潜山油藏减氧空气驱室内实验研究——以辽河油田S625区块为例

张 鸿，王 岐，马宝全

（1.中国石油大庆油田有限责任公司勘探开发研究院，黑龙江 大庆 163712；2.国家能源稠（重）油开采研发中心，辽宁 盘锦 124010；3.中国石油大庆油田有限责任公司第二采油厂，黑龙江 大庆 163414）

空气驱技术是除热采之外发展较快的提高采收率的一项新技术[1-4]，具有气源广阔丰富、不受地域空间限制、成本廉价等优点，且空气流动性比水好，能解决低渗油藏注水困难的问题。空气驱技术是空气与原油发生氧化反应生成一定量的CO2和CO，可与N2、部分轻油组分组成“烟道气驱”，从而驱替原油采出。由于国外油藏物性相对均质、气窜风险低，该技术已在国外现场取得较好的效果，但辽河油田渗透率低、潜山油藏非均质性强，气窜风险较大，直接注入空气，O2含量较高，在地层高压下存在安全风险，因此可实施减氧空气驱[5-8]，注入气中减少O2含量可降低可燃气爆炸极限。

目前，空气驱的相关研究主要集中在单一含氧量的数值模拟预测、现场工艺技术、注入参数优化等方面[9-12]，缺少不同含氧量减氧空气驱可行性、产出流体特征等系统研究，且室内实验气体复配常用的静态配气法和动态配气法适用于用量少、含量低的标准气体的配置[13]。

辽河油田S625区块为具有弱底水的层状结构裂缝型块状潜山油藏，油藏埋深3 150～3 720 m，基质、宏观裂缝平均孔隙度分别为3.68%、0.74%；平均渗透率55×10-3μm2，地层温度106 ℃，地层压力14.3 MPa，50 ℃时脱气原油黏度为64.28 mPa·s，20 ℃时原油平均密度0.850 0 g/cm3，凝固点45.33 ℃，含蜡量41.51%，胶质沥青质含量10.55%，具有高含蜡、高凝固点的特点。该区块目前处于注水开发末期，由于该区块储层裂缝比较发育、非均质性强，含水上升速度极快，产量递减快，且水窜严重，控水稳压难度大，亟待探索注水开发后期提高采收率的新技术。通过开展室内实验，创新建立减氧空气不同含氧量的复配方法，并结合静态氧化、动态驱替实验及高温高压物性，分析减氧空气驱开采效果，研究其作用机理、产出流体变化规律和驱替特征，为辽河油田潜山油藏、低渗油藏、高含水后期油藏安全有效地开发提供新思路。

1 实验部分

1.1 实验样品

实验选用辽河油田S625区块H5井脱水原油，50 ℃时地面脱气原油黏度为53.64 mPa·s，20 ℃时原油密度0.871 6 g/cm3，凝固点46.27 ℃，含蜡量42.63%，原油族组分饱和烃、芳烃、胶质、沥青质含量分别为71.26%、2.27%、5.60%、20.87%。实验用砂采用120目石英砂，实验模拟水按地层水分析资料配制，利用空气和99.99%高纯氮配置不同含氧量的复配气体。

1.2 实验方案及设备

1.2.1 静态氧化实验

将不同含氧量减氧空气（含氧量为0、5%、10%、15%、21%）注入油层，测试长时间滞留发生氧化反应后原油物理化学性质及产出气体组分的变化，评价不同含氧量下的耗氧情况。结合研究区地层条件，设计实验温度110 ℃，压力10 MPa，反应时间设定为134 h。实验主要设备为高温高压反应釜，容积112 mL，耐压30 MPa，耐温300 ℃，配套设备为DMA4200M高温高压密度计、马尔文Gemini2高温高压流变仪、MK-6S棒薄层色谱仪、CP-3800气相色谱仪，分别用于测实验前后原油密度、黏度、族组分、气体组分。

1.2.2 细长管驱替实验

评价动态条件下减氧空气驱驱油效率，分析低温氧化作用对驱油效率的贡献率。实验温度110 ℃，实验压力10 MPa，空气含氧量分别为0、5%、10%、15%、21%。实验主要由注入部分（包括气源、压力表、流量控制器、中间容器等）、模型本体（包括恒温箱和细长管）、采出部分（回压阀、气液分离装置）组成（图1），细长管为不锈钢材质，直径8 mm，长度30 m。

图1 动态细长管实验流程

实验步骤为：①将石英砂填入细长管并进行气密性监测；②将细长管放入恒温控制器中，向细长管中饱和水再饱和油；③按实验流程连接各装置，设定出口压力，将恒温箱温度升至实验温度；④打开气源，保持一定速度注入复配好的减氧空气；⑤记录实验过程中细长管压力、产油量，直至实验结束。改变不同含氧量重复以上步骤完成实验。

1.2.3 不同含氧量气体的溶胀实验

为了验证不用含氧量减氧空气驱与原油的溶胀性能，开展不同含氧量气体的溶胀实验，所用设备为高温高压PVT分析仪。在高温高压PVT筒中装入一定质量原油，在地层温度110 ℃下，将不同含氧量的空气注入PVT筒后（通过泵驱替筒中活塞控制混合体积），搅拌均匀，测定在不同压力下不同含氧量减氧空气注入后原油的溶解能力、原油地层体积系数的变化。

2 实验结果与分析

2.1 不同含氧量气体配置

实验过程中，采用空气与高纯氮气复配不同含量的减氧空气，在配置过程中保持O2的量不变，根据空气与N2的气体状态方程与道尔顿分压定律，若各组分之间不发生化学反应，则每一种气体都均匀地分布在整个容器内，所产生的压强和单独占有整个容器时所产生的压强相同，即某一气体在气体混合物中产生的分压等于在相同温度下单独占有整个容器时所产生的压力；而气体混合物的总压强等于各气体分压之和，因此对空气与高纯氮进行压力配置，得到不同含氧量的减氧空气。

假设容器体积为V，已知注入空气压力为P（空 气 中O2含 量 为21%），O2的 量 为n( O2)=0.21ZPV RT，在配置过程中O2的量保持不变，若配置O2含量为x%的减氧空气，则容器的压力P′ = 0.21Z xP（Z为实验温度下的气体压缩因子），为了使容器压力增大至P′，需注入高纯氮，其压力变化为P′-P。根据上述方法，建立不同含氧量减氧空气复配方法，实现配置误差低于1%（表1）。

表1 不同含氧量减氧空气参数配置

2.2 减氧空气驱产出流体特征

针对不同含氧量空气驱静态氧化实验后的原油和产出气，开展原油物理性质、族组分及气体组分分析，实验数据见表2和表3。当空气中含氧量大于10%时，尾气组分能够监测到CO2，且随着含氧量增多，CO和CO2含量随之增加，原油黏度、密度也随着含氧量增多而增大，相应的饱和烃和芳烃总量降低，非烃和沥青质总量增大，说明含氧量对低温氧化程度产生一定影响。含氧量不大于5%时，尾气中未检测出CO2，未发生氧化反应，随着含氧量增多，低温氧化程度加强，O2利用率和转化率升高，但CO2含量虽有增加，但总量较少，减氧空气驱时均没超过0.6%，说明S625区块地层温度110 ℃下发生完全氧化生成CO2的几率较低。

表2 不同含氧量静态氧化实验后原油族组分及物性对比

表3 不同含氧量静态氧化实验后气体组分变化

当含氧量达到21%时，反应后增加的CO和CO2总量远小于O2减少量，是因为低温氧化过程消耗的大部分氧与原油中轻质组分发生加氧反应，生成羧酸、醛、酮、醇等含氧烃类化合物。此时，尾气中还能监测到一定的O2含量，说明还有一部分O2没有被完全消耗，意味着在地层温度、地层压力下，会存在一定安全隐患，而不同含氧量减氧空气驱低温氧化后，虽残余一定含量氧，但残余氧含量均低于10%，需综合考虑注气安全性和经济性[14-16]，S625区块适合实施减氧空气驱开采，满足安全生产需求。

2.3 驱替实验特征分析

在相同的实验条件下（温度110 ℃、压力10 MPa），对比不同含氧量减氧空气动态细长管驱替实验的驱油效率（图2），气驱驱油效率随着含氧量增多而逐渐升高，含氧量从0增多到21%时，对应的驱油效率从47.58%增大到49.29%，升高幅度较小。低温氧化作用对驱油效率的贡献率随着O2含量增多也略有增大，含氧量为0、5%、10%、15%、21%时对应的氧化作用对驱油效率贡献率分别为0.00%、0.91%、1.49%、1.94%、3.47%，说明在较低油藏温度下（110℃）发生完全氧化消耗的O2少，低温氧化能力较弱，含氧量对氧化反应影响较小。

图2 不同含氧量对S625区块驱油效率及贡献率的影响

2.4 不同含氧量气体的溶胀实验

在含氧量分别为0、5%、10%、15%、21%时进行溶胀实验，研究了溶解气油比、体积系数与压力的关系。溶解气油比指单位体积地面原油在一定温度和压力下溶解的气量；体积系数指原油在地层条件下体积与其在地面脱气后的体积之比[17]。由图3和图4可知，随着压力升高，溶解气油比逐渐增大，溶解能力增强；原油膨胀程度增加，体积系数增大。曲线有明显的拐点，是因为当压力降低至一定程度时，原油中溶解气逐渐分离出来，导致油和气两相体积明显增加，拐点处对应的压力为实验温度110 ℃下不同含氧量的饱和压力，均为28.5 MPa。低于饱和压力时，气油比和体积系数与压力呈线性关系，满足亨利定律。当压力高于泡点压力后，气体溶解能力达到最大。不同含氧量的空气溶解特性略有差别，在同一压力下，随着含氧量增多，溶解能力增强，在饱和压力28.5 MPa时溶解气油比分别为26.5，27.5，28.7，30.9，35.8 Nm3/m3，体积系数分别为1.114、1.124、1.155、1.192、1.230，验证了S625区块原油在地层条件下，减氧空气驱比单纯注氮气更有利于原油体积膨胀，增加更多弹性能量，有利于提高地层压力和流动压差，一定程度上提高驱油效率。

图3 不同含氧量下S625区块原油溶解特性

图4 不同含氧量下S625区块原油体积系数

3 结论

（1）根据空气与氮气的气体状态方程与道尔顿分压定律，建立了不同含氧量的减氧空气配置实验方法，实现配置误差低于1%。

（2）减氧空气地层温度静态低温氧化后原油中轻质组分减少，重质组分增加。随着含氧量增多，产出气中CO2含量增加，氧化程度越明显，O2利用率与转化率升高，但完全发生氧化反应生成CO2几率较低，且尾气中含有O2，存在注气安全隐患，综合考虑安全性和经济性，S625区块适合实施减氧空气驱开采。

（3）动态驱替实验表明，氧化作用对驱油效率贡献率随含氧量增多而增大，而氧含量变化对气驱驱油效率影响不大；气体溶胀实验也验证了S625区块原油在地层条件下，减氧空气驱比单纯注氮气更有利于原油体积膨胀，从而提高原油采收率。