注空氣輔助稠油吞吐技術研究與應用

高超

摘要：歡喜嶺油田稠油吞吐區塊已處于高輪次、高采出程度、高含水、低壓、低產油的后期開發階段，各種矛盾突出，穩產難度加大。針對該問題，開展了注空氣輔助稠油吞吐技術研究，通過增產、氧化機理研究，制定了歡喜嶺油田注空氣輔助稠油吞吐適用條件和安全保障措施，通過注入工藝與參數優化，現場實施5口井，累增液2181t，累增油1365t。實施后，油井周期產油量增加，地層壓力明顯提高，取得了顯著的開采效果。該研究為稠油吞吐區塊后期開發提供了技術支持。

關鍵詞：稠油，蒸汽吞吐，注空氣，含氧量

前言

歡喜嶺油田稠油吞吐區塊1987年投入開發，目前已處于高輪次、高采出程度、高含水、低壓、低產油的后期開發階段，各種矛盾突出，穩產難度加大。主要存在問題：

（1）油層壓力大幅降低

稠油蒸汽吞吐開發是一個降壓開采的過程，隨著蒸汽吞吐輪次的增加，地層壓力也隨之下降。以齊108塊為例，目前平均吞吐周期15.5，油層壓力由開發初期的12MPa降至目前3Mpa，區塊油汽比僅為0.29，區塊處于低壓、低產開發狀態。

（2）原油粘度逐步升高

隨著稠油井吞吐輪次的增加，原油中的輕質組分優先被采出，原油物性變差，膠質、瀝青含量增加，原油粘度大幅升高，流動性變差，開采難度加大。以杜813-24-45井為例，該井2007年11月測50℃原油粘度為81644mPa·s，膠質+瀝青含量為35.09%，而2009年9月測該井50℃原油粘度616668mPa·s，膠質+瀝青含量達到40.96%。

（3）低效井逐年增加

稠油吞吐區塊平均單井吞吐周期高達13.6，油井受井間汽竄、地層壓力降低，原油粘度升高等因素影響導致周期產量明顯下降，低效井逐步增多。

1 注空氣輔助稠油吞吐技術

1.1增產機理

一是在氧化作用下，稠油大分子被氧化形成過氧化物自由基，引發稠油大分子裂解鏈反應，從而完成重油的輕質化;二是分支鏈被氧化為極性的含氧化合物（如醛、酮、醇和羧酸），屬自生表面活性劑，能提高驅油效率;三是氧化反應生成的CO2溶解于稠油和水中，降低了油水界面張力，使原油粘度大幅度下降;四是空氣中氮氣輔助蒸汽可減緩油層上部熱損失，提高蒸汽熱效率，擴大蒸汽的波及體積，補充地層能量[1]。

1.2 氧化機理

1.2.1氧氣消耗規律

研究表明，低溫反應溫度范圍為100-300℃，氧氣與稠油發生反應，反應后氧氣濃度均低于4%。

1.2.2氧化產物分布與反應溫度的關系

以環己烷為例，實驗條件：反應溫度為140-220℃，注空氣壓力2.5MPa，模型油200ml。

實驗表明：烴類在一定溫度下可發生氧化反應，分別生成醇、醛（酮）、羧酸，甚至發生脫羧反應生成CO2和相應的碳數較小的烴分子。氧化產物的分布與反應溫度有關，當溫度小于160 ℃時，生成物以醇和醛（酮）為主，180 ℃時以羧酸為主，220 ℃時脫羧反應易于生成CO2。

1.2.3催化劑作用

催化劑加速自由基形成，自由基助劑進一步加速自由基形成——以甲苯為例

自由基形成機理：

烴類氧化反應的第一步“自由基引發”過程，催化作用下大大降低了苯甲基自由基生成所需的能量，自由基助劑加入后可進一步降低該能量，此結果說明：在催化劑的催化作用下烴類氧化反應在相對較低的溫度下即可進行。

1.3 含氧量爆炸極限

應用可燃性混合氣體爆炸極限的理論，確定影響爆炸極限范圍的三個主要因素，即溫度、壓力、氧氣含量，并計算分析稠油催化氧化采油的四個試驗過程產生的可燃氣體濃度，對照可燃氣體爆炸極限濃度和對應的氧氣極限濃度，結合室內靜態實驗導管氧氣濃度，最終確認氧氣含量小于10%是安全的，可以安全施工[2]。

因此，依據研究結果和稠油特點，確定本次注空氣輔助稠油吞吐實施現場的安全氧含量為5%以下，警戒值為3%。

1.4 適用條件

為了保證現場施工安全，達到理想的增油效果，根據理論研究及調研結果，制定了歡喜嶺油田注空氣輔助稠油吞吐適用條件。

（1）吞吐輪次10輪以上，注蒸汽壓力低于15MPa;

（2）為避免氣竄，保證施工安全，要求井間無明顯汽竄井;

（3）地層虧空，周期返水率小于100%;

（4）周期內初期產量較高，但下降較快;

1.5 注入工藝及參數

1.5.1注入方式

注空氣輔助稠油吞吐技術，注入方式主要有四種：先注空氣后注蒸汽、先注蒸汽后注空氣、空氣-蒸汽同時注入、空氣-蒸汽段塞注入。

1.5.2 注入參數

空氣注入量：每100t蒸汽對應6000～6500Nm3空氣。

催化劑用量：10000Nm3 空氣對應0.2～0.3t催化劑。

高溫發泡劑用量：為保證注空氣效果，防止氣竄，需注入高溫發泡劑封堵大孔道，依據試驗井高滲層厚度與滲透率數據，設計每口井高溫發泡劑的用量范圍為5-10t。

1.5.3 注氣速度

從注空氣機理上分析，注氣速度越高，O2與原油反應越充分，前緣溫度越高，但當注汽量過高，空氣沿原有高滲透層竄進，開采效果變差。同時，注氣速度在現場實施中還影響周邊井開井時率。數模計算表明，當注氣速度為12000Nm3/d時吞吐效果最好。

1.5.4 安全保障措施

套管氣監測頻率：套管氣中氧氣濃度安全值極限值為5%，警戒值為3%，當含氧量超過1%時，加密監測。

2 現場應用

2014年在齊108塊和杜813塊現場實施注空氣輔助稠油吞吐技術共5口井，注入方式均為先注空氣后注蒸汽，實施后，周期對比，注汽壓力平均升高1.25MPa，周期油汽比平均提高0.18。截至目前累增液2181t，累增油1365t，應用效果顯著。

3 結論及認識

（1）注空氣能夠有效補充地層能量，提高多輪次吞吐井周期生產效果，為稠油吞吐區塊后期開發提供了技術支持。

（2）現場注空氣井及周圍生產井套管氣中含氧量未發生明顯變化，均在安全值內，表明盡管注空氣具有一定操作風險，但通過采取先進的檢測手段，合理設計注入參數等措施 ，能夠滿足安全要求。

（3）與同類工藝相比，注空氣具有來源廣、成本低等優勢，具有很好的推廣價值。

參考文獻

[1]張守軍.超稠油注空氣強化采油實驗研究及現場應用[J].特種油氣藏，2012，19（5）：144-145

[2]吉亞娟，周樂平，任韶然等.油田注空氣工藝防爆實驗的研究[J].中國安全科學學報，2008，18（2）：87-92