＊王濤 董海鵬

（延長石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司子長采油廠 陜西 716000）

注空氣開采輕質(zhì)油藏具有眾多優(yōu)點(diǎn)，成本低、適用油藏范圍廣且驅(qū)油效果顯著，可以作為一項新提高原油的采收率技術(shù)[1-3]?？諝庾⑷胼p質(zhì)油藏后，氧氣與原油發(fā)生低溫氧化反應(yīng)，產(chǎn)生的熱量可使油層溫度升高促使輕質(zhì)組分蒸發(fā)，生成的CO、CO2以及由N2和蒸發(fā)的輕烴組分等可形成煙道氣驅(qū)的效果[3-7]。英國巴斯大學(xué)研究團(tuán)隊[8]，在注空氣低溫氧化研究的過程中，首創(chuàng)性的發(fā)現(xiàn)并命名了氧氣消耗速率，這使得低溫氧化研究又深入了一步。巴斯大學(xué)Greaves[9]等人，研究了在注空氣過程中，原油發(fā)生低溫氧化需要一個熱量的界限，這個界限可用活化能來表示。2013年，王蕾[10]等人，對輕質(zhì)油藏注空氣做了大量的理論研究和數(shù)值模擬研究，通過室內(nèi)實驗分析低溫氧化階段的各種氧化、放熱性質(zhì)，同時又對熱效應(yīng)進(jìn)行了進(jìn)一步的研究。然而，輕質(zhì)油藏注空氣低溫氧化反應(yīng)后氣體組成和原油組分都會發(fā)生一定變化，原油性質(zhì)也隨之發(fā)生改變，目前對這兩部分研究較少。本文針對延長油田一致密砂巖油藏原油開展低溫氧化實驗，分析低溫氧化反應(yīng)后氣體組成和原油物理化學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律，認(rèn)識低溫氧化對前后氣體及原油性質(zhì)的影響，對于了解注空氣后油藏條件變化和深入認(rèn)識驅(qū)替機(jī)理具有更重要的意義。

1.實驗方法

將原油和高壓空氣放置在密閉容器中，保持一定的溫度與壓力?？諝庵械难鯐饾u與原油發(fā)生氧化反應(yīng)，通過定時檢測氣體組分的變化，即可計算出原油在不同條件下消耗氧氣的速度。對比實驗前后原油組分的變化，即可確定原油中被氧化的主要組分。

實驗設(shè)計在2.2MPa、4.85MPa兩個壓力條件下，分別測試30℃、35.6℃（油層溫度）、50℃三個溫度下原油與空氣發(fā)生低溫氧化反應(yīng)的速度，并對反應(yīng)前后氣體組分、原油組分、原油粘度進(jìn)行對比分析。氧化速率與總耗氧量計算方法：氧化速率計算主要采用氣體含量法的方法，即通過測試反應(yīng)后氣體中氧氣的含量變化來計算氧氣消耗的量，計算方法如下：

氧化速率計算方法為：

總耗氧量計算方法為：

2.實驗設(shè)備與材料

(1)實驗材料

本次實驗油樣為延長某井區(qū)脫氣原油，原油密度分布在0.845～0.848g/cm3，平均0.846g/cm3，原油粘度一般在3.06-5.73mPa·s，平均3.93mPa·s。實驗采用了現(xiàn)場天然巖心，將其粉碎成油砂備用。實驗所用氣源為室內(nèi)采集空氣。通過增壓泵將空氣加壓預(yù)處理，使壓力達(dá)到設(shè)計注入壓力。地層水是根據(jù)水樣分析結(jié)果配置的模擬地層水，礦化度為16950.68mg/L，水型為氯化鈣型，具體見表1。

表1 理829井區(qū)地層水分析結(jié)果Tab.1 Analysis results of formation water in Li 829 well area

(2)實驗設(shè)備

整個流程主要由增壓系統(tǒng)、高溫配樣系統(tǒng)等組成（見圖1）。增壓系統(tǒng)由氣體增壓泵、高壓活塞容器、手動泵組成。氣體增壓泵用于采集空氣并將氣加壓至實驗壓力，高壓活塞容器用于盛裝壓縮空氣，手動泵用于將空氣增壓至實驗設(shè)定壓力。氣組分分析采用Agilent 6890N氣相色譜儀，壓力精度0.01psi，流量精度0.01ml/min，保留時間重現(xiàn)性＜0.0012min，峰面積重現(xiàn)性＜2.0% RSD。

圖1 注空氣原油靜態(tài)氧化實驗流程圖Fig.1 Flow chart of Static oxidation experiment of injecting air into crude oil

(3)實驗流程

設(shè)計了6組氧化實驗，在地層壓力條件下（4.85MPa）開展原油+巖心砂+地層水+空氣相互反應(yīng)機(jī)理實驗，實驗溫度選擇30℃、35.6℃和50℃，測試原油與空氣發(fā)生低溫氧化反應(yīng)的速度。為了分析壓力及溫度對原油低溫氧化的影響，又分別開展了2.20MPa條件下，30℃、35.6℃和50℃時的原油低溫氧化實驗。

靜態(tài)氧化實驗流程為：稱取定量的原油置入反應(yīng)器中，并按實驗要求加入定量的天然巖心砂樣、地層水、黏土、泡沫劑等物質(zhì)，調(diào)節(jié)容器活塞以確?？諝怏w積。再將反應(yīng)器升溫至設(shè)定溫度，注入高壓空氣至設(shè)定壓力，放置并開始記錄反應(yīng)時間。將裝有原油和壓縮空氣的反應(yīng)器保持恒溫恒壓，考慮到本次實驗的溫度、壓力較低，原油氧化速度慢，設(shè)計每隔24h取一次氣樣并測試，分析其組分變化，直至反應(yīng)288h；停止實驗后，將原油取出，測試粘度及組分。

3.實驗結(jié)果與討論

空氣與原油發(fā)生的氧化反應(yīng)十分復(fù)雜，不同介質(zhì)的存在可以增加或減少氧化速度。采用延長油田某致密砂巖油藏的原油、地層水、巖心砂進(jìn)行不同溫度、壓力下的實驗，目的是考察在不同條件下空氣對原油的氧化速度。氧化實驗結(jié)果見圖2。從圖中可以看出，在相對較低的溫度與壓力下，原油的氧化速度較慢，反應(yīng)288h后，氧氣含量仍在17.869%～19.443%。在較低的溫度下，空氣對原油的氧化能力較弱。當(dāng)壓力一定時，隨著溫度的升高，原油氧化后空氣中的含氧量呈現(xiàn)明顯下降的趨勢。體系中CO2含量的變化與氧氣含量呈現(xiàn)明顯的相關(guān)性，隨著溫度與壓力的增加而逐步增大?？梢钥闯鯟O2增加的百分比小于氧氣減少的百分比，這是因為一方面CO2在原油中具有較高的溶解度，另一方面消耗的氧氣并未全部轉(zhuǎn)化為CO2，有一部分氧氣與原油反應(yīng)生成了含氧化合物。

圖2 不同反應(yīng)溫度下氧氣-CO2含量變化曲線Fig.2 Oxygen-CO2 content change curves at differentreaction temperatures

根據(jù)不同氧化時間后空氣中的含氧量百分比，計算出不同時間后氧氣的消耗量（標(biāo)態(tài)下氣體體積），見表2。從計算結(jié)果看，隨著溫度、壓力的升高，氧氣消耗量快速上升，在相同的溫度下，高壓體系的耗氧量明顯大于低壓體系。壓力越高，溶解于原油中的氧氣越多，而溫度越高，原油與氧氣的反應(yīng)速度越快。初期空氣中的氧氣百分含量高，溶解于原油的氧氣量也較高，后期隨著氧氣的消耗，空氣中的氧氣百分比下降，溶解于原油的氧氣量減少；同時，原油中易被氧化的物質(zhì)是有限的，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，這類物質(zhì)的相對量也在不斷下降，這兩種因素導(dǎo)致了后期反應(yīng)速度逐漸下降。

表2 不同氧化時間氧氣消耗量計算結(jié)果Tab.2 Calculation results of oxygen consumption at different oxidation times

根據(jù)不同時間段內(nèi)氧氣的消耗量，計算出288h內(nèi)原油總耗氧量（見表3）與不同反應(yīng)時期的氧化速率（見表4）。從結(jié)果看，由于反應(yīng)溫度低，總體上氧化速率與總耗氧量處于較低水平，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，原油的氧化速率逐漸下降。

表3 不同氧化時間總耗氧量計算結(jié)果Tab.3 Calculation of the total oxygen consumption at different oxidation times

表4 不同氧化時間氧化速率計算結(jié)果Tab.4 Calculation results of oxidation rate at different oxidation times

空氣中的N2與CH4含量變化見圖3。從圖中可以看出，CH4隨著氧化反應(yīng)的進(jìn)行含量不斷上升，與溫度、壓力呈正相關(guān)。相同壓力下溫度越高，CH4的含量越高，說明高溫下更多的長烴鏈斷裂成了短烴鏈。較低溫度下由于氧氣消耗少，N2含量的變化不明顯，后期受烴類氣體含量增加的影響，百分含量略有下降；較高溫度下由于氧氣消耗量相對較大，初期N2的百分含量略有增加，后期受氧含量減少與烴類、CO2氣體增加的雙重影響，百分含量基本保持穩(wěn)定。

圖3 不同反應(yīng)溫度下N2-CH4含量變化曲線Fig.5 N2-CH4 content change curves at differentreaction temperatures

4.結(jié)論

（1）原油氧化的速度對溫度非常敏感，在相對較低的溫度與壓力下，原油的氧化速度較慢，反應(yīng)288h后，氧氣含量仍在17.869%～19.443%。當(dāng)壓力一定時，隨著溫度的升高，原油氧化后空氣中的含氧量呈現(xiàn)明顯下降，隨著溫度與壓力的增加而逐步增大，CO2增加的百分比小于氧氣減少的百分比。

（2）隨著溫度、壓力的升高，氧氣消耗量快速上升。壓力越高，溶解于原油中的氧氣越多，而溫度越高，原油與氧氣的反應(yīng)速度越快。初期空氣中的氧氣百分含量高，溶解于原油的氧氣量也較高，后期隨著氧氣的消耗，空氣中的氧氣百分比下降，溶解于原油的氧氣量減少，反應(yīng)速度逐漸下降。

（3）高溫下更多的長烴鏈斷裂成了短烴鏈，CH4隨著氧化反應(yīng)的進(jìn)行含量不斷上升，隨著溫度、壓力的上升，CH4的含量越高。較低溫度下N2含量的變化不明顯，后期受烴類氣體含量增加的影響，百分含量略有下降；較高溫度下初期N2的百分含量略有增加，后期受氧含量減少與烴類、CO2氣體增加的雙重影響，百分含量基本保持穩(wěn)定。