轻质油藏注空气提高采收率氧化反应速率实验研究

于洪敏, 任韶然, 牛保伦, 左景栾

(1.中国石化石油勘探开发研究院,北京 100083; 2.中国石油大学(华东)石油工程学院,山东东营 257061; 3.中联煤层气有限责任公司,北京 100011)

轻质油藏注空气提高采收率氧化反应速率实验研究

于洪敏1, 任韶然2, 牛保伦2, 左景栾3

(1.中国石化石油勘探开发研究院,北京 100083; 2.中国石油大学(华东)石油工程学院,山东东营 257061; 3.中联煤层气有限责任公司,北京 100011)

为了分析轻质油藏(如胜利和中原油田)注空气提高采收率的可行性,利用近绝热氧化反应装置,模拟了目标油藏原油与空气的低温氧化反应过程,基于假设的原油与空气反应式及简化的A rrhenius方程,考察了不同地层温度、压力、粘土含量对反应速率的影响,分析了产出气体组分中氧气和二氧化碳含量。结果表明,目标油藏原油可以发生低温氧化反应,注空气提高采收率技术可行;氧化反应速率受地层温度的影响较大,压力及粘土含量次之;模拟温度在95～130℃时,温度升高速度很慢,未检测到大幅升温情况。

注空气; 提高采收率; 低温氧化; 反应速率; 轻质油藏

对于轻质油藏,注空气提高采收率不但有传统的注气作用,还有氧化产生的其他效果-烟道气驱与热效应[1-6]。胜利油田某低渗油藏和中原油田某区块通过注空气(泡沫)提高其采收率[7]。前者油层平均埋深2 340～2 350 m,原始地层压力23.6 M Pa,孔隙度23.9%,渗透率110.3×10-3μm2,油藏温度100℃;后者油藏中深2 150 m,原始地层压力23 M Pa,孔隙度21%,渗透率235.5×10-3μm2,渗透率变异系数0.86,油藏温度82～93℃。

根据国外经验,注空气驱油很难形成混相驱[8],因此,需要研究空气在不同油质、岩心、温度、压力条件下原油氧化反应的速率、氧气消耗量;求出原油在油藏条件下的氧化反应速率,分析反应后气体的组分含量,观察反应后的升温放热情况,评价目标油田的原油氧化性能和注空气工艺的可行性,为现场试验提供依据。

1 实验部分

目前室内筛选注空气开采项目的方法主要是燃烧管和氧化反应速率实验。后者实验结果通过反应速率(或放热速度)随温度变化的曲线表征。空气中氧气与原油发生氧化作用,其反应取决于原油性质、岩石与流体关系、温度和压力等[9-10]。

1.1 实验装置

实验装置如图1所示,最大工作压力30 M Pa。利用反应控制装置实现热电偶对小反应器(100 mL)进行加热/控温,分别用温度和压力传感器测量控温温度、小反应器温度和压力,通过相应软件读取温度、压力数据并保存为.xls形式;外部石棉层实现小反应器的绝热,中间平衡容器(60 m L)可调节其内外压力达到平衡。

1.2 实验方法与步骤

实验在模拟地层压力下,使用不同填砂模型的胜利和中原原油油样进行。首先,将定量油砂(储层压碎岩心与原油混合,约60 m L)装入小反应器,然后充入空气达到设定压力。反应仪的温度控制在95～130℃,利用软件和反应控制装置监测模型中温度和压力的变化情况。利用静态恒温反应装置,选择胜利和中原油田的油品和砂样做了6组实验。由于氧气被消耗,故可观察到压力下降,并根据气体状态方程、分压定律以及反应前后的压力降Δp,以及原油与空气的反应式

注空气氧化反应速率可利用简单的A rrhenius方程描述[7]

式中:p为氧气分压,kPa;t为反应时间,h;q为含油饱和度;k0为反应速率常数,L/(s·k Pa);E为反应活化能,J/mol;R为气体常数;T为绝对温度,K;m、n为反应级数;k0、E是反应动力学参数,由实验确定。

Fig.1 Experimen tal setup flowchart图1 实验装置流程图

氧气消耗完则反应完毕,此时温度、压力基本不变,收集小反应器中生成的气体(O2、CO2等),并利用气体分析仪分析其含量,可确定出氧气耗氧量。

2 结果与讨论

实验结果如表1所示。

表1 氧化反应实验结果Table 1 The result of oxidation reaction of experiment

从表1中结果可以看出:

1)反应产出气体含量分析

反应前空气中O2初始体积分数约为21%, CO2为0.03%。经静态恒温反应后,产出气体组分中O2含量减少,CO2含量增加,说明空气中氧气与油藏原油进行了氧化反应,氧气被消耗,生成二氧化碳。而反应后含量的变化程度跟温度、压力和粘土都有关系。

2)温度对原油氧化速率的影响

同一压力下,考察温度对原油氧化速率的影响,结果见实验3～6。对比实验5和6,温度增加,反应速率提高近2倍,氧气含量大幅度降低,生成二氧化碳量升高;110℃的实验4比100℃实验3消耗氧气多,反应比较快。由此可知,温度越高,氧化反应越充分,反应速率越高。

3)压力对原油氧化速率的影响

相同温度下,高压增加了气体在原油中的溶解度,更多的氧气与原油接触,有助于氧化反应,其产出的O2含量降低,CO2含量升高,反应速度加快。但压力对反应速率的影响不是很大。

4)粘土和水对原油氧化速率的影响

为考察岩样中粘土对氧化反应的影响,进行了在相同压力、温度下的实验(实验4和实验5),粘土质量分数为5%,含油饱和度0.5,含水饱和度0.3。从实验结果可以看出,相同条件下添加粘土使反应速率提高50%左右,气体组分中O2消耗增加,生成更多的CO2。说明粘土含量对氧化反应影响较大,这主要是因为粘土有利于加速燃料的形成,增大原油和空气接触表面积,可起到很好的催化作用。

5)氧化反应放热监测

为观察在低温氧化持续一段时间后,是否会出现自燃和连续放热的升温情况,在6组实验里,都进行了观察和探测,反应时间约116～154 h,模拟地层温度95～130℃,压力6.66～18.33 M Pa。实验中未监测到有大幅度升温和放热情况,原因可能是:①氧化反应速度并不高,反应进行缓慢;②氧化反应仪存在一定的热量损失。而西南石油大学进行了绝热模拟实验,考察注空气过程中油层温度变化情况,实验发现驱替过程中油层温度略有上升,但升幅不大;曲线最高点与初始油层温度相差3℃;升温速率很低,为0.001 7℃/m in,也说明低温氧化过程放热不明显,不足以使油层温度急剧上升。

综上,油藏条件下,目标轻质油藏(胜利和中原油田)原油可与空气中的空气发生低温氧化反应,消耗氧气,因此注空气提高采收率是技术可行的。氧化速率实验表明,温度对反应速率的影响很大,温度越高,反应速率越快;压力对反应速率有一定影响;在油砂中加入粘土,增加了氧气与原油接触的表面积,起到一定催化作用,能提高氧化反应速率。实验中未发现小反应容器内有大幅度升温或放热情况,说明原油与空气反应放热缓慢,且可能反应时间较短,反应放热不明显,不足以使油层温度急剧上升。

[1] Greaves M,Ren SR,Rathbone R R.Air injection technique(LTO p rocess)fo r IOR from light oil reservoirs:Oxidation rate and disp lacement studies[C].SPE 40062,1998:479-492.

[2] 于洪敏,任韶然,左景栾,等.中原油田空气泡沫调驱提高采收率技术研究[J].石油学报,2009,30(3):88-91.

[3] Fassihi M R,Gillham T H.The use of air injection to imp rove the double displacement p rocess[C].SPE 26374,1993: 81-90.

[4] 于洪敏,任韶然,左景栾,等.注空气泡沫低温氧化工艺提高采收率试验[J].中国石油大学学报:自然科学版,2009,33 (2):94-98.

[5] Gillham T H,Cerveny B W,Turek E A,et al.Keys to increasing p roduction via air injection in gulf coast light oil reservoirs[C].SPE 38848,1997:65-72.

[6] 于洪敏,任韶然,王杰祥,等.胜利油田注空气提高采收率数模研究[J].石油钻采工艺,2008,30(3):105-109.

[7] 岳玉全,郑之初,张世民.氮气泡沫发泡剂优选及油层适应性室内实验[J].石油化工高等学校学报,2010,23(1):80-85.

[8] 李松林,陈亚平,王东辉.轻质油油藏注空气实验研究[J].西安石油大学学报:自然科学版,2004,19(2):27-28.

[9] 黄建东,孙守港,陈宗义,等.低渗透油田注空气提高采收率技术[J].油气地质与采收率,2001,8(3):79-81.

[10] Ren SR,Greaves M,Rathbone R.Air injection L TO p rocess:A feasible IOR technique fo r light oil reservoirs[J]. Society of petroleum engineers journal,2002,3:90-98.

(Ed.:YYL,Z)

Experimental on Oxidation Reaction Rate fo r EOR by Air Injection in Light-Oil Reservoirs

YU Hong-min1,REN Shao-ran2,N IU Bao-lun2,ZUO Jing-luan3
(1.Petroleum Exp loration&Production Research Institute,SINOPEC,Beijing 100083,P.R.China;
2.College of Petroleum Engineering,China University of Petroleum,Dongying Shandong 257061,P.R.China; 3.China United Coalbed M ethane Co.L td.,Beijing 100011,P.R.China)

2 N ovember 2009;revised 10 A pril 2010;accepted 11 M ay 2010

Before an air injection p roject,the feasibility needs investigated in light-oil reservoirs for imp roved oil recovery, fo r example Shengli and Zhongyuan Oilfield.The p rocess was used a nearly adiabatic oxidation reaction apparatus,and simulated the low temperature oxidation(L TO)reaction p rocess between crude oil and air.Based on the hypothetical reaction equation and simp lified A rrhenius equation,the effects were studied fo r the reaction rates,such as reservoir temperatures, reservoir p ressures,clay contents et al.And the contents were analyzed fo r oxygen and carbon dioxide in p roduced gas.The experimental results show that the crude oil could realize the L TO reaction,and the air injection technique is feasible in the targeted reservoirs.L TO reaction rate is greatly affected by reservoir temperatures,p ressures and clay contents.The temperature(in the sand pack)ismonitored during the reaction to detect the temperature increase due L TO reactions,w hich has show n that no significant temperature rising can be observed fo r the reaction temperature of 95℃up to 130℃.

Air injection;Enhanced oil recovery;Low temperature oxidation;Reaction rate;Light-oil reservoirs

.Tel.:+86-13518668342;fax:+86-10-82282463;e-mail:yhm0825@hotmail.com

TE341

A

10.3696/j.issn.1006-396X.2010.03.013

1006-396X(2010)03-0055-03

2009-11-02

于洪敏(1981-),男,山东昌邑市,工程师,博士。

中国石油化工集团公司先导性科技项目(P06041; P06051);山东省泰山学者建设工程基金(TSXZ2006-15)。