于洪敏, 任韶然, 牛保倫, 左景欒

(1.中國(guó)石化石油勘探開(kāi)發(fā)研究院,北京 100083; 2.中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院,山東東營(yíng) 257061; 3.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司,北京 100011)

輕質(zhì)油藏注空氣提高采收率氧化反應(yīng)速率實(shí)驗(yàn)研究

于洪敏1, 任韶然2, 牛保倫2, 左景欒3

(1.中國(guó)石化石油勘探開(kāi)發(fā)研究院,北京 100083; 2.中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院,山東東營(yíng) 257061; 3.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司,北京 100011)

為了分析輕質(zhì)油藏(如勝利和中原油田)注空氣提高采收率的可行性,利用近絕熱氧化反應(yīng)裝置,模擬了目標(biāo)油藏原油與空氣的低溫氧化反應(yīng)過(guò)程,基于假設(shè)的原油與空氣反應(yīng)式及簡(jiǎn)化的A rrhenius方程,考察了不同地層溫度、壓力、粘土含量對(duì)反應(yīng)速率的影響,分析了產(chǎn)出氣體組分中氧氣和二氧化碳含量。結(jié)果表明,目標(biāo)油藏原油可以發(fā)生低溫氧化反應(yīng),注空氣提高采收率技術(shù)可行;氧化反應(yīng)速率受地層溫度的影響較大,壓力及粘土含量次之;模擬溫度在95～130℃時(shí),溫度升高速度很慢,未檢測(cè)到大幅升溫情況。

注空氣; 提高采收率; 低溫氧化; 反應(yīng)速率; 輕質(zhì)油藏

對(duì)于輕質(zhì)油藏,注空氣提高采收率不但有傳統(tǒng)的注氣作用,還有氧化產(chǎn)生的其他效果-煙道氣驅(qū)與熱效應(yīng)[1-6]。勝利油田某低滲油藏和中原油田某區(qū)塊通過(guò)注空氣(泡沫)提高其采收率[7]。前者油層平均埋深2 340～2 350 m,原始地層壓力23.6 M Pa,孔隙度23.9%,滲透率110.3×10-3μm2,油藏溫度100℃;后者油藏中深2 150 m,原始地層壓力23 M Pa,孔隙度21%,滲透率235.5×10-3μm2,滲透率變異系數(shù)0.86,油藏溫度82～93℃。

根據(jù)國(guó)外經(jīng)驗(yàn),注空氣驅(qū)油很難形成混相驅(qū)[8],因此,需要研究空氣在不同油質(zhì)、巖心、溫度、壓力條件下原油氧化反應(yīng)的速率、氧氣消耗量;求出原油在油藏條件下的氧化反應(yīng)速率,分析反應(yīng)后氣體的組分含量,觀察反應(yīng)后的升溫放熱情況,評(píng)價(jià)目標(biāo)油田的原油氧化性能和注空氣工藝的可行性,為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

目前室內(nèi)篩選注空氣開(kāi)采項(xiàng)目的方法主要是燃燒管和氧化反應(yīng)速率實(shí)驗(yàn)。后者實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過(guò)反應(yīng)速率(或放熱速度)隨溫度變化的曲線表征?？諝庵醒鯕馀c原油發(fā)生氧化作用,其反應(yīng)取決于原油性質(zhì)、巖石與流體關(guān)系、溫度和壓力等[9-10]。

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示,最大工作壓力30 M Pa。利用反應(yīng)控制裝置實(shí)現(xiàn)熱電偶對(duì)小反應(yīng)器(100 mL)進(jìn)行加熱/控溫,分別用溫度和壓力傳感器測(cè)量控溫溫度、小反應(yīng)器溫度和壓力,通過(guò)相應(yīng)軟件讀取溫度、壓力數(shù)據(jù)并保存為.xls形式;外部石棉層實(shí)現(xiàn)小反應(yīng)器的絕熱,中間平衡容器(60 m L)可調(diào)節(jié)其內(nèi)外壓力達(dá)到平衡。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法與步驟

實(shí)驗(yàn)在模擬地層壓力下,使用不同填砂模型的勝利和中原原油油樣進(jìn)行。首先,將定量油砂(儲(chǔ)層壓碎巖心與原油混合,約60 m L)裝入小反應(yīng)器,然后充入空氣達(dá)到設(shè)定壓力。反應(yīng)儀的溫度控制在95～130℃,利用軟件和反應(yīng)控制裝置監(jiān)測(cè)模型中溫度和壓力的變化情況。利用靜態(tài)恒溫反應(yīng)裝置,選擇勝利和中原油田的油品和砂樣做了6組實(shí)驗(yàn)。由于氧氣被消耗,故可觀察到壓力下降,并根據(jù)氣體狀態(tài)方程、分壓定律以及反應(yīng)前后的壓力降Δp,以及原油與空氣的反應(yīng)式

注空氣氧化反應(yīng)速率可利用簡(jiǎn)單的A rrhenius方程描述[7]

式中:p為氧氣分壓,kPa;t為反應(yīng)時(shí)間,h;q為含油飽和度;k0為反應(yīng)速率常數(shù),L/(s·k Pa);E為反應(yīng)活化能,J/mol;R為氣體常數(shù);T為絕對(duì)溫度,K;m、n為反應(yīng)級(jí)數(shù);k0、E是反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù),由實(shí)驗(yàn)確定。

Fig.1 Experimen tal setup flowchart圖1 實(shí)驗(yàn)裝置流程圖

氧氣消耗完則反應(yīng)完畢,此時(shí)溫度、壓力基本不變,收集小反應(yīng)器中生成的氣體(O2、CO2等),并利用氣體分析儀分析其含量,可確定出氧氣耗氧量。

2 結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 氧化反應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 The result of oxidation reaction of experiment

從表1中結(jié)果可以看出:

1)反應(yīng)產(chǎn)出氣體含量分析

反應(yīng)前空氣中O2初始體積分?jǐn)?shù)約為21%, CO2為0.03%。經(jīng)靜態(tài)恒溫反應(yīng)后,產(chǎn)出氣體組分中O2含量減少,CO2含量增加,說(shuō)明空氣中氧氣與油藏原油進(jìn)行了氧化反應(yīng),氧氣被消耗,生成二氧化碳。而反應(yīng)后含量的變化程度跟溫度、壓力和粘土都有關(guān)系。

2)溫度對(duì)原油氧化速率的影響

同一壓力下,考察溫度對(duì)原油氧化速率的影響,結(jié)果見(jiàn)實(shí)驗(yàn)3～6。對(duì)比實(shí)驗(yàn)5和6,溫度增加,反應(yīng)速率提高近2倍,氧氣含量大幅度降低,生成二氧化碳量升高;110℃的實(shí)驗(yàn)4比100℃實(shí)驗(yàn)3消耗氧氣多,反應(yīng)比較快。由此可知,溫度越高,氧化反應(yīng)越充分,反應(yīng)速率越高。

3)壓力對(duì)原油氧化速率的影響

相同溫度下,高壓增加了氣體在原油中的溶解度,更多的氧氣與原油接觸,有助于氧化反應(yīng),其產(chǎn)出的O2含量降低,CO2含量升高,反應(yīng)速度加快。但壓力對(duì)反應(yīng)速率的影響不是很大。

4)粘土和水對(duì)原油氧化速率的影響

為考察巖樣中粘土對(duì)氧化反應(yīng)的影響,進(jìn)行了在相同壓力、溫度下的實(shí)驗(yàn)(實(shí)驗(yàn)4和實(shí)驗(yàn)5),粘土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%,含油飽和度0.5,含水飽和度0.3。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,相同條件下添加粘土使反應(yīng)速率提高50%左右,氣體組分中O2消耗增加,生成更多的CO2。說(shuō)明粘土含量對(duì)氧化反應(yīng)影響較大,這主要是因?yàn)檎惩劣欣诩铀偃剂系男纬?增大原油和空氣接觸表面積,可起到很好的催化作用。

5)氧化反應(yīng)放熱監(jiān)測(cè)

為觀察在低溫氧化持續(xù)一段時(shí)間后,是否會(huì)出現(xiàn)自燃和連續(xù)放熱的升溫情況,在6組實(shí)驗(yàn)里,都進(jìn)行了觀察和探測(cè),反應(yīng)時(shí)間約116～154 h,模擬地層溫度95～130℃,壓力6.66～18.33 M Pa。實(shí)驗(yàn)中未監(jiān)測(cè)到有大幅度升溫和放熱情況,原因可能是:①氧化反應(yīng)速度并不高,反應(yīng)進(jìn)行緩慢;②氧化反應(yīng)儀存在一定的熱量損失。而西南石油大學(xué)進(jìn)行了絕熱模擬實(shí)驗(yàn),考察注空氣過(guò)程中油層溫度變化情況,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)驅(qū)替過(guò)程中油層溫度略有上升,但升幅不大;曲線最高點(diǎn)與初始油層溫度相差3℃;升溫速率很低,為0.001 7℃/m in,也說(shuō)明低溫氧化過(guò)程放熱不明顯,不足以使油層溫度急劇上升。

綜上,油藏條件下,目標(biāo)輕質(zhì)油藏(勝利和中原油田)原油可與空氣中的空氣發(fā)生低溫氧化反應(yīng),消耗氧氣,因此注空氣提高采收率是技術(shù)可行的。氧化速率實(shí)驗(yàn)表明,溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響很大,溫度越高,反應(yīng)速率越快;壓力對(duì)反應(yīng)速率有一定影響;在油砂中加入粘土,增加了氧氣與原油接觸的表面積,起到一定催化作用,能提高氧化反應(yīng)速率。實(shí)驗(yàn)中未發(fā)現(xiàn)小反應(yīng)容器內(nèi)有大幅度升溫或放熱情況,說(shuō)明原油與空氣反應(yīng)放熱緩慢,且可能反應(yīng)時(shí)間較短,反應(yīng)放熱不明顯,不足以使油層溫度急劇上升。

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(Ed.:YYL,Z)

Experimental on Oxidation Reaction Rate fo r EOR by Air Injection in Light-Oil Reservoirs

YU Hong-min1,REN Shao-ran2,N IU Bao-lun2,ZUO Jing-luan3
(1.Petroleum Exp loration&Production Research Institute,SINOPEC,Beijing 100083,P.R.China;
2.College of Petroleum Engineering,China University of Petroleum,Dongying Shandong 257061,P.R.China; 3.China United Coalbed M ethane Co.L td.,Beijing 100011,P.R.China)

2 N ovember 2009;revised 10 A pril 2010;accepted 11 M ay 2010

Before an air injection p roject,the feasibility needs investigated in light-oil reservoirs for imp roved oil recovery, fo r example Shengli and Zhongyuan Oilfield.The p rocess was used a nearly adiabatic oxidation reaction apparatus,and simulated the low temperature oxidation(L TO)reaction p rocess between crude oil and air.Based on the hypothetical reaction equation and simp lified A rrhenius equation,the effects were studied fo r the reaction rates,such as reservoir temperatures, reservoir p ressures,clay contents et al.And the contents were analyzed fo r oxygen and carbon dioxide in p roduced gas.The experimental results show that the crude oil could realize the L TO reaction,and the air injection technique is feasible in the targeted reservoirs.L TO reaction rate is greatly affected by reservoir temperatures,p ressures and clay contents.The temperature(in the sand pack)ismonitored during the reaction to detect the temperature increase due L TO reactions,w hich has show n that no significant temperature rising can be observed fo r the reaction temperature of 95℃up to 130℃.

Air injection;Enhanced oil recovery;Low temperature oxidation;Reaction rate;Light-oil reservoirs

.Tel.:+86-13518668342;fax:+86-10-82282463;e-mail:yhm0825@hotmail.com

TE341

A

10.3696/j.issn.1006-396X.2010.03.013

1006-396X(2010)03-0055-03

2009-11-02

于洪敏(1981-),男,山東昌邑市,工程師,博士。

中國(guó)石油化工集團(tuán)公司先導(dǎo)性科技項(xiàng)目(P06041; P06051);山東省泰山學(xué)者建設(shè)工程基金(TSXZ2006-15)。