劉 遙,劉易非,陳 艷,張永成

(1.西安石油大學(xué),陜西 西安 710065;2.中油遼河油田公司,遼寧 盤錦 124010)

輕油注空氣靜態(tài)低溫氧化實(shí)驗(yàn)研究

劉 遙1,劉易非1,陳 艷2,張永成1

(1.西安石油大學(xué),陜西 西安 710065;2.中油遼河油田公司,遼寧 盤錦 124010)

在經(jīng)過(guò)大量文獻(xiàn)調(diào)研基礎(chǔ)上,對(duì)輕油注氣靜態(tài)低溫氧化反應(yīng)進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究。分析反應(yīng)前后氣體及原油的壓力和組分變化,得出不同氣油比和壓力等因素對(duì)原油低溫氧化的影響。結(jié)果表明,高氣油比生成的二氧化碳比低氣油比生成的多;高壓耗氧速度要高于低壓耗氧速度;低溫氧化后芳香烴含量明顯降低,同時(shí)膠質(zhì)含量明顯增加,原油物性變差。

空氣;低溫氧化;組分變化;氣油比;氣相色譜分析;低滲透油藏;壓力

引 言

近年來(lái),低滲透油藏的開發(fā)越來(lái)越引起人們的關(guān)注。我國(guó)已探明的石油儲(chǔ)量中,低滲透油藏石油地質(zhì)儲(chǔ)量約為 50×108t,占已探明儲(chǔ)量的 27%左右。由于開發(fā)難度大,50%左右未投入開發(fā)。有些低滲透油藏由于注水困難,無(wú)法投入正常開發(fā)甚至無(wú)法動(dòng)用。有的采用衰竭式開采,因缺少接替能量補(bǔ)充,采收率特別低。如何經(jīng)濟(jì)高效地開發(fā)低滲透油藏是當(dāng)前油田開發(fā)中的一個(gè)難題。

輕質(zhì)油藏高壓注空氣法是一項(xiàng)非常新穎的技術(shù),被公認(rèn)為有效的提高原油采收率的技術(shù),特別適合在高壓低滲透率油田應(yīng)用。該注空氣法綜合了氣驅(qū)和熱力采油的優(yōu)勢(shì),而且空氣氣源充足。操作成本僅是注蒸汽的 1/6左右[1]。

1 注空氣低溫氧化驅(qū)油機(jī)理

將空氣注入油層,空氣與原油接觸發(fā)生高溫氧化反應(yīng)和低溫氧化反應(yīng)。稠油油藏的開采主要依靠高溫氧化反應(yīng)即火燒油層,驅(qū)油效果源于熱效應(yīng)。對(duì)中輕質(zhì)油藏來(lái)說(shuō),熱效應(yīng)已不重要,關(guān)鍵在于氧氣與油反應(yīng)將氧氣消耗掉,產(chǎn)生氣驅(qū)作用[2]。

對(duì)于不同的油藏,注空氣技術(shù)的驅(qū)油機(jī)理不同,歸納起來(lái)有以下幾種[3-4]。

(1)高壓注空氣提高或維持油藏壓力。

(2)油藏溫度下,通過(guò)原油低溫氧化把空氣中的氧氣消耗掉,至少可以實(shí)現(xiàn)氮?dú)怛?qū)。

(3)油藏溫度下,若實(shí)現(xiàn)原油高溫氧化,則可間接實(shí)現(xiàn)煙道氣驅(qū)。

(4)適當(dāng)?shù)挠筒貕毫ο?煙道氣可與原油發(fā)展為混相驅(qū)或近混相驅(qū)。

(5)高溫條件下,可發(fā)生超臨界蒸汽驅(qū)動(dòng)。

(6)氧化反應(yīng)的熱效應(yīng)可導(dǎo)致原油降黏、熱膨脹效應(yīng)。

(7)向陡峭或傾斜的油藏頂部注空氣可產(chǎn)生重力驅(qū)替作用。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 原料與儀器

實(shí)驗(yàn)用原油為遼河油田某區(qū)塊的輕質(zhì)原油,黏度為 4.68 mPa·s(50℃時(shí)),密度為 826.5 kg/m3。實(shí)驗(yàn)儀器有Atlas Copco GX7固定式螺桿空氣壓縮機(jī)、HSS-100型增壓泵、2XZ-2B型旋片式真空泵、恒溫箱、中間容器、壓力傳感器、溫度傳感器、工控機(jī)、反應(yīng)釜等。

2.2 實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)流程如圖 1所示,通過(guò)壓縮機(jī)和增壓泵將空氣注入中間容器,然后將反應(yīng)釜抽真空。將一定量的實(shí)驗(yàn)用原油注入反應(yīng)釜中,再把適量體積的空氣通過(guò)中間容器注入反應(yīng)釜中。在計(jì)量空氣的體積時(shí),首先通過(guò) Robinson方法修正空氣壓縮因子Z[5],再根據(jù)中間容器壓力變化按照狀態(tài)方程計(jì)算:

式中:p為壓力,Pa;V為容器體積,m3;Z為氣體壓縮因子;n為氣體的摩爾量,mol;R為氣體常數(shù),J/(mol·K);T為室內(nèi)溫度,K。

實(shí)驗(yàn)開始時(shí)將恒溫箱升溫至 90℃。監(jiān)測(cè)并記錄反應(yīng)釜壓力的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,收集反應(yīng)后的氣體和原油。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程

通過(guò)控制注入空氣和原油之間的不同體積比例,研究原油在不同氣油比以及不同壓力下的氧化情況。實(shí)驗(yàn)分為 4組進(jìn)行,方案如表 1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)方案

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 反應(yīng)前后氣體組成變化

表 2 4組實(shí)驗(yàn)反應(yīng)前后氣體組成變化

表 2為反應(yīng)前后氣體組分的變化對(duì)比數(shù)據(jù)?？梢钥闯?每組反應(yīng)后氧氣的百分含量均呈下降趨勢(shì)。氮?dú)獠粎⒓臃磻?yīng),故其含量不會(huì)發(fā)生變化,體積分?jǐn)?shù)增加。考慮到存在其他組分,可使氧氣和氮?dú)獾陌俜直认陆?故用氧氮比來(lái)衡量氧耗程度。

對(duì)比相同油量不同壓力實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出高壓有利于反應(yīng)進(jìn)行;對(duì)比相同壓力不同油量的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn) 2組實(shí)驗(yàn)氧氮比相差甚小,高氣油比的耗氧量比低氣油比的耗氧量?jī)H多出 0.001個(gè)百分點(diǎn)。綜合4組實(shí)驗(yàn)反應(yīng)后氣體組分中二氧化碳和一氧化碳的含量,發(fā)現(xiàn)D組的二氧化碳含量明顯高于其他 3組。這說(shuō)明高氣油比條件更有利于氧化完全生成二氧化碳[5-6]。

3.2 反應(yīng)前后壓力變化

圖 2為這 4組實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)釜壓力隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線。從圖中的壓力變化來(lái)看,均有下降趨勢(shì)。前期溫度升高壓力急劇上升,待溫度穩(wěn)定后壓力逐漸降低,而且趨勢(shì)變緩。A組實(shí)驗(yàn)前期壓力變化明顯快于其他 3組,更加證明了高壓有利于氧化反應(yīng)的進(jìn)行。

圖 2 反應(yīng)釜壓力隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線

3.3 原油組分變化

表 3 D組實(shí)驗(yàn)前后原油族組成變化

3.3.1 反應(yīng)前后原油組分對(duì)比

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后收集部分原油進(jìn)行族組分分析,挑選D組實(shí)驗(yàn)后原油含量和原始油樣進(jìn)行對(duì)比 (表3)。為減少誤差,對(duì)反應(yīng)前后油樣分別進(jìn)行了 2次分析?？梢钥闯?飽和烴含量基本未發(fā)生變化,瀝青質(zhì)含量基本保持穩(wěn)定,芳香烴含量明顯降低,膠質(zhì)含量明顯增加。原油中飽和烴所占的比例非常高,但氧化程度非常低。由此可知,原油的低溫氧化主要是芳香烴在發(fā)生氧化,微量的飽和烴也參加了反應(yīng)。膠質(zhì)含量的增加說(shuō)明了原油低溫氧化會(huì)使得原油物性變差,前人研究也證實(shí)了這一點(diǎn)[7]。

3.3.2 反應(yīng)前后原油全烴氣相色譜分析

通過(guò)全烴氣相色譜分析,了解反應(yīng)后正構(gòu)烷烴含量分布的變化情況及其與原始油樣正構(gòu)烷烴分布的對(duì)比。C組實(shí)驗(yàn)反應(yīng)后油樣 C5～C10的含量明顯多于原始油樣,C10+(碳原子個(gè)數(shù)大于 10的正構(gòu)烷烴)的含量稍微降低。B組反應(yīng)后油樣 C4～C11的百分含量明顯多于原始油樣,且變化幅度比 C組大,C12～C26的百分含量出現(xiàn)明顯降低。A組反應(yīng)后油樣 C4～C11的百分含量比原始油樣大,變化幅度稍高于B組,C12～C26的百分含量也出現(xiàn)明顯降低,C26

+的變化較微弱。實(shí)驗(yàn)說(shuō)明,原油的氧化會(huì)使重質(zhì)組分裂解為輕質(zhì)組分和殘余重質(zhì)組分[8]。

飽和烴百分含量基本保持穩(wěn)定,但其組成結(jié)構(gòu)卻發(fā)生了變化。較少碳原子數(shù)的正構(gòu)烷烴 (主要是 C4～C11)含量增多,而中間碳原子數(shù)的正構(gòu)烷烴 (主要是 C12～C26)含量減少,碳原子數(shù)較高的正構(gòu)烷烴含量基本不變。隨著反應(yīng)壓力的增加,這種變化的幅度有擴(kuò)大的趨勢(shì),即壓力越高,更有利于高碳原子數(shù)烴類氧化裂解為低碳原子數(shù)烴類。

在氣相色譜分析中,有一項(xiàng)地化參數(shù)叫做正構(gòu)烷烴的輕重比,即所有碳原子數(shù)≦ 21的正構(gòu)烷烴的百分含量與所有碳原子數(shù)≧ 22的正構(gòu)烷烴的百分含量的比值。用以描述正構(gòu)烷烴的組成結(jié)構(gòu)。反應(yīng)前原始油樣的正構(gòu)烷烴輕重比為 2.29,A、B、C組實(shí)驗(yàn)后正構(gòu)烷烴輕重比分別為 2.69、2.62、2.32。隨著壓力增加正構(gòu)烷烴輕重比逐漸增加,這正解釋了低溫氧化時(shí)高碳原子數(shù)烴類氧化裂解為低碳原子數(shù)烴類的現(xiàn)象[9-10]。

實(shí)驗(yàn)研究表明,在一定的油藏溫度下,自發(fā)的低溫氧化反應(yīng)足以將氧氣消耗掉,同時(shí)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量使油層溫度升高,促使輕烴組分揮發(fā)。因此,直接起驅(qū)油作用的并不是空氣,而是在油層內(nèi)生成的二氧化碳以及由氮?dú)夂蛽]發(fā)的輕烴組分等組成的煙道氣。氧化反應(yīng)的程度與原油特性、巖石和流體特性、溫度和壓力有關(guān)。

4 結(jié) 論

(1)高氣油比條件可能更有利于氧化完全生成二氧化碳。

(2)壓力越高,越有利于低溫氧化的進(jìn)行,氧氣利用率越高;同時(shí),也更有利于高碳原子數(shù)烴類氧化裂解為低碳原子數(shù)烴類。

(3)原油的低溫氧化主要是芳香烴發(fā)生氧化而生成膠質(zhì)。原油中芳香烴含量越高越有利于氧氣消耗,低溫氧化會(huì)使原油物性變差。

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編輯 周丹妮

TE357.7

A

1006-6535(2010)03-0096-03

20091130;改回日期:20100330

中油遼河油田重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目“提高遼河油田低滲難采儲(chǔ)量動(dòng)用程度應(yīng)用基礎(chǔ)研究”部分內(nèi)容 (中油遼字 <2009>73)

劉遙 (1985-),男,2007年畢業(yè)于西南石油大學(xué)安全工程專業(yè),現(xiàn)為該校油氣田開發(fā)專業(yè)在讀碩士研究生。