稠油注空氣輔助蒸汽吞吐技術研究與應用

韓 竹

(東北石油大學石油工程學院，黑龍江大慶 163318)

W8塊屬于深層稠油、特稠油油藏，其中東三段為W8塊主力層段之一，儲層為三角洲前緣亞相沉積物，油藏埋深1 240～1 430 m，屬中孔隙度、中高滲透率儲層，原油屬稠油，密度高，黏度大。20 ℃原油密度為0.98～0.99 g/cm3，50 ℃地面脫氣原油黏度為23.1 Pa·s，主要采用蒸汽吞吐與蒸汽驅等稠油熱采技術進行開發，隨著吞吐輪次升高，油藏剩余油飽和度下降，油藏驅動能量衰竭，地層壓力下降，平均油汽比僅0.2，注汽效率嚴重下降，繼續應用常規蒸汽吞吐技術，無法保證區塊穩產與開發效益。為緩和油藏開發矛盾，改善W8塊東三段蒸汽吞吐開發效果，我們開展注空氣輔助吞吐技術的研究，并進行1井次現場試驗，取得了良好的增油降水效果。

1 蒸汽吞吐開發存在問題

長期注蒸汽開發后，含水率平均達90.4%，注汽后穩產周期縮短，油汽比顯著降低，通過對剩余油性質，油藏壓力及油氣運移規律等開發動態特征進行分析，蒸汽吞吐開發存在下列問題。

1)剩余油重質成分上升，黏度增大。目前蒸汽吞吐輪次已平均達12輪，原油輕質成分多數被采出，剩余油中膠質和瀝青質成分增加，50℃地面脫氣原油黏度由 23.1 Pa·s上升至37.7 Pa·s，開采難度增大。

2)地層壓力下降，開發能量不足。蒸汽吞吐是一種不斷消耗地層能量的降壓開采方式［1］，W8塊已經累計開發20 a，地層壓力由12.6 MPa下降至3.1 MPa，2014年初生產壓差降低至0.9 MPa，開發能量逐漸衰竭，地下原油難以驅動。

3)儲層動用不均，注汽波及系數難以擴大。由于東三段油層厚度大，層內層間非均質性強，且反韻律油藏注汽易導致蒸汽超覆現象［2］，吸汽剖面、井溫測試資料顯示，油層上部動用程度遠高于下部，由于注汽壓力低，蒸汽易沿上部高滲層推進，造成下部剩余油難以有效受熱，注汽波及效果難以改善。

2 注空氣輔助蒸汽吞吐技術

2.1 注空氣輔助蒸汽吞吐技術增油機理

注空氣輔助蒸汽吞吐技術，是在注蒸汽前注入一定量的空氣及催化劑，使注入的空氣在催化劑作用下與原油發生反應，使原油膠質、瀝青質裂解為短鏈烴類，并生成二氧化碳，原油黏度降低，同時消耗氧氣，保證注空氣安全生產。主要增油機理包括:

1)注入的氧氣在高價金屬離子催化劑作用下，與原油發生氧化裂解反應，引起稠環芳香烴轉化為芳香基多元酸［3］或碳鏈更短的烴類，降低原油黏度，弱化原油在儲層上的吸附作用，降低油水界面張力，提高原油滲流能力，改善后續蒸汽驅油效果。

2)氧氣與原油反應生成的CO2及醛、酮、羧酸等極性含氧化合物，可作為天然表面活性劑，與原油、水混合后，生成水包油型混合物，降低原油黏度。

3)原油裂解后，相對分子質量降低，相同溫度下，原油的飽和蒸氣壓升高，利于彌補油藏虧空，補充地層能量，增加生產壓差，有利于原油驅動。

4)空氣中大量的氮氣，具有較強的壓縮性，且氮氣密度低，不易溶于水，可有效補充地層能量，氮氣與原油具有較低的表面張力［4］，能進入水無法進入的孔隙，部分氮氣溶于原油中形成泡沫油，可降低原油黏度。

5)氮氣導熱系數低，抑制蒸汽熱量傳入上下圍巖，能提高注入蒸汽的熱效率。

2.2 注空氣輔助蒸汽吞吐技術可行性分析

開展注空氣輔助蒸汽吞吐技術要求油藏具備一定的條件［5］，主要包括:油藏厚度、溫度、傾角及注氣壓力等，擬開展井區W8塊東三段，平均油藏厚度 13.5 m，平均孔隙度 0.25，平均滲透率1 250 ×10－3μm2，井間無氣竄，地層傾角 3°，膠質、瀝青質含量33.56%，均滿足注空氣輔助蒸汽吞吐技術要求，但油藏溫度為55℃，相對較低，但后續注入高溫蒸汽可使油藏溫度提高至100～130℃，因此，完全符合注空氣開發油藏條件。

3 注空氣輔助蒸汽吞吐技術的研究與參數設計

3.1 注入段塞設計

注空氣輔助蒸汽吞吐試驗設計為3個段塞，段塞種類及目的見表1。

表1 注空氣輔助蒸汽吞吐注入段塞設計

3.2 催化劑配方選擇

為篩選與W8塊原油配伍性且催化性能良好的催化劑，利用W8塊原油與3種催化劑(有機復合鎳 ONi－1、ONi－2、有機復合鋅 OZn －1)，借鑒王煥梅等［6］研究稠油注空氣催化氧化的實驗方法，進行高溫原油注空氣催化氧化實驗，催化劑加量(質量分數，下同)均為 0.4%，反應溫度100℃，考察不同催化劑條件下原油酸值和尾氣含氧量分別與反應時間的關系，結果見圖1和圖2。在相同時間內，加入一定量催化劑，可提高反應后原油酸值并降低尾氣含氧濃度，說明催化劑可明顯提高原油氧化反應速率。結果表明，有機復合鎳催化效果優于有機復合鋅，且ONi－2效果優于ONi－1，選擇ONi－2型有機復合鎳催化劑作為現場應用催化劑，加量以0.4%為宜。

圖1 不同催化劑下反應后原油酸值變化曲線

圖2 不同催化劑下反應后尾氣含氧量變化曲線

3.3 現場注入參數與關井時間控制

按每注入100 t蒸汽對應注入空氣(標準狀態，下同)6 000 m3進行設計，根據設計蒸汽注入量3 000 t，設計注入空氣總量為18×104m3，注氣壓力控制在15 MPa以下;按照每10 000 m3空氣對應0.2 t催化劑計算，設計催化劑用量為3.6 t，為保證氧氣與原油催化氧化反應充分，注蒸汽完畢后關井72 h恢復生產。

4 現場試驗及效果

4.1 注氣壓力的變化

將3.6 t催化劑與0.6 t減阻劑配制成180 m3混合液(催化劑加量2.0%)，通入油管注入，注入速度20 m3/h;注入空氣18×104m3，注氣速度控制在450～500 m3/h;注入蒸汽3 000 t;關井72 h恢復生產，W8－1井不同輪次注氣壓力的變化見圖3。蒸汽吞吐第14輪，通過注入空氣后，W8－1井注氣壓力達12.3 MPa，較上輪升高1.6 MPa，說明注入空氣較好的補充地層能量，能實現調整吸氣剖面，促進注入蒸汽擴大波及體積。

圖3 W8－1井不同輪次注氣壓力變化曲線

4.2 增油效果

W8－1井第14輪進行注空氣輔助蒸汽吞吐試驗，結果見圖4。階段生產669 d，階段產油1 075 t，階段油汽比 0.33，對比上周期(第 13輪)，累計增油743 t，含水量下降3.5%，延長周期生產日期超過300 d，見到較好的增油降水效果。

圖4 W8－1井各周期日產油量變化曲線

4.3 經濟效益分析

通過實施注空氣輔助吞吐措施，預計W8－1井本周期結束產量可達1 200 t，油汽比0.36，創效29萬元，投入產出比1∶2.1，與第9輪前效果相當。在W8塊與W8－1井情況類似，具有一定剩余油，但注氣輪次高，生產效率低的井，還有120口，亟需通過新技術的應用，改善開發效果。因此，注空氣輔助蒸汽吞吐技術，具有良好的應用前景。

5 結論

1)W8塊經過多輪次吞吐后，注蒸汽開發效率下降，地層虧空嚴重，注空氣輔助吞吐技術可明顯改善蒸汽吞吐開發效果，提高油藏采收率。

2)使用加量0.4%的催化劑ONi－2，能顯著提高空氣與原油的氧化裂解反應速率，120 h后原油酸值可提高至10.03 mgKOH/g，尾氣氧含量達 8.1%。

3)現場試驗井W8－1井注空氣后，注蒸汽壓力上升1.6 MPa，周期累計增油743 t，取得了良好的試驗效果，說明注空氣輔助吞吐技術在稠油油藏開發后期具有較大的應用空間。

4)開展低成本催化劑體系優選與施工安全風險控制技術研究，降低應用成本，提高現場應用安全性。

［1］張方禮，趙洪巖.遼河油田稠油注蒸汽開發技術［M］.北京:石油工業出版社，2007:6.

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［3］唐曉東，崔盈賢，孟科全，等.注空氣催化氧化渤海稠油降粘工藝可行性探討［J］.西南石油大學學報:自然科學版，2008，30(6):141 －144.

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