東曉虎,劉慧卿,龐占喜,易勇剛,鄭家朋

(1.中國石油大學(xué)石油工程教育部重點(diǎn)實驗室,北京 102249；2.中國石油新疆油田公司工程技術(shù)研究院,新疆克拉瑪依 834000；3.中國石油冀東油田公司鉆采工藝研究院,河北唐山 063000)

不同含水期輕質(zhì)油藏空氣泡沫驅(qū)試驗

東曉虎1,劉慧卿1,龐占喜1,易勇剛2,鄭家朋3

(1.中國石油大學(xué)石油工程教育部重點(diǎn)實驗室,北京 102249；2.中國石油新疆油田公司工程技術(shù)研究院,新疆克拉瑪依 834000；3.中國石油冀東油田公司鉆采工藝研究院,河北唐山 063000)

采用室內(nèi)物理模擬的方法進(jìn)行輕質(zhì)水驅(qū)油藏轉(zhuǎn)空氣泡沫驅(qū)試驗,研究油藏含水飽和度對空氣與不同性質(zhì)輕質(zhì)原油的氧化反應(yīng)速率及原油耗氧程度的影響。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)行長細(xì)管耗氧檢測試驗及水驅(qū)后的雙管提高采收率試驗。結(jié)果表明:耗氧量與原油黏度沒有絕對的關(guān)系,存在一個含水飽和度拐點(diǎn),當(dāng)油藏含水飽和度低于此飽和度時,氧化反應(yīng)速率較大,空氣中的氧氣基本可以完全消耗；空氣泡沫注入油藏之后,氧氣被大量消耗,氣體突破時的氧氣體積分?jǐn)?shù)接近于零,待高溫氧化帶到達(dá)出口端,氧氣體積分?jǐn)?shù)突然升高,耗氧效果變差；空氣泡沫的注入可以有效封堵高滲管啟動低滲管,提高采收率約10.9%。

油藏；空氣泡沫；低溫氧化；耗氧；封堵效應(yīng)

隨著水驅(qū)開發(fā)進(jìn)入中后期,油田綜合含水率上升,井底壓力大幅下降,產(chǎn)量遞減加快,挖潛難度逐漸增大,如何有效提高油藏的最終采收率面臨巨大挑戰(zhàn)[1-2]。對于多數(shù)進(jìn)入中高含水期的水驅(qū)油藏而言,仍有大部分剩余油滯留在地下,提高原油采收率潛力巨大?？諝馀菽谧⑷胗筒睾?發(fā)揮空氣的低溫氧化特性,釋放熱量,生成甲烷、煙道氣等,綜合了煙道氣驅(qū)與熱效應(yīng)的雙重作用[3-5],煙道氣中約有15%的CO2及少量CO,其溶解能力強(qiáng),能夠改善油水流度比；添加泡沫后可發(fā)揮泡沫的賈敏效應(yīng)[5-6],對注入空氣實施封竄,有效增加空氣的波及體積,從而延遲空氣在地層中的滯留時間,充分發(fā)揮原油的低溫氧化特性,使注入空氣的氧含量降到安全極限范圍之內(nèi)。通過油藏不同含水飽和度下空氣與不同性質(zhì)輕質(zhì)原油的低溫氧化靜態(tài)反應(yīng)釜試驗,筆者對油藏含水飽和度對氧化反應(yīng)速率及原油耗氧程度的影響進(jìn)行研究,并在此基礎(chǔ)上開展長細(xì)管耗氧檢測試驗及水驅(qū)后的雙管提高采收率試驗,分析輕質(zhì)油藏注空氣泡沫驅(qū)開發(fā)機(jī)制。

1 低溫氧化反應(yīng)釜試驗

采用靜態(tài)試驗裝置研究油藏溫度壓力條件下含水飽和度對低溫氧化反應(yīng)的影響,試驗裝置如圖1所示。油砂以粒徑為0.12～0.13 mm的石英砂配置,地層水取自冀東油田高淺北區(qū)塊,屬NaHCO3型,總礦化度平均為1 555 mg/L,含鹽量421 mg/L,所用油樣的物性參數(shù)見表1。試驗過程中,分別配置含水飽和度為25%、50%、75%、90%和95%的油砂,老化后裝入反應(yīng)釜,并保證反應(yīng)釜的氣密性良好,之后注入空氣至一定壓力,并升溫至油藏溫度,檢測系統(tǒng)壓力隨反應(yīng)時間變化情況,直至反應(yīng)釜內(nèi)壓力穩(wěn)定為止。根據(jù)獲取的壓力降數(shù)據(jù)以及反應(yīng)后測得的各氣體含量數(shù)據(jù)判斷原油的耗氧效果。試驗結(jié)果如圖2所示。

圖1 靜態(tài)試驗裝置Fig.1 Static experimental apparatus

表1 試驗用原油物性參數(shù)Table 1 Physical properties of oil samples

圖2 不同含水條件下的靜態(tài)試驗結(jié)果Fig.2 Static experimental results under different water cut

靜態(tài)試驗結(jié)果顯示,原油耗氧量與黏度無絕對的關(guān)系。黏度較大的G104-5P121油樣在低含水飽和度(低于30%)條件下耗氧最好,主要是由于該油樣的芳香烴含量高,反應(yīng)活性大。但由于該油藏溫度較低(65℃),因此隨著含水飽和度的上升,水對氧化過程的加速作用越來越小,而降溫作用越來越明顯,耗氧效果急劇變差。芳香烴含量中等、油藏溫度也較高的G64-38油樣的耗氧和壓力變化隨著含水飽和度的變化較為平緩,但是當(dāng)含水飽和度高于75%之后,由于其中的油樣已不足以維持低溫氧化反應(yīng),耗氧效果變差。芳香烴含量最小、黏度也最小的G76-34油樣耗氧效果最差。同時反應(yīng)釜壓降的大部分都集中在反應(yīng)前期,這是原油中活性較高的芳香烴在前期被消耗的緣故。反應(yīng)速率(單位體積原油單位時間內(nèi)的耗氧量,10-5mol/(h·mL))計算結(jié)果見表2。隨著含水飽和度的增加,反應(yīng)速率呈上升趨勢,主要是由于含水飽和度較高時,計算反應(yīng)速率時的基數(shù)小,填砂管內(nèi)部原油中的飽和烴和芳香烴被消耗掉,反應(yīng)難以持續(xù)(反應(yīng)后期的壓力變化變緩),從而導(dǎo)致高含水時得到的反應(yīng)速率較大。

表2 不同油樣的反應(yīng)速率Table 2 Results of reaction rate of three oil samples

2 長細(xì)管耗氧監(jiān)測試驗

根據(jù)靜態(tài)試驗結(jié)果,G64-38油樣在不同含水飽和度下的耗氧效果較好,并且在中低含水條件下的耗氧量變化不大,因此優(yōu)選該油樣進(jìn)行動態(tài)耗氧監(jiān)測試驗,測取其在動態(tài)驅(qū)替過程中的氧氣消耗情況。根據(jù)低溫氧化的反應(yīng)機(jī)制,注入空氣泡沫后,會消耗空氣中的氧氣,生成CO2和CO,此外由于反應(yīng)放熱導(dǎo)致原油蒸發(fā),還會產(chǎn)生少量的CH4,因此試驗過程中主要測取O2、CO2、CO和CH4的含量變化。試驗所用長細(xì)管規(guī)格為Φ6 mm×15 m,壓力為20 MPa、溫度為120℃條件下,設(shè)置空氣與發(fā)泡劑溶液的注入速度分別為0.5和0.25 mL/min(氣液比2∶1)。試驗用泡沫液為地層水配置的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的陰離子型表面活性劑溶液,該泡沫液具有發(fā)泡體積大、半衰期長、耐高溫等特點(diǎn)。

長細(xì)管試驗結(jié)果如圖3所示。注入約0.23Vp(Vp為孔隙體積)空氣泡沫后出口端見氣,氣體突破時間較早,且此時測得的氣體中氧氣含量較小,體積分?jǐn)?shù)接近于零,這是處于最前緣的煙道氣帶到達(dá)出口端所致。隨著空氣的繼續(xù)注入,O2體積分?jǐn)?shù)緩慢升高；注入約0.50Vp空氣泡沫后,熱效應(yīng)帶到達(dá)出口端,此時CO、CO2和CH4的體積分?jǐn)?shù)都達(dá)到最高；直至注入約0.87 Vp空氣泡沫時,高溫氧化帶到達(dá)出口端,O2體積分?jǐn)?shù)突升,效果變差；可見從驅(qū)替開始一直到注入0.87 Vp空氣泡沫是該過程的主要反應(yīng)階段。

圖3 長細(xì)管試驗結(jié)果Fig.3 Results of slim tube experiment

3 提高采收率試驗

同樣選取G64-38油樣,采用雙管模型(滲透率級差為3)模擬空氣泡沫在非均質(zhì)地層中的滲流與驅(qū)替過程,壓力為20 MPa,溫度為120℃,試驗過程中水驅(qū)階段的注入速度為1 mL/min,注空氣泡沫段塞時空氣與發(fā)泡劑溶液的注入速度分別為1.0和0.5 mL/min(氣液比2∶1),該過程中主要測取空氣泡沫在不同注入段塞階段的封堵效果。

用不同粒徑的石英砂填制模型,設(shè)置20 MPa回壓進(jìn)行高壓飽和,所得物性參數(shù)如表3所示,最終試驗結(jié)果見圖4。

表3 動態(tài)驅(qū)替試驗填砂管物性參數(shù)Table 3 Physical parameters of sand packs in dynamic displacement experiment

圖4 G64-38雙管空氣泡沫驅(qū)提高采收率試驗結(jié)果Fig.4 Results of dual-tubes EOR experiment of G64-38 crude oil

驅(qū)替的開始階段壓差較大,高、低滲管均有油產(chǎn)出,高滲管的產(chǎn)液速度相對更快,之后由于形成了水竄通道,驅(qū)替壓差緩慢降低,低滲管基本不產(chǎn)液,此時高滲管的含水率上升也較快。待含水率上升至98%(約注入0.78 Vp)之后轉(zhuǎn)入注0.10 Vp空氣泡沫,此時高滲管中的水竄通道被封堵,兩端壓差上升,低滲管重新啟動,但同時高滲管的含水率也略有降低,導(dǎo)致產(chǎn)油量上升。之后轉(zhuǎn)入水驅(qū)過程,含水率升至98%后,再次注入0.10 Vp的空氣泡沫,如此重復(fù)注入3個空氣泡沫段塞。注入3個段塞之后低滲管總的驅(qū)油效率為28.2%,提高了約18.0%,高滲管的驅(qū)油效率為57.8%,提高了約4.6%,總的驅(qū)油效率提高了約10.9%。注入3個空氣泡沫段塞后驅(qū)替壓差均有不同程度的上升,但相比較而言,第二、三個段塞的壓差上升幅度都較第一個段塞要小,這是由于在注后兩個段塞的過程中,泡沫已封堵不住水竄通道,壓差上升有限,注第三個段塞之后再轉(zhuǎn)入水驅(qū),與前兩個段塞相比效果更加微弱。

4 注空氣泡沫開發(fā)機(jī)制

注空氣泡沫驅(qū)油綜合了空氣驅(qū)(低溫氧化)與泡沫驅(qū)(封堵)的優(yōu)點(diǎn)。影響空氣泡沫驅(qū)開發(fā)效果的因素主要有油藏溫度、油藏壓力、油藏傾角、原油黏度、油藏含水狀況、空氣注入速度以及泡沫氣液比等[7-10]。黏土(主要是高嶺石和伊利石)和金屬礦物的存在均有利于氧化反應(yīng)的進(jìn)行,對壓力下降速度和氧化反應(yīng)速率等均有明顯的影響[6,11-12]。

(1)空氣在注入油層之后,通過發(fā)揮煙道氣驅(qū)、重力驅(qū)、流體膨脹和混相等多種機(jī)制的作用提高原油采收率,油藏的溫度一般應(yīng)高于70℃,溫度越高越有利于氧氣的消耗,從而延長無氧生產(chǎn)時間,有利于提高采收率。

(2)油藏溫度、油樣組成和油藏含水對注空氣泡沫的開發(fā)效果均有影響。少量水的存在有利于低溫氧化反應(yīng)的產(chǎn)生,且對親水油藏而言,這種作用更為明顯；對于溫度較高的油藏存在一個含水飽和度拐點(diǎn),當(dāng)油藏的含水飽和度高于此拐點(diǎn)時,耗氧效果變差。

(3)原油中參與低溫氧化反應(yīng)的主要組分為活性較高的芳香烴。

(4)空氣泡沫注入油藏后,從注入井到生產(chǎn)井存在煙道氣帶、熱效應(yīng)帶和氧化前緣帶3個區(qū)域。氧氣主要在氧化前緣帶被消耗,該區(qū)的范圍與空氣的注入速度、泡沫特性、油藏及原油物性有關(guān)。

5 結(jié) 論

(1)油樣氧化性能與其黏度沒有絕對的關(guān)系。G104-5P121黏度較大,但在低含水飽和度條件下更易耗氧；G64-38油樣的耗氧拐點(diǎn)含水飽和度為75%,油藏含水飽和度高于此飽和度時耗氧較差。

(2)G64-38油樣的耗氧性能較好,空氣泡沫在注入油藏之后,其中的氧氣基本可以被消耗干凈,氣體突破時的氧氣體積分?jǐn)?shù)接近于零,待高溫氧化帶到達(dá)出口端,氧氣體積分?jǐn)?shù)突然升高,耗氧效果變差。

(3)高含水率條件下注入空氣泡沫段塞,通過發(fā)揮泡沫封堵高滲帶的作用,填砂管兩端壓差增大,低滲管得以啟動,波及效率提高,總驅(qū)油效率提高了約10.9%,由于氣/水竄通道的形成,后續(xù)兩個段塞效果較前一個差。

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(編輯 李志芬)

Experiments on air foam flooding in light-oil reservoirs at different water cut stage

DONG Xiao-hu1,LIU Hui-qing1,PANG Zhan-xi1,YI Yong-gang2,ZHENG Jia-peng3
(1.Key Laboratory of Petroleum Engineering of Ministry of Education in China University of Petroleum,Beijing 102249,China；
2.Engineering and Technology Research Institute,Xinjiang Oilfield Company,CNPC,Karamay 834000,China；
3.Drilling&Production Research Institute,Jidong Oilfield Company,CNPC,Tangshan 063000,China)

The experiments of air foam flooding in water flooding light-oil reservoirs were carried out by the method of physical simulation.The influence of water saturation on oxidation rate and oxygen consumption rate were discussed through the static experiments.In order to verify the oxygen consumption capacity of oil,the slim tube displacement experiment and EOR experiment of air foam flooding in double tubes were performed.The results show that there is no obvious correlation between oil viscosity and oxygen consumption.There is a water saturation breakpoint.When the water saturation is low,the oxidation rate will be large.After air foam is injected into the reservoir,the oxygen in air can be fully consumed.The volume fraction of oxygen is near zero when the gas breakthrough occurrs.Once the oxidation region reaches the outlet,the volume fraction of oxygen increases suddenly,and the effect of oxygen consumption gets badly.The injection of air foam could effectively plug the high-permeability tube and restart the low one.The final recovery is enhanced by 10.9%.

reservoir；air foam；low temperature oxidation；oxygen consumption；plugging effect

TE 357.7

A

1673-5005(2013)04-0124-05

10.3969/j.issn.1673-5005.2013.04.020

2012-07-12

國家科技重大專項(2011ZX05009-004-05)；教育部博士點(diǎn)基金項目(20110007120003)

東曉虎(1986-),男,博士研究生,主要從事油藏工程及提高采收率方面的研究。E-mail:dongxh0578@gmail.com。