注空气开发低渗透稀油油藏的适用性探讨

曲占庆张红蒋海岩李杨张宁.中国石油大学（华东）石油工程学院；.西安石油大学石油工程学院；.中国石油塔里木油田分公司

注空气开发低渗透稀油油藏的适用性探讨

曲占庆1张红1蒋海岩2李杨3张宁1
1.中国石油大学（华东）石油工程学院；2.西安石油大学石油工程学院；3.中国石油塔里木油田分公司

随着低渗透稀油油藏的储量比例逐年增加，注空气驱油技术越来越被人们所关注，然而空气驱并不适合所有的低渗透油藏。为了增加注空气开发低渗透稀油油藏的成功性，在调研国内外油田高压注空气、空气泡沫驱以及部分稀油注空气点火现场试验的基础上，总结了空气驱开发低渗透油藏的实例经验及油藏参数，对比分析了不同注入方式的空气驱开发低渗透稀油油藏的适用性以及长庆低渗透油田空气驱开发的潜力，提出了一套采用不同空气驱注入方式开发不同参数低渗透稀油油藏的参考方案，为一段时期内开发低渗透稀油油藏提供了借鉴作用和依据。

低渗透；稀油油藏；空气驱；适用性分析

注空气作为一种新兴的提高采收率技术在许多低渗透稀油油藏中取得了很好的效果，高压注空气、空气泡沫驱、稀油注空气点火都属于注空气开发的不同注入方式；其中高压注空气在国外半个多世纪大规模应用已被证明是经济和技术上都可行的低渗油藏提高采收率的方法之一。在我国从80年代开始在大庆、吐哈鄯善、延长等油田也进行了注空气的现场试验，其中有的低渗透稀油油藏由于存在微裂缝，注空气易气窜，且非均质性严重，为了防止气窜常加入泡沫即采用空气泡沫驱采油［1-4］；还发现少数低渗透稀油油藏由于埋藏深、地层温度低等，单纯注空气不能发生低温氧化反应，达不到自燃点火的温度，需要借助外力手段如人工点火来维持燃烧前缘的温度，再进行空气驱［5］。目前针对不同方式的空气驱开发低渗透稀油油藏还没有形成比较完整的筛选方案。在通过大量调研国内外油田空气驱现场试验的基础上，总结了国内外高压注空气和空气泡沫驱的现场实例及油藏参数，分析了不同方式的空气驱开发低渗透稀油油藏的选择可行性，为今后相当长一段时期内开发低渗透稀油油藏提供了借鉴作用和依据。

1 低渗透稀油油藏注空气开发的可行性Feasibility of air flooding for low-permeability thin oil reservoirs

1.1低渗透稀油油藏的特点

Features of low-permeability thin oil reservoirs

近年来发现和未投入开发的油田主要以低渗透油田为主，渗透率在10～50 mD的即为低渗油藏，约占发现储量的50%～60%，还有些油藏渗透率低于1 mD，其中稀油油藏又占了很大比例。低渗透稀油油藏的特点为：成岩作用强、胶结致密、孔喉细小、渗透率低、注水过程中“注不进”的矛盾比较突出；低孔隙度、低渗透率、自然产能低、常规投产甚至不出油；低渗透稀油油藏原油黏度低、密度小、流动性质较好；储层物性差、粒细、分选差、胶结物含量高、后生作用强；油层砂泥岩交互，砂层厚度不稳定，层间非均质性强；油层受岩性控制，水动力联系差、边底水不活跃；低渗透储层存在非达西渗流的启动压差现象［6］。最主要矛盾就是注不进、采不出，地层能量得不到有效补充，造成低渗透油田采油速度较慢，采收率较低。

1.2注空气开发低渗透稀油油藏的优势

Advantages of air flooding for low-permeability thin oil reservoirs

将空气注入到稀油油藏，注入空气中的氧气与原油在油藏温度下会发生低温氧化反应，产生热量，并生成烟道气驱替原油，相对于注水和其他气体来说有以下优点：空气相对于水更易注入低渗透油藏，建立合理的有效注采压差，可以解决“注不进”的矛盾；空气来源广、环境污染小、不受时间和地域的限制，特别适合水资源匮乏的油田开采；维持和提高油藏的压力，很好地补充地层能量；空气注入到稀油油藏，在高温高压下很容易发生自燃，大部分油藏不需要人工点火，低温氧化反应生成的CO、CO2和空气中的氮气形成烟道气来驱替原油；空气泡沫驱兼具有空气驱（低温氧化）、活性水驱和泡沫调驱（封堵）的优势，克服了注空气易“气窜”的缺点［7］。

2 国内外不同注入方式空气驱的现场实例Practices of air flooding with different injection modes in China and abroad

2.1国外空气驱的现场实例总结

Application of air flooding in foreign countries

近50年来，国外（尤其是美国）针对空气驱提高低渗稀油油藏采收率做了大量的现场试验和数值模拟，取得了很好的效果，美国空气驱的应用几乎都是以高压注空气为主，已被公认为是一种经济、技术上可行的提高原油采收率技术，尤其适用于高压低渗稀油油藏。表1为国外高压注空气现场实例总结（*表示仅进行了室内实验和数值模拟研究）［8-12］。总结分析发现：国外高压注空气适用于砂岩和碳酸盐岩储层；油层平均厚度在3～24 m之间，大约70% 在3～10 m之间，油层厚度越大，驱油效果应该越好；顶部深度即油藏埋深为1 706～3 658 m，73%的油藏超过2 000 m；油藏温度为85～104 ℃；原始地层压力除了W. Hackbry低压区油田为2.1～6.2 MPa，其余在15.7～35 MPa，一般为高压油藏；注入压力根据原始地层压力以及压缩机条件和地面注入设备等而定，一般在20～35 MPa；油藏渗透率5～1 000 mD，多数位于5～100 mD，而Sloss和W. Hackbry油田的渗透率较高推断是其原始地层压力偏低的缘故；平均孔隙度为14%～27%之间；原油地面相对密度为0.831～0.946；地层原油黏度为0.5～6 mPa·s；适用于低渗、特低渗油藏的二次采油和注水后期油藏的三次采油。

2.2国内空气驱现场试验

Field tests on air flooding in China

20世纪80年代以来在国内许多油田也进行过空气驱的现场试验，如我国大庆小井距北井组（1992）、吐哈鄯善油田（2003）、陕北吴旗延长油矿、胜利油田B425区块（2005）等低渗透稀油油田进行了注空气的现场试验，积累了一定的经验；其中胜利油田典型的低渗透稀油油藏B425区块由于和Bufflo油田BRRU区块油藏参数极为相似，进行了先导试验并取得了很好效果，目前仍然在进行注空气二次采油技术的现场试验，并预测十年之后的采收率可达20%原油地质储量。表2为国内空气驱的现场试验（*表示仅进行了室内实验和数值模拟研究）［13-15］。由于大部分低渗油藏中多含裂缝，且高压注空气技术水平尚处于发展阶段，国内纯高压注空气开发油藏的实例比较少。

表1　国外油田高压注空气现场试验Table 1 Field tests on high-pressure air injection in overseas oilfields

表2　国内空气驱现场试验Table 2 Field tests on air flooding in China

2.3国内空气泡沫驱的现场实例

Application of air-foam flooding in China

我国目前投入开发的低渗透稀油油藏大部分存在裂缝、非均质性严重，油藏埋深相对较浅，单纯注空气容易引起气窜。常采用的注空气泡沫工艺不但具有空气驱的低温氧化及烟道气驱作用，还具有泡沫驱的封堵大孔道或高渗层气窜、降低含水率、选择性分流等作用，而且空气泡沫体系既能大幅度降低油水之间的界面张力，提高驱油效率，又能降低水油流度比，提高波及效率［16］。表3为国内空气泡沫驱现场实例总结［17-23］。通过表3可以得出：空气泡沫驱适用于非均质性、微裂缝发育的储层；油层平均厚度为4.9～14.3 m；顶部深度为400～2 205 m，其中75%的油藏深度小于2 000 m；油藏温度为26～87℃，这与前人总结的进行空气泡沫驱的油藏筛选最低温度为80 ℃，低黏油藏的低限可为60 ℃并不相同［11］，其中甘谷驿油田唐114区块和80区块的油藏温度才为26 ℃和29.5 ℃，但也能发生低温氧化反应，是否与该油藏平均厚度可达15 m有关还待研究；原始地层压力在4～23 MPa；油藏渗透率为0.41～220 mD；平均孔隙度为7.9～33.3；地层原油黏度为1.6～7.63 mPa·s，也适用于稠油油藏如胜利孤东油田原油黏度可达130 mPa·s；适用于低渗、特低渗以及中高渗油藏注水后期的三次采油。

表3　国内油田空气泡沫驱现场实例Table 3 Application of air-foaming flooding in China

2.4国内外低渗稀油油藏注空气点火实例

Application of oil ignition by air injection in low-permeability thin oil reservoirs in China and abroad

点火方式通常分为自燃点火和人工点火。一般注空气到稠油油藏即火烧油层需要人工点火，而注空气到稀油油藏不需要人工点火，即自发进行低温氧化反应。但是通过大量调研发现，有的稀油油藏由于原油性质和油藏温度等达不到自燃点火温度，需要先借助外力，如人工点火或加入添加剂（助燃剂、催化氧化剂、引燃剂）等手段，之后再注入空气。

我国鄯善油田属特低渗砂岩油田基质渗透率小于5 mD，地层压力24 MPa，地层温度84 ℃，原油原始饱和压力18.4 MPa，无气顶，有边水，但能量较弱。地面脱气油密度为0.829 3 g/cm3，黏度为2.8～15.77 mPa·s，由于渗透率低，注水沿裂缝窜流较快，基质驱动效率低。对鄯善轻质油藏原油进行注空气燃烧管试验，发现注空气时不能持续燃烧，进行二次点火后才可完成试验［24］。

Sarma 等人采用ARC、TG/PDSC实验研究某一轻质油的原油氧化行为，室温下黏度为2.68 mP·s，API重度为38.0，油藏温度103 ℃，发现该油显示了较低的反应级数和反应活性，未显示任何等温老化迹象，则该油不可能在油藏条件下自燃。因为该油的API重度较高，不能进行充足的燃料沉积过程，因此缺少足够的燃料维持原油持续放热直到自燃［25］。

有些偏轻的原油在燃料沉积阶段不能为高温氧化提供充足的燃料，即使油藏温度达到了轻质油注空气的温度，但也不能发生自燃，对于黏度偏低的油藏可以考虑采取先借助外力再注入空气驱油方式。

3 对比分析注空气不同注入方式的选择Comparative analyses on air flooding with different injection modes

由表4可以看出，空气泡沫驱适用的油藏类型、深度、范围更广。通过大量调研总结文献，对比分析油藏储层参数、流体参数、开发历史等，对低渗透稀油油藏的适应性进行了探讨。

（1）高压注空气适用的油藏温度高，90%以上油藏温度大于90 ℃。而现场试验总结发现甘谷驿油田低渗油藏空气泡沫驱的油藏温度最低可达30 ℃，虽然理论研究，在30 ℃时所需自燃延迟时间可达100～150 d，不太容易实现。但是由于渗透率也较低，导致驱替速度也比较慢，这样就能使空气在地层中停留的时间比较长。当油藏的温度低于80 ℃时，注空气时优先考虑空气泡沫驱。

表4　注空气与空气泡沫驱现场实例参数对比Table 4 Parameters of air flooding and air-foam flooding

（2）高压注空气95%油藏埋深大于2 000 m，深层确保低温氧化反应顺利进行，更好的实现混相驱。而空气泡沫驱的油藏埋深在400～2 205 m，相对来说埋藏较浅。当油藏埋深超过2 500 m时，优先考虑高压注空气。

（3）高压注空气油藏的黏度全部小于10 mPa·s，当注空气油藏黏度超过10 mPa·s时，可能其自然能力降低，进行室内ARC燃烧管试验观察原油在油藏条件下能否自燃和获得氧化反应动力学参数（活化能、与燃料有关的反应级数、反应指数等），如达不到自燃点火温度，则需要考虑人工点火。空气泡沫驱油藏的黏度范围比较广，不仅适用于稀油，还同样适用于稠油。

（4）实施空气泡沫驱的低渗稀油油藏大部分非均质性很强，变异系数>0.7，且微裂缝发育，而高压注空气油藏的均质性比较好。

（5）低渗稀油油藏高压注空气的原始地层压力高，大部分大于20 MPa，故注入压力根据原始地层压力、原油性质、压缩机性能等确定在20～35 MPa。而空气泡沫驱的原始地层压力一般低于20 MPa，注入压力20 MPa左右。

4 长庆低渗油田空气驱开发潜力Potential of air flooding for the low-permeability Changqing Oilfield

长庆油田拥有大量的低渗透、特低渗透油藏，其孔隙结构差，非均质性严重且裂缝发育，地层温度低、油藏埋深一般低于2 000 m。单纯注空气则可能引起气窜且达不到自燃点火的温度。则采用注空气驱油时，以空气为驱油剂，泡沫为调剖剂的调驱工艺，既有效补充了地层能量，又使采油井在含水下降的同时保持正常的产液能力。

据报道，在长庆以及延长油田曾有过注空气提高采收率的先导试验，但是由于储层低温、低渗等原因没有顺利地建立原油氧化反应，最终油井未见效，试验效果不佳。经过多次试验失败后，长庆油田又开始针对油藏具体特征进行空气泡沫驱现场试验。

其中长庆靖安油田五里湾一区的空气泡沫驱试验是国内第一个针对低渗透油藏的方案，2009年开始在靖安油田五里湾一区长6油藏试验后，该区 19口油井中有 11口明显见效，综合含水由 58.3%下降到50.3%，日产油总量由见效前的 47.3 t 上升到最高值62.1 t，取得了较好的驱油效果。2013年在五里湾二区先后对ZJ53区块4个井组实施试验项目，截止到2014年3月储量动用程度由58.3%提升至69.26%、原油月度递减由1.68%下降至1.44%、月度含水上升速度由2.64%下降至1.65%，均取得良好效果，个别生产十几年的老井还实现了增产。空气泡沫驱对长庆低渗透油藏有非常广阔的应用前景。

5 结论Conclusions

（1）根据国内外高压注空气、空气泡沫驱现场实例总结，对比分析了低渗透稀油油藏采用空气驱不同开发方式的油藏筛选条件，为以后低渗透稀油油藏空气驱的可行性在储层参数、流体参数及生产历史等方面提供了参考。

（2）对有潜力进行空气驱的油田，注空气前应做好前期可行性评价研究，首先应做好室内评价，如ARC实验可为油藏筛选提供参考，它能测得活化能、预幂律指数等动力学参数，通过对动力学参数的研究，确定在选定油藏的油藏条件下，空气中的氧能否自发的与地下原油发生反应，对于自燃能力低的油藏可以采取先人工点火再注空气或者注空气时添加化学催化剂、助燃剂的方法来维持低温氧化反应的进行。

（3）空气泡沫驱油目前在国际上仍处于探索阶段，由于长庆低渗油藏的特点及在靖安油田五里湾一区、二区进行的空气泡沫驱现场先导试验取得了很好的效果，进一步拓宽了老油田后期效益开发的渠道，应用前景广阔。

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（修改稿收到日期 2016-02-14）

〔编辑 李春燕〕

Applicability of air flooding to low-permeability thin oil reservoirs

QU Zhanqing1， ZHANG Hong1， JIANG Haiyan2， LI Yang3， ZHANG Ning1
1.School of Petroleum Engineering， China University of Petroleum， Qingdao， Shandong 266580， China； 2. School of Petroleum Engineering， Xi’an Shiyou University， Xi’an， Shaanxi 710065， China； 3. PetroChina Tarim Oilfield Company， Korla， Xinjiang 841000， China

As more and more reserves are discovered in low-permeability thin oil reservoirs year by year， air flooding （or oil displacement by air injection） has attracted growing attentions. However， this technique is not applicable to all low-permeability reservoirs. In order to ensure that the air flooding technique can be more effectively used for low-permeability thin oil reservoirs， field tests on high-pressure air injection， air-foam flooding， and thin oil ignition by air injection in some oilfields in China and abroad were investigated. On this basis， experience in air flooding for low-permeability thin oil reservoirs and reservoir parameters were collected，and comparative analyses were made on the applicability of air flooding with different injection modes to low-permeability thin oil reservoirs and the potential of air flooding for the low-permeability Changqing Oilfield. Finally， a development program by using air flooding with different injection modes was proposed for low-permeability thin oil reservoirs with different parameters. This program can serve as reference and basis for the future development of low-permeability thin oil reservoirs.

low-permeability； low-permeability thin oil reservoirs； air flooding； field test； applicability analyses

QU Zhanqing， ZHANG Hong， JIANG Haiyan， LI Yang， ZHANG Ning. Feasibility of air injection in low-permeability thin oil reservoirs［J］.Oil Drilling & Production Technology， 2016， 38（2）： 244-250.

TE357.7

A

1000 -7393（ 2016 ） 02 -0244-07

10.13639/j.odpt.2016.02.022

陕西省教育厅科研计划项目资助“低渗油田高压注空气地面监测与调控技术”（编号：2013JK0860）；国家自然科学基金“火烧油层过程中稠油氧化反应的启动机理及干预机制”（编号：51404199）。

曲占庆（1963-），教授、博士生导师，主要从事采油工程技术方面的研究。通讯地址：（266580）山东省青岛市经济技术开发区长江西路66号。电话：13730981171。E-mail：quzhq@hdpu.edu.cn

张红（1989-），中国石油大学（华东）在读硕士研究生，主要从事油气田开发方面的研究。通讯地址：（266580）山东省青岛市经济技术开发区长江西路66号。电话：13045042479。E-mail：583730195@qq.com

引用格式：曲占庆，张红，蒋海岩，李杨，张宁.注空气开发低渗透稀油油藏的适用性探讨［J］.石油钻采工艺，2016，38（2）：244-250.