稠油注空氣低溫催化氧化技術(shù)適應(yīng)性研究

蔣生健，唐曉東，張洋勇，李晶晶，崔盈賢

(1.中油遼河油田分公司，遼寧 盤錦 124114;2.油氣地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室西南石油大學(xué)，四川 成都 610500;3.西南石油大學(xué)，四川 成都 610500;4.中海油研究總院，北京 100027)

引 言

稠油是中國重要的非常規(guī)油氣資源，儲(chǔ)量豐富，未來將成為常規(guī)油氣資源的重要替代能源[1-3]。但是稠油通常黏度高、密度大，在地層中流動(dòng)性差，導(dǎo)致稠油開采難度大、成本高且最終采收率低。目前稠油開采技術(shù)主要包括化學(xué)驅(qū)、CO2驅(qū)、微生物驅(qū)、電磁降黏等冷采技術(shù)，蒸汽吞吐、蒸汽驅(qū)、火燒油層、熱水驅(qū)等熱采技術(shù)以及集合了多種驅(qū)油機(jī)理的復(fù)合開采方式[4]。注空氣低溫催化氧化采油技術(shù)是稠油開采的創(chuàng)新技術(shù)[5-7]，在中國稠油開采領(lǐng)域具有巨大的發(fā)展?jié)摿蛷V泛的應(yīng)用前景。本文研究了該技術(shù)對(duì)來自4個(gè)油田不同區(qū)塊、性質(zhì)各異的稠油的適應(yīng)性，加深了對(duì)注空氣低溫催化氧化采油技術(shù)的認(rèn)識(shí)。

1 采油機(jī)理

稠油注空氣低溫催化氧化采油技術(shù)的基本原理是:在注空氣采油過程中加入具有催化氧化和裂解功能的催化劑，促進(jìn)稠油的低溫氧化反應(yīng)和裂解改質(zhì)，加速耗氧以保證稠油注空氣采油全過程的安全性。該技術(shù)集熱采、N2驅(qū)、表面活性劑驅(qū)及稠油井下改質(zhì)技術(shù)于一體，通過多種驅(qū)油機(jī)理共同作用提高稠油采收率[8-10]。

2 技術(shù)特點(diǎn)

(1)技術(shù)成本低。注入介質(zhì)空氣的來源廣且不受地域限制;稠油低溫氧化耗氧產(chǎn)生CO2和熱量，形成具有熱效應(yīng)的N2和CO2驅(qū)油作用，但不需要專門的氣體發(fā)生設(shè)備，較注N2和CO2成本降低40% ～50%;過程處于低溫氧化狀態(tài)，對(duì)注空氣壓縮機(jī)的注入壓力與排量及穩(wěn)定性要求較低，普通的國產(chǎn)空壓機(jī)即可滿足注入要求。

(2)促進(jìn)采出原油改質(zhì)。空氣低溫催化氧化采油過程中由于熱改質(zhì)和催化改質(zhì)的共同作用，使采出稠油的重組分(膠質(zhì)和瀝青質(zhì))含量降低，輕質(zhì)組分(飽和烴和芳香烴)含量增加和平均分子質(zhì)量減小。

(3)有效提高原油采收率。注空氣低溫催化氧化采油技術(shù)在100～200℃條件下悶井，在氧化催化劑作用下空氣中氧含量快速降低，開井后采出液含水率大幅度降低，顯著提高稠油最終采收率。

3 原油適應(yīng)性研究

對(duì)新疆、遼河、吐哈和渤海等油田的部分稠油樣品進(jìn)行了注空氣低溫催化氧化適應(yīng)性研究，各稠油樣品的主要性質(zhì)見表1。

由表1可知，本研究所涉及的稠油性質(zhì)范圍較廣，包括新疆油田普通稠油、特稠油和超稠油，遼河油田特稠油和超稠油，渤海油田的海上稠油及吐哈油田魯克沁超深層特稠油。此外，各稠油樣品的酸值、SARA四組分含量及平均分子質(zhì)量的差別也較大。

表1 實(shí)驗(yàn)稠油樣品的主要性質(zhì)

3.1 尾氣含氧量變化

在WDF-0.5L型高溫高壓反應(yīng)釜(山東威海自控反應(yīng)釜有限公司)中加入100 g稠油和100 g自來水，再加入一定量的催化劑，在實(shí)驗(yàn)條件下反應(yīng)一定時(shí)間后，采用GC-2000氣相色譜分析尾氣中的氧含量，結(jié)果見表2。

由表2可知，在實(shí)驗(yàn)條件下，反應(yīng)后空氣中大部分氧被消耗掉，尾氣中氧含量均降低至5%以下。注空氣采油技術(shù)安全評(píng)價(jià)表明，當(dāng)氧含量低于10%時(shí)即可保證注入、悶井及采油過程的安全。因此，稠油注空氣低溫催化氧化采油技術(shù)是安全可靠的。

表2 氧化反應(yīng)后尾氣氧含量變化

3.2 對(duì)稠油性質(zhì)的影響

分別按照國標(biāo)GB/T4945—2002《石油產(chǎn)品酸值測(cè)定法》、SH/T0509-2010《石油瀝青組分測(cè)定辦法》、SH/T0169-2000《冰點(diǎn)降低法測(cè)定原油平均相對(duì)分子量》測(cè)定氧化稠油的酸值、SARA四組分含量和平均分子質(zhì)量，結(jié)果見表3。

對(duì)比表1和表3可知，低溫催化氧化后稠油的性質(zhì)均發(fā)生了較大的變化。所有稠油樣品氧化后酸值都大幅度提高，表明氧化過程中有大量表面活性物質(zhì)生成，有利于稠油的乳化降黏;催化氧化后稠油中飽和分和芳香分含量增加，重組分含量降低，表明催化劑的加入促進(jìn)稠油裂解反應(yīng)生成小分子物質(zhì)，具有輕質(zhì)化降黏作用。

表3 低溫催化氧化后稠油性質(zhì)變化

3.3 降黏率

采用NDJ-8S旋轉(zhuǎn)數(shù)字黏度儀測(cè)定稠油黏度(表4)。由表4可知，新疆油田九1—九5區(qū)普通稠油、重43井特稠油、DF-302超稠油、遼河油田杜84、高3塊特稠油和杜8區(qū)塊超稠油在低溫催化氧化后乳化降黏率均大于98%，渤海油田SZ36-1區(qū)塊稠油經(jīng)低溫催化氧化后，其乳化降黏率達(dá)到96.66%，魯克沁特稠油在油層溫度下進(jìn)行低溫催化氧化，反應(yīng)后氧化油的乳化降黏率達(dá)98.60%，這表明注空氣低溫催化氧化采油技術(shù)對(duì)所有的實(shí)驗(yàn)稠油樣具有較好的降黏作用。

表4 低溫催化氧化前后稠油黏度

注空氣低溫催化氧化采油技術(shù)原油適應(yīng)性研究結(jié)果表明，該技術(shù)具有廣泛的原油適應(yīng)性，對(duì)實(shí)驗(yàn)的普通稠油、特稠油、超稠油及海上稠油樣均具有較好的低溫催化氧化作用，氧化后原油中表面活性物質(zhì)和輕組分含量增加，氧化油乳化黏度較原油大幅度降低。

4 油藏適應(yīng)性分析

4.1 注蒸汽熱采后稠油老區(qū)的適應(yīng)性

中國稠油以蒸汽吞吐開發(fā)為主，但目前蒸汽吞吐的最終采收率只有15% ～20%。高溫高壓蒸汽注入油層后，導(dǎo)致儲(chǔ)層應(yīng)力大幅度改變，破壞地層穩(wěn)定性，蒸汽與油層巖石發(fā)生水巖反應(yīng)、水液反應(yīng)及黏土膨脹，造成近井地帶大孔道發(fā)育、遠(yuǎn)井地帶孔隙度和滲透率降低，瀝青質(zhì)大量沉積引起儲(chǔ)層堵塞及潤濕性反轉(zhuǎn)，地層大量積水降低蒸汽熱效率[11-13]，采收率低且開采效果差是稠油老區(qū)面臨的主要問題。

注空氣輔助蒸汽低溫催化氧化采油技術(shù)不僅能大幅度降低了導(dǎo)熱系數(shù)，減少井筒和油層中的熱損失、擴(kuò)大加熱半徑和波及體積、減緩蒸汽超覆突進(jìn)，同時(shí)空氣中的非凝性氣體(主要是N2)還具有儲(chǔ)存彈性能量的作用，促進(jìn)液體返排，提高油井產(chǎn)量;稠油氧化后生成的表面活性物質(zhì)能夠顯著降低油水界面張力，提高洗油效率，且表面活性劑與地層流體配伍性良好、無需外加化學(xué)劑，不會(huì)對(duì)儲(chǔ)層造成二次傷害，是稠油老區(qū)挖潛增效的有效方式。

4.2 海上稠油油藏的適應(yīng)性

中國海上油氣資源豐富，其中稠油所占比重超過60%。海上油田由于自然環(huán)境限制，井距大，井網(wǎng)不規(guī)則，海上平臺(tái)空間小，承重有限，注蒸汽設(shè)備擺放困難，陸上稠油成熟的熱采技術(shù)難以有效實(shí)施[14];海水的高礦化度對(duì)聚合物的溶解性和增黏性存在不利影響，海上聚合物溶液的配制、注入及采出液處理困難，聚合物驅(qū)也難以實(shí)現(xiàn)海上稠油的高效開發(fā)[15]。

注空氣采油技術(shù)不僅成本低、不受地域限制及礦化度的影響，且對(duì)井網(wǎng)、井距要求較注蒸汽熱采更低，更適用于地層條件苛刻及采油條件受到限制的油藏。唐曉東等[16]研究表明在海上油田注入高溫高壓空氣可以大大降低熱損失、有效加熱油層，實(shí)現(xiàn)海上稠油的低溫催化氧化開采。

4.3 難動(dòng)用稠油油藏的適應(yīng)性

超稠油、深層超深層稠油等屬于稠油資源中的難動(dòng)用儲(chǔ)量，常規(guī)稠油開采方法難以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)有效開發(fā)，但這些儲(chǔ)量占中國稠油資源的比重越來越大，尋找難動(dòng)用稠油儲(chǔ)量的高效開采技術(shù)意義重大。

超稠油由于其黏度較大，在地層中幾乎不能流動(dòng)，須采用熱力采油方式開采，原油與蒸汽的流度比大，容易發(fā)生蒸汽汽竄，導(dǎo)致常規(guī)注蒸汽熱采經(jīng)濟(jì)效益差。注空氣低溫催化氧化采油技術(shù)將具有催化氧化和裂解功能的催化劑注入油層，原油在催化劑的作用下與空氣發(fā)生氧化反應(yīng)，生成表面活性物質(zhì)改善油水界面性質(zhì)，部分稠油重組分裂解產(chǎn)生小分子輕質(zhì)化降黏。新疆油田和遼河油田超稠油在低溫催化氧化后的乳化降黏率大于99%(表4)，表明該技術(shù)具有大幅度超稠油采收率的潛力。

深層、超深層稠油油藏由于埋藏深度大、油層壓力高，使得蒸汽注入困難、套管熱損失大、井底蒸汽干度無法保證，造成蒸汽熱采效果及經(jīng)濟(jì)性差;同時(shí)深層稠油油藏往往溫度較高，對(duì)聚合物驅(qū)有著不利影響。對(duì)于深層高溫稠油油藏，注空氣低溫催化氧化采油技術(shù)可以在油層溫度下實(shí)現(xiàn)低溫氧化反應(yīng)，表明該技術(shù)可應(yīng)用于注蒸汽和聚合物驅(qū)無法實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)有效開采的深層、超深層高溫稠油油藏。

5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2008年10月至2010年12月，遼河油田實(shí)施了10口稠油井的注空氣低溫催化氧化采油現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。試驗(yàn)區(qū)開采效果得到顯著改善，試驗(yàn)井產(chǎn)量大幅度增加，采出液含水率降低?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)表明，生產(chǎn)井中的氧濃度小于0.5%，可以保證采油過程的安全。在上輪次中已經(jīng)停產(chǎn)的曙1-42-039和杜212-杜H13井恢復(fù)了采油，曙1-42-039、曙1-42-041和曙1-38-38C 3口垂直井增油1 425 t，其余7口水平井增油2 564 t，10口試驗(yàn)井共增油3 989 t。

2010年10月，勝利油田在草4特、超稠油區(qū)實(shí)施了注空氣催化氧化采油現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，生產(chǎn)時(shí)間延長2個(gè)月，周期產(chǎn)油量由553 t增加至1 370 t，日均產(chǎn)油量增加2.5 t/d，采出液含水率由77.7%降低至57.0%，油汽比達(dá)0.91。

6 結(jié)論

(1)注空氣低溫催化氧化采油技術(shù)是集多種驅(qū)油機(jī)理和稠油井下改質(zhì)于一體的稠油開采新技術(shù)，該技術(shù)具有低成本、易施工、安全可靠等特點(diǎn)，能夠有效提高稠油采收率。

(2)原油適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，催化劑對(duì)所有實(shí)驗(yàn)稠油樣均具有較好的催化氧化和裂解作用，反應(yīng)后稠油中表面活性物質(zhì)和輕質(zhì)組分含量增加，氧化油的乳化黏度較原油大幅度降低。

(3)油藏適應(yīng)性分析表明，稠油注空氣低溫催化氧化采油技術(shù)可以作為注蒸汽熱采后的強(qiáng)化采油技術(shù)或增效措施，對(duì)于海上和難動(dòng)用稠油油藏，該技術(shù)也具有較好的適應(yīng)性，在現(xiàn)階段中國稠油開采領(lǐng)域具有廣泛的發(fā)展前景。

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