轻油注空气静态低温氧化实验研究

刘 遥,刘易非,陈 艳,张永成

(1.西安石油大学,陕西 西安 710065;2.中油辽河油田公司,辽宁 盘锦 124010)

轻油注空气静态低温氧化实验研究

刘 遥1,刘易非1,陈 艳2,张永成1

(1.西安石油大学,陕西 西安 710065;2.中油辽河油田公司,辽宁 盘锦 124010)

在经过大量文献调研基础上,对轻油注气静态低温氧化反应进行室内实验研究。分析反应前后气体及原油的压力和组分变化,得出不同气油比和压力等因素对原油低温氧化的影响。结果表明,高气油比生成的二氧化碳比低气油比生成的多;高压耗氧速度要高于低压耗氧速度;低温氧化后芳香烃含量明显降低,同时胶质含量明显增加,原油物性变差。

空气;低温氧化;组分变化;气油比;气相色谱分析;低渗透油藏;压力

引 言

近年来,低渗透油藏的开发越来越引起人们的关注。我国已探明的石油储量中,低渗透油藏石油地质储量约为 50×108t,占已探明储量的 27%左右。由于开发难度大,50%左右未投入开发。有些低渗透油藏由于注水困难,无法投入正常开发甚至无法动用。有的采用衰竭式开采,因缺少接替能量补充,采收率特别低。如何经济高效地开发低渗透油藏是当前油田开发中的一个难题。

轻质油藏高压注空气法是一项非常新颖的技术,被公认为有效的提高原油采收率的技术,特别适合在高压低渗透率油田应用。该注空气法综合了气驱和热力采油的优势,而且空气气源充足。操作成本仅是注蒸汽的 1/6左右[1]。

1 注空气低温氧化驱油机理

将空气注入油层,空气与原油接触发生高温氧化反应和低温氧化反应。稠油油藏的开采主要依靠高温氧化反应即火烧油层,驱油效果源于热效应。对中轻质油藏来说,热效应已不重要,关键在于氧气与油反应将氧气消耗掉,产生气驱作用[2]。

对于不同的油藏,注空气技术的驱油机理不同,归纳起来有以下几种[3-4]。

(1)高压注空气提高或维持油藏压力。

(2)油藏温度下,通过原油低温氧化把空气中的氧气消耗掉,至少可以实现氮气驱。

(3)油藏温度下,若实现原油高温氧化,则可间接实现烟道气驱。

(4)适当的油藏压力下,烟道气可与原油发展为混相驱或近混相驱。

(5)高温条件下,可发生超临界蒸汽驱动。

(6)氧化反应的热效应可导致原油降黏、热膨胀效应。

(7)向陡峭或倾斜的油藏顶部注空气可产生重力驱替作用。

2 实验部分

2.1 原料与仪器

实验用原油为辽河油田某区块的轻质原油,黏度为 4.68 mPa·s(50℃时),密度为 826.5 kg/m3。实验仪器有Atlas Copco GX7固定式螺杆空气压缩机、HSS-100型增压泵、2XZ-2B型旋片式真空泵、恒温箱、中间容器、压力传感器、温度传感器、工控机、反应釜等。

2.2 实验流程

实验流程如图 1所示,通过压缩机和增压泵将空气注入中间容器,然后将反应釜抽真空。将一定量的实验用原油注入反应釜中,再把适量体积的空气通过中间容器注入反应釜中。在计量空气的体积时,首先通过 Robinson方法修正空气压缩因子Z[5],再根据中间容器压力变化按照状态方程计算:

式中:p为压力,Pa;V为容器体积,m3;Z为气体压缩因子;n为气体的摩尔量,mol;R为气体常数,J/(mol·K);T为室内温度,K。

实验开始时将恒温箱升温至 90℃。监测并记录反应釜压力的变化。实验结束后,收集反应后的气体和原油。

图1 实验流程

通过控制注入空气和原油之间的不同体积比例,研究原油在不同气油比以及不同压力下的氧化情况。实验分为 4组进行,方案如表 1所示。

表1 实验方案

3 实验结果与分析

3.1 反应前后气体组成变化

表 2 4组实验反应前后气体组成变化

表 2为反应前后气体组分的变化对比数据。可以看出,每组反应后氧气的百分含量均呈下降趋势。氮气不参加反应,故其含量不会发生变化,体积分数增加。考虑到存在其他组分,可使氧气和氮气的百分比下降,故用氧氮比来衡量氧耗程度。

对比相同油量不同压力实验结果可看出高压有利于反应进行;对比相同压力不同油量的实验发现 2组实验氧氮比相差甚小,高气油比的耗氧量比低气油比的耗氧量仅多出 0.001个百分点。综合4组实验反应后气体组分中二氧化碳和一氧化碳的含量,发现D组的二氧化碳含量明显高于其他 3组。这说明高气油比条件更有利于氧化完全生成二氧化碳[5-6]。

3.2 反应前后压力变化

图 2为这 4组实验的反应釜压力随时间变化的关系曲线。从图中的压力变化来看,均有下降趋势。前期温度升高压力急剧上升,待温度稳定后压力逐渐降低,而且趋势变缓。A组实验前期压力变化明显快于其他 3组,更加证明了高压有利于氧化反应的进行。

图 2 反应釜压力随时间变化的关系曲线

3.3 原油组分变化

表 3 D组实验前后原油族组成变化

3.3.1 反应前后原油组分对比

实验结束后收集部分原油进行族组分分析,挑选D组实验后原油含量和原始油样进行对比 (表3)。为减少误差,对反应前后油样分别进行了 2次分析。可以看出,饱和烃含量基本未发生变化,沥青质含量基本保持稳定,芳香烃含量明显降低,胶质含量明显增加。原油中饱和烃所占的比例非常高,但氧化程度非常低。由此可知,原油的低温氧化主要是芳香烃在发生氧化,微量的饱和烃也参加了反应。胶质含量的增加说明了原油低温氧化会使得原油物性变差,前人研究也证实了这一点[7]。

3.3.2 反应前后原油全烃气相色谱分析

通过全烃气相色谱分析,了解反应后正构烷烃含量分布的变化情况及其与原始油样正构烷烃分布的对比。C组实验反应后油样 C5～C10的含量明显多于原始油样,C10+(碳原子个数大于 10的正构烷烃)的含量稍微降低。B组反应后油样 C4～C11的百分含量明显多于原始油样,且变化幅度比 C组大,C12～C26的百分含量出现明显降低。A组反应后油样 C4～C11的百分含量比原始油样大,变化幅度稍高于B组,C12～C26的百分含量也出现明显降低,C26

+的变化较微弱。实验说明,原油的氧化会使重质组分裂解为轻质组分和残余重质组分[8]。

饱和烃百分含量基本保持稳定,但其组成结构却发生了变化。较少碳原子数的正构烷烃 (主要是 C4～C11)含量增多,而中间碳原子数的正构烷烃 (主要是 C12～C26)含量减少,碳原子数较高的正构烷烃含量基本不变。随着反应压力的增加,这种变化的幅度有扩大的趋势,即压力越高,更有利于高碳原子数烃类氧化裂解为低碳原子数烃类。

在气相色谱分析中,有一项地化参数叫做正构烷烃的轻重比,即所有碳原子数≦ 21的正构烷烃的百分含量与所有碳原子数≧ 22的正构烷烃的百分含量的比值。用以描述正构烷烃的组成结构。反应前原始油样的正构烷烃轻重比为 2.29,A、B、C组实验后正构烷烃轻重比分别为 2.69、2.62、2.32。随着压力增加正构烷烃轻重比逐渐增加,这正解释了低温氧化时高碳原子数烃类氧化裂解为低碳原子数烃类的现象[9-10]。

实验研究表明,在一定的油藏温度下,自发的低温氧化反应足以将氧气消耗掉,同时反应产生的热量使油层温度升高,促使轻烃组分挥发。因此,直接起驱油作用的并不是空气,而是在油层内生成的二氧化碳以及由氮气和挥发的轻烃组分等组成的烟道气。氧化反应的程度与原油特性、岩石和流体特性、温度和压力有关。

4 结 论

(1)高气油比条件可能更有利于氧化完全生成二氧化碳。

(2)压力越高,越有利于低温氧化的进行,氧气利用率越高;同时,也更有利于高碳原子数烃类氧化裂解为低碳原子数烃类。

(3)原油的低温氧化主要是芳香烃发生氧化而生成胶质。原油中芳香烃含量越高越有利于氧气消耗,低温氧化会使原油物性变差。

[1]张霞林,张义堂,吴永彬,等 .油藏注空气提高采收率开采技术[J].西南石油大学学报,2007,29(6):80-84.

[2]汪艳,郭平,张良华,等 .轻油注空气提高采收率技术[J].断块油气田,2008,15(2):83-85.

[3]张旭,刘建仪,易洋,等 .注气提高采收率技术的挑战与发展[J].特种油气藏,2006,13(1):6-9.

[4]Onishi T,Okatsu K.History matching with combustiontube tests for light-oil air-injection project[C].SPE 103848,2006:1-9.

[5]李士伦,张正卿,冉新权,等 .注气提高石油采收率技术[M].成都:四川科学技术出版社,2001:28-29.

[6]Greaves M Ren,Rathbone S R.Air injection technique (LTO Process)for IOR from lightoil reservoirs:Oxidation rate and displacement studies[C].SPE 40062,1998:479 -492.

[7]程月,袁鉴,路遥,等 .低温氧化对原油组成的影响[J].化学研究,2007,18(1):67-69.

[8]GreavesM,W ilson A,Al-HoniM. Improved recovery of light/medium heavy oils in heterogeneous reservoirs using air injection/insitu combustion(ISC)[C].SPE 35693, 1996:435-443.

[9]李松林,王东辉,陈亚军 .利用高压注空气技术开发低渗透轻质油油藏[J].特种油气藏,2003,10(5):35-37.

[10]Hudgins David A,Liave Fellclano M.Nitrogen miscible displacement of light crude Oil:A laboratory study[C]. SPE 17372,1990:100-107.

编辑 周丹妮

TE357.7

A

1006-6535(2010)03-0096-03

20091130;改回日期:20100330

中油辽河油田重点攻关项目“提高辽河油田低渗难采储量动用程度应用基础研究”部分内容 (中油辽字 <2009>73)

刘遥 (1985-),男,2007年毕业于西南石油大学安全工程专业,现为该校油气田开发专业在读硕士研究生。