注氣體積和輕質(zhì)油藏空氣驅(qū)機(jī)制的關(guān)系探討

任韶然，楊昌華，，侯勝明，3，劉印華，林偉民

（1.中國(guó)石油大學(xué)石油工程學(xué)院，山東青島 266580;2.中石化中原油田采油工程技術(shù)研究院，河南濮陽(yáng) 457001; 3.海南省工業(yè)和信息化廳，海南?？?570204;4.中石油煤層氣有限責(zé)任公司，北京 100028）

注氣體積和輕質(zhì)油藏空氣驅(qū)機(jī)制的關(guān)系探討

任韶然1，楊昌華1，2，侯勝明1，3，劉印華4，林偉民2

（1.中國(guó)石油大學(xué)石油工程學(xué)院，山東青島 266580;2.中石化中原油田采油工程技術(shù)研究院，河南濮陽(yáng) 457001; 3.海南省工業(yè)和信息化廳，海南?？?570204;4.中石油煤層氣有限責(zé)任公司，北京 100028）

通過(guò)細(xì)長(zhǎng)管、填砂管氧化和驅(qū)替等一系列室內(nèi)試驗(yàn)以及絕熱條件下注空氣過(guò)程的數(shù)值模擬研究注空氣體積及不同注氣階段和輕質(zhì)油藏注空氣驅(qū)油機(jī)制的關(guān)系。根據(jù)試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析結(jié)果，與其他氣驅(qū)過(guò)程比較，給出典型輕質(zhì)油藏空氣驅(qū)替試驗(yàn)可能取得的原油采收率與注氣體積關(guān)系理論曲線。結(jié)果表明，輕質(zhì)油藏在不同注氣體積條件下具有不同的驅(qū)油機(jī)制:注氣體積小于0.5Vp（Vp為孔隙體積）即氣體突破之前，煙道氣驅(qū)為主要的驅(qū)油機(jī)制，驅(qū)油過(guò)程為一非混相氣驅(qū)過(guò)程;注氣體積大于0.5Vp即氣體突破之后，煙道氣和高溫反應(yīng)帶共同作用的驅(qū)替作用表現(xiàn)為其主要機(jī)制;當(dāng)反應(yīng)帶逐步推進(jìn)至接近產(chǎn)出端時(shí)，反應(yīng)帶的熱效應(yīng)有可能成為重要的驅(qū)油機(jī)制。

輕質(zhì)油藏;注空氣;驅(qū)油機(jī)制;熱前緣;氧氣消耗

1 問(wèn)題的提出

輕質(zhì)油藏注空氣（LOAI）是指將壓縮空氣注入到高溫高壓輕質(zhì)油藏中，注入的氧氣和部分原油發(fā)生低溫氧化反應(yīng)生成少量CO2，同時(shí)和空氣中的氮?dú)庑纬蓺怛?qū)的過(guò)程［1-2］。對(duì)于輕質(zhì)油藏注空氣驅(qū)油機(jī)制目前還沒(méi)有統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。Fassihi等［3］從現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)和工藝設(shè)計(jì)方面總結(jié)輕質(zhì)油藏注空氣的驅(qū)油機(jī)制按重要性依次為燃燒原油產(chǎn)生高的驅(qū)替效率、油藏迅速再加壓、煙道氣抽提原油、原油膨脹及非混相氣驅(qū)。另外，還描述了以下3個(gè)可能的機(jī)制:自發(fā)點(diǎn)燃和完全的氧氣消耗、維持油藏壓力（高于泡點(diǎn)壓力）、產(chǎn)生的煙道氣和原油近混相［3］;Ren等［4-5］于1999年提出了油藏注空氣低溫氧化工藝原理，將輕質(zhì)油藏注空氣近似為低溫氧化反應(yīng)產(chǎn)生煙道氣驅(qū)的過(guò)程;Clara等［6］也認(rèn)為輕質(zhì)油藏注空氣有類(lèi)似于常規(guī)氣驅(qū)的作用，其驅(qū)油機(jī)制按重要性依次為煙道氣驅(qū)掃、油田再加壓、原油膨脹、降黏、抽提原油輕質(zhì)組分及熱效應(yīng);蔣有偉等［7］認(rèn)為，低滲透輕質(zhì)油藏注空氣首先起到有效補(bǔ)充或維持油層壓力的作用，整個(gè)過(guò)程中氮?dú)怛?qū)對(duì)總采收率的貢獻(xiàn)為69%，溫度升高和二氧化碳的貢獻(xiàn)分別為26.7%和4.3%。目前研究人員已經(jīng)普遍認(rèn)識(shí)到輕質(zhì)油藏注空氣和注煙道氣在驅(qū)油機(jī)制上有著很大區(qū)別，前者可為熱采過(guò)程，后者近似為等溫氣驅(qū)過(guò)程［8-9］。

對(duì)于注氣體積（注氣過(guò)程的不同階段）和空氣驅(qū)油機(jī)制的關(guān)系，目前也存在很多不同認(rèn)識(shí)。Fassihi等［9］利用數(shù)值模擬方法，在一維輕質(zhì)油（35°API）油藏模型中比較了注空氣和注煙道氣條件下原油產(chǎn)量的響應(yīng)關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn):在注入氣達(dá)到2倍烴類(lèi)孔隙體積（VH）之前，注空氣和注煙道氣的產(chǎn)油量響應(yīng)是相同的;超過(guò)2VH后，燃燒前緣驅(qū)替原油突破，使產(chǎn)油量迅速增加，然后隨著氣油比增大，產(chǎn)油量降低。在集油帶突破之前，集油帶前的原油實(shí)際上受到同樣的氣驅(qū)作用，因而產(chǎn)油速率是一樣的。注空氣形成的“火驅(qū)”集油帶，其尺度和含油飽和度都比煙道氣的大，所以當(dāng)其突破時(shí)，產(chǎn)油量迅速增加。De Zwart等［10］在三維輕質(zhì)油（36°API）油藏模型中進(jìn)行了注空氣數(shù)值模擬研究，并比較了等溫模擬和燃燒模擬的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)二者在前兩年產(chǎn)油量響應(yīng)相似，兩年后燃燒工藝方案的產(chǎn)油量開(kāi)始超過(guò)等溫方案，因?yàn)槟M預(yù)測(cè)的燃燒前緣在兩年后將到達(dá)生產(chǎn)井。Gutierrez和Montes等［11-12］通過(guò)試驗(yàn)，進(jìn)行了輕質(zhì)油的注煙道氣和燃燒管試驗(yàn)研究，并將其結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在注入1Vp（Vp為孔隙體積）的空氣之后，煙道氣驅(qū)的細(xì)長(zhǎng)管和巖心試驗(yàn)的增油量都很小，而燃燒管在燃燒前緣的熱效應(yīng)下開(kāi)始產(chǎn)出大量“額外”的原油。這可能是因?yàn)橛筒刈⒖諝獾臒嵝?yīng)對(duì)采收率的貢獻(xiàn)取決于燃燒和反應(yīng)部分占油藏總體積的比值，這一比值在注入1Vp空氣之前較小，氧化反應(yīng)的熱效應(yīng)需要大量注空氣后才能體現(xiàn)出來(lái)。上述研究表明，在輕質(zhì)油藏注空氣過(guò)程中，產(chǎn)油量和采收率與注入的空氣體積有很大關(guān)系。

為揭示輕質(zhì)油油藏不同注氣體積下的驅(qū)油機(jī)制，筆者在模擬輕質(zhì)油藏條件下，進(jìn)行一系列的細(xì)長(zhǎng)管注空氣、填砂管注空氣試驗(yàn)及絕熱條件下注空氣過(guò)程的數(shù)值模擬研究，分析不同條件下的原油采收率和注入空氣體積的關(guān)系，為試驗(yàn)結(jié)果分析和現(xiàn)場(chǎng)注空氣工藝設(shè)計(jì)提供參考。

2 試驗(yàn)裝置和方法

室內(nèi)試驗(yàn)采用的原油均取自勝利油田某注空氣候選區(qū)塊，地層原油的黏度為1.6 mPa·s，原油重度為32.9°API，油藏壓力為25 MPa，油藏溫度為109℃。

細(xì)長(zhǎng)管及填砂管試驗(yàn)的主要目的是在典型候選油藏條件下，對(duì)比不同注氣體積下的驅(qū)油效率，分析空氣和氧化反應(yīng)產(chǎn)生的煙道氣與原油的混相狀態(tài)及其對(duì)驅(qū)油效率的影響。靜態(tài)和動(dòng)態(tài)氧化試驗(yàn)結(jié)果表明［4，13-14］，注空氣過(guò)程中產(chǎn)生的煙道氣中二氧化碳含量最多為14%，可以認(rèn)為煙道氣的最小混相壓力和純氮?dú)饨咏?］，而空氣最小混相壓力也可認(rèn)為和氮?dú)饨咏?，所以在油藏條件下注空氣和煙道氣驅(qū)過(guò)程中的混相作用接近。

細(xì)長(zhǎng)管試驗(yàn)中采用的細(xì)長(zhǎng)管內(nèi)徑為8 mm，長(zhǎng)度為5 m，內(nèi)部充填石英砂，整個(gè)細(xì)長(zhǎng)管放置在恒溫箱中。試驗(yàn)過(guò)程中先飽和地層水，在常溫常壓下測(cè)量滲透率，再飽和原油樣品。試驗(yàn)過(guò)程中以1.45 m3/ （m2·h）的速率（通量）注空氣，在整個(gè)過(guò)程中記錄產(chǎn)油和產(chǎn)水量，待氣體突破后每隔一定時(shí)間采樣測(cè)量產(chǎn)出氣中氧氣和二氧化碳含量。

填砂管試驗(yàn)裝置及操作過(guò)程已經(jīng)在文獻(xiàn)［13］、［14］中作了詳細(xì)描述，填砂管內(nèi)徑為25 mm，內(nèi)部長(zhǎng)度為700 mm。試驗(yàn)過(guò)程中為實(shí)現(xiàn)填砂管模型與實(shí)際油藏的相似性，采用真實(shí)油藏破碎巖心及不同粒徑的石英砂進(jìn)行混合配比，并且加入少量高嶺土。在填砂過(guò)程中依次向填砂管中加入少量混合砂粒進(jìn)行夯擊壓實(shí)，經(jīng)多次填制最終選出兩組與目標(biāo)油藏滲透率相近的填砂管模型。兩組試驗(yàn)填砂管的孔隙度分別為30.9%和33.2%，滲透率分別為17× 10－3μm2和39×10－3μm2，初始含油飽和度分別為59.4%和63.2%。其試驗(yàn)操作過(guò)程與常規(guī)氣驅(qū)過(guò)程相同，只是在氣體突破后每隔一定時(shí)間采樣測(cè)量產(chǎn)出氣中氧氣和二氧化碳含量。試驗(yàn)條件及主要結(jié)果如表1所示。

表1 試驗(yàn)條件和主要結(jié)果Table 1 Experimental conditions and results

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 細(xì)長(zhǎng)管注空氣試驗(yàn)

圖1為細(xì)長(zhǎng)管試驗(yàn)中原油采收率和產(chǎn)出氣中O2和CO2含量隨注氣體積變化關(guān)系。由圖1可以看出，氣體突破發(fā)生在0.38Vp時(shí)，其采收率為40%，此時(shí)O2含量為2.8%，CO2含量為0.7%。隨著注入量的增加，采收率進(jìn)一步提高，直到注氣體積為0.5Vp時(shí)采收率達(dá)到45%，以后基本不再增加。突破后O2含量逐漸升高至16%，然后隨注空氣量增加緩慢降低，最終穩(wěn)定在13%左右。CO2含量一直在緩慢上升，最終維持在4%左右。從整個(gè)驅(qū)替過(guò)程可以清楚地看出，在試驗(yàn)條件下，由于低溫氧化作用，在較長(zhǎng)的氧化驅(qū)替管內(nèi)能有效消耗氧氣，并產(chǎn)生類(lèi)似于煙道氣驅(qū)的典型非混相氣驅(qū)過(guò)程。

圖1 試驗(yàn)1中原油采收率及產(chǎn)出氣中O2、CO 2含量隨注氣體積變化曲線Fig.1 O il recovery factor and O 2，CO2 contents in produced gas versus volumes of air injected in experiment 1

3.2 填砂管注空氣試驗(yàn)

兩組填砂管試驗(yàn)的原油采收率隨注氣體積變化較為接近（圖2）。其中試驗(yàn)2氣體突破發(fā)生在0.36Vp處，對(duì)應(yīng)的原油采收率為50%，產(chǎn)出氣中O2含量為14%。當(dāng)注氣量達(dá)到0.5Vp時(shí)，采收率達(dá)到56%，以后增加量較小。隨注氣量的增大，產(chǎn)出氣中O2含量持續(xù)上升至接近原始的21%，整個(gè)過(guò)程產(chǎn)氣中CO2含量維持在0.5%左右。說(shuō)明在油藏溫度下，原油的氧化速率較慢，氧氣在較短的填砂管內(nèi)很難達(dá)到有效消耗。

圖2 試驗(yàn)2和3中原油采收率及產(chǎn)出氣中O 2、CO2含量隨注氣體積的變化曲線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 數(shù)值模擬絕熱氧化管試驗(yàn)

由于試驗(yàn)條件限制無(wú)法做到模擬真實(shí)油藏的絕熱環(huán)境，但可以通過(guò)數(shù)值模擬來(lái)擬合和分析等溫和絕熱氧化管試驗(yàn)中的熱效應(yīng)。其中輕質(zhì)原油低溫氧化反應(yīng)模型采用改進(jìn)的低溫氧化反應(yīng)模型［14］。對(duì)于絕熱氧化管試驗(yàn)數(shù)值模擬采用一維直角坐標(biāo)模擬，模型管長(zhǎng)700 mm，分為35個(gè)網(wǎng)格，垂直于流向方向的截面積相當(dāng)于25 mm的圓管，與上述的填砂管試驗(yàn)相同。每個(gè)網(wǎng)格塊都有相同的初始含油飽和度。不考慮重力作用和毛管力影響，注入端以恒速空氣注入，出口端以等溫試驗(yàn)中的出口回壓為參考定壓生產(chǎn)。模擬結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3看出:在注入0.5Vp空氣后原油采收率便基本不再增加，達(dá)到54%;然后采收率幾乎以恒定的速率緩慢上升，而當(dāng)反應(yīng)前緣接近產(chǎn)出端時(shí)，油產(chǎn)量和采收率迅速增加。這一現(xiàn)象可以解釋為注空氣過(guò)程中形成穩(wěn)定的反應(yīng)帶后，由反應(yīng)帶和煙道氣共同作用驅(qū)替原油，所以采收率緩慢上升;當(dāng)反應(yīng)帶接近產(chǎn)出端時(shí)，反應(yīng)帶前緣直接驅(qū)替集油帶原油產(chǎn)出，表現(xiàn)為原油采收率迅速上升。反應(yīng)帶和煙道氣的共同驅(qū)替作用主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面:①反應(yīng)帶驅(qū)替過(guò)的區(qū)域具有較高的微觀驅(qū)油效率，可以超過(guò)85%，同時(shí)在反應(yīng)帶前緣會(huì)通過(guò)蒸發(fā)—冷凝作用形成集油帶;②集油帶可降低氣相滲透率，使氣體改變流動(dòng)方向，從而擴(kuò)大波及體積;③煙道氣會(huì)驅(qū)替部分集油帶原油，提高總的驅(qū)替效率。

圖3 絕熱氧化管注空氣驅(qū)替的數(shù)值模擬結(jié)果Fig.3 Simulation resu lts for an adiabatic air injection displacement experiment

4 試驗(yàn)結(jié)果討論

根據(jù)以往試驗(yàn)結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)分析，Gates等給出了典型的混相氣驅(qū)、非混相氣驅(qū)、Gates和Ramey式的火燒油層、燃燒前緣驅(qū)替過(guò)程中原油采收率隨注氣體積（或燃燒體積）變化的理論曲線［15］（圖4）。完全混相驅(qū)中注入劑和被驅(qū)替原油的界面張力降為零，假設(shè)注入氣體能夠波及絕大部分多孔介質(zhì)，那么理想條件下1Vp注氣體積幾乎能達(dá)到90%以上的原油采收率。對(duì)于非混相氣驅(qū)，流度比差異和界面張力會(huì)影響原油通過(guò)孔道，在0.5Vp的注氣體積時(shí)能達(dá)到50%的采收率，氣體突破之后原油采收率便不再增加。“火燒油層”和“燃燒前緣驅(qū)替”過(guò)程能產(chǎn)生持續(xù)穩(wěn)定的驅(qū)替效果，采收率可超過(guò)80%。

根據(jù)試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果，總結(jié)出一維輕質(zhì)油藏注空氣（絕熱）驅(qū)替試驗(yàn)理論曲線（圖4）的特征為:①注氣體積小于0.5Vp即氣體突破之前，煙道氣驅(qū)為主要驅(qū)油機(jī)制，為非混相氣驅(qū)，采收率能達(dá)到50%;②注氣體積大于0.5Vp即氣體突破之后，由煙道氣和反應(yīng)帶共同作用驅(qū)替原油為主要機(jī)制，采收率緩慢上升;③當(dāng)反應(yīng)帶接近產(chǎn)出端，反應(yīng)帶熱前緣的蒸發(fā)—抽提—冷凝作用等為主要驅(qū)油機(jī)制，采收率可迅速上升超過(guò)75%。

本研究的目標(biāo)區(qū)塊為勝利油田某一進(jìn)行注空氣（作為二次采油）的低滲透輕質(zhì)油區(qū)塊，原始含油飽和度大于50%。研究結(jié)果表明，在注空氣過(guò)程中，原油和就地產(chǎn)生的煙道氣在油藏條件下不能達(dá)到有效混相，有可能導(dǎo)致早期氣體突破。氣體突破時(shí)可能伴隨大量的原油產(chǎn)出，所以只要安全控制（產(chǎn)氣中氧氣含量很低），持續(xù)注入大量的空氣在經(jīng)濟(jì)上仍然是可行的，但需要根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況，適當(dāng)調(diào)整注采比例和油井關(guān)閉和開(kāi)啟，實(shí)現(xiàn)成本最優(yōu)化。

圖4 不同條件下氣驅(qū)理論曲線Fig.4 Theoretical curves of different gas disp lacem ent processes

在注空氣技術(shù)應(yīng)用中，實(shí)際輕質(zhì)油藏注空氣過(guò)程可能存在以下兩種情況:①目標(biāo)油藏含油飽和度很大（大于50%）時(shí)，在早期空氣和煙道氣驅(qū)階段，產(chǎn)生的煙道氣可以和原油達(dá)到較好的混相效果，以實(shí)現(xiàn)較高的氣驅(qū)驅(qū)替效率;②目標(biāo)油藏為水驅(qū)后期油藏，剩余油飽和度較低（So＜30%），有一定的提高采收率潛力。對(duì)于第一種情況，Shokoya等通過(guò)一系列室內(nèi)驅(qū)替試驗(yàn)證明，雖然在高達(dá)46 MPa壓力及100℃左右的溫度下，注空氣仍不能實(shí)現(xiàn)真正的混相驅(qū)替［16］，但輕質(zhì)油與反應(yīng)生成的煙道氣可產(chǎn)生一定混相效果:既有混合蒸發(fā)和冷凝氣驅(qū)的作用，又有反應(yīng)生產(chǎn)的熱效應(yīng)，所以注空氣的驅(qū)油效果要優(yōu)于常規(guī)的非混相氣驅(qū)（氮?dú)夂蜔煹罋猓?，即使在油藏壓力不太高的條件下，注空氣技術(shù)也是可行的。對(duì)于第二種情況，如果氣體早期突破，再持續(xù)注入大量的空氣，因?yàn)槭Ｓ嘤惋柡投忍?，繼續(xù)增油的潛力可能不會(huì)太大，在經(jīng)濟(jì)上已經(jīng)不支持再注入更大體積的空氣。但是，通過(guò)輔助于其他提高波及效率的工藝，如采用注空氣泡沫調(diào)驅(qū)，進(jìn)一步提高采收率仍是可能的。

5 結(jié)論

（1）室內(nèi)試驗(yàn)和油藏模擬得到的驅(qū)油機(jī)制和過(guò)程為:①注氣體積小于0.5Vp即氣體突破之前，煙道氣驅(qū)為主要驅(qū)油機(jī)制，即為非混相氣驅(qū);②注氣體積大于0.5Vp即氣體突破之后，由煙道氣和高溫反應(yīng)帶共同作用驅(qū)替原油為其主要機(jī)制，采收率穩(wěn)定上升;③當(dāng)反應(yīng)帶逐步推進(jìn)并接近產(chǎn)出端，反應(yīng)帶的熱效應(yīng)（如原油其組分的蒸發(fā)－冷凝作用）有可能成為重要的驅(qū)油機(jī)制。

（2）典型輕質(zhì)油藏注空氣驅(qū)替試驗(yàn)注氣體積和原油采收率關(guān)系理論曲線體現(xiàn)了原油低溫氧化反應(yīng)產(chǎn)生熱效應(yīng)的增油效果。

（3）在較高油藏溫度下，從完全消耗氧氣及提高采收率的角度考慮可將輕質(zhì)油藏注空氣工藝作為低溫氧化－氣驅(qū)和高溫氧化－熱采相結(jié)合的過(guò)程進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣可以在保證安全的前提下充分發(fā)揮氧化反應(yīng)熱效應(yīng)的驅(qū)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

中國(guó)石化公司先導(dǎo)性科技項(xiàng)目（P06041）

任韶然（1960－），男（漢族），山東煙臺(tái)人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事注空氣提高采收率、CO2地質(zhì)埋存、水合物抑制和開(kāi)采研究。

（編輯 韓國(guó)良）