注气体积和轻质油藏空气驱机制的关系探讨

任韶然，杨昌华，，侯胜明，3，刘印华，林伟民

（1.中国石油大学石油工程学院，山东青岛 266580;2.中石化中原油田采油工程技术研究院，河南濮阳 457001; 3.海南省工业和信息化厅，海南海口 570204;4.中石油煤层气有限责任公司，北京 100028）

注气体积和轻质油藏空气驱机制的关系探讨

任韶然1，杨昌华1，2，侯胜明1，3，刘印华4，林伟民2

（1.中国石油大学石油工程学院，山东青岛 266580;2.中石化中原油田采油工程技术研究院，河南濮阳 457001; 3.海南省工业和信息化厅，海南海口 570204;4.中石油煤层气有限责任公司，北京 100028）

通过细长管、填砂管氧化和驱替等一系列室内试验以及绝热条件下注空气过程的数值模拟研究注空气体积及不同注气阶段和轻质油藏注空气驱油机制的关系。根据试验和数值模拟分析结果，与其他气驱过程比较，给出典型轻质油藏空气驱替试验可能取得的原油采收率与注气体积关系理论曲线。结果表明，轻质油藏在不同注气体积条件下具有不同的驱油机制:注气体积小于0.5Vp（Vp为孔隙体积）即气体突破之前，烟道气驱为主要的驱油机制，驱油过程为一非混相气驱过程;注气体积大于0.5Vp即气体突破之后，烟道气和高温反应带共同作用的驱替作用表现为其主要机制;当反应带逐步推进至接近产出端时，反应带的热效应有可能成为重要的驱油机制。

轻质油藏;注空气;驱油机制;热前缘;氧气消耗

1 问题的提出

轻质油藏注空气（LOAI）是指将压缩空气注入到高温高压轻质油藏中，注入的氧气和部分原油发生低温氧化反应生成少量CO2，同时和空气中的氮气形成气驱的过程［1-2］。对于轻质油藏注空气驱油机制目前还没有统一认识。Fassihi等［3］从现场经验和工艺设计方面总结轻质油藏注空气的驱油机制按重要性依次为燃烧原油产生高的驱替效率、油藏迅速再加压、烟道气抽提原油、原油膨胀及非混相气驱。另外，还描述了以下3个可能的机制:自发点燃和完全的氧气消耗、维持油藏压力（高于泡点压力）、产生的烟道气和原油近混相［3］;Ren等［4-5］于1999年提出了油藏注空气低温氧化工艺原理，将轻质油藏注空气近似为低温氧化反应产生烟道气驱的过程;Clara等［6］也认为轻质油藏注空气有类似于常规气驱的作用，其驱油机制按重要性依次为烟道气驱扫、油田再加压、原油膨胀、降黏、抽提原油轻质组分及热效应;蒋有伟等［7］认为，低渗透轻质油藏注空气首先起到有效补充或维持油层压力的作用，整个过程中氮气驱对总采收率的贡献为69%，温度升高和二氧化碳的贡献分别为26.7%和4.3%。目前研究人员已经普遍认识到轻质油藏注空气和注烟道气在驱油机制上有着很大区别，前者可为热采过程，后者近似为等温气驱过程［8-9］。

对于注气体积（注气过程的不同阶段）和空气驱油机制的关系，目前也存在很多不同认识。Fassihi等［9］利用数值模拟方法，在一维轻质油（35°API）油藏模型中比较了注空气和注烟道气条件下原油产量的响应关系，结果发现:在注入气达到2倍烃类孔隙体积（VH）之前，注空气和注烟道气的产油量响应是相同的;超过2VH后，燃烧前缘驱替原油突破，使产油量迅速增加，然后随着气油比增大，产油量降低。在集油带突破之前，集油带前的原油实际上受到同样的气驱作用，因而产油速率是一样的。注空气形成的“火驱”集油带，其尺度和含油饱和度都比烟道气的大，所以当其突破时，产油量迅速增加。De Zwart等［10］在三维轻质油（36°API）油藏模型中进行了注空气数值模拟研究，并比较了等温模拟和燃烧模拟的结果，发现二者在前两年产油量响应相似，两年后燃烧工艺方案的产油量开始超过等温方案，因为模拟预测的燃烧前缘在两年后将到达生产井。Gutierrez和Montes等［11-12］通过试验，进行了轻质油的注烟道气和燃烧管试验研究，并将其结果进行了对比，发现在注入1Vp（Vp为孔隙体积）的空气之后，烟道气驱的细长管和岩心试验的增油量都很小，而燃烧管在燃烧前缘的热效应下开始产出大量“额外”的原油。这可能是因为油藏注空气的热效应对采收率的贡献取决于燃烧和反应部分占油藏总体积的比值，这一比值在注入1Vp空气之前较小，氧化反应的热效应需要大量注空气后才能体现出来。上述研究表明，在轻质油藏注空气过程中，产油量和采收率与注入的空气体积有很大关系。

为揭示轻质油油藏不同注气体积下的驱油机制，笔者在模拟轻质油藏条件下，进行一系列的细长管注空气、填砂管注空气试验及绝热条件下注空气过程的数值模拟研究，分析不同条件下的原油采收率和注入空气体积的关系，为试验结果分析和现场注空气工艺设计提供参考。

2 试验装置和方法

室内试验采用的原油均取自胜利油田某注空气候选区块，地层原油的黏度为1.6 mPa·s，原油重度为32.9°API，油藏压力为25 MPa，油藏温度为109℃。

细长管及填砂管试验的主要目的是在典型候选油藏条件下，对比不同注气体积下的驱油效率，分析空气和氧化反应产生的烟道气与原油的混相状态及其对驱油效率的影响。静态和动态氧化试验结果表明［4，13-14］，注空气过程中产生的烟道气中二氧化碳含量最多为14%，可以认为烟道气的最小混相压力和纯氮气接近［2］，而空气最小混相压力也可认为和氮气接近，所以在油藏条件下注空气和烟道气驱过程中的混相作用接近。

细长管试验中采用的细长管内径为8 mm，长度为5 m，内部充填石英砂，整个细长管放置在恒温箱中。试验过程中先饱和地层水，在常温常压下测量渗透率，再饱和原油样品。试验过程中以1.45 m3/ （m2·h）的速率（通量）注空气，在整个过程中记录产油和产水量，待气体突破后每隔一定时间采样测量产出气中氧气和二氧化碳含量。

填砂管试验装置及操作过程已经在文献［13］、［14］中作了详细描述，填砂管内径为25 mm，内部长度为700 mm。试验过程中为实现填砂管模型与实际油藏的相似性，采用真实油藏破碎岩心及不同粒径的石英砂进行混合配比，并且加入少量高岭土。在填砂过程中依次向填砂管中加入少量混合砂粒进行夯击压实，经多次填制最终选出两组与目标油藏渗透率相近的填砂管模型。两组试验填砂管的孔隙度分别为30.9%和33.2%，渗透率分别为17× 10－3μm2和39×10－3μm2，初始含油饱和度分别为59.4%和63.2%。其试验操作过程与常规气驱过程相同，只是在气体突破后每隔一定时间采样测量产出气中氧气和二氧化碳含量。试验条件及主要结果如表1所示。

表1 试验条件和主要结果Table 1 Experimental conditions and results

3 试验结果分析

3.1 细长管注空气试验

图1为细长管试验中原油采收率和产出气中O2和CO2含量随注气体积变化关系。由图1可以看出，气体突破发生在0.38Vp时，其采收率为40%，此时O2含量为2.8%，CO2含量为0.7%。随着注入量的增加，采收率进一步提高，直到注气体积为0.5Vp时采收率达到45%，以后基本不再增加。突破后O2含量逐渐升高至16%，然后随注空气量增加缓慢降低，最终稳定在13%左右。CO2含量一直在缓慢上升，最终维持在4%左右。从整个驱替过程可以清楚地看出，在试验条件下，由于低温氧化作用，在较长的氧化驱替管内能有效消耗氧气，并产生类似于烟道气驱的典型非混相气驱过程。

图1 试验1中原油采收率及产出气中O2、CO 2含量随注气体积变化曲线Fig.1 O il recovery factor and O 2，CO2 contents in produced gas versus volumes of air injected in experiment 1

3.2 填砂管注空气试验

两组填砂管试验的原油采收率随注气体积变化较为接近（图2）。其中试验2气体突破发生在0.36Vp处，对应的原油采收率为50%，产出气中O2含量为14%。当注气量达到0.5Vp时，采收率达到56%，以后增加量较小。随注气量的增大，产出气中O2含量持续上升至接近原始的21%，整个过程产气中CO2含量维持在0.5%左右。说明在油藏温度下，原油的氧化速率较慢，氧气在较短的填砂管内很难达到有效消耗。

图2 试验2和3中原油采收率及产出气中O 2、CO2含量随注气体积的变化曲线Fig.2 O il recovery factor and O 2，CO2 contents in produced gas versus volumes of air in jected in experiments2 and 3

3.3 数值模拟绝热氧化管试验

由于试验条件限制无法做到模拟真实油藏的绝热环境，但可以通过数值模拟来拟合和分析等温和绝热氧化管试验中的热效应。其中轻质原油低温氧化反应模型采用改进的低温氧化反应模型［14］。对于绝热氧化管试验数值模拟采用一维直角坐标模拟，模型管长700 mm，分为35个网格，垂直于流向方向的截面积相当于25 mm的圆管，与上述的填砂管试验相同。每个网格块都有相同的初始含油饱和度。不考虑重力作用和毛管力影响，注入端以恒速空气注入，出口端以等温试验中的出口回压为参考定压生产。模拟结果见图3。由图3看出:在注入0.5Vp空气后原油采收率便基本不再增加，达到54%;然后采收率几乎以恒定的速率缓慢上升，而当反应前缘接近产出端时，油产量和采收率迅速增加。这一现象可以解释为注空气过程中形成稳定的反应带后，由反应带和烟道气共同作用驱替原油，所以采收率缓慢上升;当反应带接近产出端时，反应带前缘直接驱替集油带原油产出，表现为原油采收率迅速上升。反应带和烟道气的共同驱替作用主要体现在以下3个方面:①反应带驱替过的区域具有较高的微观驱油效率，可以超过85%，同时在反应带前缘会通过蒸发—冷凝作用形成集油带;②集油带可降低气相渗透率，使气体改变流动方向，从而扩大波及体积;③烟道气会驱替部分集油带原油，提高总的驱替效率。

图3 绝热氧化管注空气驱替的数值模拟结果Fig.3 Simulation resu lts for an adiabatic air injection displacement experiment

4 试验结果讨论

根据以往试验结果和现场经验分析，Gates等给出了典型的混相气驱、非混相气驱、Gates和Ramey式的火烧油层、燃烧前缘驱替过程中原油采收率随注气体积（或燃烧体积）变化的理论曲线［15］（图4）。完全混相驱中注入剂和被驱替原油的界面张力降为零，假设注入气体能够波及绝大部分多孔介质，那么理想条件下1Vp注气体积几乎能达到90%以上的原油采收率。对于非混相气驱，流度比差异和界面张力会影响原油通过孔道，在0.5Vp的注气体积时能达到50%的采收率，气体突破之后原油采收率便不再增加。“火烧油层”和“燃烧前缘驱替”过程能产生持续稳定的驱替效果，采收率可超过80%。

根据试验和数值模拟结果，总结出一维轻质油藏注空气（绝热）驱替试验理论曲线（图4）的特征为:①注气体积小于0.5Vp即气体突破之前，烟道气驱为主要驱油机制，为非混相气驱，采收率能达到50%;②注气体积大于0.5Vp即气体突破之后，由烟道气和反应带共同作用驱替原油为主要机制，采收率缓慢上升;③当反应带接近产出端，反应带热前缘的蒸发—抽提—冷凝作用等为主要驱油机制，采收率可迅速上升超过75%。

本研究的目标区块为胜利油田某一进行注空气（作为二次采油）的低渗透轻质油区块，原始含油饱和度大于50%。研究结果表明，在注空气过程中，原油和就地产生的烟道气在油藏条件下不能达到有效混相，有可能导致早期气体突破。气体突破时可能伴随大量的原油产出，所以只要安全控制（产气中氧气含量很低），持续注入大量的空气在经济上仍然是可行的，但需要根据生产实际情况，适当调整注采比例和油井关闭和开启，实现成本最优化。

图4 不同条件下气驱理论曲线Fig.4 Theoretical curves of different gas disp lacem ent processes

在注空气技术应用中，实际轻质油藏注空气过程可能存在以下两种情况:①目标油藏含油饱和度很大（大于50%）时，在早期空气和烟道气驱阶段，产生的烟道气可以和原油达到较好的混相效果，以实现较高的气驱驱替效率;②目标油藏为水驱后期油藏，剩余油饱和度较低（So＜30%），有一定的提高采收率潜力。对于第一种情况，Shokoya等通过一系列室内驱替试验证明，虽然在高达46 MPa压力及100℃左右的温度下，注空气仍不能实现真正的混相驱替［16］，但轻质油与反应生成的烟道气可产生一定混相效果:既有混合蒸发和冷凝气驱的作用，又有反应生产的热效应，所以注空气的驱油效果要优于常规的非混相气驱（氮气和烟道气），即使在油藏压力不太高的条件下，注空气技术也是可行的。对于第二种情况，如果气体早期突破，再持续注入大量的空气，因为剩余油饱和度太低，继续增油的潜力可能不会太大，在经济上已经不支持再注入更大体积的空气。但是，通过辅助于其他提高波及效率的工艺，如采用注空气泡沫调驱，进一步提高采收率仍是可能的。

5 结论

（1）室内试验和油藏模拟得到的驱油机制和过程为:①注气体积小于0.5Vp即气体突破之前，烟道气驱为主要驱油机制，即为非混相气驱;②注气体积大于0.5Vp即气体突破之后，由烟道气和高温反应带共同作用驱替原油为其主要机制，采收率稳定上升;③当反应带逐步推进并接近产出端，反应带的热效应（如原油其组分的蒸发－冷凝作用）有可能成为重要的驱油机制。

（2）典型轻质油藏注空气驱替试验注气体积和原油采收率关系理论曲线体现了原油低温氧化反应产生热效应的增油效果。

（3）在较高油藏温度下，从完全消耗氧气及提高采收率的角度考虑可将轻质油藏注空气工艺作为低温氧化－气驱和高温氧化－热采相结合的过程进行设计，这样可以在保证安全的前提下充分发挥氧化反应热效应的驱油作用，最大程度提高采收率。

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Relationship between air volume and oil-recovery mechanism for light oil air injection process

REN Shao-ran1，YANG Chang-hua1，2，HOU Sheng-ming1，3，LIU Yin-hua4，LINWei-min2

（1.College of Petroleum Engineering in China University of Petroleum，Qingdao 266580，China; 2.Oil Production Engineering Technology Institute，Zhongyuan Oilfield Branch Company，SINOPEC，Puyang 457001，China; 3.Industry and Information Technology Department of Hainan Province，Haikou 570204，China; 4.PetroChina Coalbed Methane Company Limited，Beijing 100028，China）

The relationship between volume of air injected and oil-recovery mechanism for a light oil air injection process （LOAI）was studied through a series of laboratory experiments and numerical simulation including slim-tube tests，sand-pack displacement tests and numerical simulation ofan adiabatic reaction process of LOAI.Based on the experimental and numerical simulation results and in comparison with other gas injection processes，a theoretical curve was given，which could be used for predicting the oil-recovery factor as a function of volume of air injected for oil displacementexperimentunder typical light-oil reservoir conditions.The results show that LOAI process may have differentmechanisms during different injection stages related to the volumes of air injected.Up to 0.5Vp（porous volume）of air is injected（before gas breakthrough），the prevail oil recoverymechanism is flue gas driving，which is an immiscible gas flooding process.When the injected volume of air is over 0.5Vp（affter gas breakthrough），the combination of flue gas driving and the thermal effect induced by the oxidation may become an important oil recoverymechanism.Finally，thermal effectmay become the dominate oil recoverymechanism when the thermal frontapproaches oil producers.

light oil reservoir;air injection;oil recovery mechanisms;thermal front;oxygen consumption

TE 357.7

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2012.03.020

1673-5005（2012）03-0121-05

2011－10－10

中国石化公司先导性科技项目（P06041）

任韶然（1960－），男（汉族），山东烟台人，教授，博士生导师，主要从事注空气提高采收率、CO2地质埋存、水合物抑制和开采研究。

（编辑 韩国良）