潛山油藏減氧空氣驅(qū)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究
——以遼河油田S625區(qū)塊為例

張 鴻，王 岐，馬寶全

（1.中國石油大慶油田有限責(zé)任公司勘探開發(fā)研究院，黑龍江 大慶 163712；2.國家能源稠（重）油開采研發(fā)中心，遼寧 盤錦 124010；3.中國石油大慶油田有限責(zé)任公司第二采油廠，黑龍江 大慶 163414）

空氣驅(qū)技術(shù)是除熱采之外發(fā)展較快的提高采收率的一項(xiàng)新技術(shù)[1-4]，具有氣源廣闊豐富、不受地域空間限制、成本廉價(jià)等優(yōu)點(diǎn)，且空氣流動(dòng)性比水好，能解決低滲油藏注水困難的問題。空氣驅(qū)技術(shù)是空氣與原油發(fā)生氧化反應(yīng)生成一定量的CO2和CO，可與N2、部分輕油組分組成“煙道氣驅(qū)”，從而驅(qū)替原油采出。由于國外油藏物性相對(duì)均質(zhì)、氣竄風(fēng)險(xiǎn)低，該技術(shù)已在國外現(xiàn)場取得較好的效果，但遼河油田滲透率低、潛山油藏非均質(zhì)性強(qiáng)，氣竄風(fēng)險(xiǎn)較大，直接注入空氣，O2含量較高，在地層高壓下存在安全風(fēng)險(xiǎn)，因此可實(shí)施減氧空氣驅(qū)[5-8]，注入氣中減少O2含量可降低可燃?xì)獗O限。

目前，空氣驅(qū)的相關(guān)研究主要集中在單一含氧量的數(shù)值模擬預(yù)測、現(xiàn)場工藝技術(shù)、注入?yún)?shù)優(yōu)化等方面[9-12]，缺少不同含氧量減氧空氣驅(qū)可行性、產(chǎn)出流體特征等系統(tǒng)研究，且室內(nèi)實(shí)驗(yàn)氣體復(fù)配常用的靜態(tài)配氣法和動(dòng)態(tài)配氣法適用于用量少、含量低的標(biāo)準(zhǔn)氣體的配置[13]。

遼河油田S625區(qū)塊為具有弱底水的層狀結(jié)構(gòu)裂縫型塊狀潛山油藏，油藏埋深3 150～3 720 m，基質(zhì)、宏觀裂縫平均孔隙度分別為3.68%、0.74%；平均滲透率55×10-3μm2，地層溫度106 ℃，地層壓力14.3 MPa，50 ℃時(shí)脫氣原油黏度為64.28 mPa·s，20 ℃時(shí)原油平均密度0.850 0 g/cm3，凝固點(diǎn)45.33 ℃，含蠟量41.51%，膠質(zhì)瀝青質(zhì)含量10.55%，具有高含蠟、高凝固點(diǎn)的特點(diǎn)。該區(qū)塊目前處于注水開發(fā)末期，由于該區(qū)塊儲(chǔ)層裂縫比較發(fā)育、非均質(zhì)性強(qiáng)，含水上升速度極快，產(chǎn)量遞減快，且水竄嚴(yán)重，控水穩(wěn)壓難度大，亟待探索注水開發(fā)后期提高采收率的新技術(shù)。通過開展室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)新建立減氧空氣不同含氧量的復(fù)配方法，并結(jié)合靜態(tài)氧化、動(dòng)態(tài)驅(qū)替實(shí)驗(yàn)及高溫高壓物性，分析減氧空氣驅(qū)開采效果，研究其作用機(jī)理、產(chǎn)出流體變化規(guī)律和驅(qū)替特征，為遼河油田潛山油藏、低滲油藏、高含水后期油藏安全有效地開發(fā)提供新思路。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)選用遼河油田S625區(qū)塊H5井脫水原油，50 ℃時(shí)地面脫氣原油黏度為53.64 mPa·s，20 ℃時(shí)原油密度0.871 6 g/cm3，凝固點(diǎn)46.27 ℃，含蠟量42.63%，原油族組分飽和烴、芳烴、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)含量分別為71.26%、2.27%、5.60%、20.87%。實(shí)驗(yàn)用砂采用120目石英砂，實(shí)驗(yàn)?zāi)M水按地層水分析資料配制，利用空氣和99.99%高純氮配置不同含氧量的復(fù)配氣體。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案及設(shè)備

1.2.1 靜態(tài)氧化實(shí)驗(yàn)

將不同含氧量減氧空氣（含氧量為0、5%、10%、15%、21%）注入油層，測試長時(shí)間滯留發(fā)生氧化反應(yīng)后原油物理化學(xué)性質(zhì)及產(chǎn)出氣體組分的變化，評(píng)價(jià)不同含氧量下的耗氧情況。結(jié)合研究區(qū)地層條件，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)溫度110 ℃，壓力10 MPa，反應(yīng)時(shí)間設(shè)定為134 h。實(shí)驗(yàn)主要設(shè)備為高溫高壓反應(yīng)釜，容積112 mL，耐壓30 MPa，耐溫300 ℃，配套設(shè)備為DMA4200M高溫高壓密度計(jì)、馬爾文Gemini2高溫高壓流變儀、MK-6S棒薄層色譜儀、CP-3800氣相色譜儀，分別用于測實(shí)驗(yàn)前后原油密度、黏度、族組分、氣體組分。

1.2.2 細(xì)長管驅(qū)替實(shí)驗(yàn)

評(píng)價(jià)動(dòng)態(tài)條件下減氧空氣驅(qū)驅(qū)油效率，分析低溫氧化作用對(duì)驅(qū)油效率的貢獻(xiàn)率。實(shí)驗(yàn)溫度110 ℃，實(shí)驗(yàn)壓力10 MPa，空氣含氧量分別為0、5%、10%、15%、21%。實(shí)驗(yàn)主要由注入部分（包括氣源、壓力表、流量控制器、中間容器等）、模型本體（包括恒溫箱和細(xì)長管）、采出部分（回壓閥、氣液分離裝置）組成（圖1），細(xì)長管為不銹鋼材質(zhì)，直徑8 mm，長度30 m。

圖1 動(dòng)態(tài)細(xì)長管實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)步驟為：①將石英砂填入細(xì)長管并進(jìn)行氣密性監(jiān)測；②將細(xì)長管放入恒溫控制器中，向細(xì)長管中飽和水再飽和油；③按實(shí)驗(yàn)流程連接各裝置，設(shè)定出口壓力，將恒溫箱溫度升至實(shí)驗(yàn)溫度；④打開氣源，保持一定速度注入復(fù)配好的減氧空氣；⑤記錄實(shí)驗(yàn)過程中細(xì)長管壓力、產(chǎn)油量，直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束。改變不同含氧量重復(fù)以上步驟完成實(shí)驗(yàn)。

1.2.3 不同含氧量氣體的溶脹實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證不用含氧量減氧空氣驅(qū)與原油的溶脹性能，開展不同含氧量氣體的溶脹實(shí)驗(yàn)，所用設(shè)備為高溫高壓PVT分析儀。在高溫高壓PVT筒中裝入一定質(zhì)量原油，在地層溫度110 ℃下，將不同含氧量的空氣注入PVT筒后（通過泵驅(qū)替筒中活塞控制混合體積），攪拌均勻，測定在不同壓力下不同含氧量減氧空氣注入后原油的溶解能力、原油地層體積系數(shù)的變化。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同含氧量氣體配置

實(shí)驗(yàn)過程中，采用空氣與高純氮?dú)鈴?fù)配不同含量的減氧空氣，在配置過程中保持O2的量不變，根據(jù)空氣與N2的氣體狀態(tài)方程與道爾頓分壓定律，若各組分之間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，則每一種氣體都均勻地分布在整個(gè)容器內(nèi)，所產(chǎn)生的壓強(qiáng)和單獨(dú)占有整個(gè)容器時(shí)所產(chǎn)生的壓強(qiáng)相同，即某一氣體在氣體混合物中產(chǎn)生的分壓等于在相同溫度下單獨(dú)占有整個(gè)容器時(shí)所產(chǎn)生的壓力；而氣體混合物的總壓強(qiáng)等于各氣體分壓之和，因此對(duì)空氣與高純氮進(jìn)行壓力配置，得到不同含氧量的減氧空氣。

假設(shè)容器體積為V，已知注入空氣壓力為P（空 氣 中O2含 量 為21%），O2的 量 為n( O2)=0.21ZPV RT，在配置過程中O2的量保持不變，若配置O2含量為x%的減氧空氣，則容器的壓力P′ = 0.21Z xP（Z為實(shí)驗(yàn)溫度下的氣體壓縮因子），為了使容器壓力增大至P′，需注入高純氮，其壓力變化為P′-P。根據(jù)上述方法，建立不同含氧量減氧空氣復(fù)配方法，實(shí)現(xiàn)配置誤差低于1%（表1）。

表1 不同含氧量減氧空氣參數(shù)配置

2.2 減氧空氣驅(qū)產(chǎn)出流體特征

針對(duì)不同含氧量空氣驅(qū)靜態(tài)氧化實(shí)驗(yàn)后的原油和產(chǎn)出氣，開展原油物理性質(zhì)、族組分及氣體組分分析，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2和表3。當(dāng)空氣中含氧量大于10%時(shí)，尾氣組分能夠監(jiān)測到CO2，且隨著含氧量增多，CO和CO2含量隨之增加，原油黏度、密度也隨著含氧量增多而增大，相應(yīng)的飽和烴和芳烴總量降低，非烴和瀝青質(zhì)總量增大，說明含氧量對(duì)低溫氧化程度產(chǎn)生一定影響。含氧量不大于5%時(shí)，尾氣中未檢測出CO2，未發(fā)生氧化反應(yīng)，隨著含氧量增多，低溫氧化程度加強(qiáng)，O2利用率和轉(zhuǎn)化率升高，但CO2含量雖有增加，但總量較少，減氧空氣驅(qū)時(shí)均沒超過0.6%，說明S625區(qū)塊地層溫度110 ℃下發(fā)生完全氧化生成CO2的幾率較低。

表2 不同含氧量靜態(tài)氧化實(shí)驗(yàn)后原油族組分及物性對(duì)比

表3 不同含氧量靜態(tài)氧化實(shí)驗(yàn)后氣體組分變化

當(dāng)含氧量達(dá)到21%時(shí)，反應(yīng)后增加的CO和CO2總量遠(yuǎn)小于O2減少量，是因?yàn)榈蜏匮趸^程消耗的大部分氧與原油中輕質(zhì)組分發(fā)生加氧反應(yīng)，生成羧酸、醛、酮、醇等含氧烴類化合物。此時(shí)，尾氣中還能監(jiān)測到一定的O2含量，說明還有一部分O2沒有被完全消耗，意味著在地層溫度、地層壓力下，會(huì)存在一定安全隱患，而不同含氧量減氧空氣驅(qū)低溫氧化后，雖殘余一定含量氧，但殘余氧含量均低于10%，需綜合考慮注氣安全性和經(jīng)濟(jì)性[14-16]，S625區(qū)塊適合實(shí)施減氧空氣驅(qū)開采，滿足安全生產(chǎn)需求。

2.3 驅(qū)替實(shí)驗(yàn)特征分析

在相同的實(shí)驗(yàn)條件下（溫度110 ℃、壓力10 MPa），對(duì)比不同含氧量減氧空氣動(dòng)態(tài)細(xì)長管驅(qū)替實(shí)驗(yàn)的驅(qū)油效率（圖2），氣驅(qū)驅(qū)油效率隨著含氧量增多而逐漸升高，含氧量從0增多到21%時(shí)，對(duì)應(yīng)的驅(qū)油效率從47.58%增大到49.29%，升高幅度較小。低溫氧化作用對(duì)驅(qū)油效率的貢獻(xiàn)率隨著O2含量增多也略有增大，含氧量為0、5%、10%、15%、21%時(shí)對(duì)應(yīng)的氧化作用對(duì)驅(qū)油效率貢獻(xiàn)率分別為0.00%、0.91%、1.49%、1.94%、3.47%，說明在較低油藏溫度下（110℃）發(fā)生完全氧化消耗的O2少，低溫氧化能力較弱，含氧量對(duì)氧化反應(yīng)影響較小。

圖2 不同含氧量對(duì)S625區(qū)塊驅(qū)油效率及貢獻(xiàn)率的影響

2.4 不同含氧量氣體的溶脹實(shí)驗(yàn)

在含氧量分別為0、5%、10%、15%、21%時(shí)進(jìn)行溶脹實(shí)驗(yàn)，研究了溶解氣油比、體積系數(shù)與壓力的關(guān)系。溶解氣油比指單位體積地面原油在一定溫度和壓力下溶解的氣量；體積系數(shù)指原油在地層條件下體積與其在地面脫氣后的體積之比[17]。由圖3和圖4可知，隨著壓力升高，溶解氣油比逐漸增大，溶解能力增強(qiáng)；原油膨脹程度增加，體積系數(shù)增大。曲線有明顯的拐點(diǎn)，是因?yàn)楫?dāng)壓力降低至一定程度時(shí)，原油中溶解氣逐漸分離出來，導(dǎo)致油和氣兩相體積明顯增加，拐點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的壓力為實(shí)驗(yàn)溫度110 ℃下不同含氧量的飽和壓力，均為28.5 MPa。低于飽和壓力時(shí)，氣油比和體積系數(shù)與壓力呈線性關(guān)系，滿足亨利定律。當(dāng)壓力高于泡點(diǎn)壓力后，氣體溶解能力達(dá)到最大。不同含氧量的空氣溶解特性略有差別，在同一壓力下，隨著含氧量增多，溶解能力增強(qiáng)，在飽和壓力28.5 MPa時(shí)溶解氣油比分別為26.5，27.5，28.7，30.9，35.8 Nm3/m3，體積系數(shù)分別為1.114、1.124、1.155、1.192、1.230，驗(yàn)證了S625區(qū)塊原油在地層條件下，減氧空氣驅(qū)比單純注氮?dú)飧欣谠腕w積膨脹，增加更多彈性能量，有利于提高地層壓力和流動(dòng)壓差，一定程度上提高驅(qū)油效率。

圖3 不同含氧量下S625區(qū)塊原油溶解特性

圖4 不同含氧量下S625區(qū)塊原油體積系數(shù)

3 結(jié)論

（1）根據(jù)空氣與氮?dú)獾臍怏w狀態(tài)方程與道爾頓分壓定律，建立了不同含氧量的減氧空氣配置實(shí)驗(yàn)方法，實(shí)現(xiàn)配置誤差低于1%。

（2）減氧空氣地層溫度靜態(tài)低溫氧化后原油中輕質(zhì)組分減少，重質(zhì)組分增加。隨著含氧量增多，產(chǎn)出氣中CO2含量增加，氧化程度越明顯，O2利用率與轉(zhuǎn)化率升高，但完全發(fā)生氧化反應(yīng)生成CO2幾率較低，且尾氣中含有O2，存在注氣安全隱患，綜合考慮安全性和經(jīng)濟(jì)性，S625區(qū)塊適合實(shí)施減氧空氣驅(qū)開采。

（3）動(dòng)態(tài)驅(qū)替實(shí)驗(yàn)表明，氧化作用對(duì)驅(qū)油效率貢獻(xiàn)率隨含氧量增多而增大，而氧含量變化對(duì)氣驅(qū)驅(qū)油效率影響不大；氣體溶脹實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證了S625區(qū)塊原油在地層條件下，減氧空氣驅(qū)比單純注氮?dú)飧欣谠腕w積膨脹，從而提高原油采收率。