新疆C油田注空气提高采收率可行性研究

高志卫， 沈海兵, 李一波

(1.中石化新疆新春石油开发有限责任公司, 克拉玛依 834000； 2.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室， 成都 610500)

受地层条件高温、高矿化度等因素影响，多数油藏常采用气驱开发[1-3]。由于空气驱具有气源广、成本低、自产热、易混相等优点，故在各种气驱方法中倍受关注[4-6]。空气驱可以有效规避化学驱的局限性，由于这些优势，空气驱被普遍认为是最有潜力普遍适用于各个油田的提高采收率方法之一。在现有的研究中，认为空气驱过程中，一旦空气注入油藏，驱替原油与氧化原油两个现象同时发生。在油藏中，消耗氧气生成一氧化碳(CO)或二氧化碳(CO2)，氧化反应的程度与原油特征、岩石流体性质及油藏温度、压力等有直接的关系[7-8]。高压注空气能提高或保持油藏压力，原油低温氧化消耗氧气(O2)，也会形成氮气(N2)驱。空气驱机理不但包括传统的注气作用，还具有氧化反应产生的独特机理和效果，主要概括为：氧化反应生成的CO、CO2和空气中的N2以及蒸发的轻烃组分等组成的烟道气对原油的重力驱作用及促使原油膨胀与蒸发；注空气低温氧化生成热量；产生的烟道气可与原油形成混相或近混相驱[9]。

空气驱油在中国陆地油田的应用较外国的要晚，而且空气驱的机理较传统提高采收率方法更为复杂[10]，各种机理的作用效果受油藏的具体情况影响，其相关理论和辅助技术需要长期大量的研究，所以加快开展空气驱的相关研究是中国油田开发现阶段的迫切需要。故现通过原油注空气低温氧化实验和绝热氧化实验，研究氧化压力对低温氧化和绝热氧化的氧化效果的影响；并采用长岩心空气驱物理模拟实验，对比分析空气驱和水驱后空气驱复合驱的驱油效率，为新疆C油田注空气开发提供参考。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

实验原油为新疆C油田脱水脱气原油，黏度(25 ℃)73 mPa·s。

实验设备包括：DGM-Ⅲ 多功能岩心驱替装置(成都岩心科技有限公司)、Agilent 6890 GC气相色谱仪、Agilent 7890B GC油相色谱仪、高温高压热跟踪补偿绝热氧化装置、FB-45/7无油空气压缩机、ES-100A恒速恒压泵和氧化管等。

1.2 实验方法

1.2.1 原油低温氧化实验

采用长氧化管，研究新疆C油田目标区块油藏温度100 ℃下，不同压力(16、24、32、40 MPa)对原油低温氧化反应的影响。实验流程如图1所示，实验步骤如下。

图1 氧化实验流程图Fig.1 Flow chart of oxidation experiment

(1)对长氧化管(氧化管长1 m，内径0.962 cm，外径1.236 cm)饱和40 mL原油。

(2)关闭长氧化管出口端，并向其中注入空气至指定压力。

(3)将其置于高温高压条件下进行恒温静态氧化反应，并通过软件对时间、压力和温度进行监控。

(4)氧化7 d后，开启长氧化管出口端，收集氧化反应后的气体和原油，对气体和原油进行气相色谱分析和油相色谱分析，分析不同注气压力对稠油低温氧化的影响。

1.2.2 原油绝热氧化实验

采用高温高压热跟踪补偿绝热氧化装置，如图2所示，研究在油藏温度100 ℃，不同氧化压力(16、32 MPa)对原油绝热氧化的影响。绝热氧化实验流程图所示，实验步骤如下。

图2 绝热氧化实验流程图Fig.2 Flow chart of adiabatic oxidation experiment

(1)按照实验流程图检查并组装各实验装置。

(2)将一定量原油通过横流泵注入热跟踪补偿装置中，然后密封装置并检查实验各装置密封性。打开热跟踪装置操作面板及软件程序，设定氧化温度及外筒的保温套温度后，分别向热跟踪补偿装置内筒及环空注入高压空气和N2，当注入压力和环空压力达到设定压力值后，立刻关闭内筒和环空的注气口，密闭热跟踪装置各个开关，进行氧化反应，并设置气体和原油样品采集时间间隔，自动进行数据跟踪采集。

(3)氧化反应7 d后，关闭温度压力数据采集系统，并控制系统温度、压力，结束氧化反应，随后打开热跟踪补偿装置取气口，取适量气体进行气相色谱分析。

1.2.3 长岩心空气驱物理模拟实验

针对目标区块原油，采用2种不同注入方式(空气驱、水驱+空气驱)在油藏条件下进行驱替实验，研究不同驱替压力下空气驱、水驱+空气驱对驱油效果的影响。如图3实验模拟流程图所示，实验步骤如下。

图3 长岩心驱替实验模拟流程Fig.3 Simulation flow of long core flooding experiment

(1)将仪器连接好，并将长岩心连接在多功能岩芯驱替装置(内置烘箱)，然后注地层水饱和岩心(真空抽提法)，在实验温度和压力条件下稳定一段时间，使岩心得到充分饱和后，记下饱和水量。

(2)用脱气死油驱替岩心中的水，至不出水为止，稳定后继续驱替至不再出水，记录驱出水量，计算束缚水饱和度和含油饱和度。

(3)然后用地层原油驱替岩心中的死油，直到入、出口端原油气油比一致，稳定后再继续驱替，达到入、出口端原油气油比一致。

(4)重复上述步骤(1)～步骤(3)得到6组实验长岩心，其物性参数如表1所示。

表1 驱替前不同实验组岩心物性参数Table 1 Core physical parameters of different experimental groups before flooding

(5)在实验温度压力条件下，前三组实验岩心分别采用恒定注空气压力(36、34、32 MPa)驱替岩心中的原油，在此过程中记录进出口端压力、进液量、油、气的产量。

(6)在实验温度压力条件下，后三组实验岩心分别先采用恒定注水压力(36、34、32 MPa)驱替岩心中的油样，直到出口端驱出的水量占驱出的油水总量的98%为止。开始进入不同压力的空气驱替实验(恒定注气压力分别对应为36、34、32 MPa)，在此过程中记录进出口端压力、进液量、油、气、水的产量，并进行水气驱驱油效率计算。

2 结果与分析

2.1 原油低温氧化反应特征

2.1.1 气相组分分析

为了考察氧化压力对原油低温氧化反应的影响，进行不同压力下的低温氧化实验，氧化时间优化为7 d，氧化结束后分别取适量氧化气体进行气相色谱分析，结果如表2所示。

从表2可以看出，随氧化压力的增加，原油残余氧气量逐渐减少，残余氧气量从16 MPa的19.864%下降至40 MPa的18.649%，说明原油耗氧量能力不断增加。压力升高会增加空气在原油中的溶解度，导致原油与更多的氧分子接触，消耗的氧气主要与原油烃类发生氧化加成反应，氧原子取代烃分子活性位点处的氢原子，生成氢过氧化物、醇、醛、酮及羧酸等氧化产物[11-12]。因而残余氧气量随氧化压力的增加递减较快。同时随着氧化时间的增加，氧化反应进一步加深，原油耗氧量也随之增加，导致残余氧浓度也呈下降趋势。

表2 不同压力下原油氧化后残余氧气量Table 2 Residual oxygen content after crude oil oxidation under different pressures

图4为不同氧化压力下原油氧化不同时间时的耗氧情况，可以看出相同氧化压力下随氧化时间的增加，原油耗氧量呈增加趋势，并且压力越高原油耗氧量越大。同时高压下随压力增加，原油耗氧量增加的幅度更明显，说明高压下具有更好的氧化活性，氧加成反应也更明显。

图4 不同氧化压力下原油耗氧对比Fig.4 Comparison of crude oil oxygen consumption under different oxidation pressures

2.1.2 油相组分分析

原油在不同氧化压力下氧化7 d后原油碳数分布如图5所示。由于原油中溶解的氧与原油中的不稳定烃类开始会发生氧化反应生成自由基和过氧化物，而原油中不同碳数的烃类具有不同的氧化活性，因而为了表征原油氧化进程和各碳数的变化关系，将C5～C35根据氧化活性划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ 4个区间来进行分析。

图5 不同氧化压力下氧化后原油碳数分布Fig.5 Carbon number distribution of crude oil after oxidation under different oxidation pressures

表3为不同氧化压力下氧化原油中不同碳数区间碳组分含量，从表3可以看出,原油和不同氧化压力下得到的氧化原油在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ区间内的碳含量呈现规律性的变化：I区内的C5～C14含量随氧化压力增加呈递减趋势，Ⅱ区内的C15～C20含量都较初始原油增加，同时Ⅲ区内的C21～C28含量和Ⅳ区内的>C28含量也都呈增加趋势，说明氧化压力增大主要促进原油的低温氧加成反应，生成的醇、醛、酮及羧酸会进一步经历芳构化、缩合及缩聚过程，生成缩合度更高的大分子物质[13]，导致轻中质烃类(C15～C20)、中质烃类(C21～C28)和重质烃类(>C28)都呈现不同程度的增加。对于32 MPa氧化后原油，C5～C14含量较初始原油减少10.799%，C15～C20含量较初始原油增加3.741%，C21～C28较初始原油增加4.306%，>C28含量较初始原油增加2.757%，基本上Ⅰ区内碳数变化的量等于Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ区内碳数变化的总量。

表3 不同氧化压力下不同碳数区间碳组分含量Table 3 Contents of carbon components in different carbon number intervals under different oxidation pressures

2.2 原油绝热氧化反应特征

2.2.1 气相组分分析

绝热氧化实验过程中从绝热装置出口端取出适量气体进行气相色谱分析，不同压力下原油绝热氧化过程中9次取气测得的气相组成变化数据，如图6所示。原油注空气绝热氧化过程中，原油与氧气发生低温氧加成反应，烃分子活性位点上的氢原子会被氧原子取代，氧气被消耗，同时低温氧加成过程中生成的羧酸继续经历碳键剥离过程也会导致CO2和加成反应，烃分子活性位点上的氢原子会被氧原子取代，氧气被消耗，同时低温氧加成过程中生成的羧酸继续经历碳键剥离过程也会导致CO2和CO的生成。从图6可以看出，绝热氧化阶段随着氧化时间的增加，氧气与原油充分发生氧化加成反应，O2消耗明显，CO和CO2呈不断增加趋势，说明绝热氧化中不断累计的热量改善油样耗氧能力的同时促进更多的氧化衍生物进一步发生脱羧反应，生成了大量的CO和CO2，且CO量明显大于CO2量，这主要与自由基反应和氧化反应进程有关[14]。16 MPa下残余氧气量从初始21%不断下降到16.35%，而32 MPa下最终残余氧气量仅为15.92%，说明高压条件下原油氧化消耗更多的氧气，氧化进程更加明显，氧化分解生成更多的CO和CO2，因而32 MPa下生成CO和CO2量为2.35%和0.43%，相对于16 MPa下的1.45%和0.36%，增加53.6%。

图6 不同压力下原油绝热氧化过程中气相组成变化Fig.6 Changes of gas phase composition during adiabatic crude oil

2.2.2 油相组分分析

表4为不同压力绝热氧化油相色谱分析结果，从表4可以看出，随氧化时间的增加，C5～C14因氧化加成反应生成分子量更大的组分，导致含量呈下降趋势，C15～C20和C21～C28因低温氧加成反应含量呈增加趋势，C28+因醇、醛、醛等中间产物继续氧化生成分子量更大的重质组分而呈现轻微增加趋势[15]。同时C5～C14组分减少的量基本等于C15～C20、C21～C28和C28+组分增加的量，说明原油绝热氧化过程中低温氧化加成反应主要导致组分分子量增加，中质组分氧化生成了重质组分，说明氧化反应期间生成的CO2、CO的量很少。并且不同压力的绝热氧化实验对比说明，绝热氧化条件下氧化压力增加同样能够改善氧化反应进程，高压条件下原油氧化加成反应更充分，各组分变化更为明显。

表4 不同压力下绝热氧化过程中油相色谱变化分析Table 4 Analysis of oil phase chromatographic changes during adiabatic oxidation under different pressure

2.3 长岩心空气驱物理模拟实验研究

2.3.1 空气驱驱油效率分析

图7和图8为不同驱替压力和气油比驱油效率对比，从图7和图8可看出，随着驱替压力的增加，最终驱油效率也有所上升，当驱替压力升高至36 MPa时，驱油效率可达40.17%。当注入压力为36 MPa，注气量小于0.73 PV(孔隙体积)时，随着注入量的增加，原油驱油效率迅速增加。由于在注入空气驱替原油过程中，气体相对于原油而言，其与岩石表面的界面张力更小，更容易在孔道中流动，因此气体容易沿着孔道中心开始率先突破，即产生“指进现象”，而原油的黏度远远大于气体，所以刚开始气体是以不连续的气泡形式向前推进，孔隙中的原油与空气充分接触，原油中溶解的空气量增多发生膨胀具有弹性能量，同时空气中的氧气与原油发生低温氧化反应，会生成CO与CO2，其与空气中的N2及反应过程中蒸发的轻烃组分等共同形成的烟道气也会驱替原油，而此时驱油效率增加主要来源于气体增压导致地层能量增加以及原油溶解空气产生的弹性能量[16]。

图7 不同驱替压力驱油效率对比Fig.7 Comparison of oil displacement efficiency with different displacement pressures

图8 不同驱替压力气油比对比Fig.8 Comparison of gas-oil ratio at different displacement pressures

随着突破的气泡数量逐渐增多，小气泡开始聚并成大气泡，最终将会形成一条气窜通道，产生气窜。如当注入压力为36 MPa、注入量超过0.73 PV时，开始产生气窜，此时曲线出现拐点，即驱油效率达35.2%，曲线趋于平稳状态，驱油效率增长缓慢，并且这时候驱油效率的增长可归因为高压气体的高速携带作用，并且空气与原油的接触程度达到最大，此时低温氧化反应效果最佳，烟道气驱及烟道气对原油产生的混相作用也会更为显著。

2.3.2 水驱后空气驱复合驱替效率分析

图9为水驱+空气驱复合驱过程中注入PV数与驱油效率的关系。从图9可以看出，水驱阶段实验岩心驱油过程注入压力越高，启动压力梯度越大，驱油效率随着注入PV数迅速增加，逐渐形成水流通道进而发生水窜后，驱油效率趋于平稳[17]。注入压力越高，驱油效率拐点对应的PV数越小，更早达到经济极限，对应的驱油效率也更高，水驱驱油效率最高可达41.58%。

图9 不同压力下水驱及后续空气驱驱油效率对比Fig.9 Comparison of oil displacement efficiency of water flooding and subsequent air flooding under different pressures

水驱后转气驱时，同样存在启动压力梯度，并且由于在孔隙结构中空气属于非润湿相，且具有更大的流度，在大孔喉中容易流动，因而驱替开始阶段驱油效率增加幅度较缓慢[18-20]。随着注入空气量的增加，原油中溶解的气量不断增加，进而膨胀等作用增加了驱替能量，岩心中的残余油继续被驱出，空气驱驱油效率不断增加。但是水驱后残余油多分布在微小孔隙中，且驱替过程中原油缺乏足够的接触氧化时间，无法充分发挥空气的氧化驱油机理，因而当大孔喉中形成气流通道后，高速空气流直接沿着通道向前运移，无法充分驱替细小孔隙中的残余油，导致产气速度迅速增加，驱油效率增加有限，因而最大气驱驱油效率仅为9.86%。同时随着注空气压力的增加，空气更容易在岩心孔隙中形成气流通道，导致气驱驱油效率拐点对应更低的注入PV，注入压力36 MPa下，空气驱驱油效率拐点对应0.86 PV。

3 结论

(1)氧化压力可有效改善原油低温氧化进程，高压下具有更好的氧化活性，氧加成反应也更明显，原油耗氧能力增强。氧化压力增大主要促进原油的低温氧加成反应，生成的醇、醛、酮及羧酸会进一步经历芳构化、缩合及缩聚过程，生成缩合度更高的大分子物质，导致轻中质烃类(C15～C20)、中质烃类(C21～C28)和重质烃类(>C28)都呈现不同程度的增加。

(2)“绝热条件”下原油氧化积聚的热效应能改善原油氧化进程，导致原油耗氧量增加，脱羧反应生成CO和CO2量也显著增加，高压条件下CO和CO2的生成量增加53.6%。原油绝热氧化反应过程中，压力增加，原油氧化加成反应更充分，各组分变化更为明显。

(3)长岩心空气驱物理模拟实验表明，将空气注入长岩心中，原油溶解大量空气发生膨胀具有弹性能量，同时空气中的氧气与原油发生低温氧化反应，生成CO与CO2，其与空气中的氮气及反应过程中蒸发的轻烃组分等共同形成的烟道气也会驱替原油，同时烟道气对原油可能产生的混相作用，多重机理作用下，空气驱驱油效率可达40.17%。

(4)与空气驱相比，水驱后空气驱复合驱驱油效率更高，当注入压力为36 MPa时，复合驱驱油效率为51.44%。当水驱达到经济极限后再注入空气，原油与空气接触发生反应，原油膨胀作用、烟道气驱作用和混相驱作用等能将水驱后微小孔隙中残余油进一步驱出。