致密砂巖油藏注空氣低溫氧化機理及組分變化規律研究

＊王濤 董海鵬

（延長石油（集團）有限責任公司子長采油廠 陜西 716000）

注空氣開采輕質油藏具有眾多優點，成本低、適用油藏范圍廣且驅油效果顯著，可以作為一項新提高原油的采收率技術[1-3]。空氣注入輕質油藏后，氧氣與原油發生低溫氧化反應，產生的熱量可使油層溫度升高促使輕質組分蒸發，生成的CO、CO2以及由N2和蒸發的輕烴組分等可形成煙道氣驅的效果[3-7]。英國巴斯大學研究團隊[8]，在注空氣低溫氧化研究的過程中，首創性的發現并命名了氧氣消耗速率，這使得低溫氧化研究又深入了一步。巴斯大學Greaves[9]等人，研究了在注空氣過程中，原油發生低溫氧化需要一個熱量的界限，這個界限可用活化能來表示。2013年，王蕾[10]等人，對輕質油藏注空氣做了大量的理論研究和數值模擬研究，通過室內實驗分析低溫氧化階段的各種氧化、放熱性質，同時又對熱效應進行了進一步的研究。然而，輕質油藏注空氣低溫氧化反應后氣體組成和原油組分都會發生一定變化，原油性質也隨之發生改變，目前對這兩部分研究較少。本文針對延長油田一致密砂巖油藏原油開展低溫氧化實驗，分析低溫氧化反應后氣體組成和原油物理化學性質變化規律，認識低溫氧化對前后氣體及原油性質的影響，對于了解注空氣后油藏條件變化和深入認識驅替機理具有更重要的意義。

1.實驗方法

將原油和高壓空氣放置在密閉容器中，保持一定的溫度與壓力。空氣中的氧會逐漸與原油發生氧化反應，通過定時檢測氣體組分的變化，即可計算出原油在不同條件下消耗氧氣的速度。對比實驗前后原油組分的變化，即可確定原油中被氧化的主要組分。

實驗設計在2.2MPa、4.85MPa兩個壓力條件下，分別測試30℃、35.6℃（油層溫度）、50℃三個溫度下原油與空氣發生低溫氧化反應的速度，并對反應前后氣體組分、原油組分、原油粘度進行對比分析。氧化速率與總耗氧量計算方法：氧化速率計算主要采用氣體含量法的方法，即通過測試反應后氣體中氧氣的含量變化來計算氧氣消耗的量，計算方法如下：

氧化速率計算方法為：

總耗氧量計算方法為：

2.實驗設備與材料

(1)實驗材料

本次實驗油樣為延長某井區脫氣原油，原油密度分布在0.845～0.848g/cm3，平均0.846g/cm3，原油粘度一般在3.06-5.73mPa·s，平均3.93mPa·s。實驗采用了現場天然巖心，將其粉碎成油砂備用。實驗所用氣源為室內采集空氣。通過增壓泵將空氣加壓預處理，使壓力達到設計注入壓力。地層水是根據水樣分析結果配置的模擬地層水，礦化度為16950.68mg/L，水型為氯化鈣型，具體見表1。

表1 理829井區地層水分析結果Tab.1 Analysis results of formation water in Li 829 well area

(2)實驗設備

整個流程主要由增壓系統、高溫配樣系統等組成（見圖1）。增壓系統由氣體增壓泵、高壓活塞容器、手動泵組成。氣體增壓泵用于采集空氣并將氣加壓至實驗壓力，高壓活塞容器用于盛裝壓縮空氣，手動泵用于將空氣增壓至實驗設定壓力。氣組分分析采用Agilent 6890N氣相色譜儀，壓力精度0.01psi，流量精度0.01ml/min，保留時間重現性＜0.0012min，峰面積重現性＜2.0% RSD。

圖1 注空氣原油靜態氧化實驗流程圖Fig.1 Flow chart of Static oxidation experiment of injecting air into crude oil

(3)實驗流程

設計了6組氧化實驗，在地層壓力條件下（4.85MPa）開展原油+巖心砂+地層水+空氣相互反應機理實驗，實驗溫度選擇30℃、35.6℃和50℃，測試原油與空氣發生低溫氧化反應的速度。為了分析壓力及溫度對原油低溫氧化的影響，又分別開展了2.20MPa條件下，30℃、35.6℃和50℃時的原油低溫氧化實驗。

靜態氧化實驗流程為：稱取定量的原油置入反應器中，并按實驗要求加入定量的天然巖心砂樣、地層水、黏土、泡沫劑等物質，調節容器活塞以確保空氣體積。再將反應器升溫至設定溫度，注入高壓空氣至設定壓力，放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恒壓，考慮到本次實驗的溫度、壓力較低，原油氧化速度慢，設計每隔24h取一次氣樣并測試，分析其組分變化，直至反應288h；停止實驗后，將原油取出，測試粘度及組分。

3.實驗結果與討論

空氣與原油發生的氧化反應十分復雜，不同介質的存在可以增加或減少氧化速度。采用延長油田某致密砂巖油藏的原油、地層水、巖心砂進行不同溫度、壓力下的實驗，目的是考察在不同條件下空氣對原油的氧化速度。氧化實驗結果見圖2。從圖中可以看出，在相對較低的溫度與壓力下，原油的氧化速度較慢，反應288h后，氧氣含量仍在17.869%～19.443%。在較低的溫度下，空氣對原油的氧化能力較弱。當壓力一定時，隨著溫度的升高，原油氧化后空氣中的含氧量呈現明顯下降的趨勢。體系中CO2含量的變化與氧氣含量呈現明顯的相關性，隨著溫度與壓力的增加而逐步增大。可以看出CO2增加的百分比小于氧氣減少的百分比，這是因為一方面CO2在原油中具有較高的溶解度，另一方面消耗的氧氣并未全部轉化為CO2，有一部分氧氣與原油反應生成了含氧化合物。

圖2 不同反應溫度下氧氣-CO2含量變化曲線Fig.2 Oxygen-CO2 content change curves at differentreaction temperatures

根據不同氧化時間后空氣中的含氧量百分比，計算出不同時間后氧氣的消耗量（標態下氣體體積），見表2。從計算結果看，隨著溫度、壓力的升高，氧氣消耗量快速上升，在相同的溫度下，高壓體系的耗氧量明顯大于低壓體系。壓力越高，溶解于原油中的氧氣越多，而溫度越高，原油與氧氣的反應速度越快。初期空氣中的氧氣百分含量高，溶解于原油的氧氣量也較高，后期隨著氧氣的消耗，空氣中的氧氣百分比下降，溶解于原油的氧氣量減少；同時，原油中易被氧化的物質是有限的，隨著反應的進行，這類物質的相對量也在不斷下降，這兩種因素導致了后期反應速度逐漸下降。

表2 不同氧化時間氧氣消耗量計算結果Tab.2 Calculation results of oxygen consumption at different oxidation times

根據不同時間段內氧氣的消耗量，計算出288h內原油總耗氧量（見表3）與不同反應時期的氧化速率（見表4）。從結果看，由于反應溫度低，總體上氧化速率與總耗氧量處于較低水平，隨著反應的進行，原油的氧化速率逐漸下降。

表3 不同氧化時間總耗氧量計算結果Tab.3 Calculation of the total oxygen consumption at different oxidation times

表4 不同氧化時間氧化速率計算結果Tab.4 Calculation results of oxidation rate at different oxidation times

空氣中的N2與CH4含量變化見圖3。從圖中可以看出，CH4隨著氧化反應的進行含量不斷上升，與溫度、壓力呈正相關。相同壓力下溫度越高，CH4的含量越高，說明高溫下更多的長烴鏈斷裂成了短烴鏈。較低溫度下由于氧氣消耗少，N2含量的變化不明顯，后期受烴類氣體含量增加的影響，百分含量略有下降；較高溫度下由于氧氣消耗量相對較大，初期N2的百分含量略有增加，后期受氧含量減少與烴類、CO2氣體增加的雙重影響，百分含量基本保持穩定。

圖3 不同反應溫度下N2-CH4含量變化曲線Fig.5 N2-CH4 content change curves at differentreaction temperatures

4.結論

（1）原油氧化的速度對溫度非常敏感，在相對較低的溫度與壓力下，原油的氧化速度較慢，反應288h后，氧氣含量仍在17.869%～19.443%。當壓力一定時，隨著溫度的升高，原油氧化后空氣中的含氧量呈現明顯下降，隨著溫度與壓力的增加而逐步增大，CO2增加的百分比小于氧氣減少的百分比。

（2）隨著溫度、壓力的升高，氧氣消耗量快速上升。壓力越高，溶解于原油中的氧氣越多，而溫度越高，原油與氧氣的反應速度越快。初期空氣中的氧氣百分含量高，溶解于原油的氧氣量也較高，后期隨著氧氣的消耗，空氣中的氧氣百分比下降，溶解于原油的氧氣量減少，反應速度逐漸下降。

（3）高溫下更多的長烴鏈斷裂成了短烴鏈，CH4隨著氧化反應的進行含量不斷上升，隨著溫度、壓力的上升，CH4的含量越高。較低溫度下N2含量的變化不明顯，后期受烴類氣體含量增加的影響，百分含量略有下降；較高溫度下初期N2的百分含量略有增加，后期受氧含量減少與烴類、CO2氣體增加的雙重影響，百分含量基本保持穩定。