空气泡沫驱氧化机理实验研究

2015-03-13周冰灵

化学工程师 2015年2期

周冰灵

（东北石油大学提高采收率教育部重点实验室，黑龙江大庆163318）

空气泡沫驱技术创造性地将空气驱[1]和泡沫驱[2]组合起来，不仅克服了空气驱容易气窜的不足，而且还具有调剖和驱油的双重作用。在油藏条件下，注入油层中的空气泡沫破裂后，其中空气中的O2与原油接触，发生低温氧化反应[3]，产生一定量的CO2、水以及少量的含氧烃类化合物。同时低温氧化过程中放热，产生的热量使油层温度升高，促使轻质组分蒸发，直接起驱油作用的不是空气，而是在油层内生成的CO、CO2、N2和蒸发的轻烃组分等组成的烟道气。因此，空气泡沫驱具有空气驱和泡沫驱两种技术优点，已经成为一种很有发展前途的三次采油技术。但是如果注入空气中的O2与原油反应不充分，在原油中O2与甲烷气体的含量达到爆炸所需的有效浓度时，就有可能发生爆炸现象。因此，O2的含量是决定注空气泡沫工艺成败的关键因素。开展空气泡沫驱氧化机理实验研究，主要目的是使注入的空气在油藏中有足够长的滞留时间，使O2与原油、粘土、地层水等充分反应，以便消耗大量的O2，从而将O2浓度控制在安全范围内，为现场注气安全性的分析提供了理论基础。

1 实验条件

1.1 仪器和药品

空气瓶，压力表，恒温箱，安捷伦7890A气相色谱仪，高压反应容器，高压管线，温度控制系统等。

1.2 空气对原油的低温氧化原理

向轻质油藏注入空气后，空气的O2和原油自发发生氧化反应，在油层中产生轻组分碳氢化合物以及烟道气（CO2、N2等）[4]，同时氧化反应过程中释放热量，这些热量能够局部增加油藏温度，维持氧化反应的持续进行。所以，空气驱油不但能达到一般注气的效果，还能产生氧化反应带来的附带效应。

注入油藏的空气主要有两个作用，即驱油作用和与原油发生氧化作用。注空气低温氧化法就是通过注入空气和油藏中的原油发生低温氧化，使空气中的O2与碳氢化合物反应生成醇、醛、酮等，生成的这些化合物又会和氧气发生反应生成含碳氧化物和水，机理[5]见图1。

图1 注空气低温氧化机理Fig.1 Low temperature oxidation mechanism on air injection

1.3 原油成分及产出气成分分析方法

使用安捷伦7890A气相色谱仪分析氧化反应后原油成分的变化，并对产出气进行了气相色谱分析，通过气相色谱柱分析出产出气体的组成及各组分的含量。图2、3分别是分析原油和空气成分的气相色谱图，与标准谱图对比可知原油和空气的组成以及原油各组分的含量。

图2 原油成分气相色谱全烃分析图Fig.2 Hydrocarbon gas chromatography analysis diagram of crude oil composition

图3 气体成分分析气相色谱图Fig.3 Chromatography analysis diagram of gas composition

1.4 实验步骤

实验设备见图4。

图4 氧化反应实验装置Fig.4 The equipment of LTO experiment

将反应物装入容器中，再向容器内充入高压空气100mL，加压至预设压力8MPa，放置到恒温箱中加热到设定温度（保温），高压反应容器置于恒温箱中，分别进行不同时间段（15、30、60、120d）的氧化反应，反应结束后从各个容器中取油样、气样，研究原油成分、气体组分变化，并通过容器上安装的压力表观测压力变化。最后分析实验数据，给出结论。

2 结果分析

2.1 油与空气的氧化反应

将氧化反应速率定义为单位反应时间及单位体积内原油的耗氧量。

O2消耗的物质的量=n1-n2

式中 n1：反应前注入高压反应器中O2的摩尔数，n2：反应后高压容器中剩余O2的摩尔数。

在25、35、45、70℃4种温度下，原油恒温放置15、30、60、120d，分析不同温度不同反应时间后原油成分的变化。典型的实验结果见图5、6。

图5 25℃氧化反应不同时间原油成分含量对比Fig.5 The contrast of oil composition during various reaction time at 25℃

图6 45℃氧化反应不同时间原油成分含量对比Fig.6 Contrast of oil composition during various reaction time at 45℃

随着时间的增加，原油逐渐被氧化，轻质组分含量增加，重质组分含量减少，且温度越高效果越明显。但是当反应时间超过60d以后，原油成分变化不大。

表1为不同温度下氧化反应后的氧化速率、O2含量及CO2含量实验结果。

表1 不同温度下不同时间原油氧化速率及含氧量变化Tab.1 The experimental results during various reaction time at different temperature

由表1可知，随着温度的增加反应速率增大，氧气的含量逐渐减少，生成CO2的量相应增加，而且反应时间达到30d时氧化速率明显加快，90d以后反应速率趋于缓慢。

2.2 含水对原油氧化速率的影响

在实际油藏条件下水总是存在的，必须考虑地层水对原油低温氧化速率的影响。在相同的反应条件下（8MPa，35℃），分别进行了在油砂中加水和不加水的实验。

表2 含水对氧化反应的影响Tab.2 The effect of stratum water

从表2中数据可看出，加水的反应速率比不加水时提高了22.3%，说明水的存在能加快反应的进行，含水也是提高氧化速率的有利因素。同时，反应后的O2含量较不加水时降低了2.6%，一方面，高压条件下水中可以溶解一部分氧，使含氧量降低，另一方面，由于地层水是润湿相，优先吸附在岩石表面，扩大了原油与空气的接触面积，从而加速了氧化反应的进行。

2.3 粘土对氧化反应速率的影响

地层中的粘土矿物能够促进氧化反应的发生，促进重油裂解，是原油粘度降低，从而进一步加速原油的氧化速率，使得油藏条件下注入空气中的氧气尽可能消耗掉，对于避免安全隐患和提高原油采收率都十分有利。

通过在油砂中加黏土与不加黏土的油砂的实验进行对比，进一步分析黏土对氧化反应的影响。测试的氧化速率实验结果见表3。

表3 粘土对氧化反应速率的影响Tab.3 The effect of clay

实验结果表明，加入粘土的氧化反应速率较不加粘土提高了36.1%，反应后的O2含量降低了4.2%，这是因为，一方面，粘土表面能够吸附一定数量的氧，另一方面，粘土对原油的氧化反应有一定的催化作用，使得氧化反应能够更好的进行，不仅加快了氧气的消耗，相对应生成的CO2含量也增多。另外，加粘土反应后的原油轻质组分含量也比不加粘土反应的轻质组分含量高，说明氧化反应的效果更明显。