理829井区注空气原油氧化速率影响因素的研究

牛菊叶 沙帆 冯娟

摘     要：针对子北油藏理829井区在2016年以后由于层内、层间和油层组渗透率非均质性强，孔隙类型差异明显，导致注水开发后期含水率高，产油量不断下降，总体开发效果差的问题，开展了空气泡沫驱。而空气泡沫驱具有与原油发生低温氧化，减小油水界面张力，堵水堵气，扩大泡沫波及体积从而改善开发效果的作用。为了深入研究理829区块原油与空气的氧化速率与不同介质、温度及压力等因素的关系，开展注空气原油氧化实验。实验表明随着温度和压力的升高，反应物活性明显增强，该区块的原油与空气氧化速率加快;随着反应时间延长，原油氧化速率先急剧增大后缓慢减小。在300 m×150 m反九点井网试验区块中经历前期注水开发和后期空气泡沫调剖堵水，综合含水率下降，增油效果明显，油井产量稳定，累积增油197 t。该研究结果表明该井区注水开发后期采取空气泡沫调驱方式具有可行性，可为同类油田现场提供数据和理论上的支持。

关  键  词：理829区块; 压力; 温度; 反应时间; 氧化速率

中图分类号：TE341        文献标识码： A       文章编号：1671-0460（2019）09-1926-04

Abstract：  Due to the heterogeneity of the intra-layer， inter-layer and the permeability of oil-bearing formations， as well as obvious difference of pore types in the Li829 well area after 2016， the water cut was high and oil production decreased in the later stage of water injection development and overall development effect was poor. The air foam flooding has the effect of low temperature oxidation with crude oil， reducing the interfacial tension between oil and water， blocking water and blocking gas， and expanding the volume of foam to improve the development effect. In order to further study the relationship between the reaction degree of crude oil and air with different media， temperature and pressure in Li829， the experiment of injection air crude oil oxidation was carried out. The experiment showed that with the increase of temperature and pressure， the activity of the reactants was obviously enhanced， and the oxidation rate of crude oil and air was accelerated. With the extension of reaction time， the oxidation rate of crude oil increased sharply and then decreased slowly. In the 300 m×150 m anti-nine point well network test block， it experienced pre-water injection development and late air foam profile control and water shutoff. The cumulative oil increase was 197 t， the water content decreased， the oil increase effect was obvious， and the oil well production was stable. The results of this study indicate that it is feasible to adopt air foam flooding in the later stage of water injection development in the well area. The paper can provide data and theoretical support for similar oilfield sites.

Key words：Block of Li829; Pressure; Temperature; Reaction time; Oxidation rate

理829井區储层深度在600 m至900 m之间，主要油层孔隙度为12%，渗透率为0.96 mD，并伴随少量的微裂缝，油藏中部温度为35.6℃，储层平均地层压力为4.85 MPa。[1-3]该区块地面原油相对密度0.846 g/cm3，50 ℃地面原油黏度为3.93 mPa·s，属于轻质油。理829井区主要采用200 m×200 m的正方形反九点井网，水力压裂投产。截止2017年7月，该地区长6油层组生产井95口，注入井7口，累积产油2.87×104 t，采出程度1.01%，平均单井日产油0.10 t，综合含水高达82.61%;后期由于层内、层间以及油层组渗透率的非均质性强，孔隙类型差异明显，导致含水率高，注水开发效果差。

对于如何解决理829井区水窜问题，许多专家提出采用空气泡沫调剖技术。石亚琛[4]、周志军[5]、张永刚[6，7]等开展了泡沫驱实验研究，结果表明，泡沫具有扩大油层波及范围、增大微观驱油效率的作用;林伟民[8]、张瀚奭[9]等分别在胡12区块和高浅北区块进行空气泡沫驱实验研究，结果表明，空气泡沫驱对储层具有调剖和封堵能力[10，11]。结合理829井区实际生产情况，提出了空气+泡沫剂堵水驱油技术，在储层中通过氧气和原油接触并发生低温氧化反应;泡沫对水窜的封堵，扩大水驱波及体积;泡沫对空气的封堵，使得空气与基质中的原油发生氧化反应，从而降低原油黏度，进一步提高采收率 [12，13]。为了更深入研究该区块原油与空气反应速率与黏土、地层水等其它地层条件因素的关系，设计实施理829井区氧化实验[14-16]，从而对该区块原油空气氧化做出定性描述。

1  实验部分

1.1  实验材料与仪器

材料：理829井区脱气原油，岩心砂，空气，黏土，模拟地层水（矿化度为16 950.68 mg/L，水型为CaCl2型，其中Cl-含量9 842.40 mg/L，HCO3-含量63.28 mg/L，阴离子总含量10 517.78 mg/L;K+、Na+含量4 231.08 mg/L，Ca2+含量2 109.33 mg/L，阳离子含量6 351.88 mg/L）。仪器主要有高温配样器，中间容器，手动泵，空气增压机，气体采样器，具体实验流程如图1。

1.2  实验步骤

①根据图1连接好各装置管线，并加压测试线路密封性，其次在高温配样器中按照比例加入原油、岩心砂、黏土和模拟地层水并搅拌均匀，按照设计温度加热高温容器;②使用空压泵将空气注入到高温容器，保持压力静止半个小时后用手动泵调节到实验压力;③设计在两个不同压力分别为2.2、4.85 MPa，3个不同温度分别为30、35.6、50 ℃，操作过程中依据变量参数进行不同组实验;④通过控制器控制相关参数变化，每12 h测量接气体采样器各气体含量和温压值，考虑到后期原油氧化速率很低测量时间到120 h截止。

2  实验结果分析

空气与原油在储层中发生低温氧化反应，其过程复杂，可以分为2步骤。第一步是原油中的烃类物质与氧气在地层温度、压力下发生氧化反应初步生成烃类氧化物，主要有醇、酮、醛等;第二步烃类氧化物再次在油藏条件下与氧气进一步发生氧化反应最终生成二氧化碳、一氧化碳和水等物质，其化学反应如下所示：

整体看来二氧化碳的产生是因为原油中烃类物质和注入空气中的氧气经过一系列氧化反应和脱羧反应生成的最终产物，有利于于提高驱油效率。

2.1  不同介质对氧化反应速率的影响

在储层岩心空隙中原油往往伴随黏土、地层水等存在，不同的介质可能改变原有氧化的速率，因此设计温度35.6 ℃，压力4.85 MPa，黏土（50 g和0 g）和泡沫（空气150 mL和空气泡沫150 mL）的对比实验，分析添加物含量对实验结果的影響，进一步研究温压对原油氧化速率的影响，其结果见表1。

从表1得到氧化速率随时间逐渐降低，在反应时间24～120 h过程中，第二组相比第一组仅多50 g黏土，但在相同反应时间上其氧气浓度较低，反应了此阶段平均氧化速率较大，说明原油通过吸附在黏土介质上增加了其比表面积，使得原油与空气更充分地混合，提高了氧化反应的速率;第三组（空气泡沫）与第二组对比，在相同时间段里氧气消耗较少，氧化速率较小，且氧化速率有先增大后减小的现象，说明泡沫能够隔绝空气与原油，阻止空气与原油接触发生氧化反应，当泡沫破裂后空气与原油接触面积增大氧化反应速率也增大。

2.2  压力对氧化反应速率的影响

在反应容器体积一定条件下，气体反应物浓度越高其压力越大，氧化反应速率也会发生改变，为了深入研究压力对实验结果的影响，设计温度在30、35.6、50 ℃条件下，改变压力大小，分别测试在压力为2.2、4.85 MPa条件下，在反应时间72 h时平均氧化速率，实验结果见图2。

根据图2得出，当温度保持一定时，原油注空气氧化速率与压力增大成正相关增长;对比30、35.6、50 ℃三种不同温度条件下的实验结果，发现在30、35.6 ℃时随着压力逐渐升高，原油平均氧化速率上升趋势较为平缓，且两者氧化速率相差不大;而在50 ℃时压力从2.2 MPa增大到4.85 MPa，反应速率上升幅度明显高于35.6 ℃。以上分析数据结果表明随着压力从2.2 MPa逐渐升高到4.85 MPa，理829井区原油与氧气更容易参与反应。

2.3  温度对氧化反应速率的影响

温度能够改变反应物的活性从而改变反应速率，为了研究温度因素对原油与空气参与氧化反应的影响，分别设计在压力为2.2、4.85 MPa条件下进行三种温度为30、35.6、50 ℃的实验研究，测出在反应时间72 h时平均氧化速率，其结果见图3。

从图3中可以得出，在相同压力下，2条曲线表明在反应时间为72 h原油平均氧化速率随着反应温度升高而增大，压力为4.85 MPa时氧化速率上升幅度最快;在2.2 MPa条件下，实验50 ℃时原油氧化速率等于温度30 ℃时的1.69倍;在4.85 MPa条件下，实验50 ℃时原油氧化速率等于温度30 ℃时的1.84倍;结果表明温度由30 ℃上升至50 ℃，增大了原油和空气的活性，使得原油与空气发生氧化反应越快。

2.4  反应时间对原油氧化速率的影响

氧化反应随着时间的进行，参与反应的反应物含量越来越少，生成物越来越多，原油与氧气的反应速率也会随之发生变化，为研究反应时间因素对氧化反应速率的影响，在保持温度和压力不变条件下，对反应24、72、120 h氧化速率进行实验研究，其结果见图4。

从图4中六种条件下的每条曲线变化规律反应了，原油平均氧化速率随着反应时间的进行先急剧增大后逐渐减小，后期下降幅度也是逐渐变小。在温度50 ℃下，压力为4.85 MPa最大时，原油与空气初期氧化反应速率上升幅度最大，其中反应时间稍大于24 h达到最大值，在反应时间进行到72 h时，此时该曲线下降幅度达到最大;其他温度、压力条件下的曲线也表现出相同的变化趋势和规律。分析得到，当空气注入到储层中由于初期氧气浓度和活性高的有机物含量较高，且该反应伴随着放出热量，导致初期两者反应速率加快，氧化速率上升幅度大，而后期由于两者反应物浓度随反应时间延长都降低，其氧化速率减小，反应物消耗减慢，氧化速率下降幅度也就减小。

3  理829井区矿场试验

理829井区试验区块为300 m×150 m正方形反九点井网（如图5），其中4口注水井，21口油井。大部分井在2011年5月到2012年3月投产。平均初期产液5.8 m3，日产油0.98 t，含水78.5%，没有无水采油期。生产1 a后产液量由投产初期的接近5.8 m3，降低到3.1 m3，产油量由接近1 t，减低到0.5 t，含水没有变化（如图6）。

2016.7-2016.8该阶段主要为前期注水阶段，注水1 000 m3注水2个月时间，稳定弥补地层亏空，受益井见到注水效果，但含水上升速度加快，含水率从79.24%上升到82.81%;第二阶段2016.9-2016.12，该阶段为注空气泡沫试验阶段，按照方案要求3：1的时间比例开始交替注入空气和泡沫，注3 d空气，1 d泡沫，该阶段储层压力恢复快，含水率下降了1.51%，油藏递减速度变慢;第三阶段2017.1-至今，注空气泡沫调整阶段，调整为注3天空气，1 d泡沫，受益井产量及含水都较稳定。

通过水驱阶段递减规律计算[16]，月递减率为11.3%（图7），截止2017年6底，试验区经历10个月油井因空气泡沫驱累增油197 t，增油效果明显，且注入空气泡沫后，油井产量稳定。

4  结 论

（1）注入的空气与理829井区发生氧化反应，其氧化速率快慢受不同介质、温度、压力和反应时间影响较大，研究结果可为后续空气泡沫驱替实验研究提供理论基础。

（2）当温度一定时，原油注空气氧化速率与压力增大成正相关增长;在30、35.6 ℃时随着压力升高，原油平均氧化速率平缓上升，且两者氧化速率相差不大;而在50 ℃时压力从2.2 MPa增大到4.85 MPa，反应速率上升幅度明显高于35.6 ℃。结果表明随着压力逐渐升高，理829井区原油与氧气更容易参与反应。

（3）空气注入到储层中由于初期氧气浓度和活性高的有机物含量较高，且该反应伴随着放出热量，导致前期24 h氧化速率上升幅度大，72 h后由于反应物浓度降低，氧化速率慢，反应物消耗慢，氧化速率下降幅度小。

（4）理829井区试验区块经历前期注水和10个月油井空气泡沫驱，累积增油197 t，增油效果明显;且注入空气泡沫后，长6油层试验区含水率下降，油井产量稳定。表明该井区注水开发后期采取空气泡沫调驱方式具有可行性。

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