新疆C油田注空氣提高采收率可行性研究

高志衛(wèi)， 沈海兵, 李一波

(1.中石化新疆新春石油開發(fā)有限責(zé)任公司, 克拉瑪依 834000； 2.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室， 成都 610500)

受地層條件高溫、高礦化度等因素影響，多數(shù)油藏常采用氣驅(qū)開發(fā)[1-3]。由于空氣驅(qū)具有氣源廣、成本低、自產(chǎn)熱、易混相等優(yōu)點，故在各種氣驅(qū)方法中倍受關(guān)注[4-6]。空氣驅(qū)可以有效規(guī)避化學(xué)驅(qū)的局限性，由于這些優(yōu)勢，空氣驅(qū)被普遍認(rèn)為是最有潛力普遍適用于各個油田的提高采收率方法之一。在現(xiàn)有的研究中，認(rèn)為空氣驅(qū)過程中，一旦空氣注入油藏，驅(qū)替原油與氧化原油兩個現(xiàn)象同時發(fā)生。在油藏中，消耗氧氣生成一氧化碳(CO)或二氧化碳(CO2)，氧化反應(yīng)的程度與原油特征、巖石流體性質(zhì)及油藏溫度、壓力等有直接的關(guān)系[7-8]。高壓注空氣能提高或保持油藏壓力，原油低溫氧化消耗氧氣(O2)，也會形成氮?dú)?N2)驅(qū)。空氣驅(qū)機(jī)理不但包括傳統(tǒng)的注氣作用，還具有氧化反應(yīng)產(chǎn)生的獨(dú)特機(jī)理和效果，主要概括為：氧化反應(yīng)生成的CO、CO2和空氣中的N2以及蒸發(fā)的輕烴組分等組成的煙道氣對原油的重力驅(qū)作用及促使原油膨脹與蒸發(fā)；注空氣低溫氧化生成熱量；產(chǎn)生的煙道氣可與原油形成混相或近混相驅(qū)[9]。

空氣驅(qū)油在中國陸地油田的應(yīng)用較外國的要晚，而且空氣驅(qū)的機(jī)理較傳統(tǒng)提高采收率方法更為復(fù)雜[10]，各種機(jī)理的作用效果受油藏的具體情況影響，其相關(guān)理論和輔助技術(shù)需要長期大量的研究，所以加快開展空氣驅(qū)的相關(guān)研究是中國油田開發(fā)現(xiàn)階段的迫切需要。故現(xiàn)通過原油注空氣低溫氧化實驗和絕熱氧化實驗，研究氧化壓力對低溫氧化和絕熱氧化的氧化效果的影響；并采用長巖心空氣驅(qū)物理模擬實驗，對比分析空氣驅(qū)和水驅(qū)后空氣驅(qū)復(fù)合驅(qū)的驅(qū)油效率，為新疆C油田注空氣開發(fā)提供參考。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

實驗原油為新疆C油田脫水脫氣原油，黏度(25 ℃)73 mPa·s。

實驗設(shè)備包括：DGM-Ⅲ 多功能巖心驅(qū)替裝置(成都巖心科技有限公司)、Agilent 6890 GC氣相色譜儀、Agilent 7890B GC油相色譜儀、高溫高壓熱跟蹤補(bǔ)償絕熱氧化裝置、FB-45/7無油空氣壓縮機(jī)、ES-100A恒速恒壓泵和氧化管等。

1.2 實驗方法

1.2.1 原油低溫氧化實驗

采用長氧化管，研究新疆C油田目標(biāo)區(qū)塊油藏溫度100 ℃下，不同壓力(16、24、32、40 MPa)對原油低溫氧化反應(yīng)的影響。實驗流程如圖1所示，實驗步驟如下。

圖1 氧化實驗流程圖Fig.1 Flow chart of oxidation experiment

(1)對長氧化管(氧化管長1 m，內(nèi)徑0.962 cm，外徑1.236 cm)飽和40 mL原油。

(2)關(guān)閉長氧化管出口端，并向其中注入空氣至指定壓力。

(3)將其置于高溫高壓條件下進(jìn)行恒溫靜態(tài)氧化反應(yīng)，并通過軟件對時間、壓力和溫度進(jìn)行監(jiān)控。

(4)氧化7 d后，開啟長氧化管出口端，收集氧化反應(yīng)后的氣體和原油，對氣體和原油進(jìn)行氣相色譜分析和油相色譜分析，分析不同注氣壓力對稠油低溫氧化的影響。

1.2.2 原油絕熱氧化實驗

采用高溫高壓熱跟蹤補(bǔ)償絕熱氧化裝置，如圖2所示，研究在油藏溫度100 ℃，不同氧化壓力(16、32 MPa)對原油絕熱氧化的影響。絕熱氧化實驗流程圖所示，實驗步驟如下。

圖2 絕熱氧化實驗流程圖Fig.2 Flow chart of adiabatic oxidation experiment

(1)按照實驗流程圖檢查并組裝各實驗裝置。

(2)將一定量原油通過橫流泵注入熱跟蹤補(bǔ)償裝置中，然后密封裝置并檢查實驗各裝置密封性。打開熱跟蹤裝置操作面板及軟件程序，設(shè)定氧化溫度及外筒的保溫套溫度后，分別向熱跟蹤補(bǔ)償裝置內(nèi)筒及環(huán)空注入高壓空氣和N2，當(dāng)注入壓力和環(huán)空壓力達(dá)到設(shè)定壓力值后，立刻關(guān)閉內(nèi)筒和環(huán)空的注氣口，密閉熱跟蹤裝置各個開關(guān)，進(jìn)行氧化反應(yīng)，并設(shè)置氣體和原油樣品采集時間間隔，自動進(jìn)行數(shù)據(jù)跟蹤采集。

(3)氧化反應(yīng)7 d后，關(guān)閉溫度壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并控制系統(tǒng)溫度、壓力，結(jié)束氧化反應(yīng)，隨后打開熱跟蹤補(bǔ)償裝置取氣口，取適量氣體進(jìn)行氣相色譜分析。

1.2.3 長巖心空氣驅(qū)物理模擬實驗

針對目標(biāo)區(qū)塊原油，采用2種不同注入方式(空氣驅(qū)、水驅(qū)+空氣驅(qū))在油藏條件下進(jìn)行驅(qū)替實驗，研究不同驅(qū)替壓力下空氣驅(qū)、水驅(qū)+空氣驅(qū)對驅(qū)油效果的影響。如圖3實驗?zāi)M流程圖所示，實驗步驟如下。

圖3 長巖心驅(qū)替實驗?zāi)M流程Fig.3 Simulation flow of long core flooding experiment

(1)將儀器連接好，并將長巖心連接在多功能巖芯驅(qū)替裝置(內(nèi)置烘箱)，然后注地層水飽和巖心(真空抽提法)，在實驗溫度和壓力條件下穩(wěn)定一段時間，使巖心得到充分飽和后，記下飽和水量。

(2)用脫氣死油驅(qū)替巖心中的水，至不出水為止，穩(wěn)定后繼續(xù)驅(qū)替至不再出水，記錄驅(qū)出水量，計算束縛水飽和度和含油飽和度。

(3)然后用地層原油驅(qū)替巖心中的死油，直到入、出口端原油氣油比一致，穩(wěn)定后再繼續(xù)驅(qū)替，達(dá)到入、出口端原油氣油比一致。

(4)重復(fù)上述步驟(1)～步驟(3)得到6組實驗長巖心，其物性參數(shù)如表1所示。

表1 驅(qū)替前不同實驗組巖心物性參數(shù)Table 1 Core physical parameters of different experimental groups before flooding

(5)在實驗溫度壓力條件下，前三組實驗巖心分別采用恒定注空氣壓力(36、34、32 MPa)驅(qū)替巖心中的原油，在此過程中記錄進(jìn)出口端壓力、進(jìn)液量、油、氣的產(chǎn)量。

(6)在實驗溫度壓力條件下，后三組實驗巖心分別先采用恒定注水壓力(36、34、32 MPa)驅(qū)替巖心中的油樣，直到出口端驅(qū)出的水量占驅(qū)出的油水總量的98%為止。開始進(jìn)入不同壓力的空氣驅(qū)替實驗(恒定注氣壓力分別對應(yīng)為36、34、32 MPa)，在此過程中記錄進(jìn)出口端壓力、進(jìn)液量、油、氣、水的產(chǎn)量，并進(jìn)行水氣驅(qū)驅(qū)油效率計算。

2 結(jié)果與分析

2.1 原油低溫氧化反應(yīng)特征

2.1.1 氣相組分分析

為了考察氧化壓力對原油低溫氧化反應(yīng)的影響，進(jìn)行不同壓力下的低溫氧化實驗，氧化時間優(yōu)化為7 d，氧化結(jié)束后分別取適量氧化氣體進(jìn)行氣相色譜分析，結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出，隨氧化壓力的增加，原油殘余氧氣量逐漸減少，殘余氧氣量從16 MPa的19.864%下降至40 MPa的18.649%，說明原油耗氧量能力不斷增加。壓力升高會增加空氣在原油中的溶解度，導(dǎo)致原油與更多的氧分子接觸，消耗的氧氣主要與原油烴類發(fā)生氧化加成反應(yīng)，氧原子取代烴分子活性位點處的氫原子，生成氫過氧化物、醇、醛、酮及羧酸等氧化產(chǎn)物[11-12]。因而殘余氧氣量隨氧化壓力的增加遞減較快。同時隨著氧化時間的增加，氧化反應(yīng)進(jìn)一步加深，原油耗氧量也隨之增加，導(dǎo)致殘余氧濃度也呈下降趨勢。

表2 不同壓力下原油氧化后殘余氧氣量Table 2 Residual oxygen content after crude oil oxidation under different pressures

圖4為不同氧化壓力下原油氧化不同時間時的耗氧情況，可以看出相同氧化壓力下隨氧化時間的增加，原油耗氧量呈增加趨勢，并且壓力越高原油耗氧量越大。同時高壓下隨壓力增加，原油耗氧量增加的幅度更明顯，說明高壓下具有更好的氧化活性，氧加成反應(yīng)也更明顯。

圖4 不同氧化壓力下原油耗氧對比Fig.4 Comparison of crude oil oxygen consumption under different oxidation pressures

2.1.2 油相組分分析

原油在不同氧化壓力下氧化7 d后原油碳數(shù)分布如圖5所示。由于原油中溶解的氧與原油中的不穩(wěn)定烴類開始會發(fā)生氧化反應(yīng)生成自由基和過氧化物，而原油中不同碳數(shù)的烴類具有不同的氧化活性，因而為了表征原油氧化進(jìn)程和各碳數(shù)的變化關(guān)系，將C5～C35根據(jù)氧化活性劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ 4個區(qū)間來進(jìn)行分析。

圖5 不同氧化壓力下氧化后原油碳數(shù)分布Fig.5 Carbon number distribution of crude oil after oxidation under different oxidation pressures

表3為不同氧化壓力下氧化原油中不同碳數(shù)區(qū)間碳組分含量，從表3可以看出,原油和不同氧化壓力下得到的氧化原油在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ區(qū)間內(nèi)的碳含量呈現(xiàn)規(guī)律性的變化：I區(qū)內(nèi)的C5～C14含量隨氧化壓力增加呈遞減趨勢，Ⅱ區(qū)內(nèi)的C15～C20含量都較初始原油增加，同時Ⅲ區(qū)內(nèi)的C21～C28含量和Ⅳ區(qū)內(nèi)的>C28含量也都呈增加趨勢，說明氧化壓力增大主要促進(jìn)原油的低溫氧加成反應(yīng)，生成的醇、醛、酮及羧酸會進(jìn)一步經(jīng)歷芳構(gòu)化、縮合及縮聚過程，生成縮合度更高的大分子物質(zhì)[13]，導(dǎo)致輕中質(zhì)烴類(C15～C20)、中質(zhì)烴類(C21～C28)和重質(zhì)烴類(>C28)都呈現(xiàn)不同程度的增加。對于32 MPa氧化后原油，C5～C14含量較初始原油減少10.799%，C15～C20含量較初始原油增加3.741%，C21～C28較初始原油增加4.306%，>C28含量較初始原油增加2.757%，基本上Ⅰ區(qū)內(nèi)碳數(shù)變化的量等于Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ區(qū)內(nèi)碳數(shù)變化的總量。

表3 不同氧化壓力下不同碳數(shù)區(qū)間碳組分含量Table 3 Contents of carbon components in different carbon number intervals under different oxidation pressures

2.2 原油絕熱氧化反應(yīng)特征

2.2.1 氣相組分分析

絕熱氧化實驗過程中從絕熱裝置出口端取出適量氣體進(jìn)行氣相色譜分析，不同壓力下原油絕熱氧化過程中9次取氣測得的氣相組成變化數(shù)據(jù)，如圖6所示。原油注空氣絕熱氧化過程中，原油與氧氣發(fā)生低溫氧加成反應(yīng)，烴分子活性位點上的氫原子會被氧原子取代，氧氣被消耗，同時低溫氧加成過程中生成的羧酸繼續(xù)經(jīng)歷碳鍵剝離過程也會導(dǎo)致CO2和加成反應(yīng)，烴分子活性位點上的氫原子會被氧原子取代，氧氣被消耗，同時低溫氧加成過程中生成的羧酸繼續(xù)經(jīng)歷碳鍵剝離過程也會導(dǎo)致CO2和CO的生成。從圖6可以看出，絕熱氧化階段隨著氧化時間的增加，氧氣與原油充分發(fā)生氧化加成反應(yīng)，O2消耗明顯，CO和CO2呈不斷增加趨勢，說明絕熱氧化中不斷累計的熱量改善油樣耗氧能力的同時促進(jìn)更多的氧化衍生物進(jìn)一步發(fā)生脫羧反應(yīng)，生成了大量的CO和CO2，且CO量明顯大于CO2量，這主要與自由基反應(yīng)和氧化反應(yīng)進(jìn)程有關(guān)[14]。16 MPa下殘余氧氣量從初始21%不斷下降到16.35%，而32 MPa下最終殘余氧氣量僅為15.92%，說明高壓條件下原油氧化消耗更多的氧氣，氧化進(jìn)程更加明顯，氧化分解生成更多的CO和CO2，因而32 MPa下生成CO和CO2量為2.35%和0.43%，相對于16 MPa下的1.45%和0.36%，增加53.6%。

圖6 不同壓力下原油絕熱氧化過程中氣相組成變化Fig.6 Changes of gas phase composition during adiabatic crude oil

2.2.2 油相組分分析

表4為不同壓力絕熱氧化油相色譜分析結(jié)果，從表4可以看出，隨氧化時間的增加，C5～C14因氧化加成反應(yīng)生成分子量更大的組分，導(dǎo)致含量呈下降趨勢，C15～C20和C21～C28因低溫氧加成反應(yīng)含量呈增加趨勢，C28+因醇、醛、醛等中間產(chǎn)物繼續(xù)氧化生成分子量更大的重質(zhì)組分而呈現(xiàn)輕微增加趨勢[15]。同時C5～C14組分減少的量基本等于C15～C20、C21～C28和C28+組分增加的量，說明原油絕熱氧化過程中低溫氧化加成反應(yīng)主要導(dǎo)致組分分子量增加，中質(zhì)組分氧化生成了重質(zhì)組分，說明氧化反應(yīng)期間生成的CO2、CO的量很少。并且不同壓力的絕熱氧化實驗對比說明，絕熱氧化條件下氧化壓力增加同樣能夠改善氧化反應(yīng)進(jìn)程，高壓條件下原油氧化加成反應(yīng)更充分，各組分變化更為明顯。

表4 不同壓力下絕熱氧化過程中油相色譜變化分析Table 4 Analysis of oil phase chromatographic changes during adiabatic oxidation under different pressure

2.3 長巖心空氣驅(qū)物理模擬實驗研究

2.3.1 空氣驅(qū)驅(qū)油效率分析

圖7和圖8為不同驅(qū)替壓力和氣油比驅(qū)油效率對比，從圖7和圖8可看出，隨著驅(qū)替壓力的增加，最終驅(qū)油效率也有所上升，當(dāng)驅(qū)替壓力升高至36 MPa時，驅(qū)油效率可達(dá)40.17%。當(dāng)注入壓力為36 MPa，注氣量小于0.73 PV(孔隙體積)時，隨著注入量的增加，原油驅(qū)油效率迅速增加。由于在注入空氣驅(qū)替原油過程中，氣體相對于原油而言，其與巖石表面的界面張力更小，更容易在孔道中流動，因此氣體容易沿著孔道中心開始率先突破，即產(chǎn)生“指進(jìn)現(xiàn)象”，而原油的黏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氣體，所以剛開始?xì)怏w是以不連續(xù)的氣泡形式向前推進(jìn)，孔隙中的原油與空氣充分接觸，原油中溶解的空氣量增多發(fā)生膨脹具有彈性能量，同時空氣中的氧氣與原油發(fā)生低溫氧化反應(yīng)，會生成CO與CO2，其與空氣中的N2及反應(yīng)過程中蒸發(fā)的輕烴組分等共同形成的煙道氣也會驅(qū)替原油，而此時驅(qū)油效率增加主要來源于氣體增壓導(dǎo)致地層能量增加以及原油溶解空氣產(chǎn)生的彈性能量[16]。

圖7 不同驅(qū)替壓力驅(qū)油效率對比Fig.7 Comparison of oil displacement efficiency with different displacement pressures

圖8 不同驅(qū)替壓力氣油比對比Fig.8 Comparison of gas-oil ratio at different displacement pressures

隨著突破的氣泡數(shù)量逐漸增多，小氣泡開始聚并成大氣泡，最終將會形成一條氣竄通道，產(chǎn)生氣竄。如當(dāng)注入壓力為36 MPa、注入量超過0.73 PV時，開始產(chǎn)生氣竄，此時曲線出現(xiàn)拐點，即驅(qū)油效率達(dá)35.2%，曲線趨于平穩(wěn)狀態(tài)，驅(qū)油效率增長緩慢，并且這時候驅(qū)油效率的增長可歸因為高壓氣體的高速攜帶作用，并且空氣與原油的接觸程度達(dá)到最大，此時低溫氧化反應(yīng)效果最佳，煙道氣驅(qū)及煙道氣對原油產(chǎn)生的混相作用也會更為顯著。

2.3.2 水驅(qū)后空氣驅(qū)復(fù)合驅(qū)替效率分析

圖9為水驅(qū)+空氣驅(qū)復(fù)合驅(qū)過程中注入PV數(shù)與驅(qū)油效率的關(guān)系。從圖9可以看出，水驅(qū)階段實驗巖心驅(qū)油過程注入壓力越高，啟動壓力梯度越大，驅(qū)油效率隨著注入PV數(shù)迅速增加，逐漸形成水流通道進(jìn)而發(fā)生水竄后，驅(qū)油效率趨于平穩(wěn)[17]。注入壓力越高，驅(qū)油效率拐點對應(yīng)的PV數(shù)越小，更早達(dá)到經(jīng)濟(jì)極限，對應(yīng)的驅(qū)油效率也更高，水驅(qū)驅(qū)油效率最高可達(dá)41.58%。

圖9 不同壓力下水驅(qū)及后續(xù)空氣驅(qū)驅(qū)油效率對比Fig.9 Comparison of oil displacement efficiency of water flooding and subsequent air flooding under different pressures

水驅(qū)后轉(zhuǎn)氣驅(qū)時，同樣存在啟動壓力梯度，并且由于在孔隙結(jié)構(gòu)中空氣屬于非潤濕相，且具有更大的流度，在大孔喉中容易流動，因而驅(qū)替開始階段驅(qū)油效率增加幅度較緩慢[18-20]。隨著注入空氣量的增加，原油中溶解的氣量不斷增加，進(jìn)而膨脹等作用增加了驅(qū)替能量，巖心中的殘余油繼續(xù)被驅(qū)出，空氣驅(qū)驅(qū)油效率不斷增加。但是水驅(qū)后殘余油多分布在微小孔隙中，且驅(qū)替過程中原油缺乏足夠的接觸氧化時間，無法充分發(fā)揮空氣的氧化驅(qū)油機(jī)理，因而當(dāng)大孔喉中形成氣流通道后，高速空氣流直接沿著通道向前運(yùn)移，無法充分驅(qū)替細(xì)小孔隙中的殘余油，導(dǎo)致產(chǎn)氣速度迅速增加，驅(qū)油效率增加有限，因而最大氣驅(qū)驅(qū)油效率僅為9.86%。同時隨著注空氣壓力的增加，空氣更容易在巖心孔隙中形成氣流通道，導(dǎo)致氣驅(qū)驅(qū)油效率拐點對應(yīng)更低的注入PV，注入壓力36 MPa下，空氣驅(qū)驅(qū)油效率拐點對應(yīng)0.86 PV。

3 結(jié)論

(1)氧化壓力可有效改善原油低溫氧化進(jìn)程，高壓下具有更好的氧化活性，氧加成反應(yīng)也更明顯，原油耗氧能力增強(qiáng)。氧化壓力增大主要促進(jìn)原油的低溫氧加成反應(yīng)，生成的醇、醛、酮及羧酸會進(jìn)一步經(jīng)歷芳構(gòu)化、縮合及縮聚過程，生成縮合度更高的大分子物質(zhì)，導(dǎo)致輕中質(zhì)烴類(C15～C20)、中質(zhì)烴類(C21～C28)和重質(zhì)烴類(>C28)都呈現(xiàn)不同程度的增加。

(2)“絕熱條件”下原油氧化積聚的熱效應(yīng)能改善原油氧化進(jìn)程，導(dǎo)致原油耗氧量增加，脫羧反應(yīng)生成CO和CO2量也顯著增加，高壓條件下CO和CO2的生成量增加53.6%。原油絕熱氧化反應(yīng)過程中，壓力增加，原油氧化加成反應(yīng)更充分，各組分變化更為明顯。

(3)長巖心空氣驅(qū)物理模擬實驗表明，將空氣注入長巖心中，原油溶解大量空氣發(fā)生膨脹具有彈性能量，同時空氣中的氧氣與原油發(fā)生低溫氧化反應(yīng)，生成CO與CO2，其與空氣中的氮?dú)饧胺磻?yīng)過程中蒸發(fā)的輕烴組分等共同形成的煙道氣也會驅(qū)替原油，同時煙道氣對原油可能產(chǎn)生的混相作用，多重機(jī)理作用下，空氣驅(qū)驅(qū)油效率可達(dá)40.17%。

(4)與空氣驅(qū)相比，水驅(qū)后空氣驅(qū)復(fù)合驅(qū)驅(qū)油效率更高，當(dāng)注入壓力為36 MPa時，復(fù)合驅(qū)驅(qū)油效率為51.44%。當(dāng)水驅(qū)達(dá)到經(jīng)濟(jì)極限后再注入空氣，原油與空氣接觸發(fā)生反應(yīng)，原油膨脹作用、煙道氣驅(qū)作用和混相驅(qū)作用等能將水驅(qū)后微小孔隙中殘余油進(jìn)一步驅(qū)出。