潛山油藏減氧空氣驅(qū)室內(nèi)實驗研究
——以遼河油田S625區(qū)塊為例

張 鴻，王 岐，馬寶全

（1.中國石油大慶油田有限責任公司勘探開發(fā)研究院，黑龍江 大慶 163712；2.國家能源稠（重）油開采研發(fā)中心，遼寧 盤錦 124010；3.中國石油大慶油田有限責任公司第二采油廠，黑龍江 大慶 163414）

空氣驅(qū)技術是除熱采之外發(fā)展較快的提高采收率的一項新技術[1-4]，具有氣源廣闊豐富、不受地域空間限制、成本廉價等優(yōu)點，且空氣流動性比水好，能解決低滲油藏注水困難的問題?？諝怛?qū)技術是空氣與原油發(fā)生氧化反應生成一定量的CO2和CO，可與N2、部分輕油組分組成“煙道氣驅(qū)”，從而驅(qū)替原油采出。由于國外油藏物性相對均質(zhì)、氣竄風險低，該技術已在國外現(xiàn)場取得較好的效果，但遼河油田滲透率低、潛山油藏非均質(zhì)性強，氣竄風險較大，直接注入空氣，O2含量較高，在地層高壓下存在安全風險，因此可實施減氧空氣驅(qū)[5-8]，注入氣中減少O2含量可降低可燃氣爆炸極限。

目前，空氣驅(qū)的相關研究主要集中在單一含氧量的數(shù)值模擬預測、現(xiàn)場工藝技術、注入?yún)?shù)優(yōu)化等方面[9-12]，缺少不同含氧量減氧空氣驅(qū)可行性、產(chǎn)出流體特征等系統(tǒng)研究，且室內(nèi)實驗氣體復配常用的靜態(tài)配氣法和動態(tài)配氣法適用于用量少、含量低的標準氣體的配置[13]。

遼河油田S625區(qū)塊為具有弱底水的層狀結構裂縫型塊狀潛山油藏，油藏埋深3 150～3 720 m，基質(zhì)、宏觀裂縫平均孔隙度分別為3.68%、0.74%；平均滲透率55×10-3μm2，地層溫度106 ℃，地層壓力14.3 MPa，50 ℃時脫氣原油黏度為64.28 mPa·s，20 ℃時原油平均密度0.850 0 g/cm3，凝固點45.33 ℃，含蠟量41.51%，膠質(zhì)瀝青質(zhì)含量10.55%，具有高含蠟、高凝固點的特點。該區(qū)塊目前處于注水開發(fā)末期，由于該區(qū)塊儲層裂縫比較發(fā)育、非均質(zhì)性強，含水上升速度極快，產(chǎn)量遞減快，且水竄嚴重，控水穩(wěn)壓難度大，亟待探索注水開發(fā)后期提高采收率的新技術。通過開展室內(nèi)實驗，創(chuàng)新建立減氧空氣不同含氧量的復配方法，并結合靜態(tài)氧化、動態(tài)驅(qū)替實驗及高溫高壓物性，分析減氧空氣驅(qū)開采效果，研究其作用機理、產(chǎn)出流體變化規(guī)律和驅(qū)替特征，為遼河油田潛山油藏、低滲油藏、高含水后期油藏安全有效地開發(fā)提供新思路。

1 實驗部分

1.1 實驗樣品

實驗選用遼河油田S625區(qū)塊H5井脫水原油，50 ℃時地面脫氣原油黏度為53.64 mPa·s，20 ℃時原油密度0.871 6 g/cm3，凝固點46.27 ℃，含蠟量42.63%，原油族組分飽和烴、芳烴、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)含量分別為71.26%、2.27%、5.60%、20.87%。實驗用砂采用120目石英砂，實驗模擬水按地層水分析資料配制，利用空氣和99.99%高純氮配置不同含氧量的復配氣體。

1.2 實驗方案及設備

1.2.1 靜態(tài)氧化實驗

將不同含氧量減氧空氣（含氧量為0、5%、10%、15%、21%）注入油層，測試長時間滯留發(fā)生氧化反應后原油物理化學性質(zhì)及產(chǎn)出氣體組分的變化，評價不同含氧量下的耗氧情況。結合研究區(qū)地層條件，設計實驗溫度110 ℃，壓力10 MPa，反應時間設定為134 h。實驗主要設備為高溫高壓反應釜，容積112 mL，耐壓30 MPa，耐溫300 ℃，配套設備為DMA4200M高溫高壓密度計、馬爾文Gemini2高溫高壓流變儀、MK-6S棒薄層色譜儀、CP-3800氣相色譜儀，分別用于測實驗前后原油密度、黏度、族組分、氣體組分。

1.2.2 細長管驅(qū)替實驗

評價動態(tài)條件下減氧空氣驅(qū)驅(qū)油效率，分析低溫氧化作用對驅(qū)油效率的貢獻率。實驗溫度110 ℃，實驗壓力10 MPa，空氣含氧量分別為0、5%、10%、15%、21%。實驗主要由注入部分（包括氣源、壓力表、流量控制器、中間容器等）、模型本體（包括恒溫箱和細長管）、采出部分（回壓閥、氣液分離裝置）組成（圖1），細長管為不銹鋼材質(zhì)，直徑8 mm，長度30 m。

圖1 動態(tài)細長管實驗流程

實驗步驟為：①將石英砂填入細長管并進行氣密性監(jiān)測；②將細長管放入恒溫控制器中，向細長管中飽和水再飽和油；③按實驗流程連接各裝置，設定出口壓力，將恒溫箱溫度升至實驗溫度；④打開氣源，保持一定速度注入復配好的減氧空氣；⑤記錄實驗過程中細長管壓力、產(chǎn)油量，直至實驗結束。改變不同含氧量重復以上步驟完成實驗。

1.2.3 不同含氧量氣體的溶脹實驗

為了驗證不用含氧量減氧空氣驅(qū)與原油的溶脹性能，開展不同含氧量氣體的溶脹實驗，所用設備為高溫高壓PVT分析儀。在高溫高壓PVT筒中裝入一定質(zhì)量原油，在地層溫度110 ℃下，將不同含氧量的空氣注入PVT筒后（通過泵驅(qū)替筒中活塞控制混合體積），攪拌均勻，測定在不同壓力下不同含氧量減氧空氣注入后原油的溶解能力、原油地層體積系數(shù)的變化。

2 實驗結果與分析

2.1 不同含氧量氣體配置

實驗過程中，采用空氣與高純氮氣復配不同含量的減氧空氣，在配置過程中保持O2的量不變，根據(jù)空氣與N2的氣體狀態(tài)方程與道爾頓分壓定律，若各組分之間不發(fā)生化學反應，則每一種氣體都均勻地分布在整個容器內(nèi)，所產(chǎn)生的壓強和單獨占有整個容器時所產(chǎn)生的壓強相同，即某一氣體在氣體混合物中產(chǎn)生的分壓等于在相同溫度下單獨占有整個容器時所產(chǎn)生的壓力；而氣體混合物的總壓強等于各氣體分壓之和，因此對空氣與高純氮進行壓力配置，得到不同含氧量的減氧空氣。

假設容器體積為V，已知注入空氣壓力為P（空 氣 中O2含 量 為21%），O2的 量 為n( O2)=0.21ZPV RT，在配置過程中O2的量保持不變，若配置O2含量為x%的減氧空氣，則容器的壓力P′ = 0.21Z xP（Z為實驗溫度下的氣體壓縮因子），為了使容器壓力增大至P′，需注入高純氮，其壓力變化為P′-P。根據(jù)上述方法，建立不同含氧量減氧空氣復配方法，實現(xiàn)配置誤差低于1%（表1）。

表1 不同含氧量減氧空氣參數(shù)配置

2.2 減氧空氣驅(qū)產(chǎn)出流體特征

針對不同含氧量空氣驅(qū)靜態(tài)氧化實驗后的原油和產(chǎn)出氣，開展原油物理性質(zhì)、族組分及氣體組分分析，實驗數(shù)據(jù)見表2和表3。當空氣中含氧量大于10%時，尾氣組分能夠監(jiān)測到CO2，且隨著含氧量增多，CO和CO2含量隨之增加，原油黏度、密度也隨著含氧量增多而增大，相應的飽和烴和芳烴總量降低，非烴和瀝青質(zhì)總量增大，說明含氧量對低溫氧化程度產(chǎn)生一定影響。含氧量不大于5%時，尾氣中未檢測出CO2，未發(fā)生氧化反應，隨著含氧量增多，低溫氧化程度加強，O2利用率和轉(zhuǎn)化率升高，但CO2含量雖有增加，但總量較少，減氧空氣驅(qū)時均沒超過0.6%，說明S625區(qū)塊地層溫度110 ℃下發(fā)生完全氧化生成CO2的幾率較低。

表2 不同含氧量靜態(tài)氧化實驗后原油族組分及物性對比

表3 不同含氧量靜態(tài)氧化實驗后氣體組分變化

當含氧量達到21%時，反應后增加的CO和CO2總量遠小于O2減少量，是因為低溫氧化過程消耗的大部分氧與原油中輕質(zhì)組分發(fā)生加氧反應，生成羧酸、醛、酮、醇等含氧烴類化合物。此時，尾氣中還能監(jiān)測到一定的O2含量，說明還有一部分O2沒有被完全消耗，意味著在地層溫度、地層壓力下，會存在一定安全隱患，而不同含氧量減氧空氣驅(qū)低溫氧化后，雖殘余一定含量氧，但殘余氧含量均低于10%，需綜合考慮注氣安全性和經(jīng)濟性[14-16]，S625區(qū)塊適合實施減氧空氣驅(qū)開采，滿足安全生產(chǎn)需求。

2.3 驅(qū)替實驗特征分析

在相同的實驗條件下（溫度110 ℃、壓力10 MPa），對比不同含氧量減氧空氣動態(tài)細長管驅(qū)替實驗的驅(qū)油效率（圖2），氣驅(qū)驅(qū)油效率隨著含氧量增多而逐漸升高，含氧量從0增多到21%時，對應的驅(qū)油效率從47.58%增大到49.29%，升高幅度較小。低溫氧化作用對驅(qū)油效率的貢獻率隨著O2含量增多也略有增大，含氧量為0、5%、10%、15%、21%時對應的氧化作用對驅(qū)油效率貢獻率分別為0.00%、0.91%、1.49%、1.94%、3.47%，說明在較低油藏溫度下（110℃）發(fā)生完全氧化消耗的O2少，低溫氧化能力較弱，含氧量對氧化反應影響較小。

圖2 不同含氧量對S625區(qū)塊驅(qū)油效率及貢獻率的影響

2.4 不同含氧量氣體的溶脹實驗

在含氧量分別為0、5%、10%、15%、21%時進行溶脹實驗，研究了溶解氣油比、體積系數(shù)與壓力的關系。溶解氣油比指單位體積地面原油在一定溫度和壓力下溶解的氣量；體積系數(shù)指原油在地層條件下體積與其在地面脫氣后的體積之比[17]。由圖3和圖4可知，隨著壓力升高，溶解氣油比逐漸增大，溶解能力增強；原油膨脹程度增加，體積系數(shù)增大。曲線有明顯的拐點，是因為當壓力降低至一定程度時，原油中溶解氣逐漸分離出來，導致油和氣兩相體積明顯增加，拐點處對應的壓力為實驗溫度110 ℃下不同含氧量的飽和壓力，均為28.5 MPa。低于飽和壓力時，氣油比和體積系數(shù)與壓力呈線性關系，滿足亨利定律。當壓力高于泡點壓力后，氣體溶解能力達到最大。不同含氧量的空氣溶解特性略有差別，在同一壓力下，隨著含氧量增多，溶解能力增強，在飽和壓力28.5 MPa時溶解氣油比分別為26.5，27.5，28.7，30.9，35.8 Nm3/m3，體積系數(shù)分別為1.114、1.124、1.155、1.192、1.230，驗證了S625區(qū)塊原油在地層條件下，減氧空氣驅(qū)比單純注氮氣更有利于原油體積膨脹，增加更多彈性能量，有利于提高地層壓力和流動壓差，一定程度上提高驅(qū)油效率。

圖3 不同含氧量下S625區(qū)塊原油溶解特性

圖4 不同含氧量下S625區(qū)塊原油體積系數(shù)

3 結論

（1）根據(jù)空氣與氮氣的氣體狀態(tài)方程與道爾頓分壓定律，建立了不同含氧量的減氧空氣配置實驗方法，實現(xiàn)配置誤差低于1%。

（2）減氧空氣地層溫度靜態(tài)低溫氧化后原油中輕質(zhì)組分減少，重質(zhì)組分增加。隨著含氧量增多，產(chǎn)出氣中CO2含量增加，氧化程度越明顯，O2利用率與轉(zhuǎn)化率升高，但完全發(fā)生氧化反應生成CO2幾率較低，且尾氣中含有O2，存在注氣安全隱患，綜合考慮安全性和經(jīng)濟性，S625區(qū)塊適合實施減氧空氣驅(qū)開采。

（3）動態(tài)驅(qū)替實驗表明，氧化作用對驅(qū)油效率貢獻率隨含氧量增多而增大，而氧含量變化對氣驅(qū)驅(qū)油效率影響不大；氣體溶脹實驗也驗證了S625區(qū)塊原油在地層條件下，減氧空氣驅(qū)比單純注氮氣更有利于原油體積膨脹，從而提高原油采收率。