注空气辅助稠油吞吐技术研究与应用

高超

摘要：欢喜岭油田稠油吞吐区块已处于高轮次、高采出程度、高含水、低压、低产油的后期开发阶段，各种矛盾突出，稳产难度加大。针对该问题，开展了注空气辅助稠油吞吐技术研究，通过增产、氧化机理研究，制定了欢喜岭油田注空气辅助稠油吞吐适用条件和安全保障措施，通过注入工艺与参数优化，现场实施5口井，累增液2181t，累增油1365t。实施后，油井周期产油量增加，地层压力明显提高，取得了显著的开采效果。该研究为稠油吞吐区块后期开发提供了技术支持。

关键词：稠油，蒸汽吞吐，注空气，含氧量

前言

欢喜岭油田稠油吞吐区块1987年投入开发，目前已处于高轮次、高采出程度、高含水、低压、低产油的后期开发阶段，各种矛盾突出，稳产难度加大。主要存在问题：

（1）油层压力大幅降低

稠油蒸汽吞吐开发是一个降压开采的过程，随着蒸汽吞吐轮次的增加，地层压力也随之下降。以齐108块为例，目前平均吞吐周期15.5，油层压力由开发初期的12MPa降至目前3Mpa，区块油汽比仅为0.29，区块处于低压、低产开发状态。

（2）原油粘度逐步升高

随着稠油井吞吐轮次的增加，原油中的轻质组分优先被采出，原油物性变差，胶质、沥青含量增加，原油粘度大幅升高，流动性变差，开采难度加大。以杜813-24-45井为例，该井2007年11月测50℃原油粘度为81644mPa·s，胶质+沥青含量为35.09%，而2009年9月测该井50℃原油粘度616668mPa·s，胶质+沥青含量達到40.96%。

（3）低效井逐年增加

稠油吞吐区块平均单井吞吐周期高达13.6，油井受井间汽窜、地层压力降低，原油粘度升高等因素影响导致周期产量明显下降，低效井逐步增多。

1 注空气辅助稠油吞吐技术

1.1增产机理

一是在氧化作用下，稠油大分子被氧化形成过氧化物自由基，引发稠油大分子裂解链反应，从而完成重油的轻质化;二是分支链被氧化为极性的含氧化合物（如醛、酮、醇和羧酸），属自生表面活性剂，能提高驱油效率;三是氧化反应生成的CO2溶解于稠油和水中，降低了油水界面张力，使原油粘度大幅度下降;四是空气中氮气辅助蒸汽可减缓油层上部热损失，提高蒸汽热效率，扩大蒸汽的波及体积，补充地层能量[1]。

1.2 氧化机理

1.2.1氧气消耗规律

研究表明，低温反应温度范围为100-300℃，氧气与稠油发生反应，反应后氧气浓度均低于4%。

1.2.2氧化产物分布与反应温度的关系

以环己烷为例，实验条件：反应温度为140-220℃，注空气压力2.5MPa，模型油200ml。

实验表明：烃类在一定温度下可发生氧化反应，分别生成醇、醛（酮）、羧酸，甚至发生脱羧反应生成CO2和相应的碳数较小的烃分子。氧化产物的分布与反应温度有关，当温度小于160 ℃时，生成物以醇和醛（酮）为主，180 ℃时以羧酸为主，220 ℃时脱羧反应易于生成CO2。

1.2.3催化剂作用

催化剂加速自由基形成，自由基助剂进一步加速自由基形成——以甲苯为例

自由基形成机理：

烃类氧化反应的第一步“自由基引发”过程，催化作用下大大降低了苯甲基自由基生成所需的能量，自由基助剂加入后可进一步降低该能量，此结果说明：在催化剂的催化作用下烃类氧化反应在相对较低的温度下即可进行。

1.3 含氧量爆炸极限

应用可燃性混合气体爆炸极限的理论，确定影响爆炸极限范围的三个主要因素，即温度、压力、氧气含量，并计算分析稠油催化氧化采油的四个试验过程产生的可燃气体浓度，对照可燃气体爆炸极限浓度和对应的氧气极限浓度，结合室内静态实验导管氧气浓度，最终确认氧气含量小于10%是安全的，可以安全施工[2]。

因此，依据研究结果和稠油特点，确定本次注空气辅助稠油吞吐实施现场的安全氧含量为5%以下，警戒值为3%。

1.4 适用条件

为了保证现场施工安全，达到理想的增油效果，根据理论研究及调研结果，制定了欢喜岭油田注空气辅助稠油吞吐适用条件。

（1）吞吐轮次10轮以上，注蒸汽压力低于15MPa;

（2）为避免气窜，保证施工安全，要求井间无明显汽窜井;

（3）地层亏空，周期返水率小于100%;

（4）周期内初期产量较高，但下降较快;

1.5 注入工艺及参数

1.5.1注入方式

注空气辅助稠油吞吐技术，注入方式主要有四种：先注空气后注蒸汽、先注蒸汽后注空气、空气-蒸汽同时注入、空气-蒸汽段塞注入。

1.5.2 注入参数

空气注入量：每100t蒸汽对应6000～6500Nm3空气。

催化剂用量：10000Nm3 空气对应0.2～0.3t催化剂。

高温发泡剂用量：为保证注空气效果，防止气窜，需注入高温发泡剂封堵大孔道，依据试验井高渗层厚度与渗透率数据，设计每口井高温发泡剂的用量范围为5-10t。

1.5.3 注气速度

从注空气机理上分析，注气速度越高，O2与原油反应越充分，前缘温度越高，但当注汽量过高，空气沿原有高渗透层窜进，开采效果变差。同时，注气速度在现场实施中还影响周边井开井时率。数模计算表明，当注气速度为12000Nm3/d时吞吐效果最好。

1.5.4 安全保障措施

套管气监测频率：套管气中氧气浓度安全值极限值为5%，警戒值为3%，当含氧量超过1%时，加密监测。

2 现场应用

2014年在齐108块和杜813块现场实施注空气辅助稠油吞吐技术共5口井，注入方式均为先注空气后注蒸汽，实施后，周期对比，注汽压力平均升高1.25MPa，周期油汽比平均提高0.18。截至目前累增液2181t，累增油1365t，应用效果显著。

3 结论及认识

（1）注空气能够有效补充地层能量，提高多轮次吞吐井周期生产效果，为稠油吞吐区块后期开发提供了技术支持。

（2）现场注空气井及周围生产井套管气中含氧量未发生明显变化，均在安全值内，表明尽管注空气具有一定操作风险，但通过采取先进的检测手段，合理设计注入参数等措施 ，能够满足安全要求。

（3）与同类工艺相比，注空气具有来源广、成本低等优势，具有很好的推广价值。

参考文献

[1]张守军.超稠油注空气强化采油实验研究及现场应用[J].特种油气藏，2012，19（5）：144-145

[2]吉亚娟，周乐平，任韶然等.油田注空气工艺防爆实验的研究[J].中国安全科学学报，2008，18（2）：87-92