo)致原油黏度和密度有所增加。

圖10 為水驅(qū)后轉(zhuǎn)空氣驅(qū)不同注入量對(duì)應(yīng)的原油黏度。轉(zhuǎn)空氣驅(qū)后，隨著注入量的增加，發(fā)生低溫氧化反應(yīng)，原油黏度有一定的增大，由原始的62.31 mPa·s 增加到62.71 mPa·s。但巖心中含水率較高，原油低溫氧化產(chǎn)生的熱效應(yīng)受到水的影響，不利于擴(kuò)散，損失嚴(yán)重，反應(yīng)程度降低，加成反應(yīng)不明顯，導(dǎo)致原油黏度變化不大。原始油樣密度為862.8 kg/m3，空氣驅(qū)后原油密度變?yōu)?63.5 kg/m3，驅(qū)替前后原油密度變化較小，說明在高含水油藏進(jìn)行空氣驅(qū)，原油低溫氧化反應(yīng)不充分，可以忽略其對(duì)采收率的影響。

圖10 水驅(qū)轉(zhuǎn)空氣驅(qū)不同注入量下的原油黏度Fig.10 Crude oil viscosity under different injection vol‐umes from water drive to air injection

3.2.3 氣相組成

產(chǎn)出氣體組分分析顯示，產(chǎn)出氣中含有少量的C1—C5烴類組分（體積分?jǐn)?shù)小于0.1%），這主要是由于輕質(zhì)原油含有較多的輕質(zhì)組分，驅(qū)替過程中溶解進(jìn)原油中的空氣會(huì)蒸餾抽提出油相中的部分輕烴類進(jìn)入到氣相。但氣體中沒有檢測到CO 和CO2，而且N2體積分?jǐn)?shù)為78.5%，殘余氧氣體積分?jǐn)?shù)為20.5%，說明在高含水油藏中空氣驅(qū)低溫氧化反應(yīng)不充分，無法形成煙道氣驅(qū)。

4 結(jié) 論

（1）空氣驅(qū)油存在明顯的“氣竄拐點(diǎn)”。氣竄發(fā)生前，采出程度隨注氣量的增加迅速增加，一旦發(fā)生氣竄，采出程度的增加明顯放緩。注氣壓力越高，“氣竄拐點(diǎn)”出現(xiàn)越早，提高采收率效果變差。實(shí)際油藏進(jìn)行空氣驅(qū)應(yīng)選擇合理的注入壓力，延緩“氣竄拐點(diǎn)”出現(xiàn)的時(shí)間。

（2）空氣驅(qū)油過程能夠發(fā)生低溫氧化反應(yīng)，隨著注入量的增加原油中的輕質(zhì)組分減少，重質(zhì)組分增加。注入壓力越高，低溫氧化反應(yīng)越充分，采收率越高。

（3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，高含水油藏進(jìn)行空氣驅(qū)，殘余氧氣體積分?jǐn)?shù)為20.5%，低溫氧化反應(yīng)十分微弱，無法形成煙道氣驅(qū)。但水驅(qū)采油達(dá)到經(jīng)濟(jì)極限后轉(zhuǎn)空氣驅(qū)，采收率可提高近10 百分點(diǎn)，高含水油藏可采用空氣驅(qū)的方法進(jìn)一步提高油藏采收率。