不同添加物對輕質原油氧化反應速率的影響

黃 俊，劉傳宗，葉 成

(1.長江大學石油工程學院，武漢 430100;2.中國石油新疆油田公司風城油田作業區，克拉瑪依 834000)

低滲透油藏注水開發存在注水成本高、滲透率降低嚴重、生產井產能低等一系列問題［1］。研究表明［2－4］，與注烴類氣體、CO2、N2等相比，注空氣用于改善我國低滲透油藏開發效果具有明顯的成本優勢。低滲透輕質油藏空氣驅以空氣原油低溫氧化反應實現的煙道氣驅為主要驅油機理，如果原油氧化速率慢，很可能發生氧氣突破導致氧含量偏高，進而引發安全問題［5］。氧含量引發的安全顧慮限制了注空氣采油技術的推廣。探討黏土礦物、地層水及催化劑對原油氧化速率的影響將有助于更好地控制產出氣中氧含量。有文獻報道［6］黏土及地層水影響稠油高溫氧化速率，還有研究結果表明［7，8］，添加催化劑的注空氣催化氧化采油技術是一項提高稠油采收率的創新技術，并可加快稠油氧化速率，但不同添加物對輕質原油氧化速率的影響報道較少。

ZJ油田某區塊原始地層壓力24.8 MPa，油層平均溫度80 ℃，平均滲透率 0.8×10－3μm2，平均孔隙度12%，地層原油黏度3.1 mPa·s，為典型的低孔、低滲透輕質油藏，其注水開發壓力高，微小孔喉易堵塞。筆者模擬該區塊地層條件，利用空氣原油低溫靜態氧化實驗裝置，考察了純油、含砂、含水及催化劑對輕質原油氧化反應速率的影響，以保障該區塊注空氣采油技術的順利實施。

1 實驗部分

1.1 實驗用材料

油樣為ZJ油田某區塊井組脫氣原油;空氣為室內采集，通過增壓泵加壓可使其壓力達到設計注入壓力;巖心砂采用ZJ油田天然巖心，將其粉碎成油砂備用;模擬地層水礦化度為7×104mg/L，水型為CaCl2型;催化劑 HS為實驗室制備，實驗中催化劑用量占原油質量的0.2%。

1.2 實驗方案

為考察地層水、黏土礦物及催化劑對ZJ油田輕質原油氧化反應速率的影響，保持反應溫度80℃，初始壓力25 MPa不變，對不同油氣體積比、地層水含量、巖心砂含量及催化劑反應物系統進行6組靜態空氣原油低溫氧化實驗，油氣體積比及反應物組成見表1。

表1 空氣原油體積比和反應物組成

1.3 實驗步驟

稱取一定量的原油置入反應器中，分別加入定量的ZJ油田天然巖心砂樣、模擬地層水及催化劑HS;將反應器升溫至80℃，用高壓空氣將反應容器的剩余空間充滿，再將反應器內氣體壓力調至25 MPa，靜置并開始記錄反應時間;將裝有原油和壓縮空氣的反應器保持恒溫80℃，每隔12 h取一次氣樣編號，并記錄分析氧含量變化情況，直至反應120 h;應用物料平衡方法確定耗氧量，即可得到單位質量原油在單位時間內消耗氧氣的速度，即ZJ油田輕質原油氧化反應速率。

2 結果與討論

在地層條件下，空氣和原油發生的氧化反應比較復雜，原油不僅與地層水共存于儲層孔隙中，而且附著于巖石表面。在靜態氧化反應實驗中考察不同添加物及不同添加量對輕質原油氧化反應速率的影響。

2.1 地層水對氧化反應速率的影響

在反應溫度80℃，初始壓力25 MPa下，分別考察了地層水含水率50%和地層水含水率70%及純油反應物系統對氧化反應速率的影響，結果見圖1。

圖1 不同含水率對氧化反應速率的影響

由圖1可以看出，隨反應時間的延長，空氣原油氧化速率逐漸下降，但不同含水率及純油條件下，原油氧化反應在相同反應時間內的平均耗氧速率相差不大，考慮到實驗存在一定的誤差，另外地層水也具有一定的溶氣能力，可以認為地層水對ZJ油田輕質原油氧化反應速率沒有影響。

2.2 黏土礦物對氧化反應速率的影響

Faure 等［9，10］研究認為，黏土礦物可以在低溫氧化過程中催化氧化原油中正烷烴組分，鈉蒙脫石的存在可以使原油中非常穩定的化合物在低溫氧化過程中得到氧化。因此，在反應溫度80℃，初始壓力25 MPa條件下，分別考察了巖心砂含量25 g和巖心砂含量50 g及純油反應物系統對氧化反應速率的影響，結果見圖2。

由圖2可以看出，在不同巖心砂含量及純油條件下，空氣原油氧化反應在相同反應時間內的平均耗氧速率基本一致。可以認為黏土礦物對ZJ油田輕質原油氧化速率的影響很小，可以忽略。

圖2 不同巖心砂含量對氧化反應速率的影響

2.3 催化劑HS對氧化反應速率的影響

考察了催化劑HS用量占原油總量2.0%對氧化反應速率的影響，結果見圖3。

圖3 催化劑HS對氧化反應速率的影響

由圖3可以看出，加入催化劑HS后，原油氧化反應在相同反應時間內的平均耗氧速率提高很大，與無催化劑時的平均氧化速率比較，反應12 h內的氧化速率提升2.47倍，而反應120 h內的氧化速率則提升5.55倍。可見，催化劑HS在原油低溫空氣氧化過程中能顯著加快氧化反應速率。

3 結論

(1)向油藏中注入的空氣不僅可以驅替原油，還將參與原油氧化反應;氧化反應進行的速率與程度對于氣驅驅油效率及氣驅技術安全性有重要影響;對于實施注空氣采油的油藏應盡可能降低產出氣中氧含量。

(2)地層水及黏土礦物對空氣原油氧化反應速率的影響與原油性質及儲層物性有關，針對具體油田需要開展相應的實驗考察;而ZJ油田輕質原油氧化反應速率與地層水及黏土礦物相關性可以忽略。

(3)注空氣驅工藝中添加催化劑HS有助于提高ZJ油田輕質原油氧化反應速率。可以將催化劑作為降低空氣驅產出氣中氧含量的備用技術之一，以保障該區塊注空氣采油技術的順利實施。

［1］ 張濤.低滲透油層提高采收率實驗及理論研究［D］.大慶:大慶石油學院，2009.

［2］蔣有偉，張義堂，劉尚奇，等.低滲透油藏注空氣開發驅油機理［J］.石油勘探與開發，2010，37(4):471 －476.

［3］于洪敏，任韶然，左景欒，等.注空氣泡沫低溫氧化工藝提高采收率試驗［J］.中國石油大學學報(自然科學版)，2009，33(2):94－98.

［4］王杰祥，來軒昂，王慶，等.中原油田注空氣驅油試驗研究［J］.石油鉆探技術，2007，35(2):5 －7.

［5］于洪敏，左景欒，任韶然，等.注空氣采油油井產出氣體燃爆特性［J］.中國石油大學學報(自然科學版)，2010，34(6):99－103.

［6］付治軍.渤南羅36塊空氣驅油室內實驗研究［D］.青島:中國石油大學(華東)，2008.

［7］王煥梅，唐曉東，孟科全，等.稠油注空氣催化氧化采油催化劑的制備與評價［J］.精細化工，2009，26(6):566 －569.

［8］唐曉東，蘇旭，崔盈賢，等.空氣低溫氧化體系對稠油組成的影響［J］.西南石油大學學報(自然科學版)，2011，33(4):149－152.

［9］Faure P，Landais P.Evidence for Clay Minerals Catalytic Effects during Low－temperature Air Oxidation of n－Alkanes［J］.Fuel，2000，79(14):1751 －1756.

［10］Faure P，Laurence S，Burkle V V，et a1.Low Temperature Air Oxidation of n －Alkanes in the Presence of Na－smectite［J］.Fuel，2003，82(14):1751 －1762.