蔣生健

(中油遼河油田公司，遼寧 盤錦 124010)

齊40塊注空氣輔助蒸汽驅(qū)試驗研究與應(yīng)用

蔣生健

(中油遼河油田公司，遼寧 盤錦 124010)

針對齊40塊蒸汽驅(qū)進入開發(fā)中后期平面和層間矛盾突出、高溫汽竄現(xiàn)象嚴重的問題，開展了注空氣輔助蒸汽驅(qū)研究和現(xiàn)場試驗工作。通過對注空氣輔助蒸汽驅(qū)增產(chǎn)機理、催化氧化反應(yīng)對地層礦物傷害性和催化產(chǎn)物與破乳劑配伍性評價、伴生氣含氧量爆炸極限等方面進行研究，優(yōu)選出以B為主劑的催化劑及其最佳注入濃度，有效保障了注空氣輔助蒸汽驅(qū)的平穩(wěn)運行，起到明顯增油效果，同時也為蒸汽驅(qū)后期綜合調(diào)整提供了技術(shù)儲備。

齊40塊;蒸汽驅(qū);催化氧化反應(yīng);注空氣輔助蒸汽驅(qū);爆炸極限

引言

齊40塊開發(fā)目的層為蓮花油層，油藏埋深為625～1 050 m，原油密度為0.968 6 g/cm3，地層水礦化度為2 579.3 mg/L。1987年以蒸汽吞吐方式投入開發(fā)，1998年開展4個井組蒸汽驅(qū)先導(dǎo)試驗，2006年區(qū)塊全面進入蒸汽驅(qū)工業(yè)化實施階段，共有蒸汽驅(qū)井組150個，注采井距為70～100 m。區(qū)塊全面轉(zhuǎn)驅(qū)以來，日產(chǎn)油水平由轉(zhuǎn)驅(qū)初期的1 280 t/d上升到最高的1 931 t/d。近年來，隨著蒸汽驅(qū)生產(chǎn)不斷深入，油藏層間和平面矛盾日益凸顯［1］，區(qū)塊產(chǎn)量上升勢頭緩慢，并逐漸呈現(xiàn)遞減趨勢。按照蒸汽驅(qū)階段劃分標準［2］，齊40塊工業(yè)化實施的139個井組中已有82個井組進入驅(qū)替階段后期或突破階段，占總數(shù)的59.0%。進入驅(qū)替階段后期，井組產(chǎn)量急劇下降，油藏層間和平面矛盾突出。根據(jù)井溫及吸汽剖面監(jiān)測資料，齊40塊65井組平均油層縱向動用程度為59.5%，平面動用程度為57.5%，波及體積為27.2%。為緩解汽驅(qū)生產(chǎn)中的層間和層內(nèi)矛盾，2010年開展了注空氣輔助蒸汽驅(qū)試驗研究與現(xiàn)場應(yīng)用工作。

1 注空氣輔助蒸汽驅(qū)采油技術(shù)機理

注空氣低溫氧化采油作為1項改善區(qū)塊開發(fā)效果的新技術(shù)，具有氣源豐富、成本低廉的優(yōu)點［3］。在開采過程中，將空氣注入油層與原油發(fā)生氧化反應(yīng)，能有效降低稠油黏度和改善油水界面張力，具有調(diào)剖、助排、提高熱利用效率和驅(qū)油效率等作用［4－6］。

(2)稠油分支鏈被氧化為極性的含氧化合物(如醛、酮、醇和羧酸)［7］，從而自生表面活性劑，能提高驅(qū)油效率。

(3)氧化反應(yīng)生成的CO2溶解于稠油和水中能降低油水界面張力，使原油黏度大幅度下降［8］。

(4)注入的空氣與蒸汽存在密度差，進入油層后上浮至油層頂部，由于N2壓縮系數(shù)和膨脹系數(shù)都較大，分布在蒸汽腔上部的N2能夠維持系統(tǒng)壓力，防止蒸汽因重力作用造成的超覆，起到調(diào)剖作用。

(5)空氣中的N2具有優(yōu)良特性，是驅(qū)替原油的理想氣體。主要包括:①N2能減緩油層上部熱損失，提高蒸汽熱效率;②N2的壓縮膨脹作用改變原油流動形態(tài)，增強原油流動性;③補充地層能量，提高泄油能力;④減弱蒸汽黏性指進，促進汽腔均勻擴展。

2 空氣輔助蒸汽驅(qū)室內(nèi)實驗研究

2.1 催化劑優(yōu)選及性能評價

在實驗裝置中加入50 g原油、50 mL地層水和不同組分的催化劑，待裝置內(nèi)溫度升至200℃、空氣充壓0.6 MPa后，恒溫反應(yīng)12 h，考察油品壓差Δp、黏度μ、酸值X以及CO2生成量變化情況，實驗結(jié)果見表1。

由黏度、酸值以及生成的CO2量來看，CB、 DB、AB的催化氧化效果都優(yōu)于AE、AF。說明由于B的催化氧化作用，一方面使生成的CO2和氣態(tài)輕烴起到溶脹作用，從而降低稠油黏度;另一方面稠油中膠質(zhì)瀝青質(zhì)組分得到催化裂解，降低了分子質(zhì)量，從而降低了原油黏度。由酸值變化來看，B部分對稠油酸值增加貢獻較大，表明B部分對催化氧化起主要作用，生成了大量的表面活性劑(醛、酮、醇和羧酸等)，這對降低稠油黏度也起到一定作用。

表1中，加入CB、DB及AB后，Δp均為負數(shù)，為分析反應(yīng)體系前后壓差變化原因，實驗對反應(yīng)后的尾氣進行組分分析。反應(yīng)體系初始在空氣中充壓0.6 MPa，由于空氣中CO2含量較低，可以忽略不計。常溫低壓下N2幾乎不溶于稠油，為便于計算，實驗認為催化氧化反應(yīng)后氧化油中不溶解N2。通過反應(yīng)體系前后的壓力變化、酸值變化以及生成的CO2的物質(zhì)的量來分析尾氣的組成(表2)。

其中，δij為（Kronecker delta）符號，當i=j時，δij=1，當i≠j時，δij=0，Eij為變形率的時均分量，k為湍動能，μt 為湍流運動黏度。在該理論的指導(dǎo)下，F(xiàn)LUENT提供了多種湍流模型，其中，RNG k-ε 模型是最適合用于計算船舶黏性流場。其耗散率 ε 與湍動能k的輸運方程為:

表1 催化劑性能評價

表2 催化劑－尾氣關(guān)系

由表2可知，原油通過催化氧化反應(yīng)生成了CO2和氣態(tài)輕烴。由CB、DB、AE、AF、AB 5種催化劑的催化氧化反應(yīng)所得尾氣組分情況來看，生成物尾氣中的CO2含量極少，表明氧氣大部分和稠油低溫催化氧化而使稠油中的烴類及膠質(zhì)瀝青質(zhì)發(fā)生羧化作用，從而使得氧化油的酸值增加，即為吸氧反應(yīng)而非燃燒反應(yīng)。由尾氣中氣態(tài)烴的含量也可以看出，B對稠油的催化氧化起主要作用。因此，實驗選用以B為主的復(fù)合催化劑進行室內(nèi)實驗。

2.2 催化劑用量優(yōu)選

室內(nèi)選用以B為主的復(fù)合催化劑進行系列實驗，表3為不同催化劑用量時的反應(yīng)結(jié)果。

表3 催化劑用量、壓差、μ、X關(guān)系

從反應(yīng)壓差變化情況看，系統(tǒng)前后壓差相差較小，但其中催化劑用量為0.2%時壓差較大，這是由催化劑對稠油裂解生成大量輕烴所導(dǎo)致;從黏度變化情況看，原油黏度變化基本隨催化劑用量增加而呈下降趨勢，但催化劑用量為0.6%時黏度激增，這是因為隨著催化劑用量的增大，酸聚合反應(yīng)比較嚴重引起的;從酸值變化情況看，催化劑用量為0.2%時氧化油的酸值較大，表明此時的催化氧化效果較好。綜上所述，選用催化劑的使用量為0.2%。

2.3 反應(yīng)前后稠油組分變化

表4是稠油在催化氧化反應(yīng)前后組成的分析結(jié)果?？梢钥闯觯磻?yīng)前后輕烴組分有所增加，膠質(zhì)瀝青質(zhì)組分減少，說明復(fù)合催化體系對稠油具有裂解作用。

表4 催化氧化反應(yīng)前后稠油組分比較

2.4 最佳反應(yīng)溫度確定

表5為催化劑反應(yīng)溫度與反應(yīng)程度的關(guān)系?？梢姡S著反應(yīng)溫度的升高，氧化油的酸值逐漸降低，而壓差也由正變負，這說明在160、180℃時稠油主要發(fā)生低溫緩慢氧化反應(yīng)，而200、220、240℃的壓差為負，表明此時生成的氣態(tài)烴較多，稠油發(fā)生了較大的催化裂解反應(yīng)。由降黏率可以看出，160～240℃稠油催化氧化反應(yīng)后的降黏率都高達99%以上，但在200℃時氧化油的黏度最低，僅為34 mPa·s。從測試資料看，齊40塊地層溫度約為200～240℃，這為注空氣低溫氧化原油提供了最佳溫度條件。

表5 反應(yīng)溫度與反應(yīng)程度關(guān)系

2.5 提高蒸汽驅(qū)效果模擬實驗

2.5.1 模擬巖心的制備

巖心裝填(巖心為不同目數(shù)的人造剛玉砂、壓裂砂)→測定空氣滲透率→抽真空、測定孔隙度(飽和蒸餾水)→飽和油(齊40塊脫水原油)、測定含油飽和度→束縛水飽和度。模擬巖心的部分油藏物性參數(shù)為:孔隙度為27.4%，空氣滲透率為2.906 μm2，含油飽和度為76.9%。

2.5.2 實驗方案及結(jié)果

方案1:對制備好的模擬巖心進行200℃蒸汽驅(qū)至殘余油狀態(tài)(產(chǎn)出液含水達到98%以上)，驅(qū)替結(jié)束，計算驅(qū)油效率。

方案2:對制備好的模擬巖心依次注入0.2% Woil催化劑、空氣 6 g(4.6標升)、70 g蒸汽(300℃)。恒溫200℃，靜置5 d后，進行200℃蒸汽驅(qū)，至產(chǎn)出液含水達到98%以上，驅(qū)替結(jié)束，計算驅(qū)油效率。

按上述方案進行模擬實驗，結(jié)果表明，空氣輔助蒸汽驅(qū)比單純汽驅(qū)采收率提15個百分點。

2.6 配伍性評價

2.6.1 催化氧化反應(yīng)對地層礦物質(zhì)傷害性評價

取齊40塊地層巖心，放入催化氧化反應(yīng)器中，加入稠油、復(fù)合催化劑，空氣加壓0.6 MPa，加溫200℃，反應(yīng)12 h后，取出巖心烘干稱重，結(jié)果與反應(yīng)前一樣，說明以B為主的復(fù)合催化劑對地層礦物無傷害。

2.6.2 裂化產(chǎn)物與破乳劑配伍性評價

將原油和反應(yīng)產(chǎn)物按不同比例混合，分別加入350 mg/L的破乳劑，進行靜態(tài)脫水實驗(表6)。結(jié)果說明，稠油催化氧化反應(yīng)產(chǎn)物與集輸破乳劑配伍良好，不會對原油集輸處理造成不良影響。

表6 裂化產(chǎn)物與破乳劑的配伍性

2.7 伴生氣含氧量安全技術(shù)界限研究

空氣與天然氣的混合氣體在一定濃度范圍內(nèi)極易發(fā)生爆炸，因此需要將氧氣濃度控制在爆炸極限范圍以外，才能有效保障實驗安全［9－12］。室內(nèi)通過模擬齊40塊生產(chǎn)井伴生氣組分(天然氣組分按80%CH4+15%C2H6+5%C3H10配制)與氧氣進行不同配比條件下的爆炸實驗，得出在可燃氣體爆炸范圍內(nèi)的氧氣濃度，結(jié)果見表7。

根據(jù)實驗結(jié)果，確定齊40塊伴生氣含氧量在14.5%以上即可發(fā)生爆炸。為保障現(xiàn)場試驗安全，確定伴生氣含氧量技術(shù)極限為5%，安全警戒值為3%，當含氧量小于3%時，油井正常生產(chǎn)，當含氧量大于3%時油井暫時關(guān)井;當含氧量大于5%時，注入井停注。

表7 不同氣體組分爆炸實驗結(jié)果

3 實施效果

2010年，齊40塊實施注空氣輔助蒸汽驅(qū)試驗3個井組，均起到明顯效果:一是地層溫度變化明顯，汽竄現(xiàn)象得到有效改善，其中齊40－17－028井組內(nèi)上傾部位觀察井油層溫度高點下降35℃，下傾部位觀察井油層溫度高點上升20℃;二是井組產(chǎn)量得到有效提升，增油效果明顯，齊40－17－028井組日產(chǎn)油由措施前的70.3 t/d上升至目前的97.8 t/d，日增油達27.5 t/d;三是伴生氣含氧量監(jiān)測正常，井組生產(chǎn)井套管氣含氧量為0～0.3%，均在安全警戒值之內(nèi)。

4 結(jié)論

(1)多元化注氣輔助蒸汽驅(qū)采油技術(shù)為國內(nèi)首次實施，采用空氣作為輔助介質(zhì)，突破以往蒸汽單一介質(zhì)注入方式，為蒸汽驅(qū)后期開發(fā)調(diào)整提供了技術(shù)支持。

(2)通過室內(nèi)實驗優(yōu)選出以B為主劑的催化氧化劑，確定出最佳的注入濃度，使氧氣在短井距(70～100 m)、短時間內(nèi)充分消耗，確保了注空氣輔助蒸汽驅(qū)安全生產(chǎn)。

(3)通過模擬齊40塊伴生氣組分，根據(jù)室內(nèi)實驗結(jié)果，考慮安全因素，科學(xué)界定了伴生氣含氧量爆炸極限為5%，安全警戒值為3%，為注空氣輔助蒸汽驅(qū)伴生氣含氧量監(jiān)控提供了依據(jù)。

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Experimental study and application of air－assisted steam flooding in Qi40 block

JIANG Sheng－jian
(Liaohe Oilfield Company，PetroChina，Panjin，Liaoning124010，China)

Steam flooding in Qi40 block has entered mid－late stage and shows problems of severe areal and interlayer interferences and high temperature steam channeling.Researches and experimental study of air－assisted steam flooding have been conducted in respects of the mechanism of boosting production，the damage of catalytic oxidation reaction on formation minerals，the compatibility of reaction product with demulsifier，and the explosion limit on oxygen content of associated gas.A catalyst with B agent as the main agent and its optimum concentration are optimized.These techniques have effectively stabilized steam flooding performance and increased oil production，and provided ways for integral adjustment in the late stage of steam flooding.

Qi40 block;steam flooding;catalytic oxidation reaction;air－assisted steam flooding;explosion limit

TE357.4

A

1006－6535(2012)03－0117－04

10.3969/j.issn.1006－6535.2012.03.031

20110926;改回日期:20120210

國家科技重大科技專項“提高稠油蒸汽驅(qū)效率技術(shù)”(2008ZX05012－001)

蔣生健(1963－)，男，高級工程師，1985年畢業(yè)于西南石油學(xué)院石油工程專業(yè)，本刊編委，現(xiàn)從事采油工藝技術(shù)管理與應(yīng)用工作。

編輯王 昱