渤海K油田空氣驅(qū)對(duì)原油低溫氧化影響研究

鄭繼龍， 翁大麗， 高啟超， 王成勝， 陳 平， 高孝田， 趙 軍， 胡 雪， 張 強(qiáng)

(1中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司 2海洋石油高效開(kāi)發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 3中國(guó)石油大學(xué)·北京 4卡爾加里大學(xué))

向油藏中注空氣是一種提高原油采收率的有效、低成本方法，近年來(lái)，已成為重要研究熱點(diǎn)之一[1-2]。注入的空氣在油藏條件下可與原油發(fā)生氧化反應(yīng)，在消耗空氣中部分氧氣的同時(shí)，生成定量的CO2及低碳烴類(lèi)氣體，具備實(shí)施煙道氣驅(qū)油的功能[3]。但空氣驅(qū)油效果取決于原油類(lèi)型、氧化溫度及壓力、空氣中氧含量等多種因素；而且空氣驅(qū)存在氧對(duì)注入設(shè)備及管網(wǎng)的腐蝕以及產(chǎn)出氣中氧安全含量控制等問(wèn)題。因此，針對(duì)具體油田，實(shí)施空氣驅(qū)前，必須弄清原油與空氣發(fā)生低溫氧化反應(yīng)的條件；空氣氧化后產(chǎn)出氣組成及氧含量；明確空氣驅(qū)的安全性[4]。據(jù)此，本論文擬通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，研究空氣中含氧量變化等對(duì)渤海K油田原油低溫氧化反應(yīng)特征及效果的影響，為渤海K油田實(shí)施注空氣提高原油采收率提供實(shí)驗(yàn)及理論依據(jù)。

一、渤海K油田油藏特征

渤海K油田孔隙度中等偏高，多數(shù)分布在22%～30%間；滲透率范圍1～3 500 mD，以100～500 mD為主。儲(chǔ)集空間以次生粒間孔為主，約占總有效孔隙90%以上，其次為粒間孔、粒內(nèi)溶孔；其分選中等，具中、偏粗歪度。原油黏度(50℃)2.931～7.423 mPa·s，凝固點(diǎn)18℃～31℃，含蠟量25.36%～36.22%，含硫量0.094 2%～0.164 4%，瀝青+膠質(zhì)含量4.87%～7.80%。具有低黏、低含硫、中等瀝青質(zhì)/膠質(zhì)含量、較高含蠟量及凝固點(diǎn)的特點(diǎn)。地層水總礦化度7 188 mg/L，氯離子含量1 684 mg/L，水型為NaHCO3。K油田油藏平均壓力24 MPa；平均溫度110℃。

二、實(shí)驗(yàn)方案及樣品準(zhǔn)備

1.實(shí)驗(yàn)方案

設(shè)計(jì)考察5種不同含氧量的模擬空氣(減氧空氣)，空氣中含氧量分別為3%、5%、8%、10%和12%與渤海K油田原油發(fā)生“低溫(地層溫度110℃、地層壓力24 MPa)氧化”。

2.實(shí)驗(yàn)材料準(zhǔn)備

(1)實(shí)驗(yàn)用模擬空氣：配制含氧量分別為3%、5%、8%、10%、12%的空氣，主要組成為氧氣、氮?dú)狻?/p>

(2)實(shí)驗(yàn)用油：將渤海K油田油藏原油脫水，過(guò)濾；檢測(cè)原油主要組成(如表1)，備用。

(3)實(shí)驗(yàn)用水：將渤海K油田油藏地層水過(guò)濾，備用。

表1 渤海K油田原油組份及含量表

三、實(shí)驗(yàn)流程及步驟

1. 低溫氧化實(shí)驗(yàn)流程

注空氣氧化實(shí)驗(yàn)在低溫氧化儀上進(jìn)行，其氧化前后物質(zhì)組成及含量分析由色譜分析儀(包括液相色譜、氣相色譜)完成。氧化實(shí)驗(yàn)及產(chǎn)物分析流程如圖1所示。

圖1 注空氣原油低溫氧化實(shí)驗(yàn)流程示意圖

1中間容器(盛油)2泵1(向4中泵入油)3閥門(mén)1(控制接產(chǎn)出氣口)4反應(yīng)釜5溫度和壓力控制器6閥門(mén)2(控制接油口)7泵2(泵入氣體)8閥門(mén)3(控制空氣)9空氣瓶10閥門(mén)4(控制氮?dú)?11氮?dú)馄?補(bǔ)充壓力用)12氣相色譜13液相色譜

2.實(shí)驗(yàn)步驟

不同含氧量(3%、5%、8%、10%、12%)空氣與渤海K油田原油在模擬油藏110℃、24MPa下進(jìn)行氧化實(shí)驗(yàn)。步驟如下：

(1)按圖1連接實(shí)驗(yàn)流程；將反應(yīng)釜加壓至25 MPa，試壓48 h；壓力無(wú)變化，則反應(yīng)裝置氣密性良好。

(2)將反應(yīng)釜抽真空，通過(guò)泵1向反應(yīng)釜內(nèi)注入800 mL目標(biāo)油藏地層原油。

(3)通過(guò)泵2將規(guī)定含氧量空氣注入低溫氧化反應(yīng)釜中，至反應(yīng)釜內(nèi)壓力接近24 MPa。

(4)設(shè)定并升溫至110℃，用控制模擬空氣量及反應(yīng)釜壓力(24 MPa)；啟動(dòng)溫度、壓力檢測(cè)器。

(5)每隔12 h，取氣樣、油樣各一次，檢測(cè)產(chǎn)出氣樣、油樣組分及含量，至產(chǎn)出油、氣組份數(shù)據(jù)不再變化，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。

接著，更換不同含氧量的空氣，重復(fù)(1)～(5)，分別完成其它不同含氧量空氣低溫氧化實(shí)驗(yàn)。

四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

1. 不同含氧量空氣與K油田原油作用后其組份變化特征

5組不同含氧量(3%、5%、8%、10%、12%)模擬空氣與原油經(jīng)過(guò)低溫氧化后，其原油殘余組份測(cè)試結(jié)果如圖2所示。由圖2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，渤海K油田原油與不同含氧量模擬空氣(減氧空氣)在地層溫度、壓力作用下，原油組分含量發(fā)生了明顯變化。如高碳組分(≥C22)含量明顯下降，且隨空氣中氧含量增加呈增大之勢(shì)；而低碳組分(≤C10)含量明顯增大，也隨空氣中含氧量增大而增加；但中間碳組分(C11～C20)在低含氧空氣氧化下，組分含量呈增加之勢(shì)，而隨著空氣中氧含量繼續(xù)增大，其較高碳組分含量逐步下降，至空氣中含氧量12%時(shí)，C11以上組分含量均下降，且隨碳數(shù)增大(≥C14)，其組分含量均小于未氧化原油相應(yīng)碳組分。說(shuō)明含氧空氣與原油在地層溫度、壓力下確實(shí)發(fā)生了相應(yīng)的氧化反應(yīng)，其氧化反應(yīng)程度與空氣中氧含量、原油碳數(shù)密切相關(guān)?？偟目?，主要氧化原油中高碳烴(≥C22)，而對(duì)低碳烴(≤C10)氧化影響小；原油中C11～C20組分氧化程度主要取決于空氣中氧含量，高氧含量有利于較高碳組分(≥C14)氧化為低分子碳組分(≤C10)。

對(duì)比空氣中不同含氧量對(duì)原油氧化前后碳組分含量變化，發(fā)現(xiàn)(如圖2)隨著空氣中含氧量增大，原油氧化的“臨界碳數(shù)”(氧化原油碳組成含量低于原油碳組成時(shí)對(duì)應(yīng)碳數(shù)，即圖中豎直紅虛線對(duì)應(yīng)碳數(shù))呈逐步下降趨勢(shì)；且氧含量越高，臨界碳數(shù)下降越明顯；從3%含氧時(shí)的C22下降至12%含氧時(shí)的C14。即空氣中氧含量增加，增大了空氣對(duì)原油的氧化能力，可使相對(duì)更低碳數(shù)(C14)的原油組分發(fā)生氧化降解，提高原油品質(zhì)、流動(dòng)性及可產(chǎn)出性。

(a)3%含氧量空氣與原油作用前后組分變化圖

(b)5%含氧量空氣與原油作用前后組分變化圖

(c)8%含氧量空氣與原油作用前后組分變化圖

(d)10%含氧量空氣與原油作用前后組分變化圖

(e)12%含氧量空氣與原油作用前后組分變化圖圖2 不同含氧量空氣與原油作用前后組分含量變化圖

2. 不同含氧量空氣與K油田原油作用后其氣體組分變化特征

圖3、圖4是不同含氧空氣對(duì)原油在地層溫度壓力下實(shí)施氧化后氣體組成(O2、CO2)隨氧化時(shí)間的變化結(jié)果。

圖示數(shù)據(jù)結(jié)果表明，減氧空氣對(duì)原油實(shí)施氧化后，空氣中氧含量隨氧化時(shí)間延長(zhǎng)呈下降趨勢(shì)；而二氧化碳則呈增加之勢(shì)?？偟目?，氧氣下降趨勢(shì)更為明顯，尤其是最初36 h內(nèi)，氧含量下降幅度更大；而二氧化碳雖有增加，但總量較少，即使在最高含氧(12%)空氣氧化120 h后，其二氧化碳含量也沒(méi)超0.6%。說(shuō)明減氧空氣對(duì)原油的低溫氧化以較高碳(原油)烴降解為主，發(fā)生完全氧化生成CO2的幾率較低。進(jìn)一步分析圖4，發(fā)現(xiàn)減氧空氣對(duì)原油實(shí)施低溫氧化時(shí)，隨氧含量增加，其對(duì)原油中碳組分氧化能力越強(qiáng)，氧氣消耗幅度越大；如相應(yīng)回歸直線斜率隨氧含量而增大，尤其是36 h前氧化反應(yīng)耗氧量變化更明顯。

3. 減氧空氣與K油田原油低溫氧化作用特征

3.1 減氧空氣氧含量對(duì)K油田原油低溫氧化耗氧量的影響

圖5的測(cè)試結(jié)果表明，相同氧化時(shí)間內(nèi)，空氣中氧含量愈高，其與原油發(fā)生低溫氧化反應(yīng)耗氧量愈高，亦即反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率愈大，原油中較高烴組分越易氧化降解為低碳組分，致使原油氧化的“臨界碳數(shù)”下降；而且相同氧含量的空氣對(duì)原油實(shí)施低溫氧化時(shí)，隨反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)，其氧耗量愈大，相應(yīng)氧化反應(yīng)愈徹底；即反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)可進(jìn)一步提高其石油烴氧化降解轉(zhuǎn)化率。

圖3 氧化時(shí)間對(duì)不同含氧空氣氧化原油后氣體中殘余氧氣含量的影響

圖4 氧化時(shí)間對(duì)不同含氧空氣氧化原油后氣體中二氧化碳含量的影響

圖5 不同氧化時(shí)間減氧空氣氧含量對(duì)低溫氧化耗氧量的影響

3.2 減氧空氣氧含量對(duì)K油田原油低溫氧化后空氣中氧含量的影響

圖3的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，盡管減氧空氣對(duì)原油實(shí)施120 h低溫氧化后，仍殘余有大量氧，但是本研究不同氧含量減氧空氣對(duì)K油田實(shí)施低溫氧化后，其殘余含氧量均低于10%；而且按照一般氣驅(qū)井網(wǎng)井距(200～250 m)和正常注氣速度，其產(chǎn)出時(shí)間均在1月以上，因此，空氣中殘余氧可與原油進(jìn)一步作用而消耗，時(shí)間愈長(zhǎng)，氧消耗愈多(見(jiàn)圖5)?？芍?，本研究所實(shí)施減氧空氣驅(qū)可滿足安全生產(chǎn)需求。

五、結(jié)論與認(rèn)識(shí)

(1)渤海K油田原油與減氧空氣在地層溫度和壓力下發(fā)生了氧化反應(yīng)；主要氧化原油中高碳烴(≥C22)，而對(duì)低碳烴(≤C10)氧化影響??；原油中C11-C20組分氧化程度主要取決于空氣中氧含量，高氧含量有利于較高碳組分(≥C14)氧化為低分子碳組分(≤C10)。

(2)空氣中含氧量增大，原油氧化的“臨界碳數(shù)”逐步下降；且氧含量越高，臨界碳數(shù)下降越明顯；從3%含氧時(shí)的C22下降至12%含氧時(shí)的C14。

(3)減氧空氣對(duì)原油實(shí)施氧化后，空氣中氧含量隨氧化時(shí)間延長(zhǎng)而下降，二氧化碳則增加；但氧氣下降更明顯，尤其是最初36 h內(nèi)氧含量下降幅度大；而二氧化碳增加較少，即使在最高含氧(12%)空氣氧化120 h后，其二氧化碳含量也沒(méi)超0.6%。即減氧空氣對(duì)原油的低溫氧化以較高碳烴降解為主，發(fā)生完全氧化生成CO2的幾率較低。

(4)空氣中氧含量愈高，反應(yīng)時(shí)間愈長(zhǎng)，則其與原油發(fā)生低溫氧化反應(yīng)耗氧量愈高，反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率愈大；本研究不同氧含量減氧空氣對(duì)K油田實(shí)施低溫氧化120 h后，其殘余含氧量均低于10%，考慮空氣驅(qū)產(chǎn)出時(shí)間均在1月以上，即空氣中殘余氧與原油進(jìn)一步作用而消耗，可滿足安全生產(chǎn)需求。