《致密砂巖油藏注空氣低溫氧化機理及組分變化規(guī)律研究》論文發(fā)表期刊：《當代化工研究》；發(fā)表周期：2021年16期

《致密砂巖油藏注空氣低溫氧化機理及組分變化規(guī)律研究》論文作者信息：王濤（1986-），男，漢族，陜西澄城人，碩士，工程師，延長油田股份有限公司子長采油廠；研究方向：油田注水。

　　摘要：為有效提高采收率，對延長油田某致密砂巖油藏原油開展注空氣低溫氧化研究。聯(lián)合運用靜態(tài)低溫氧化裝置及氣相色譜等測試手段分析低溫氧化反應后氣體組成和原油物理化學性質(zhì)變化規(guī)律等。實驗結(jié)果表明：原油氧化的速度對溫度非常敏感，在相對較低的溫度與壓力下，原油的氧化速度較慢。在較高的溫度下，空氣對原油的氧化能力較強。當壓力一定時，隨著溫度的升高，原油氧化后空氣中的含氧量呈現(xiàn)明顯下降，體系中cO，含量的變化與氧氣含量呈現(xiàn)明顯的相關(guān)性，隨著溫度與壓力的增加而逐步增大，c0，增加的百分比小于氧氣減少的百分比。隨著溫度、壓力的升高，氧氣消耗量快速上升，在相同的溫度下，高壓體系的耗氧量明顯大于低壓體系。壓力越高，溶解于原油中的氧氣越多，而溫度越高，原油與氧氣的反應速度越快。初期空氣中的氧氣百分含量高，溶解于原油的氧氣量也較高，后期隨著氧氣的消耗，空氣中的氧氣百分比下降，溶解于原油的氧氣量減少，反應速度逐漸下降。高溫下更多的長烴鏈斷裂成了短烴鏈，cH，隨著氧化反應的進行含量不斷上升，隨著溫度、壓力的上升，CH，的含量越高。同時利用數(shù)值模擬驗證了實驗的準確性。該研究成果對致密砂巖油藏空氣驅(qū)具有一定的借鑒意義。

　　關(guān)鍵詞：注空氣;致密砂巖油藏;低溫氧化;族組分;氣相色譜

　　Abstract: In order to effectively improve oil recovery; a study on low temperature oxidation of crude oil was carried out for a tight sandstone reservoir from Yanchang Oilfield. The variations of gas components and oil physicochemical properties were analyzed by means of static low temperature oxidation apparatus and gas-phase chromatography devices. The experimental results showed that the oxidation rate of crude oil was very sensitive to temperature and it was slow inder a condition of relatively low temperature and pressure. The oxidation ability of air was very stronger a.

　　higher temperatures. When the pressure was constant, the oxygen content in air obviously decreased as the temperature increased after the oxidationreaction. The content of CO, was obviously related to the content ofoxygen. The content of CO, gradually rose and the consumption of oyygen sharply enlarged with temperature and pressure increasing, but the reduced percentage of CO, was lower than the incremental percentage of oxygen. At the same temperature, the consumption of oxygen was obviously greater under higher pressure than lower pressure. Greater pressure made more oxygen dissolve into crude oil but higher temperature made faster reaction rate betveen oxygen and oil. In the initial stage, the percentage of oxygen was higher in air; so more oxvgen was dissolved into crude oil. However in the later stage, the percentage of orvgen decreased resulted in lower dissolution of oxygen and slower reaction rate with crude oil. At high temperature, more hydrocarbons of long chain broke into short chain ones, which led to a higher content of CH, The content of CH, gradually increased with temperature and pressure increasing. These results are very usefully to guide a wide application ofair flooding in tight sandstone reservoirs.

　　Key words: imject air; tight sandstone reservoir; low temperature oxidation; group component; gas chromatography

　　注空氣開采輕質(zhì)油藏具有眾多優(yōu)點，成本低、適用油藏范圍廣且驅(qū)油效果顯著，可以作為一項新提高原油的采收率技術(shù)[-3]。空氣注入輕質(zhì)油藏后，氧氣與原油發(fā)生低溫氧化反應，產(chǎn)生的熱量可使油層溫度升高促使輕質(zhì)組分蒸發(fā)，生成的co、co，以及由N，和蒸發(fā)的輕烴組分等可形成煙道氣驅(qū)的效果[3-1。英國巴斯大學研究團隊[8，在注空氣低溫氧化研究的過程中，首創(chuàng)性的發(fā)現(xiàn)并命名了氧氣消耗速率，這使得低溫氧化研究又深入了一步。巴斯大學Greaves[3等人，研究了在注空氣過程中，原油發(fā)生低溫氧化需要一個熱量的界限，這個界限可用活化能來表示。2013年，王蕾[10等人，對輕質(zhì)油藏注空氣做了大量的理論研究和數(shù)值模擬研究，通過室內(nèi)實驗分析低溫氧化階段的各種氧化、放熱性質(zhì)，同時又對熱效應進行了進一步的研究。然而，輕質(zhì)油藏注空氣低溫氧化反應后氣體組成和原油組分都會發(fā)生一定變化，原油性質(zhì)也隨之發(fā)生改變，目前對這兩部分研究較少。本文針對延長油田一致密砂巖油藏原油開展低溫氧化實驗，分析低溫氧化反應后氣體組成和原油物理化學性質(zhì)變化規(guī)律，認識低溫氧化對前后氣體及原油性質(zhì)的影響，對于了解注空氣后油藏條件變化和深入認識驅(qū)替機理具有更重要的意義。

　　1.實驗方法

　　將原油和高壓空氣放置在密閉容器中，保持一定的溫度與壓力。空氣中的氧會逐漸與原油發(fā)生氧化反應，通過定時檢測氣體組分的變化，即可計算出原油在不同條件下消耗氧氣的速度。對比實驗前后原油組分的變化，即可確定原油中被氧化的主要組分。

　　實驗設計在2.2MPa、4.85MPa兩個壓力條件下，分別測試30℃、35.6℃(油層溫度)、50℃三個溫度下原油與空氣發(fā)生低溫氧化反應的速度，并對反應前后氣體組分、原油組分、原油粘度進行對比分析。氧化速率與總耗氧量計算方法：氧化速率計算主要采用氣體含量法的方法，即通過測試反應后氣體中氧氣的含量變化來計算氧氣消耗的量，計算方法如下：

　　2.實驗設備與材料

　　(1)實驗材料

　　本次實驗油樣為延長某井區(qū)脫氣原油，原油密度分布在0.845～0.848g/cm3，平均0.846g/cm3，原油粘度一般在3.06-5.73mPa∙s，平均3.93mPa∙s。實驗采用了現(xiàn)場天然巖心，將其粉碎成油砂備用。實驗所用氣源為室內(nèi)采集空氣。通過增壓泵將空氣加壓預處理，使壓力達到設計注入壓力。地層水是根據(jù)水樣分析結(jié)果配置的模擬地層水，礦化度為16950.68mg/L，水型為氯化鈣型，具體見表1。

　　整個流程主要由增壓系統(tǒng)、高溫配樣系統(tǒng)等組成(見圖1)。增壓系統(tǒng)由氣體增壓泵、高壓活塞容器、手動泵組成。氣體增壓泵用于采集空氣并將氣加壓至實驗壓力，高壓活塞容器用于盛裝壓縮空氣，手動泵用于將空氣增壓至實驗設定壓力。氣組分分析采用Agilent 6890N氣相色譜儀，壓力精度0.01psi，流量精度0.01ml/min，保留時間重現(xiàn)性<0.0012min，峰面積重現(xiàn)性<2.0% RSD。

　　(3)實驗流程

　　設計了6組氧化實驗，在地層壓力條件下(4.85MPa)開展原油+巖心砂+地層水+空氣相互反應機理實驗，實驗溫度選擇30℃、35.6℃和50℃，測試原油與空氣發(fā)生低溫氧化反應的速度。為了分析壓力及溫度對原油低溫氧化的影響，又分別開展了2.20MPa條件下，30℃、35.6℃和50℃時的原油低溫氧化實驗。

　　靜態(tài)氧化實驗流程為：稱取定量的原油置入反應器中，并按實驗要求加入定量的天然巖心砂樣、地層水、黏土、泡沫劑等物質(zhì)，調(diào)節(jié)容器活塞以確保空氣體積。再將反應器升溫至設定溫度，注入高壓空氣至設定壓力，放置并開始記錄反應時間。將裝有原油和壓縮空氣的反應器保持恒溫恒壓，考慮到本次實驗的溫度、壓力較低，原油氧化速度慢，設計每隔24h取一次氣樣并測試，分析其組分變化，直至反應288h;停止實驗后，將原油取出，測試粘度及組分。

　　3.實驗結(jié)果與討論

　　空氣與原油發(fā)生的氧化反應十分復雜，不同介質(zhì)的存在可以增加或減少氧化速度。采用延長油田某致密砂巖油藏的原油、地層水、巖心砂進行不同溫度、壓力下的實驗，目的是考察在不同條件下空氣對原油的氧化速度。氧化實驗結(jié)果見圖2。從圖中可以看出，在相對較低的溫度與壓力下，原油的氧化速度較慢，反應288h后，氧氣含量仍在17.869%～ 19.443%。在較低的溫度下，空氣對原油的氧化能力較弱。當壓力一定時，隨著溫度的升高，原油氧化后空氣中的含氧量呈現(xiàn)明顯下降的趨勢。體系中CO2含量的變化與氧氣含量呈現(xiàn)明顯的相關(guān)性，隨著溫度與壓力的增加而逐步增大。可以看出CO2增加的百分比小于氧氣減少的百分比，這是因為一方面CO2在原油中具有較高的溶解度，另一方面消耗的氧氣并未全部轉(zhuǎn)化為CO2，有一部分氧氣與原油反應生成了含氧化合物。

　　根據(jù)不同氧化時間后空氣中的含氧量百分比，計算出不同時間后氧氣的消耗量(標態(tài)下氣體體積)，見表2。從計算結(jié)果看，隨著溫度、壓力的升高，氧氣消耗量快速上升，在相同的溫度下，高壓體系的耗氧量明顯大于低壓體系。壓力越高，溶解于原油中的氧氣越多，而溫度越高，原油與氧氣的反應速度越快。初期空氣中的氧氣百分含量高，溶解于原油的氧氣量也較高，后期隨著氧氣的消耗，空氣中的氧氣百分比下降，溶解于原油的氧氣量減少;同時，原油中易被氧化的物質(zhì)是有限的，隨著反應的進行，這類物質(zhì)的相對量也在不斷下降，這兩種因素導致了后期反應速度逐漸下降。

　　根據(jù)不同時間段內(nèi)氧氣的消耗量，計算出288h內(nèi)原油總耗氧量(見表3)與不同反應時期的氧化速率(見表4)。從結(jié)果看，由于反應溫度低，總體上氧化速率與總耗氧量處于較低水平，隨著反應的進行，原油的氧化速率逐漸下降。

　　空氣中的N2與CH4含量變化見圖3。從圖中可以看出，CH4隨著氧化反應的進行含量不斷上升，與溫度、壓力呈正相關(guān)。相同壓力下溫度越高，CH4的含量越高，說明高溫下更多的長烴鏈斷裂成了短烴鏈。較低溫度下由于氧氣消耗少，N2含量的變化不明顯，后期受烴類氣體含量增加的影響，百分含量略有下降;較高溫度下由于氧氣消耗量相對較大，初期N2的百分含量略有增加，后期受氧含量減少與烴類、CO2氣體增加的雙重影響，百分含量基本保持穩(wěn)定。

　　4.結(jié)論

　　(1)原油氧化的速度對溫度非常敏感，在相對較低的溫度與壓力下，原油的氧化速度較慢，反應88h后，氧氣含量仍在17.869%～19.443%。當壓力一定時，隨著溫度的升高，原油氧化后空氣中的含氧量呈現(xiàn)明顯下降，隨著溫度與壓力的增加而逐步增大，CO2增加的百分比小于氧氣減少的

　　百分比。

　　(2)隨著溫度、壓力的升高，氧氣消耗量快速上升。壓力越高，溶解于原油中的氧氣越多，而溫度越高，原油與氧氣的反應速度越快。初期空氣中的氧氣百分含量高，溶解于原油的氧氣量也較高，后期隨著氧氣的消耗，空氣中的氧氣百分比下降，溶解于原油的氧氣量減少，反應速度逐漸下降。

　　(3)高溫下更多的長烴鏈斷裂成了短烴鏈，CH4隨著氧化反應的進行含量不斷上升，隨著溫度、壓力的上升，CH4的含量越高。較低溫度下N2含量的變化不明顯，后期受烴類氣體含量增加的影響，百分含量略有下降;較高溫度下初期N2的百分含量略有增加，后期受氧含量減少與烴類、CO2氣體增加的雙重影響，百分含量基本保持穩(wěn)定。

　　【參考文獻】

　　[1]曲占慶,張紅,蔣海巖,等.注空氣開發(fā)低滲透稀油油藏的適用性探討[J].石油鉆采工藝,2016,38(2):244-245.

　　[2]Hughs B L.Burning reserves for greater oil recovery Air injection potential in Australian light oil reservoirs [J].SPE 101099,2006.

　　[3]李士倫,周守信,杜建芬,等.國內(nèi)外注氣提高石油采收率技術(shù)回顧與展望[J].油氣地質(zhì)與采收率,2002,9(2):1-5.

　　[4]張旭,劉建儀,易洋,等.注氣提高采收率技術(shù)的挑戰(zhàn)與發(fā)展-注空氣低溫氧化技術(shù)[J].特種油氣藏,2006,13(1):6-9.

　　[5]李士倫,張正卿,等.注氣提高采收率技術(shù)[M].成都:四川科學技術(shù)出版社,2001.

　　[6]李松林,王東輝,陳亞軍,等.利用高壓注空氣技術(shù)開發(fā)低滲透輕質(zhì)油油藏[J].特種油氣藏,2003,10(5):35-37.

　　[7]Clara C,Durandeau M.Laboratory studies for lightoil air injectionprojects:potential appli-cation in Handil Field[A].SPE 64272,2000.

　　[8]Ren S R,Greaves M,Rathbone R R.Air Injection LTO Process:An IOR Technique for Light-Oil Reservoirs[J].Spe Journal,2002,7(1):90-99.

　　[9]Greaves M,Bentaher A H.Exothermicity Characteristics of Wolf Lake Heavy il,Athabasca Tar Sand and Clair Medium Heavy Oil[J].Journal of Canadian Petroleum Technology,2007,

　　46(9):16-19.

　　[10]王蕾.輕質(zhì)油藏注空氣低溫氧化模型和熱效應研究[D].山東:中國石油大學(華東),2013.