齐40块注空气辅助蒸汽驱试验研究与应用

蒋生健

(中油辽河油田公司，辽宁 盘锦 124010)

齐40块注空气辅助蒸汽驱试验研究与应用

蒋生健

(中油辽河油田公司，辽宁 盘锦 124010)

针对齐40块蒸汽驱进入开发中后期平面和层间矛盾突出、高温汽窜现象严重的问题，开展了注空气辅助蒸汽驱研究和现场试验工作。通过对注空气辅助蒸汽驱增产机理、催化氧化反应对地层矿物伤害性和催化产物与破乳剂配伍性评价、伴生气含氧量爆炸极限等方面进行研究，优选出以B为主剂的催化剂及其最佳注入浓度，有效保障了注空气辅助蒸汽驱的平稳运行，起到明显增油效果，同时也为蒸汽驱后期综合调整提供了技术储备。

齐40块;蒸汽驱;催化氧化反应;注空气辅助蒸汽驱;爆炸极限

引言

齐40块开发目的层为莲花油层，油藏埋深为625～1 050 m，原油密度为0.968 6 g/cm3，地层水矿化度为2 579.3 mg/L。1987年以蒸汽吞吐方式投入开发，1998年开展4个井组蒸汽驱先导试验，2006年区块全面进入蒸汽驱工业化实施阶段，共有蒸汽驱井组150个，注采井距为70～100 m。区块全面转驱以来，日产油水平由转驱初期的1 280 t/d上升到最高的1 931 t/d。近年来，随着蒸汽驱生产不断深入，油藏层间和平面矛盾日益凸显［1］，区块产量上升势头缓慢，并逐渐呈现递减趋势。按照蒸汽驱阶段划分标准［2］，齐40块工业化实施的139个井组中已有82个井组进入驱替阶段后期或突破阶段，占总数的59.0%。进入驱替阶段后期，井组产量急剧下降，油藏层间和平面矛盾突出。根据井温及吸汽剖面监测资料，齐40块65井组平均油层纵向动用程度为59.5%，平面动用程度为57.5%，波及体积为27.2%。为缓解汽驱生产中的层间和层内矛盾，2010年开展了注空气辅助蒸汽驱试验研究与现场应用工作。

1 注空气辅助蒸汽驱采油技术机理

注空气低温氧化采油作为1项改善区块开发效果的新技术，具有气源丰富、成本低廉的优点［3］。在开采过程中，将空气注入油层与原油发生氧化反应，能有效降低稠油黏度和改善油水界面张力，具有调剖、助排、提高热利用效率和驱油效率等作用［4－6］。

(2)稠油分支链被氧化为极性的含氧化合物(如醛、酮、醇和羧酸)［7］，从而自生表面活性剂，能提高驱油效率。

(3)氧化反应生成的CO2溶解于稠油和水中能降低油水界面张力，使原油黏度大幅度下降［8］。

(4)注入的空气与蒸汽存在密度差，进入油层后上浮至油层顶部，由于N2压缩系数和膨胀系数都较大，分布在蒸汽腔上部的N2能够维持系统压力，防止蒸汽因重力作用造成的超覆，起到调剖作用。

(5)空气中的N2具有优良特性，是驱替原油的理想气体。主要包括:①N2能减缓油层上部热损失，提高蒸汽热效率;②N2的压缩膨胀作用改变原油流动形态，增强原油流动性;③补充地层能量，提高泄油能力;④减弱蒸汽黏性指进，促进汽腔均匀扩展。

2 空气辅助蒸汽驱室内实验研究

2.1 催化剂优选及性能评价

在实验装置中加入50 g原油、50 mL地层水和不同组分的催化剂，待装置内温度升至200℃、空气充压0.6 MPa后，恒温反应12 h，考察油品压差Δp、黏度μ、酸值X以及CO2生成量变化情况，实验结果见表1。

由黏度、酸值以及生成的CO2量来看，CB、 DB、AB的催化氧化效果都优于AE、AF。说明由于B的催化氧化作用，一方面使生成的CO2和气态轻烃起到溶胀作用，从而降低稠油黏度;另一方面稠油中胶质沥青质组分得到催化裂解，降低了分子质量，从而降低了原油黏度。由酸值变化来看，B部分对稠油酸值增加贡献较大，表明B部分对催化氧化起主要作用，生成了大量的表面活性剂(醛、酮、醇和羧酸等)，这对降低稠油黏度也起到一定作用。

表1中，加入CB、DB及AB后，Δp均为负数，为分析反应体系前后压差变化原因，实验对反应后的尾气进行组分分析。反应体系初始在空气中充压0.6 MPa，由于空气中CO2含量较低，可以忽略不计。常温低压下N2几乎不溶于稠油，为便于计算，实验认为催化氧化反应后氧化油中不溶解N2。通过反应体系前后的压力变化、酸值变化以及生成的CO2的物质的量来分析尾气的组成(表2)。

其中，δij为（Kronecker delta）符号，当i=j时，δij=1，当i≠j时，δij=0，Eij为变形率的时均分量，k为湍动能，μt 为湍流运动黏度。在该理论的指导下，FLUENT提供了多种湍流模型，其中，RNG k-ε 模型是最适合用于计算船舶黏性流场。其耗散率 ε 与湍动能k的输运方程为:

表1 催化剂性能评价

表2 催化剂－尾气关系

由表2可知，原油通过催化氧化反应生成了CO2和气态轻烃。由CB、DB、AE、AF、AB 5种催化剂的催化氧化反应所得尾气组分情况来看，生成物尾气中的CO2含量极少，表明氧气大部分和稠油低温催化氧化而使稠油中的烃类及胶质沥青质发生羧化作用，从而使得氧化油的酸值增加，即为吸氧反应而非燃烧反应。由尾气中气态烃的含量也可以看出，B对稠油的催化氧化起主要作用。因此，实验选用以B为主的复合催化剂进行室内实验。

2.2 催化剂用量优选

室内选用以B为主的复合催化剂进行系列实验，表3为不同催化剂用量时的反应结果。

表3 催化剂用量、压差、μ、X关系

从反应压差变化情况看，系统前后压差相差较小，但其中催化剂用量为0.2%时压差较大，这是由催化剂对稠油裂解生成大量轻烃所导致;从黏度变化情况看，原油黏度变化基本随催化剂用量增加而呈下降趋势，但催化剂用量为0.6%时黏度激增，这是因为随着催化剂用量的增大，酸聚合反应比较严重引起的;从酸值变化情况看，催化剂用量为0.2%时氧化油的酸值较大，表明此时的催化氧化效果较好。综上所述，选用催化剂的使用量为0.2%。

2.3 反应前后稠油组分变化

表4是稠油在催化氧化反应前后组成的分析结果。可以看出，反应前后轻烃组分有所增加，胶质沥青质组分减少，说明复合催化体系对稠油具有裂解作用。

表4 催化氧化反应前后稠油组分比较

2.4 最佳反应温度确定

表5为催化剂反应温度与反应程度的关系。可见，随着反应温度的升高，氧化油的酸值逐渐降低，而压差也由正变负，这说明在160、180℃时稠油主要发生低温缓慢氧化反应，而200、220、240℃的压差为负，表明此时生成的气态烃较多，稠油发生了较大的催化裂解反应。由降黏率可以看出，160～240℃稠油催化氧化反应后的降黏率都高达99%以上，但在200℃时氧化油的黏度最低，仅为34 mPa·s。从测试资料看，齐40块地层温度约为200～240℃，这为注空气低温氧化原油提供了最佳温度条件。

表5 反应温度与反应程度关系

2.5 提高蒸汽驱效果模拟实验

2.5.1 模拟岩心的制备

岩心装填(岩心为不同目数的人造刚玉砂、压裂砂)→测定空气渗透率→抽真空、测定孔隙度(饱和蒸馏水)→饱和油(齐40块脱水原油)、测定含油饱和度→束缚水饱和度。模拟岩心的部分油藏物性参数为:孔隙度为27.4%，空气渗透率为2.906 μm2，含油饱和度为76.9%。

2.5.2 实验方案及结果

方案1:对制备好的模拟岩心进行200℃蒸汽驱至残余油状态(产出液含水达到98%以上)，驱替结束，计算驱油效率。

方案2:对制备好的模拟岩心依次注入0.2% Woil催化剂、空气 6 g(4.6标升)、70 g蒸汽(300℃)。恒温200℃，静置5 d后，进行200℃蒸汽驱，至产出液含水达到98%以上，驱替结束，计算驱油效率。

按上述方案进行模拟实验，结果表明，空气辅助蒸汽驱比单纯汽驱采收率提15个百分点。

2.6 配伍性评价

2.6.1 催化氧化反应对地层矿物质伤害性评价

取齐40块地层岩心，放入催化氧化反应器中，加入稠油、复合催化剂，空气加压0.6 MPa，加温200℃，反应12 h后，取出岩心烘干称重，结果与反应前一样，说明以B为主的复合催化剂对地层矿物无伤害。

2.6.2 裂化产物与破乳剂配伍性评价

将原油和反应产物按不同比例混合，分别加入350 mg/L的破乳剂，进行静态脱水实验(表6)。结果说明，稠油催化氧化反应产物与集输破乳剂配伍良好，不会对原油集输处理造成不良影响。

表6 裂化产物与破乳剂的配伍性

2.7 伴生气含氧量安全技术界限研究

空气与天然气的混合气体在一定浓度范围内极易发生爆炸，因此需要将氧气浓度控制在爆炸极限范围以外，才能有效保障实验安全［9－12］。室内通过模拟齐40块生产井伴生气组分(天然气组分按80%CH4+15%C2H6+5%C3H10配制)与氧气进行不同配比条件下的爆炸实验，得出在可燃气体爆炸范围内的氧气浓度，结果见表7。

根据实验结果，确定齐40块伴生气含氧量在14.5%以上即可发生爆炸。为保障现场试验安全，确定伴生气含氧量技术极限为5%，安全警戒值为3%，当含氧量小于3%时，油井正常生产，当含氧量大于3%时油井暂时关井;当含氧量大于5%时，注入井停注。

表7 不同气体组分爆炸实验结果

3 实施效果

2010年，齐40块实施注空气辅助蒸汽驱试验3个井组，均起到明显效果:一是地层温度变化明显，汽窜现象得到有效改善，其中齐40－17－028井组内上倾部位观察井油层温度高点下降35℃，下倾部位观察井油层温度高点上升20℃;二是井组产量得到有效提升，增油效果明显，齐40－17－028井组日产油由措施前的70.3 t/d上升至目前的97.8 t/d，日增油达27.5 t/d;三是伴生气含氧量监测正常，井组生产井套管气含氧量为0～0.3%，均在安全警戒值之内。

4 结论

(1)多元化注气辅助蒸汽驱采油技术为国内首次实施，采用空气作为辅助介质，突破以往蒸汽单一介质注入方式，为蒸汽驱后期开发调整提供了技术支持。

(2)通过室内实验优选出以B为主剂的催化氧化剂，确定出最佳的注入浓度，使氧气在短井距(70～100 m)、短时间内充分消耗，确保了注空气辅助蒸汽驱安全生产。

(3)通过模拟齐40块伴生气组分，根据室内实验结果，考虑安全因素，科学界定了伴生气含氧量爆炸极限为5%，安全警戒值为3%，为注空气辅助蒸汽驱伴生气含氧量监控提供了依据。

［1］向智红，陈树猛，朱元伟，等.防窜增效技术改善齐40块蒸汽驱开发效果［J］.特种油气藏，2009，16(1):127－130.

［2］胡明珠.齐40块蒸汽驱评价及阶段调控技术［J］.特种油气藏，2009，16(1):84－86.

［3］张旭，刘建仪，易洋，等.注气提高采收率技术的挑战与发展——注空气低温氧化技术［J］.特种油气藏，2006，13(1):6－9.

［4］蒋有伟，张义堂，刘尚奇，等.低渗透油藏注空气开发驱油机理［J］.石油勘探与开发，2010，37(4):471－476.

［5］王杰祥，徐国瑞，付志军，等.注空气低温氧化驱油室内实验与油藏筛选标准［J］.油气地质与采收率，2008，15(1):69－71.

［6］唐晓东，崔盈贤，孟科全，等.注空气催化氧化渤海稠油降黏工艺可行性探讨［J］.西南石油大学学报，2008，30(6):141－144.

［7］顾永华，何顺利，田冷，等.注空气提高采收率数值模拟研究［J］.重庆科技学院学报，2010，12(5):82－84.

［8］王杰祥，来轩昂，王庆，等.中原油田注空气驱油试验研究［J］.石油钻探技术，2007，35(2):5－7.

［9］万成略，汪莉.可燃气体含氧量安全限值的探讨［J］.中国安全科学学报，1999，9(1):48－52.

［10］于洪敏，左景栾，任韶然，等.注空气采油油井产出气体燃爆特性［J］.中国石油大学学报，2010，34(6): 100－103.

［11］吉亚娟，周乐平，任韶然，等.油田注空气工艺防爆实验的研究［J］.中国安全科学学报，2008，18(2):87－89.

［12］吉亚娟，周乐平，赵泽宗，等.注空气采油工艺的风险分析及安全控制技术［J］.石油化工安全环保技术，2007，23(3):19－21.

Experimental study and application of air－assisted steam flooding in Qi40 block

JIANG Sheng－jian
(Liaohe Oilfield Company，PetroChina，Panjin，Liaoning124010，China)

Steam flooding in Qi40 block has entered mid－late stage and shows problems of severe areal and interlayer interferences and high temperature steam channeling.Researches and experimental study of air－assisted steam flooding have been conducted in respects of the mechanism of boosting production，the damage of catalytic oxidation reaction on formation minerals，the compatibility of reaction product with demulsifier，and the explosion limit on oxygen content of associated gas.A catalyst with B agent as the main agent and its optimum concentration are optimized.These techniques have effectively stabilized steam flooding performance and increased oil production，and provided ways for integral adjustment in the late stage of steam flooding.

Qi40 block;steam flooding;catalytic oxidation reaction;air－assisted steam flooding;explosion limit

TE357.4

A

1006－6535(2012)03－0117－04

10.3969/j.issn.1006－6535.2012.03.031

20110926;改回日期:20120210

国家科技重大科技专项“提高稠油蒸汽驱效率技术”(2008ZX05012－001)

蒋生健(1963－)，男，高级工程师，1985年毕业于西南石油学院石油工程专业，本刊编委，现从事采油工艺技术管理与应用工作。

编辑王 昱