滕衛(wèi)衛(wèi),吳慶祥,胡曉蝶,王曉光,程宏杰,朱桂芳
(中國石油新疆油田分公司,新疆 克拉瑪依 834000)
準(zhǔn)噶爾盆地低滲透油藏注水開發(fā)整體效果較差,普遍存在注水困難的問題,有必要開展更經(jīng)濟(jì)有效的開采試驗(yàn)。許多研究表明[1-6],注氣開發(fā)是改善低滲透油藏開發(fā)效果的一種有效技術(shù)手段,因低滲透油藏的吸氣能力大于吸水能力,注氣更容易在地層中形成有效壓力驅(qū)替系統(tǒng)。而空氣因其資源豐富、不受地域限制、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)被廣泛用于石油注氣開采[7-8]。經(jīng)過多年礦場實(shí)踐,空氣驅(qū)已成為提高低滲透油藏采收率極具發(fā)展前景的技術(shù)之一[9-15],其主要包括高壓空氣驅(qū)、空氣泡沫驅(qū)和稀油注空氣點(diǎn)火開采??諝怛?qū)的主要機(jī)理包括3個方面:一是注氣可以增加地層能量,減少舉升成本;二是空氣與原油在地層條件下發(fā)生低溫氧化反應(yīng),反應(yīng)中放出的熱量可降低原油黏度,同時生成的CO2溶解于原油后,使原油體積膨脹、原油黏度降低;三是低溫氧化反應(yīng)生成的CO、CO2以及輕質(zhì)組分等與空氣中N2組成煙道氣,在適合條件下可與原油形成混相或近混相驅(qū),具有較好的驅(qū)替效果[16-18]。上述作用機(jī)理中原油低溫氧化作用是空氣驅(qū)的關(guān)鍵因素之一。為深入探究空氣驅(qū)過程中原油的低溫氧化特征及其影響因素,開展原油組分、原油與空氣靜動態(tài)氧化動力學(xué)等室內(nèi)實(shí)驗(yàn),研究不同條件下耗氧量、氧化速率、原油組分等變化特征,研究結(jié)果可為空氣驅(qū)油藏工程設(shè)計(jì)等相關(guān)研究奠定基礎(chǔ)。
實(shí)驗(yàn)油樣選自新疆油田4個區(qū)塊(A1、A2、A3、A4),為脫水原油,原油黏度和油藏基礎(chǔ)參數(shù)見表1。實(shí)驗(yàn)所用空氣來自壓縮機(jī)產(chǎn)生的高壓空氣。靜態(tài)氧化實(shí)驗(yàn)用砂采用經(jīng)過洗油、研磨、篩選等流程處理后的真實(shí)巖心,將原油與水、處理后巖心樣品按一定比例均勻混合配制,得到實(shí)驗(yàn)用人造油砂;動態(tài)驅(qū)替實(shí)驗(yàn)采用80~120目石英砂。
表1 油藏基礎(chǔ)參數(shù)和原油黏度數(shù)據(jù)
1.2.1 靜態(tài)氧化實(shí)驗(yàn)裝置
原油靜態(tài)氧化實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括高壓恒溫靜態(tài)氧化裝置、氣體分析儀等。其中,高壓恒溫靜態(tài)氧化裝置由高壓反應(yīng)器、恒溫油浴箱、反應(yīng)控制器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等部分組成(圖1),主要用于模擬一定條件下原油與空氣的靜態(tài)反應(yīng)過程;氣體分析儀主要用于檢測氧化反應(yīng)后O2、CO2等氣體含量,測量精度為0.1%。
1.2.2 動態(tài)氧化模擬實(shí)驗(yàn)裝置
動態(tài)氧化模擬實(shí)驗(yàn)裝置及流程詳見圖2。裝置的核心部分是模型本體,即填砂氧化管,幾何尺寸為Φ25 mm×700 mm,最高工作壓力為32 MPa,最高工作溫度為350 ℃,用于模擬儲層條件。其他組件包括注氣單元、數(shù)據(jù)采集單元和采出液分離與計(jì)量等部分。其中,注氣單元由高壓空氣瓶(用于提供空氣氣源)、增壓泵、中間高壓容器和流量計(jì)等設(shè)備組成,可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程中注氣強(qiáng)度的調(diào)整,以及對注入氣量的精確控制與計(jì)量;數(shù)據(jù)采集單元由溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集卡等元件組成,可以實(shí)時顯示并記錄實(shí)驗(yàn)過程中溫度變化等數(shù)據(jù);采出液分離與計(jì)量單元由回壓閥、紅外氣體分析儀、便攜式氧氣分析儀等組成,可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)出油、氣精確計(jì)量,以及O2、CO2等氣體含量分析。
圖1 高壓恒溫靜態(tài)氧化實(shí)驗(yàn)裝置示意圖
圖2 注空氣動態(tài)氧化模擬實(shí)驗(yàn)流程示意圖
1.3.1 實(shí)驗(yàn)步驟
靜態(tài)氧化實(shí)驗(yàn):①將脫水原油和人造油砂分別放入高溫高壓反應(yīng)器內(nèi)。②按圖1連接好實(shí)驗(yàn)流程,持續(xù)向反應(yīng)器內(nèi)注入空氣,直至壓力升至20.0 MPa,檢測流程中管線、各連接頭和開關(guān)處的密閉性。③待油浴恒溫箱溫度穩(wěn)定在油藏溫度后,向反應(yīng)器內(nèi)通入氣體直至油藏壓力,將反應(yīng)器放入油浴中,反應(yīng)過程中通過傳感器監(jiān)測溫度、壓力的變化并作好記錄。④待反應(yīng)器壓力穩(wěn)定后,用氣樣袋收集產(chǎn)出氣體,利用氣體分析儀檢測氣體中CO2與O2的體積分?jǐn)?shù)。
動態(tài)氧化實(shí)驗(yàn):①將裝滿巖心的填砂氧化管在負(fù)壓下抽成真空,自吸式飽和水,測定孔隙體積和孔隙度;按圖2將填砂氧化管模型接入驅(qū)替實(shí)驗(yàn)流程,并進(jìn)行全流程耐壓性能測試。②開始油驅(qū)水實(shí)驗(yàn),過程中記錄時間、產(chǎn)液量等信息,直至填砂氧化管出口端無水產(chǎn)出,計(jì)算含油飽和度和束縛水飽和度。③按設(shè)計(jì)流量向填砂氧化管中注入空氣,記錄驅(qū)替過程中不同時刻填砂氧化管兩端壓差、產(chǎn)量(產(chǎn)油量、產(chǎn)氣量等)數(shù)據(jù),同時收集產(chǎn)出氣體,進(jìn)行氣體成分分析,重點(diǎn)關(guān)注O2和CO2。④待空氣驅(qū)階段填砂氧化管出口端基本上不見油后,開始注入發(fā)泡劑段塞,然后繼續(xù)注入空氣,直至出口端基本不出油終止實(shí)驗(yàn);驅(qū)替過程中實(shí)時記錄填砂氧化管兩端壓力、產(chǎn)量(產(chǎn)水量、產(chǎn)油量等)數(shù)據(jù),同時收集產(chǎn)出氣體,進(jìn)行氣體成分分析。⑤空氣泡沫驅(qū)后,原油與空氣靜態(tài)反應(yīng)125 h,然后進(jìn)行氣體成分分析。
1.3.2 計(jì)算方法
(1)氧化反應(yīng)速率計(jì)算。低溫氧化反應(yīng)方程式可以簡化為:
(1)
(2)
(3)
式中:n1、n2分別為反應(yīng)前、反應(yīng)后注入實(shí)驗(yàn)設(shè)備中氣體物質(zhì)的量,mol;c為氣體物質(zhì)的量,mol;x為反應(yīng)前后氣體物質(zhì)的量的變化量,mol;ν為氣體氧化反應(yīng)速率,mol/(h·mL);V為原油體積,mL;t為反應(yīng)時間,h。
(2)氧氣消耗率(簡稱耗氧率)計(jì)算公式為:
φ=(m1-m2)/m1
(4)
式中:φ為耗氧率,%;m1為注入的氧氣量,mL;m2為未消耗的氧氣量,mL。
根據(jù)氣體流量計(jì)讀數(shù)和實(shí)驗(yàn)持續(xù)時間可計(jì)算出注入氣體中O2的總量,另計(jì)算出產(chǎn)出氣體、溢出氣體、反應(yīng)器和油水分離器中含有O2的量,兩者之差就是消耗氧氣的量,其與注入的氧氣量之比就是耗氧率。
以注入空氣進(jìn)入填砂管內(nèi)為開始時刻,到模型產(chǎn)出端產(chǎn)出氣體為截止時刻,這段時間為空氣滯留時間??諝鉁魰r間計(jì)算公式為:
T=Vφ/Q
(5)
式中:T為空氣滯留時間,h;Vφ為孔隙體積,mL;Q為空氣流量,mL/h。
2.1.1 脫水原油低溫氧化實(shí)驗(yàn)
產(chǎn)出氣體中O2體積分?jǐn)?shù)、壓降速率、氧化反應(yīng)速率數(shù)據(jù)見表2。結(jié)果表明,靜態(tài)氧化反應(yīng)后產(chǎn)出氣體中O2體積分?jǐn)?shù)為15.7%~19.7%,4組油樣在油藏溫度下的耗氧量都比較小,主要原因可能是較低溫度下原油中參與氧化反應(yīng)的活性成分較少。A1、A4油樣的壓降速率和氧化速率相對較大,表明氧化反應(yīng)發(fā)生程度較大、速度較快。
表2 脫水原油低溫氧化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
2.1.2 油砂樣品低溫氧化實(shí)驗(yàn)
為了更好地表征油藏條件下原油低溫氧化性能,在脫水原油實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,選取靜態(tài)氧化速率最低的A2、氧化速率最高的A1和中間氧化速率的A4脫水原油分別制備油砂樣品,開展低溫氧化實(shí)驗(yàn)(表3)。
由表3可知:A1油砂樣品氧化反應(yīng)最充分,產(chǎn)出氣體中O2體積分?jǐn)?shù)最低、CO2體積分?jǐn)?shù)最高,氧化反應(yīng)速率最大,氧化特性最好。其次為A2油砂樣品,產(chǎn)出氣體中O2體積分?jǐn)?shù)為3.2%。與純油樣相比,相同實(shí)驗(yàn)條件下,油砂樣品的靜態(tài)反應(yīng)速率更大、反應(yīng)更充分。這主要是由于地層砂粒增加了原油與空氣的接觸面積,從而在較短時間發(fā)生充分的氧化反應(yīng),氧化反應(yīng)速率明顯增大。因此,在實(shí)際油藏多孔介質(zhì)中,原油與注入空氣發(fā)生氧化反應(yīng)將會有更高的氧化反應(yīng)速率。
表3 油砂樣品靜態(tài)氧化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
2.1.3 氧化反應(yīng)速率的影響因素分析
選擇氧化反應(yīng)速率快、氧化特性較好的A1脫水原油樣品開展了多組低溫靜態(tài)氧化實(shí)驗(yàn),研究壓力、溫度等因素對氧化反應(yīng)速率的影響。
(1) 壓力對氧化反應(yīng)速率的影響。保持實(shí)驗(yàn)溫度為77 ℃(A1區(qū)塊油藏溫度)不變,在壓力為13、18、23 MPa條件下開展靜態(tài)氧化實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。由圖3可知:低溫氧化反應(yīng)速率隨著壓力增加而增大,但增幅逐漸變小。分析認(rèn)為這是由于反應(yīng)壓力越大,氧氣的分壓就越高,在相同接觸面積上,氧氣物質(zhì)的量濃度將會增大,原油中溶解的氧氣物質(zhì)的量濃度也在增大,這些因素促使原油更易與空氣發(fā)生氧化反應(yīng),導(dǎo)致氧化反應(yīng)速率有所增大。
(2) 溫度對氧化反應(yīng)速率的影響。在保持壓力基本不變的條件下,采用階梯式升溫方法逐步升高反應(yīng)器中原油的溫度,在初始反應(yīng)溫度分別為77、97、117 ℃條件下開展靜態(tài)氧化實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。由表4可知:初始溫度為77 ℃時,9 h內(nèi)反應(yīng)器內(nèi)壓力由23.3 MPa下降至22.9 MPa,氧化速率為23.1×10-5mol/(h·mL);初始溫度為97 ℃時,9 h內(nèi)反應(yīng)器內(nèi)壓力由23.3 MPa下降至22.8 MPa,氧化速率為24.5×10-5mol/(h·mL);但當(dāng)初始溫度升高至117 ℃時,20 h內(nèi)壓力由24.1 MPa大幅下降至20.8 MPa,氧化速率達(dá)到71.5×10-5mol/(h·mL),低溫氧化速度明顯加快。分析認(rèn)為主要是隨著溫度的逐步升高,原油中可能會有新的組分參與了氧化反應(yīng),或者是原油中某些組分在低溫下氧化生成新物質(zhì)后不再參與反應(yīng),但這些組分在高溫下又參與氧化反應(yīng)。
圖3 氧化反應(yīng)速率與壓力關(guān)系曲線
表4 不同初始溫度下原油氧化反應(yīng)速率實(shí)驗(yàn)結(jié)果
2.1.4 原油組分氧化反應(yīng)規(guī)律分析
選取氧化特性較好的A1脫水原油樣品為研究對象,在油藏溫度(77 ℃)條件下,利用原油氣相色譜分析與4組分測定法,對比原油與空氣氧化反應(yīng)前后氣相色譜的特征參數(shù)與組分特性(圖4、表5)。由圖4可知:原油油樣中輕質(zhì)組分含量由反應(yīng)前的96.29%降至反應(yīng)后的94.49%(芳香烴和飽和烴分別降低了0.26和1.54個百分點(diǎn)),膠質(zhì)和瀝青質(zhì)相對含量由反應(yīng)前的3.71%增至反應(yīng)后的5.51%,表明油藏溫度下,芳香烴、飽和烴等輕質(zhì)組分經(jīng)低溫氧化反應(yīng)后轉(zhuǎn)換成重質(zhì)組分。
圖4 油樣氧化反應(yīng)前后氣相色譜圖
表5 A1油樣氧化反應(yīng)前后4組分等含量對比
原油輕重比(∑nC21-/∑nC22+)表示的是低碳數(shù)正構(gòu)烷烴含量總和與高碳數(shù)正構(gòu)烷烴含量總和的比值,主峰碳則代表原油中含量最高的正構(gòu)烷烴,一般來說輕重比越高,主峰碳越小,原油品質(zhì)越好。由表5可知,原油在經(jīng)歷低溫氧化后,輕重比由原來的2.45減小至2.22,主峰碳由nC15增加至nC17,原油品質(zhì)略微變差,這與4組分分析數(shù)據(jù)是一致的。另外,奇偶優(yōu)勢通常用奇偶優(yōu)勢比(OEP)來表示,該值明顯大于1.0時認(rèn)為有奇碳優(yōu)勢,明顯小于1.0時具有偶碳優(yōu)勢。由表5可知:在低溫氧化前后,原油一直保持略呈奇碳優(yōu)勢,比值始終為1.11,表明原油中奇數(shù)碳與偶數(shù)碳在低溫氧化過程中氧化的難易程度相近。
選取氧化特性較好的A1脫水原油樣品開展了含油飽和度為64.36%的填砂管空氣驅(qū)替實(shí)驗(yàn),在空氣驅(qū)替、空氣泡沫驅(qū)替不同階段對采出氣性質(zhì)進(jìn)行跟蹤分析,同時對不同方式效果進(jìn)行了評價。
2.2.1 泡沫劑篩選
泡沫劑通常是由起泡劑主劑和添加劑組成。起泡劑主劑主要是一些陰離子型或非離子型表面活性劑,起發(fā)泡作用。另外,在泡沫體系中通常加入適量的添加劑,起到增大發(fā)泡體積和延長泡沫壽命的作用。研究中以陰離子型表面活性劑為主劑,通過添加水溶性聚合物作為穩(wěn)泡劑增加泡沫體系穩(wěn)定性,延長泡沫存在時間,自主研制了HD-1、HD-2、HD-3和HD-4共4種不同泡沫劑體系。
通過對4種泡沫劑的起泡體積、半衰期、耐溫性等進(jìn)行評價,篩選出性質(zhì)較優(yōu)的泡沫劑作為動態(tài)驅(qū)替實(shí)驗(yàn)用劑。對4種發(fā)泡劑在不同溫度、不同礦化度下的發(fā)泡體積和半衰期進(jìn)行了測定,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表6。從4種泡沫劑的起泡體積來看,起泡性能均表現(xiàn)為良好,起泡能力差別不大,HD-1泡沫劑起泡體積相對優(yōu)于其他3種。但溫度對泡沫劑的半衰期有較大影響,高溫下4種泡沫劑的半衰期明顯縮短,相對來說,HD-1泡沫劑在高溫、高礦化度下半衰期優(yōu)于其他3種。因此,確定HD-1泡沫劑更適合于高溫高礦化度油藏條件的空氣泡沫驅(qū)。
表6 不同溫度、不同礦化度泡沫劑起泡體積、半衰期實(shí)驗(yàn)結(jié)果
2.2.2 動態(tài)氧化驅(qū)替實(shí)驗(yàn)
在油藏溫度(77 ℃)條件下,利用動態(tài)氧化模擬實(shí)驗(yàn)裝置開展了1組驅(qū)替實(shí)驗(yàn)。填砂管模型原始含油飽和度為79.9%,孔隙度為28.2%,滲透率為11.5 mD。從驅(qū)替實(shí)驗(yàn)過程可以看出,開始空氣驅(qū)后不久就發(fā)生了氣竄,實(shí)驗(yàn)產(chǎn)出尾氣中O2體積分?jǐn)?shù)由17.4%提高至20.8%,CO2體積分?jǐn)?shù)由0.5%下降至0.3%。由于空氣驅(qū)過程中較早出現(xiàn)氣竄,致使注入的空氣在模型中波及范圍較小,空氣與部分原油不能充分接觸,整體上氧化反應(yīng)程度較低,產(chǎn)出氣中O2、CO2體積分?jǐn)?shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表7。
當(dāng)空氣驅(qū)過程中發(fā)生氣竄時,向模型中注入泡沫體系,開始空氣泡沫驅(qū)。隨著實(shí)驗(yàn)開展,產(chǎn)出氣中O2體積分?jǐn)?shù)逐漸下降,最終穩(wěn)定在19.8%。通過分析可知,注入的泡沫體系在模型中發(fā)揮了封堵作用,有效擴(kuò)大了模型中原油和氧氣的接觸面積與作用時間,讓低溫氧化反應(yīng)更為充分。
表7 驅(qū)替實(shí)驗(yàn)各階段產(chǎn)出氣體成分體積分?jǐn)?shù)
2.2.3 反應(yīng)溫度對氧化特征的影響
在空氣泡沫驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,逐漸升高模型溫度,分別在溫度為90、100 ℃條件下穩(wěn)定125 h,對應(yīng)測量產(chǎn)出氣中的O2和CO2體積分?jǐn)?shù),實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表8。由表8可知:反應(yīng)溫度對原油動態(tài)氧化特征有較大影響,原油與空氣的接觸時間越長耗氧量越大,當(dāng)溫度從90 ℃升高到100 ℃時,實(shí)驗(yàn)產(chǎn)出氣中O2體積分?jǐn)?shù)由10.3%下降至6.5%,CO2體積分?jǐn)?shù)由3.6%上升至7.8%。
表8 不同溫度實(shí)驗(yàn)后產(chǎn)出氣體成分體積分?jǐn)?shù)
2.2.4 空氣驅(qū)/空氣泡沫驅(qū)驅(qū)油效果評價
按空氣驅(qū)動態(tài)氧化實(shí)驗(yàn)流程圖(圖2)連接好實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),開始空氣驅(qū)/空氣泡沫驅(qū)實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表9。
圖5為注空氣/泡沫驅(qū)實(shí)驗(yàn)累計(jì)產(chǎn)液量、累計(jì)產(chǎn)油量曲線。由圖5可知,空氣驅(qū)過程中一直無水產(chǎn)出,累計(jì)產(chǎn)液量與累計(jì)產(chǎn)油量數(shù)據(jù)相同,曲線表現(xiàn)為隨著注入孔隙體積倍數(shù)增加而增大,特別是在空氣驅(qū)開始階段,增加幅度和速度較快。當(dāng)氣竄發(fā)生后(即空氣注入量達(dá)到0.41倍孔隙體積),產(chǎn)油量增幅明顯變緩。開展泡沫驅(qū)后,產(chǎn)液量迅速提高,產(chǎn)油量有一定幅度增加,驅(qū)油效果得到改善。
表9 注空氣動態(tài)氧化實(shí)驗(yàn)主要參數(shù)
圖5 空氣驅(qū)/空氣泡沫驅(qū)實(shí)驗(yàn)累計(jì)產(chǎn)液量和產(chǎn)油量曲線
圖6為注空氣/泡沫驅(qū)實(shí)驗(yàn)驅(qū)油效率曲線。由圖6可知:目標(biāo)油藏空氣驅(qū)有較好效果;空氣驅(qū)驅(qū)油效率隨注入空氣體積的增加而增大,初期驅(qū)油效率增加速度較快,當(dāng)氣竄發(fā)生后(即空氣注入量達(dá)到0.41倍孔隙體積),驅(qū)油效率增幅明顯變緩,當(dāng)注入量達(dá)到2.48倍孔隙體積時,空氣驅(qū)結(jié)束,驅(qū)油效率達(dá)到55.38%,表明低滲油藏空氣驅(qū)具有一定可行性;空氣驅(qū)效果較差情況下,通過注入泡沫體系,驅(qū)替剖面能夠得到有效調(diào)整,注入空氣波及體積進(jìn)一步擴(kuò)大,可以將驅(qū)油效率在空氣驅(qū)基礎(chǔ)上提高至70.77%,驅(qū)油效率增幅達(dá)到了15.39百分點(diǎn),增油效果得到明顯改善;空氣泡沫驅(qū)后繼續(xù)開展水驅(qū),但水驅(qū)未能進(jìn)一步提高驅(qū)油效率。
圖6 注空氣/泡沫驅(qū)實(shí)驗(yàn)驅(qū)油效率曲線
(1) 相同實(shí)驗(yàn)條件下,油砂樣品與純油樣相比,前者靜態(tài)反應(yīng)速率更大、反應(yīng)更為充分;靜態(tài)氧化速率與壓力、溫度、時間呈正相關(guān);A1油砂樣品氧化反應(yīng)速率最大,產(chǎn)出氣體中O2體積分?jǐn)?shù)最低,氧化特性最好。
(2) 在油藏溫度下,氧化反應(yīng)后原油中輕質(zhì)組分(芳香烴和飽和烴)含量有一定幅度下降,膠質(zhì)、瀝青質(zhì)含量和氧元素含量有一定幅度增加;原油經(jīng)歷低溫氧化后,輕重比減小,主峰碳增加。
(3) 反應(yīng)溫度對原油動態(tài)氧化特征有較大影響,當(dāng)溫度從90 ℃升高至100 ℃時,產(chǎn)出氣中O2體積分?jǐn)?shù)由10.3%下降至6.5%,CO2體積分?jǐn)?shù)由3.6%上升至7.8%。
(4) 空氣驅(qū)發(fā)生氣竄后,通過注入泡沫體系可有效封堵氣竄通道,擴(kuò)大空氣波及體積,使原油和空氣中的O2發(fā)生更為充分反應(yīng),改善空氣驅(qū)效果;在空氣驅(qū)基礎(chǔ)上,通過注入泡沫體系可提高驅(qū)油效率15.39百分點(diǎn),最終驅(qū)油效率可達(dá)70.77%。