注空气提高低渗透油藏采收率实验及低温氧化反应特征

钱川川 骆飞飞 蒋志斌 祁丽莎 冯利娟

（中国石油新疆油田公司，新疆 克拉玛依 834000）

0 引 言

中国低渗、特低渗油藏的开发方式一直以注水开发为主，开发效果较差［1‐4］，尤其是在开发中后期，普遍面临“注不进、采不出”等问题，严重制约了此类油藏的高效开发。室内实验及矿场试验均表明，相比注水开发方式，注气开发可以显著提高注入能力，补充油藏能量，有效解决低渗透油藏压力系统难以建立的问题。然而，气源和成本往往成为制约注气开发的关键因素。与其他气源相比，空气驱气源不受限制，成本低，是低渗透油藏提高采收率的潜在技术［5‐8］。

从20 世纪60 年代开始，国外对空气驱油机理开展了大量研究，矿场试验也取得了不错的效果，整体理论技术和配套工艺比较成熟［9‐11］。国内空气驱研究开始于20 世纪90 年代，先后在百色油田、胜利油田、大庆油田等地开展了矿场试验和室内研究。但是，矿场试验规模普遍较小，虽然取得了一定效果，但基本以空气泡沫调驱为主，研究主要集中在多孔介质中气体驱赶泡沫的性质、起泡剂浓度和空气泡沫气油比等气液相驱替机理方面。室内实验研究由于基础薄弱，方法单一，大多采用热重分析仪等仪器，侧重于反应动力学参数和氧化速率等方面［12‐16］，而采用岩心驱替评价空气驱油效果的研究较少。本文通过模拟实际油藏条件，采用长岩心开展空气驱提高采收率实验，分析不同注入压力下空气驱油效果和低温氧化反应特征，为低渗透油藏开发后期注空气提高采收率提供了理论依据。

1 空气驱油机理

空气驱是提高低渗透油藏采收率的有效方法之一，也被称为“高压注空气”（HPAI），是主要通过注入设备把高压空气从注入井注入油藏中，实现高效驱替原油的一种开发方式，其机理如图1 所示。由于空气的黏度比水小，更易进入注水难以进入的细小孔隙。而且，空气中的氧气在一定条件下可以和原油发生低温氧化反应，改善油藏开发效果，进而提高采收率。

图1 空气驱油机理示意Fig.1 Schematic diagram of the air displacing oil mechanism

低渗透油藏注空气提高采收率的主要机理包括：（1）高压注空气有助于保持或提高地层压力；（2）原油与氧气发生低温氧化反应，消耗空气中的氧气，形成氮气驱；（3）氧化反应产生部分热量，降低原油黏度，同时部分气体溶解在原油中，使原油体积膨胀，降低原油黏度；（4）在一定的条件下，空气与原油的低温氧化反应产生的烟道气可以与原油形成近混相驱替；（5）对于一些特殊油藏，如巨厚或倾斜层状油藏，在顶部注气可以产生重力驱效果［17‐20］。

2 实验设计

以国内某低渗透砂岩油藏为例，该油藏受储层特征及开发因素影响，目前面临含水率高、产液量低的问题，急需寻找一种合理的开发方式对油藏进行开发调整。为此，利用岩心驱替实验手段，开展空气驱在该类油藏的可行性分析。

2.1 实验设备和材料

由于目标油藏可钻样的天然岩心不足，因此实验岩心采用与目标油藏孔、渗等物性条件近似的人造岩心，油样取自目标油藏。驱替仪器：ES‐100A恒速恒压泵、DGM‐Ⅲ型多功能岩心驱替装置、岩心夹持器、压力表、六通阀、高压管线等。样品分析仪器：7890B 油相色谱仪等。图2 为实验装置。

图2 空气驱油实验装置示意Fig.2 Experiment instruments of air displacing oil

2.2 实验方案

为掌握实际油藏空气驱油规律，利用长岩心物理模拟实验，在实际油藏条件下研究空气驱效果，设计2 组实验，表1 为实验参数。

表1 空气驱实验参数Table 1 Experiment parameters of air injection displacement

第1 组：岩心只进行空气驱，设计3 种不同注气压力的空气驱油实验，分析不同注入压力对空气驱油效果的影响。

第2 组：岩心先进行水驱至含水率98%，再进行空气驱，研究高含水期的驱替规律。

实验流程：（1）清洗岩心，测试孔隙度和渗透率等基本参数；（2）抽真空、饱和水、饱和油，模拟原始地层条件；（3）地层温度下，分别采用恒压（35、33 和31 MPa）注入方式，至出口端气油比大于8 000 m3/m3结束，记录不同注入量的生产压差、采出油量、气量和气油比；（4）水驱至含水率98%，再采用恒压（33 MPa）注入空气驱替，至出口端气油比大于8 000 m3/m3结束，同样记录相关数据。

3 实验结果

3.1 空气驱实验

3.1.1 注入压力对采收率的影响

图3 为不同注气压力下的岩心驱替结果。可以看到，随注气压力增加，驱替结束后岩心的颜色逐渐变浅，效果更好。然而，注入压力从31 MPa 上升到35 MPa，采收率仅增加了2.17 百分点，增加幅度较小。对于单组岩心来说，沿驱替方向，由于注入空气与入口端率先接触，入口端的颜色浅，驱替效果好，出口段颜色深，剩余油富集。

图3 不同注气压力下岩心驱替照片Fig.3 Core displacement photos under different air injection pressures

图4 为采出程度与注入量的关系。当注入量为0.2~0.3 PV 时，出口端开始见油，之后采收率快速上升。注入压力不同，气窜拐点出现的时间不同。这主要是由于油气黏度的差异所导致的。

图4 不同注气压力下采出程度与注入量关系Fig.4 Relationship between recovery degree and injection volume with different air injection pressures

由于空气黏度远小于原油黏度，空气能够进入更小的孔道之中，通过与原油的反复多次接触，发生低温氧化反应，部分气体溶解使原油体积发生膨胀，原油黏度降低，渗流能力增强。然而，考虑到空气的组分以氮气为主，难以与原油实现混相，油气流度比远大于1，岩心内极易发生严重的指进现象。驱替过程中，空气在大孔道中不断汇聚，形成大气泡，直至形成连续气相带，形成气窜。一般来说，压力越高，气体的高速携带作用越强。但高注入压力，同样会导致气窜拐点提前出现，影响最终采出程度。因此，对于油田现场，注气参数应综合考虑，在适当增加注入压力的前提下，尽量避免过早见气，降低气窜风险。

图5 为不同注入压力下产出端气油比的变化。注入压力越高，气窜拐点越早出现，说明注入压力越高，越易导致气窜，影响驱油效果。由表2 可知，气窜发生后，生产压差明显降低。

表2 空气驱气窜前后参数对照表Table 2 Contrast of the parameters before and after gas channeling of air injection

图5 不同注气压力下气油比与注气量关系Fig.5 Relationship between gas-oil ratio and injection volume with different air injection pressures

实际生产中，由于空气中的氧气与原油中的甲烷混合后，容易发生爆炸，过早气窜给安全生产带来巨大风险。因此，实际油藏实施空气驱，应对注入压力进行优化，在降低气窜风险的同时提高采出程度。

3.1.2 原油组分的变化

低温氧化作用是注空气提高采收率技术的重要机理，低温氧化反应会产生CO2、水、醚、醛、酮等含氧烃类化合物（图6）。氧化反应产生的热量使油层温度升高，促使原油中的轻质组分蒸发，氧化生成的CO、CO2、空气中的N2和蒸发的轻组分等形成烟道气驱［21‐23］。

图6 低温氧化机理Fig.6 Mechanism of low-temperature oxidation

以35 MPa 为例，通过对不同注气量下的产出原油进行色谱分析（图7），发现随着注气量的增加，原油中较轻的组分（C5—C13）体积分数明显下降，而较重质（C21—C30）组分体积分数明显增加。

图7 35 MPa下不同注入量原油碳组分体积分数Fig.7 Volume fractions of carbon components in oil under different injected volumes at 35 MPa

低温氧化反应导致原油中部分轻质组分蒸发，原油中的中质和重质组分体积分数增加，这些组分含有更多的支链，相对分子质量更大，空间立体结构更复杂。一般来说，注入空气量越多，低温氧化反应越充分，原油中的轻质组分越少，重质组分越多。

图8 为不同注气压力下原油密度与注入量关系。初始阶段，原油密度略有降低，这是因为部分空气溶解到原油中。随着驱替进行，低温氧化作用使原油中的轻质组分减少，重质组分增加，密度逐渐增大。一般来说，注入压力越高，油气接触越充分，低温氧化作用越强，产出原油的密度越大。

图8 不同注气压力下原油密度与注入量关系Fig.8 Relationship between oil density and injection volume with different air injection pressures

3.2 水驱后转空气驱实验

3.2.1 采出程度

图9 为水驱至含水率98%后转空气驱的采出程度与注入量关系。转空气驱后，采收率提高了9.65百分点。这主要是由于空气进入了很多注水无法驱替的小孔喉。然而，水的存在，在一定程度上阻碍了原油和空气的接触，减弱了低温氧化作用，一旦出现气窜，空气将沿大孔道突进，产气速率急速增加，无法有效驱替原油。

图9 水驱转空气驱采出程度与注入量的关系Fig.9 Relationship between recovery degree and injection volume by water drive converted to air injection

3.2.2 原油物性

基于低温氧化反应和实验结果，空气驱过程中会发生低温氧化作用，产生醚、醛、酮等含氧烃类化合物，导致原油黏度和密度有所增加。

图10 为水驱后转空气驱不同注入量对应的原油黏度。转空气驱后，随着注入量的增加，发生低温氧化反应，原油黏度有一定的增大，由原始的62.31 mPa·s 增加到62.71 mPa·s。但岩心中含水率较高，原油低温氧化产生的热效应受到水的影响，不利于扩散，损失严重，反应程度降低，加成反应不明显，导致原油黏度变化不大。原始油样密度为862.8 kg/m3，空气驱后原油密度变为863.5 kg/m3，驱替前后原油密度变化较小，说明在高含水油藏进行空气驱，原油低温氧化反应不充分，可以忽略其对采收率的影响。

图10 水驱转空气驱不同注入量下的原油黏度Fig.10 Crude oil viscosity under different injection vol‐umes from water drive to air injection

3.2.3 气相组成

产出气体组分分析显示，产出气中含有少量的C1—C5烃类组分（体积分数小于0.1%），这主要是由于轻质原油含有较多的轻质组分，驱替过程中溶解进原油中的空气会蒸馏抽提出油相中的部分轻烃类进入到气相。但气体中没有检测到CO 和CO2，而且N2体积分数为78.5%，残余氧气体积分数为20.5%，说明在高含水油藏中空气驱低温氧化反应不充分，无法形成烟道气驱。

4 结 论

（1）空气驱油存在明显的“气窜拐点”。气窜发生前，采出程度随注气量的增加迅速增加，一旦发生气窜，采出程度的增加明显放缓。注气压力越高，“气窜拐点”出现越早，提高采收率效果变差。实际油藏进行空气驱应选择合理的注入压力，延缓“气窜拐点”出现的时间。

（2）空气驱油过程能够发生低温氧化反应，随着注入量的增加原油中的轻质组分减少，重质组分增加。注入压力越高，低温氧化反应越充分，采收率越高。

（3）实验结果表明，高含水油藏进行空气驱，残余氧气体积分数为20.5%，低温氧化反应十分微弱，无法形成烟道气驱。但水驱采油达到经济极限后转空气驱，采收率可提高近10 百分点，高含水油藏可采用空气驱的方法进一步提高油藏采收率。