沈625區(qū)塊高凝油減氧空氣驅(qū)實(shí)驗(yàn)研究與應(yīng)用

王偉偉

(中國(guó)石油遼河油田分公司，國(guó)家能源稠(重)油開(kāi)采研發(fā)中心，遼寧 盤(pán)錦 124010)

遼河油田沈625區(qū)塊為裂縫型塊狀潛山油藏，埋深為3 150～3 720 m，原始地層溫度102～123 ℃，原始地層壓力32.2～37.8 MPa，原油平均密度0.85 g/cm3，黏度64.28 mPa·s，凝固點(diǎn)45.33 ℃，含蠟量41.51%，膠質(zhì)瀝青含量10.55%，具有高含蠟、高凝固點(diǎn)等特點(diǎn)，屬高凝油。自2000年投入開(kāi)發(fā)以來(lái)，2012年年產(chǎn)油量達(dá)到高峰20×104t，目前下降到了7×104t，綜合含水78.2%，高含水矛盾突出，采收率僅為17.6%，達(dá)不到標(biāo)定采收率。注空氣開(kāi)發(fā)作為注水開(kāi)發(fā)的接替方式，已成為一種行之有效的提高采收率新途徑[1-6]。注空氣開(kāi)發(fā)就是將空氣注入油層，空氣中的O2與原油接觸發(fā)生低溫氧化反應(yīng)，生成CO2和CO氣體，并釋放出大量熱，間接形成由N2和CO2組成的煙道氣來(lái)驅(qū)替原油[7-9]。但由于高壓注空氣過(guò)程中O2含量高，存在安全風(fēng)險(xiǎn)，因此提出了減氧空氣驅(qū)技術(shù)。減氧空氣驅(qū)中的氧含量是確?，F(xiàn)場(chǎng)安全的決定性參數(shù)，目前對(duì)減氧空氣驅(qū)的研究也主要集中在氧含量的界限方面[10-13]，缺乏全面系統(tǒng)的對(duì)比分析。通過(guò)開(kāi)展室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，分別從氧化放熱、尾氣變化和驅(qū)替特征三個(gè)方面探索了不同濃度的減氧空氣對(duì)沈625區(qū)塊原油的氧化作用及驅(qū)油效率的影響，可以為安全有效地開(kāi)發(fā)油田及提高采收率提供重要的參考。

1 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)條件與方法

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分別采用加速絕熱量熱儀、靜態(tài)氧化罐和高壓細(xì)長(zhǎng)管等設(shè)備及模型，從氧化放熱、尾氣變化和驅(qū)替特征三個(gè)方面進(jìn)行不同濃度的減氧空氣對(duì)地層原油的影響效果實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)所用原油為沈625區(qū)塊的高凝油，原油密度0.86 g/cm3，地面脫氣原油黏度60.32 mPa·s，凝固點(diǎn)46.27 ℃，含蠟量42.63%。

1.1 加速絕熱量熱實(shí)驗(yàn)

利用APTAC264加速絕熱量熱儀開(kāi)展不同濃度減氧空氣的氧化放熱實(shí)驗(yàn)，ARC參數(shù)設(shè)定如表1所示，儀器通過(guò)加熱—等待—探測(cè)三個(gè)步驟，自動(dòng)跟蹤放熱過(guò)程，若探測(cè)到放熱升溫，儀器停止加熱模式，記錄樣品放熱反應(yīng)過(guò)程中的溫度變化；若樣品放熱升溫速率低于設(shè)備檢測(cè)靈敏度，儀器自動(dòng)進(jìn)入加熱—等待—探測(cè)模式，如此循環(huán)至實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

表1 ARC參數(shù)設(shè)定

1.2 氧化罐實(shí)驗(yàn)

利用靜態(tài)氧化罐裝置研究不同濃度減氧空氣與原油低溫氧化后的尾氣組分變化，用于評(píng)價(jià)O2濃度對(duì)沈625區(qū)塊原油造成低溫氧化的程度。O2濃度分別為0.5%、10%、15%和21%，由于沈625區(qū)塊油藏目前地層壓力為14.3 MPa，地層溫度為116℃，為了較好地模擬地層條件，將實(shí)驗(yàn)溫度設(shè)定為110 ℃，實(shí)驗(yàn)壓力設(shè)定為10 MPa，反應(yīng)時(shí)間設(shè)定為134 h。

1.3 細(xì)長(zhǎng)管驅(qū)替實(shí)驗(yàn)

利用直徑8 mm，長(zhǎng)30 m不銹鋼管自制高壓細(xì)長(zhǎng)管模型進(jìn)行驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，用于分析不同濃度減氧空氣對(duì)驅(qū)油效率的影響。實(shí)驗(yàn)溫度設(shè)定為110 ℃，壓力為10 MPa，O2濃度分別為0、5%、10%、15%、21%。實(shí)驗(yàn)步驟：在自制細(xì)長(zhǎng)管模型中填入石英砂，先飽和水再飽和油，將模型放入恒溫箱、設(shè)置實(shí)驗(yàn)出口壓力，啟動(dòng)恒溫箱將溫度升至設(shè)定溫度，打開(kāi)外供氣源保持一定的注入速率連續(xù)注入，記錄壓力、驅(qū)替出油樣體積直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

2 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果

2.1 氧化放熱特征分析

對(duì)不同濃度減氧空氣的ARC數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲得了2 MPa壓力下不同濃度減氧空氣與原油氧化反應(yīng)實(shí)驗(yàn)溫度隨時(shí)間變化的曲線(見(jiàn)圖1)。

圖1 不同濃度減氧空氣與原油氧化反應(yīng)溫度變化曲線

在空氣(氧氣濃度21%)條件下，實(shí)驗(yàn)中溫度低于165 ℃、時(shí)間小于1 040 min時(shí)，未監(jiān)測(cè)到溫度累積，此時(shí)的氧化反應(yīng)放熱量很少，主要表現(xiàn)為加氧反應(yīng)。隨著溫度升高，165℃時(shí)監(jiān)測(cè)到原油開(kāi)始放熱，溫度隨時(shí)間不斷升高，升至195 ℃時(shí)表現(xiàn)出氧化反應(yīng)加劇、溫度迅速升高，說(shuō)明原油的氧化反應(yīng)逐漸從放熱較少的加氧反應(yīng)向放熱較多的裂鍵反應(yīng)轉(zhuǎn)變[14]。由此可知，對(duì)于沈625原油，實(shí)驗(yàn)溫度低于165 ℃時(shí)，原油主要發(fā)生加氧反應(yīng)，裂鍵反應(yīng)為輔；實(shí)驗(yàn)溫度在195 ℃以上時(shí)，原油主要發(fā)生裂鍵反應(yīng)，以加氧反應(yīng)為輔；實(shí)驗(yàn)溫度在165～195 ℃之間時(shí)，原油反應(yīng)為加氧反應(yīng)向裂鍵反應(yīng)轉(zhuǎn)變，加氧反應(yīng)和裂鍵反應(yīng)并存。

在不同濃度減氧空氣實(shí)驗(yàn)中，O2濃度為15%、10%時(shí)監(jiān)測(cè)到放熱溫度也為165 ℃，但熱量累積時(shí)間變長(zhǎng)，溫度升至195 ℃時(shí)出現(xiàn)反應(yīng)加劇，但沒(méi)有空氣條件下劇烈；O2濃度為0時(shí)，由于沒(méi)有氧氣參與反應(yīng)，原油在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中未監(jiān)測(cè)到氧化放熱。隨O2濃度降低，原油從165 ℃升至195 ℃所用時(shí)間更長(zhǎng)，O2濃度21%、15%、10%對(duì)應(yīng)反應(yīng)時(shí)間分別為238、340、527 min。分析認(rèn)為，低O2濃度下參與反應(yīng)的O2量少，氧化反應(yīng)累積熱量需要更長(zhǎng)的時(shí)間，隨著氧化反應(yīng)進(jìn)行氧氣被消耗，剩余氧氣量更少，導(dǎo)致后續(xù)氧化反應(yīng)劇烈程度隨之下降。

因此可見(jiàn)，沈625塊油藏溫度為116 ℃，低于氧化放熱溫度165 ℃，氧氣與原油反應(yīng)主要為加氧反應(yīng)，產(chǎn)生的熱量很少，不能產(chǎn)生有效的熱效應(yīng)。因此，對(duì)于沈625油藏應(yīng)該采用減氧空氣驅(qū)，避免氧氣無(wú)法有效消耗導(dǎo)致安全風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 靜態(tài)氧化尾氣分析

通過(guò)不同濃度減氧空氣與原油靜態(tài)低溫氧化實(shí)驗(yàn)，計(jì)算出不同濃度減氧空氣的耗氧指標(biāo)，見(jiàn)表2。

表2 不同濃度減氧空氣與原油低溫氧化后尾氣組分變化情況

原油與空氣的低溫氧化反應(yīng)物為原油中輕質(zhì)組分，氧化產(chǎn)物主要是水、含氧烴類(lèi)化合物(羧酸、醛、酮、醇、氫過(guò)氧化物)和較少量的碳氧化物氣體(CO、CO2)[15]。分析尾氣組分可知，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)O2濃度低于5%時(shí)，尾氣中O2含量幾乎沒(méi)變，O2利用率僅為0.98%，尾氣中沒(méi)有檢測(cè)到CO、CO2氣體，O2轉(zhuǎn)化率為0；隨著O2濃度升高，O2消耗量增多，O2利用率增大，生成的CO、CO2氣體含量也有所增加，O2轉(zhuǎn)化率增大，原油被氧化的程度有所增加，但是尾氣中還是有相當(dāng)一部分O2沒(méi)有被消耗掉。分析說(shuō)明沈625區(qū)塊原油在110 ℃、10 MPa條件下低溫氧化能力較弱，低溫氧化作用不足以消耗掉所有O2，存在安全隱患，從注氣安全角度考慮應(yīng)當(dāng)采用減氧空氣驅(qū)。

2.3 驅(qū)油效率評(píng)價(jià)分析

通過(guò)高壓細(xì)長(zhǎng)管驅(qū)替實(shí)驗(yàn)可以得出不同濃度減氧空氣對(duì)原油驅(qū)油效率的影響結(jié)果(見(jiàn)表3)。

表3 不同濃度減氧空氣對(duì)驅(qū)油效率及貢獻(xiàn)率的影響

通過(guò)對(duì)比不同濃度減氧空氣的高壓細(xì)長(zhǎng)管驅(qū)替實(shí)驗(yàn)可以看出，對(duì)于沈625塊原油在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，O2濃度對(duì)驅(qū)油效率影響不大，貢獻(xiàn)率隨著O2濃度的增大有所增大。說(shuō)明實(shí)驗(yàn)過(guò)程中低溫氧化作用對(duì)驅(qū)油效率起到了一定的貢獻(xiàn)作用，但由于實(shí)驗(yàn)條件下低溫氧化能力較弱，導(dǎo)致氧化作用造成的影響不明顯。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)可知，沈625塊原油在目前地層條件下低溫氧化能力較弱，應(yīng)當(dāng)開(kāi)展減氧空氣驅(qū)，首要問(wèn)題是確定減氧空氣的氧含量。通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，油氣爆炸的理論最低臨界氧含量為12%，但在實(shí)踐應(yīng)用中還需要考慮現(xiàn)場(chǎng)諸多因素對(duì)安全氧含量的影響，在綜合考慮影響因素、確定安全系數(shù)后，建議油井氧含量的安全參考范圍為5%～ 8%[16]，結(jié)合室內(nèi)靜態(tài)氧化實(shí)驗(yàn)和驅(qū)油效率實(shí)驗(yàn)結(jié)果，沈625區(qū)塊注入介質(zhì)為減氧空氣(O2含量5%)，采用層內(nèi)高部位注氣、低部位注水、中間采油，既能起到氣驅(qū)作用降低含水，又能有效補(bǔ)充地層能量。截至目前，現(xiàn)場(chǎng)累積實(shí)施注氣井組12個(gè)，累注氣8 467×104m3。22口油井不同程度受效，最高日增油75 t，含水下降6.9%，階段累增油10.7×104t。分析沈625區(qū)塊年產(chǎn)油量和含水上升率變化特征(見(jiàn)圖2)可知，減氧空氣驅(qū)開(kāi)發(fā)，有效提高了區(qū)塊產(chǎn)量，控制了綜合含水。分析認(rèn)為，主要原因是由于受重力分異作用，使注入氣向上移動(dòng)形成氣頂，進(jìn)而向下驅(qū)油，擴(kuò)大了氣體波及范圍；其次，氣體可以進(jìn)入細(xì)微裂縫，驅(qū)掃能力比水驅(qū)更強(qiáng)；在油藏壓力下，氣體融于原油導(dǎo)致原油體積膨脹，也有利于提高驅(qū)油效率。對(duì)于減氧空氣驅(qū)而言，低溫氧化生熱產(chǎn)生煙道氣驅(qū)的效果較弱。

圖2 沈625區(qū)塊潛山年產(chǎn)油和含水上升率曲線

4 結(jié)論

(1)在2 MPa不同O2濃度ARC實(shí)驗(yàn)中，各濃度減氧空氣與原油氧化反應(yīng)的初始放熱溫度均為165 ℃，在195 ℃時(shí)表現(xiàn)出反應(yīng)加劇，說(shuō)明沈625塊油藏溫度低于165 ℃時(shí)放熱量很少，不能產(chǎn)生有效熱效應(yīng)，適合采用減氧空氣驅(qū)。O2濃度主要影響氧化反應(yīng)進(jìn)程的長(zhǎng)短，隨O2濃度降低，原油累積熱量時(shí)間變長(zhǎng)且氧化反應(yīng)劇烈程度有所下降。

(2)在靜態(tài)氧化實(shí)驗(yàn)中，隨O2濃度增加，原油的氧化程度有所增加，但尾氣中仍含有較多的O2，在注氣安全上存在隱患，應(yīng)采取減氧空氣驅(qū)。在驅(qū)替實(shí)驗(yàn)中，隨O2濃度增加，驅(qū)油效率貢獻(xiàn)率略有增大，驅(qū)油效率的變化很小。說(shuō)明沈625塊原油低溫氧化能力較弱，O2濃度變化對(duì)氧化反應(yīng)影響較小。

(3)結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果及氧含量安全標(biāo)準(zhǔn)，確定注入介質(zhì)為氧含量5%的減氧空氣。從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施效果來(lái)看，減氧空氣驅(qū)開(kāi)發(fā)能夠有效提高區(qū)塊產(chǎn)量，控制綜合含水，既能保證安全生產(chǎn)，又可以達(dá)到提高采收率的目的。