减氧空气辅助重力驱全直径岩心物理模拟——以青海油田尕斯库勒油藏为例

龙安林，祁青山，陈小龙，李宜强，鲁珊珊，张佩，李信

（1.中国石油 青海油田分公司 勘探开发研究院，甘肃 敦煌 736200；2.中国石油大学（北京）a.油气资源与探测国家重点实验室；b.石油工程学院，北京 102249）

近年来老油藏老区块的再开发越来越受到重视。青海油田尕斯库勒油藏是典型的高温高盐油藏，受限于油藏条件，很难实施有效的化学驱来提高采收率[1]，气驱成为这类油藏提高采收率的重要技术手段[2-3]。常用的注气方法有连续注气和水气交替注入[4-5]。水气交替注入的优势在于一定程度上解决了连续注气过程中油气密度差异导致的重力超覆问题。但水气交替注入仍旧具有局限性，突出表现在水气交替注入过程中，含水饱和度增加，降低了注气能力，加剧了水油流动的竞争，削弱了气体的波及体积。注气辅助重力驱技术是利用已有的注入井将气体注入到构造顶部，由于油气之间的密度差会形成一个稳定的油气界面。随着气体的不断注入，油气界面下移，油被驱替出[6-10]。理论研究和矿场实践表明[11]，注气辅助重力驱可以抑制黏性指进，扩大波及体积，提高微观驱油效率，极大地提升最终采收率。将注气辅助重力驱与减氧空气驱结合起来，理论上可以扩大油气接触面积，有利于低温氧化反应的充分进行，同时低温氧化反应产生的热降黏效应有利于抑制气窜，故减氧空气辅助重力驱具有很大的应用潜力[12]。

目前中国针对注气辅助重力驱的研究多是采用填砂管或者柱状岩心，任韶然等通过填砂模型研究了倾角、注气速度等因素对注气辅助重力驱的影响，发现注气速度越小，倾角越大，采收率越高[13]。冷振鹏等通过填砂模型CT 提出了注气辅助重力驱的提高采收率机理[14]。但这类填砂模型受限于模型尺度，很难充分发挥重力的作用，得到的结果具有一定的局限性。故在本研究中，首先通过静态低温氧化实验明确减氧空气辅助重力驱在尕斯库勒油藏的可行性。在此基础上利用大尺度的天然全直径岩心开展减氧空气辅助重力驱实验，研究氧气体积分数、注气速度和倾角对减氧空气辅助重力驱的影响规律。采用灰色关联方法，筛选出对减氧空气辅助重力驱影响最大的因素。研究结果可以为尕斯库勒油藏实施减氧空气辅助重力驱提供一定的理论指导。

1 实验条件及方法

1.1 实验材料和仪器

（2）实验仪器 DV-Ⅱ型布氏黏度计（美国Brookfield 公司），黏度测试范围1～1 000 mPa·s，转速0.01～250.00 r/min，精度为测试范围的±1.0%，重复性为±0.2%；HW-4A 双联自控恒温箱；ISCO 高精度柱塞泵（美国Teledyne ISCO 公司），输出流速0～10.0 mL/min，精度0.1 mL/min，输出压力0～15.00 MPa，精度0.01 MPa；德国耐驰同步综合热分析仪（型号为NETZSCH STA 449 F3 Jupiter），温度范围-150～2 400 ℃；多功能全直径岩心驱替装置（扬州华宝石油器材公司），温度范围0～150 ℃，压力范围0～70 MPa；Agilent 7890B GC 气相色谱仪（美国Agilent 公司）；无汞全透明活塞式高压PVT装置（法国ST公司）。

1.2 静态低温氧化实验

与传统的静态低温氧化实验不同，为了保证低温氧化能够充分进行，对实验所用的低温氧化反应釜进行了改装，在反应釜内部及外部增加了旋转系统，每隔固定时间反应釜将自动旋转，有利于反应釜内油气的充分接触反应。ISCO 高精度柱塞泵连接装油气活塞与低温氧化反应釜，反应釜的压力由ISCO高精度柱塞泵提供。反应釜出液端连接油气分离器和气体收集装置，收集好的气体由气相色谱仪测定组成。连接好实验装置并检查各装置的气密性，确认无误后将原油加入低温氧化反应釜中。具体实验步骤：①将氮气与减氧空气分别加入反应釜中，压力达到33 MPa，关闭反应釜注气口，再次检查各装置的气密性；②将氧化管置于120 ℃环境下，进行静态低温氧化实验（氧化100～150 h）；③利用集气袋收集氧化后产出端气体，进行气相色谱分析，计算各组实验的耗氧速率。

1.3 减氧空气辅助重力驱实验

减氧空气辅助重力驱实验方案见表1。首先开展了4 组以氧气体积分数为影响因素的实验，研究注入气体中氧气体积分数与采收率的关系，其中氧气体积分数5%的减氧空气是目前尕斯库勒油藏使用的减氧空气标准，以此为基准取高氧气体积分数（10%和15%）进行对比，研究氧气体积分数差异对采收率的影响。此外还开展了一组纯氮气实验，目的在于对比低温氧化作用对实验结果的影响。其次，进行了3 组以注气速度为影响因素的实验，研究注气速度对减氧空气辅助重力驱采收率的影响。最后进行了5 组以岩心倾角为影响因素的实验，研究倾角对减氧空气辅助重力驱的影响，倾角的大小反映了重力的作用程度，本实验设置了5 组倾角，其中0°和90°分别代表重力无作用与重力发挥最大作用的情况；10°是尕斯库勒油藏的实际倾角；设置20°和45°的目的是得到重力作用逐渐增大时对采收率的影响变化数据。

表1 减氧空气辅助重力驱实验方案Table 1.Experimental program of oxygen⁃reducing air⁃as⁃sisted gravity drainage

实验步骤：①将岩心抽真空，饱和水，计算孔隙度，测定渗透率；②饱和油，将岩心夹持器按照实验要求设置为某一倾角，实验温度为120 ℃，回压为33 MPa；③按照实验方案设置注气参数，开始实验。为了准确测定采出端氧气体积分数，收集刚刚突破后的采出气进行气相色谱分析，这时得到的气体与原油的低温氧化反应是最充分的，更能反映真实的氧气消耗情况。实验结束后，改变注气参数，重复步骤①—③。

2 结果与讨论

2.1 静态低温氧化实验结果

图1 是不同气体条件下静态低温氧化实验压力变化。由图1 可知，随着反应的进行，各组实验的压力均出现了明显的下降，原因在于反应釜内的氧气与原油在一定的温压条件下，发生了低温氧化反应，部分氧气被原油消耗，从而使得反应釜内压力下降。其中氮气不会与原油发生反应，本文中氮气作为对照组实验，用来表征该温压条件下气体溶解造成的压力降幅。空气（氧气体积分数21%）与原油的反应过程压力降幅达到了8.94%，而氧气体积分数5%的减氧空气与原油反应过程的压力降幅仅为4.35%，压力降幅的差异代表低温氧化程度的差异。主要原因在于氧气体积分数越大，氧气分压越大，氧分子越易与原油发生反应，越有利于低温氧化的进行[15]。为了更加准确地描述不同氧气体积分数下的低温氧化程度，需要选用泛化能力更加广泛的参数来对此现象进行描述，这里笔者引入了耗氧速率来进行表征：

图1 不同气体条件下静态低温氧化实验压力变化Fig.1.Changes of the pressure in static low⁃temperature oxida⁃tion experiments under various gas conditions

计算结果如表2 所示，空气与原油反应的耗氧速率为4.36 mol/（h·mL）；氧气体积分数15%的减氧空气与原油反应的耗氧速率为3.34 mol/（h·mL）；氧气体积分数10%的减氧空气与原油反应的耗氧速率为2.62 mol/（h·mL）；氧气体积分数5%的减氧空气与原油反应的耗氧速率为2.19 mol/（h·mL）。氧气体积分数由低至高每增加5%时，耗氧速率的增幅分别为0.43 mol/（h·mL）、0.72 mol/（h·mL）、1.02 mol/（h·mL），说明随着氧气体积分数的增加，耗氧速率刚开始增加并不明显，当氧气体积分数增加到约15%时，耗氧速率开始急剧增加，低温氧化反应开始增强。随着氧气体积分数从5%升至21%，碳氢比从6.02 降至5.73，这说明氧气体积分数的升高有利于加深原油低温氧化反应程度。原因是在低温氧化过程中，胶质、沥青质等组分的活性较强，容易与氧气发生反应，生成大量的含氧衍生物，从而促进氧化进程，并且出现较低的碳氢比[16]。综上所述，尕斯库勒油藏条件下，即使是氧气体积分数5%的减氧空气，其耗氧速率也可以达到较高的水平，故该区块具有实施减氧空气辅助重力驱的潜力。

表2 不同气体条件下静态低温氧化实验结果Table 2.Results of static low⁃temperature oxidation experi⁃ments under various gas conditions

2.2 减氧空气辅助重力驱影响因素分析

2.2.1 氧气体积分数

低温氧化作用是影响减氧空气辅助重力驱的重要驱油机理之一，温度和压力是影响低温氧化作用的主要因素[17]，但是对于实际油藏而言，温度与压力是不可控因素，故需要考虑其他影响低温氧化作用的因素。研究表明，氧气体积分数越大，氧气分压越大，低温氧化作用越强[12]。此外，氧气体积分数的选择也关系到减氧空气辅助重力驱能否安全实施，故本节选择研究氧气体积分数对减氧空气辅助重力驱的影响。

从图2 可以看出，不同氧气体积分数的减氧空气辅助重力驱的采收率存在差异。减氧空气和氮气对原油的黏度与膨胀系数影响非常小，因此，图2 中采收率的差异是由氧气体积分数不同引起的低温氧化反应程度不同导致的，低温氧化作用对采收率的贡献可以由减氧空气辅助重力驱采收率减去同等条件下氮气驱采收率获得（表3）。当氧气体积分数为5%时，减氧空气辅助重力驱采收率与氮气驱相近，随着氧气体积分数的增加，与氮气驱相比，采收率的提高也越来越明显。分析认为其原因一方面是氧气体积分数越大，低温氧化反应越剧烈，热降黏效应以及烟道气驱作用越强，从而可以获得较高的采收率，但是由于本实验是在恒温条件下进行，热量无法累积，故热降黏效应几乎可以忽略[18]。另一方面是由于氧气体积分数越大，反应后原油重质成分越多，密度越大[19]，重力分异作用愈加明显，一定程度上延缓了气体的指进，从而有利于采收率的提高[20]。

图2 不同氧气体积分数下减氧空气辅助重力驱采收率与注气体积关系Fig.2.Relationships between recovery factor and gas injection volume in oxygen⁃reducing air⁃assisted gravity drainage under various oxygen volume fractions

Results of oxygen⁃reducing air⁃assisted gravity drainage experiments under various oxygen volume fractions

氧气体积分数5%的减氧空气在多孔介质中驱替后，采出端的氧气体积分数为0.68%；氧气体积分数10%的减氧空气在多孔介质中驱替后，采出端的氧气体积分数为2.32%；氧气体积分数15%的减氧空气在多孔介质中驱替后，采出端的氧气体积分数为5.26%。考虑到尕斯库勒油藏管道设备检测到2.00%的氧气就要停工进行检查，故从采收率与安全角度考虑，尕斯库勒油藏最大可以选择氧气体积分数略低于10%的减氧空气作为驱替介质。

2.2.2 注气速度

对于减氧空气辅助重力驱，注气速度与采收率之间并不是单调变化关系（图3）。注气速度为1.0 mL/min时，采收率最低，随着注气速度的降低，采收率增加，但这并不意味着注气速度越低，采收率越高。可以看到注气速度为0.3 mL/min 时的采收率高于注气速度为0.1 mL/min 时的采收率。原因在于注气速度过高（1.0 mL/min），油气前缘发生黏性指进，油气界面不稳定，气体突破时间早，油气接触面积变小，接触时间变短，氧气消耗量减小，波及效果差，采收率低；注气速度过低（0.1 mL/min），低流速将导致黏滞力不足以克服大部分小孔喉的毛细管力，毛细管滞留现象严重，使得最终采收率不高；注气速度合适时（0.3 mL/min），毛细管力、黏滞力和重力可以保持某种程度的动态平衡，油气前缘稳定，延缓了气体突破，采收率得以提高。

图3 不同注气速度下采收率与注气体积关系Fig.3.Relationships between recovery factor and gas injection volume under various gas injection rates

图4 是不同注气速度下的采油速度曲线。不难看出，减氧空气辅助重力驱的采收率主要是由气体突破前的采油量决定，对于上述3 组注气速度实验，其80%以上的采油量来源于气体突破前。气体突破前采油速度高，为高速采油期；气体突破后，气窜通道形成，采油速度开始快速下降，为采油衰竭期。尽管注气速度越高，其高速采油期采油速度越高，但由于气窜发生时间早，高速采油期难以维持，最终采收率并不高。当注气速度合适时，虽然采油速度有所降低，但持续时间长，最终采收率较高。对于减氧空气辅助重力驱，注气速度的选择需要关注2 个方面：一是注气速度要低于临界注气速度，这样才能保证驱替前缘稳定，同时增大油气接触面积和接触时间，发挥低温氧化的优势；二是注气速度并非越低越好，存在下限值，只有大于下限值时才得以克服大部分小孔喉内的毛细管力，使得注入气可以置换小孔隙中的原油[21]，注气速度只有在该范围内，才能保证重力与低温氧化的驱油优势充分发挥，得到较高的采收率。

图4 不同注气速度下采油速度曲线Fig.4.Oil producing rate curves under various gas injection rates

2.2.3 岩心倾角

表4 是不同岩心倾角下减氧空气辅助重力驱实验结果。当岩心呈水平时，最终采收率仅为37.2%；倾角增加至20°时，采收率明显增加，为48.8%；当倾角增至约90°时，采收率高达57.5%，这说明增加倾角，即增加重力，有利于气驱提高采收率。岩心水平时，重力发挥的作用非常小，油气黏度差异明显，故气体容易发生指进现象，导致气窜过早，采收率较低。随着岩心倾角增大，油气重力分异作用越来越强，油气分离趋势更加明显，注入气向上运移，聚集形成气顶下压驱油，一定程度上延缓了气体指进现象，扩大了波及体积。重力作用对采收率贡献定义为某一倾角采收率与0°采收率差值占0°采收率的比例（表4）。可以看出尽管倾角越大，重力作用对采收率贡献越大，但是增加单位角度对采收率的贡献在降低。即注气辅助重力驱替过程对重力作用较为敏感，微小倾角对驱替过程影响较大，随着倾角增大，采收率增幅逐渐减小。故对于倾角较小的油藏，注气辅助重力驱仍然是一种可行的提高采收率方法。

Results of oxygen⁃reducing air⁃assisted gravity drainage experiments under various core inclination angles

2.2.4 影响程度分析

采用灰色关联方法对氧气体积分数、注气速度以及岩心倾角对采收率影响程度进行分析。计算得到的灰色关联系数大小表征影响程度的强弱。关联度的类型有很多，包括邓氏关联度、绝对关联度、T 型关联度等[22]。采用邓氏关联度即利用位移差反映两序列间发展过程或量级的相似性来表征各因素对采收率的影响程度。邓氏关联度的数学模型：

关联度的计算模型：

计算结果见图5。分辨系数分别取0.5、0.7 和0.9时，3 种影响因素的关联系数相对大小关系不变，由大到小依次为注气速度、岩心倾角和氧气体积分数。即注气速度与倾角是影响减氧空气辅助重力驱的主要因素，与这两者相比，低温氧化相关的氧气体积分数对采收率的影响要小得多。说明对于减氧空气辅助重力驱而言，主要的影响因素仍旧是重力作用，低温氧化作用仅仅起到辅助作用。

图5 不同因素与减氧空气辅助重力驱采收率的关联系数Fig.5.Correlation coefficients between different influencing factors and recovery factor in oxygen⁃reducing air⁃assisted gravity drainage

3 结论

（2）注气速度对减氧空气辅助重力驱采收率的影响显著。注气速度高于0.1 mL/min 时，注气速度越低，采收率越高。但是当注气速度低于0.1 mL/min时，气体无法克服大部分小孔喉内的毛细管力，此时随着注气速度的降低，采收率开始下降。

（3）注气辅助重力驱替过程对重力作用较为敏感，倾角较小时对驱替过程影响较大。随着倾角增大，采收率增幅逐渐减小。故对于倾角较小的油藏，注气辅助重力驱仍然是一种可行的提高采收率方法。

（4）灰色关联分析表明，注气速度和倾角对采收率的影响较显著，氧气体积分数对采收率的影响较小。这也表明对于减氧空气辅助重力驱而言，主要的影响因素仍旧是重力作用，低温氧化作用仅仅起到辅助作用。

符号注释

k——代表单一影响因素下的某一组实验；

m——代表某单一影响因素共开展的实验组数；

n1、n2——分别为反应前、后的气体物质的量，mol；

p1、p2——分别为反应前、后的氧气分压，MPa；

r——单位体积原油耗氧速率，mol/（h·mL）；

ri——灰色关联度；

R——通用气体常数，其数值为8.314 J/（mol∙K）；

t——反应时间，h；

T——绝对温度，K；

Vg——容器中气体的体积，mL；

Vo——原油体积，mL；

xo——采收率；

xi——根据i的值不同分别代表氧气体积分数、注气速度与岩心倾角影响下的采收率；

Z——实验条件下的空气压缩因子，取1.02；

εi——关联系数；

ρ——分辨系数，取值范围为0～1。