廖廣志，王紅莊，王正茂，唐君實(shí)，王伯軍，潘競軍，楊懷軍，劉衛(wèi)東，宋薔，蒲萬芬

（1.中國石油勘探與生產(chǎn)分公司，北京 100120；2.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；3.中國石油新疆油田公司，新疆克拉瑪依 834005；4.中國石油大港油田公司，天津 300280；5.清華大學(xué)熱科學(xué)與動力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；6.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)與開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610500）

0 引言

2016年全球利用提高采收率技術(shù)（EOR）產(chǎn)油1.17×108t，其中稠油熱采 6 583×104t，占 56.2%；氣驅(qū) 3 671×104t，占 31.4%；化學(xué)驅(qū) 1 453×104t，占 12.4%。美國EOR產(chǎn)油量以稠油熱采和氣驅(qū)為主，占98.7%。美國氣驅(qū)產(chǎn)油量 2006年超過熱采并逐年增加，2016年達(dá)到2 346×104t，占全球氣驅(qū)產(chǎn)油量的64.0%。國外90.0%以上氣驅(qū)產(chǎn)油量主要依靠二氧化碳驅(qū)，其他氣體驅(qū)油介質(zhì)（如氮?dú)狻⑻烊粴?、煙道氣、空氣等）礦場應(yīng)用較少。

目前，國內(nèi)新增探明儲量主要來自低滲透、特低滲透和致密油儲集層，注水開發(fā)存在“注不進(jìn)、采不出”等突出問題。這類儲量將是今后相當(dāng)一個時期內(nèi)增儲上產(chǎn)的主要資源。納米尺度的氣體分子更容易注入儲集層補(bǔ)充能量完成驅(qū)油過程，同時與水相比，氣體具有更大的可壓縮性，降壓膨脹可獲得更大的彈性能量。國內(nèi)能夠用于提高采收率的天然氣、二氧化碳地下資源有限，且受氣藏和油藏相對位置的影響，難以遠(yuǎn)距離大規(guī)模工業(yè)化推廣，工業(yè)回收二氧化碳存在一些技術(shù)與經(jīng)濟(jì)問題；氮?dú)獬杀据^高。而空氣可就地取材，不受地域、空間和氣候限制，組分穩(wěn)定，氣源豐富。對沙漠、戈壁等水資源極度匱乏地區(qū)的油藏與水敏性較強(qiáng)的儲集層，空氣是最受關(guān)注的氣體驅(qū)油介質(zhì)。據(jù)統(tǒng)計，噸油所需購置成本空氣為零，減氧空氣為400～600元，二氧化碳、天然氣、氮?dú)鈬嵱唾徶贸杀痉謩e大于1 200，4 000，2 000元，可見相對于其他氣體驅(qū)油介質(zhì)，空氣具有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。

在稀油油藏注空氣技術(shù)方面，國外自 20世紀(jì) 60年代以來進(jìn)行了大量的機(jī)理研究[1-4]，現(xiàn)場試驗(yàn)也取得了較好的效果，形成了較為完善的配套技術(shù)。20世紀(jì)70年代，國內(nèi)先后在勝利、大慶、百色等油田開展了注空氣提高采收率技術(shù)研究與試驗(yàn)，限于注空氣開發(fā)研究的基礎(chǔ)薄弱，手段單一，主要以研究耗氧速率為重點(diǎn)?，F(xiàn)場試驗(yàn)雖取得了一定的效果，但規(guī)模小，且對注空氣驅(qū)油機(jī)理認(rèn)識不清，安全風(fēng)險大，大多數(shù)試驗(yàn)以空氣泡沫調(diào)剖調(diào)驅(qū)為主，可以說不是真正意義上的注空氣開發(fā)試驗(yàn)。

近年來，中國石油天然氣股份有限公司（以下簡稱中國石油）在大慶、長慶、大港等油田開展注空氣室內(nèi)機(jī)理研究及現(xiàn)場實(shí)踐，結(jié)合具體油藏條件，形成了注空氣（包括減氧空氣）提高采收率特色技術(shù)。礦場試驗(yàn)結(jié)果表明，只要把氧氣含量控制在一定范圍，爆炸隱患就可得到有效控制；通過優(yōu)化注采工藝、使用防腐材料和添加緩蝕劑等措施，采油管柱腐蝕也可以得到有效防范。

在稠油油藏注空氣火驅(qū)技術(shù)方面，國內(nèi)先后在玉門石油溝（1958年）、新疆黑油山（1958年）、遼河科爾沁（1996年）、勝利鄭王莊（2003年）等油田開展了室內(nèi)研究和礦場試驗(yàn)[5-8]。2005年中國石油在遼河油田杜66區(qū)塊開展火驅(qū)先導(dǎo)試驗(yàn)，2018年105個井組的火驅(qū)年產(chǎn)油量達(dá)到 24×104t。2009年中國石油新疆油田紅淺 1區(qū)高溫火驅(qū)先導(dǎo)試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了高溫點(diǎn)火，該油藏前期經(jīng)歷了蒸汽吞吐和蒸汽驅(qū)，階段采出程度29.0%，在火驅(qū)前處于廢棄狀態(tài)。試驗(yàn)的主要目的是探索稠油油藏注蒸汽開發(fā)后期的接替開發(fā)方式，截至2018年底火驅(qū)階段采出程度 34.6%。試驗(yàn)的成功證實(shí)了注空氣高溫火驅(qū)技術(shù)可以成為稠油老區(qū)油藏注蒸汽后的戰(zhàn)略接替技術(shù)[9]。

在火驅(qū)基礎(chǔ)研究方面，近年來主要集中在高溫火驅(qū)的儲集層區(qū)帶特征、原油高溫氧化動力學(xué)、焦炭沉積過程和氧化特性、高溫火驅(qū)井網(wǎng)模式研究等方面[10-19]，而不同油藏注空氣開發(fā)方式與原油不同溫度區(qū)間氧化特性之間的關(guān)系缺少系統(tǒng)研究。

本文采用注空氣開發(fā)礦場試驗(yàn)區(qū)塊的稀油、稠油樣品，開展熱重-差示掃描量熱聯(lián)合實(shí)驗(yàn)，分析從30 ℃到 600 ℃的全溫度域原油氧化反應(yīng)特征并揭示反應(yīng)機(jī)理。在此基礎(chǔ)上結(jié)合礦場試驗(yàn)結(jié)果劃分原油氧化溫度區(qū)間，提出不同油藏條件下的注空氣開發(fā)方式。

1 注空氣全溫度域原油氧化反應(yīng)特征

空氣注入油藏后會與原油發(fā)生復(fù)雜的氧化放熱反應(yīng)，其反應(yīng)機(jī)理和熱效應(yīng)隨著溫度發(fā)生變化。在油藏注空氣開發(fā)過程中，不同的開發(fā)方式對應(yīng)著不同的反應(yīng)溫度范圍，開發(fā)機(jī)理受該溫度區(qū)間內(nèi)的原油氧化機(jī)理控制。為了闡述不同溫度區(qū)間空氣與原油的反應(yīng)機(jī)理和其對油藏開發(fā)方式的影響，選擇注空氣開發(fā)試驗(yàn)典型區(qū)塊的稀油、稠油樣品進(jìn)行原油氧化熱分析實(shí)驗(yàn)。

1.1 原油氧化實(shí)驗(yàn)

本文采用Mettler Toledo公司生產(chǎn)的TGA/DSC 1同步熱分析儀研究不同黏度原油高溫氧化過程，可以同時測量原油樣品的轉(zhuǎn)化速率（微商熱重法，DTG）和單位質(zhì)量原油樣品的放熱速率（差示掃描量熱法，DSC）。實(shí)驗(yàn)過程中保護(hù)氣為氮?dú)?，注入流?79 mL/min；反應(yīng)氣為氧氣，注入流量 21 mL/min。兩種氣體在反應(yīng)室內(nèi)混合均勻后橫掠過坩堝表面，經(jīng)過擴(kuò)散作用到達(dá)物料層，物料表面的氧濃度為 21%，反應(yīng)壓力為常壓。

選取大慶油田海塔盆地稀油和遼河高升油田稠油樣品制備模擬油砂。兩種原油50 ℃脫氣條件下黏度分別為23 mPa·s和1 878 mPa·s。按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（SY/T 6316—1997 稠油油藏流體物性分析方法：原油黏度測定）[20]規(guī)定的處理步驟對樣品進(jìn)行脫水、除雜。處理后的脫水油樣含水率小于0.5%。試樣為45 mg SiO2顆粒與 5 mg純油的均勻混合物。設(shè)定升溫范圍為 30～600 ℃，升溫速率10 ℃/min，測量油砂樣品質(zhì)量變化與放熱情況。

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)測量結(jié)果繪制原油樣品的轉(zhuǎn)化速率曲線（DTG曲線）與單位質(zhì)量原油樣品的放熱速率曲線（DSC曲線）。根據(jù)曲線變化規(guī)律，注空氣開發(fā)全溫度域原油氧化反應(yīng)可劃分為溶解膨脹、低溫氧化、中溫氧化和高溫氧化 4個區(qū)間，各區(qū)具有不同的原油氧化反應(yīng)特征（見圖1）。

圖1 空氣原油氧化反應(yīng)全溫度域分區(qū)示意圖

1.2.1 溶解膨脹區(qū)

該區(qū)溫度上限約為120 ℃[13]。在該溫度區(qū)間，空氣注入油藏后主要以溶解膨脹物理作用為主。DSC曲線無法觀察到原油樣品反應(yīng)的放熱速率，說明該區(qū)原油與氧氣反應(yīng)不明顯。DTG曲線顯示在該區(qū)原油樣品存在較低轉(zhuǎn)化速率，轉(zhuǎn)化速率的微小變化主要由輕烴揮發(fā)導(dǎo)致。

1.2.2 低溫氧化區(qū)

該區(qū)溫度下限約為120 ℃，上限約為200 ℃。該區(qū)原油氧化熱效應(yīng)較弱，在DSC曲線上沒有觀察到明顯的放熱。DTG曲線顯示原油樣品的轉(zhuǎn)化速率仍由輕烴組分揮發(fā)導(dǎo)致。該區(qū)主要為原油低溫氧化反應(yīng)，雖然采用DSC曲線無法觀察到低溫氧化的放熱速率，但是在絕熱反應(yīng)條件下，反應(yīng)熱的積聚效應(yīng)仍可以使油藏溫度升高[21]，其主要原因是加氧反應(yīng)生成的醇、醛、酮、酸等含氧化合物進(jìn)一步發(fā)生氧化反應(yīng)生成過氧化物，過氧化物發(fā)生脫羧反應(yīng)產(chǎn)生CO2和CO，并釋放一定量的熱[1]。該區(qū)反應(yīng)方程式可以簡化表示為：

1.2.3 中溫氧化區(qū)

該區(qū)溫度下限約為200 ℃，上限約為400 ℃。該區(qū)原油與氧氣發(fā)生中溫氧化反應(yīng)，DTG曲線和DSC曲線變化表明，原油樣品的轉(zhuǎn)化速率和單位質(zhì)量原油樣品的放熱速率都有明顯變化，在該區(qū)原油與氧氣反應(yīng)生成輕烴、CO2、CO和H2O等，同時釋放大量的熱。中溫氧化反應(yīng)為縮聚反應(yīng)和斷鍵反應(yīng)，除生成輕質(zhì)油、CO2、CO和H2O外，還生成一定量的固體焦炭（含氧條件下生成的焦炭稱為氧化焦）。因地層原油（反應(yīng)燃料）的質(zhì)量遠(yuǎn)大于高溫氧化反應(yīng)生成焦炭的質(zhì)量，故中溫氧化反應(yīng)釋放出的熱量也比較大，能夠在地層內(nèi)形成不同于高溫火驅(qū)的熱前緣。

在中溫氧化階段，稠油分子進(jìn)一步發(fā)生氧化，生成含氧官能團(tuán)并釋放熱量[22]。經(jīng)氧化后稠油分子中的一部分裂解生成低碳數(shù)小分子化合物，最后轉(zhuǎn)化為輕質(zhì)油[23]；另一部分通過含氧官能團(tuán)之間的交聯(lián)、聚合作用，生成更大分子，最終轉(zhuǎn)化為氧化焦[24]，反應(yīng)過程同時生成碳氧化物和水。綜合上述研究，其反應(yīng)過程如圖2所示。

圖2 氧化焦生成途徑示意圖

1.2.4 高溫氧化區(qū)

該區(qū)溫度下限為400 ℃，高于該溫度，DTG曲線和DSC曲線出現(xiàn)第2個轉(zhuǎn)化速率高峰和單位質(zhì)量原油樣品放熱速率高峰，對應(yīng)的反應(yīng)為固體焦炭的氧化反應(yīng)。反應(yīng)溫度高于 400 ℃后，原油發(fā)生熱裂解反應(yīng)生成熱解焦和輕烴。熱解焦主要來源于相對分子質(zhì)量大、黏度高、芳環(huán)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的膠質(zhì)、瀝青質(zhì)組分[25-26]，其生成過程不需要氧氣作用。溫度高于 400 ℃后，直鏈烷基及碳?xì)滏I容易受熱斷鍵，生成小分子物質(zhì)，轉(zhuǎn)變?yōu)榱呀庥团c裂解氣[27]。裂解生成的自由基處于不穩(wěn)定狀態(tài)，容易與穩(wěn)定性強(qiáng)的多環(huán)芳烴結(jié)合，轉(zhuǎn)變?yōu)榉辑h(huán)數(shù)量更多的大分子多環(huán)芳烴，再經(jīng)過脫氫、重整等過程最終轉(zhuǎn)化成熱解焦[28]（見圖3）。

圖3 熱解焦生成途徑示意圖

中溫氧化生成的氧化焦、高溫氧化生成的熱解焦與O2發(fā)生高溫氧化反應(yīng)生成CO2、CO、H2O并釋放大量的熱（氧化焦進(jìn)一步氧化釋放熱量記為Q1，熱解焦進(jìn)一步氧化釋放熱量記為Q2），反應(yīng)方程式可以表示如下。

氧化焦氧化反應(yīng)：

熱解焦氧化反應(yīng)：

高溫氧化的總放熱量QHT可以表示為：

（5）式中R為參與高溫氧化反應(yīng)焦炭中氧化焦所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)：

高溫火驅(qū)開發(fā)過程中，地層中同時存在氧化焦和熱解焦，劉冬等[29]的研究表明，熱解焦中含氫量較高，其氧化活性好于氧化焦，單位質(zhì)量發(fā)熱量也高于氧化焦。

2 注空氣開發(fā)方式

空氣是一種來源廣、成本低、驅(qū)油效率高的新型驅(qū)油介質(zhì)，適用于低/特低滲透油藏、中高滲透油藏和潛山稀油油藏。注空氣開發(fā)技術(shù)具有采收率高、成本低、節(jié)能、節(jié)水、綠色等特點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景，在低品位油、致密油的有效動用方面也具有獨(dú)特優(yōu)勢，將成為未來最具發(fā)展?jié)摿Φ膽?zhàn)略性開發(fā)技術(shù)。

在不同的溫度區(qū)間，空氣與原油具有不同的氧化反應(yīng)特征。油藏溫度（稀油油藏注空氣驅(qū)油）和燃燒前緣溫度（稠油油藏注空氣火驅(qū)）不同，空氣與原油之間的主要作用機(jī)理不同，注空氣開發(fā)的方式也不同。經(jīng)過多年持續(xù)攻關(guān)，目前已形成了稀油減氧空氣驅(qū)、稀油空氣驅(qū)、稠油注空氣中溫火驅(qū)和稠油注空氣高溫火驅(qū)4種注空氣主體開發(fā)方式和技術(shù)。

按照油藏溫度的差異，稀油油藏注空氣開發(fā)形成了減氧空氣驅(qū)和空氣驅(qū) 2種主體技術(shù)：①當(dāng)油藏溫度低于 120 ℃時，空氣與原油之間的加氧反應(yīng)放熱量極小，在油藏條件下反應(yīng)放熱難以積聚，氧氣在地層條件下無法充分消耗，如果生產(chǎn)井氧含量大于 10%，將存在爆炸的風(fēng)險，該類油藏的主要操作策略是降低注入空氣的氧濃度至10%以下，采用減氧空氣驅(qū)技術(shù)[13]；②當(dāng)油藏溫度高于 120 ℃時，低溫氧化逐漸成為主要反應(yīng)類型，氧氣在油藏內(nèi)充分消耗，反應(yīng)放熱可以有效積聚，能夠提高油藏溫度、降低原油黏度、增加原油流動性，當(dāng)稀油油藏處于該溫度區(qū)間時，可以采用空氣驅(qū)技術(shù)實(shí)現(xiàn)安全開發(fā)。由于儲集層礦物催化作用、油品氧化特性、油藏壓力、注采井距和裂縫等條件不同，在油藏溫度為120 ℃左右時，要根據(jù)具體情況進(jìn)行分析，確定采用減氧空氣驅(qū)或是空氣驅(qū)進(jìn)行開發(fā)。

稠油油藏采用不同的點(diǎn)火方法可形成不同溫度的燃燒前緣，當(dāng)前緣溫度低于 400 ℃時，主要發(fā)生原油中溫氧化反應(yīng)，其燃料主要是地層中的原油，開發(fā)方式為中溫火驅(qū)；當(dāng)前緣溫度高于450 ℃時，主要發(fā)生焦炭高溫氧化反應(yīng)，其燃料為中溫氧化生成的氧化焦和400～450 ℃溫度區(qū)間熱解縮聚反應(yīng)生成的熱解焦，這兩種焦在溫度大于450 ℃時快速燃燒并大量放熱，形成穩(wěn)定的燃燒前緣，此時開發(fā)方式為高溫火驅(qū)。不同油藏原油氧化作用機(jī)理及開發(fā)方式見表1。

表1 不同油藏注空氣開發(fā)空氣作用機(jī)理及開發(fā)方式

2.1 稀油油藏減氧空氣驅(qū)

從2009年開始，中國石油針對低滲透、水敏及高含水、潛山等類型油藏陸續(xù)開展了多項減氧空氣驅(qū)開發(fā)試驗(yàn)[30]，拓展了減氧空氣驅(qū)提高采收率技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。在此基礎(chǔ)上形成相應(yīng)的油藏工程方法、配套注采工藝和地面工程配套技術(shù)，保證了注減氧空氣試驗(yàn)項目的安全高效運(yùn)行。

適合減氧空氣驅(qū)的油藏分布廣、類型多、單井注氣能力差異較大，不同區(qū)塊注入減氧空氣的壓力、氣量、氧含量等主要指標(biāo)各不相同。中國石油研發(fā)了減氧空氣一體化裝置，在壓力、流量匹配、智能聯(lián)控及連鎖保護(hù)等關(guān)鍵技術(shù)方面取得了突破，初步形成了注入壓力15～50 MPa、排量（3～20）×104m3/d、含氧濃度2%～10%的標(biāo)準(zhǔn)化、撬裝化、系列化成套裝備，為減氧空氣驅(qū)的工業(yè)化應(yīng)用提供了保障。

長慶靖安油田五里灣一區(qū)為解決油藏進(jìn)入中含水期后含水上升速度加快、綜合遞減和自然遞減增大的開發(fā)矛盾，于2009年12月先后開展減氧空氣驅(qū)先導(dǎo)試驗(yàn)和擴(kuò)大試驗(yàn)。2013年底已建成了15注63采的規(guī)?；I(yè)試驗(yàn)區(qū)。試驗(yàn)表明減氧空氣驅(qū)在補(bǔ)充地層能量、改善水驅(qū)、擴(kuò)大平面波及面積3方面均優(yōu)于水驅(qū)，現(xiàn)場試驗(yàn)取得了較好的效果（見圖4）。試驗(yàn)區(qū)見效油井60口，見效率95.2%，截至2019年底，試驗(yàn)期累計增油6.3×104t，預(yù)測最終采收率可提高10%。

圖4 試驗(yàn)區(qū)減氧空氣驅(qū)及水驅(qū)預(yù)測平均單井日產(chǎn)油變化曲線

2.2 稀油油藏空氣驅(qū)

油藏溫度較高的稀油油藏，可直接注入空氣，利用原油氧化熱在地下的積聚，提高油層局部溫度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)氧氣的有效消耗?？諝怛?qū)采油綜合了氣驅(qū)、補(bǔ)充地層能量、低溫氧化等多種驅(qū)油機(jī)理。注空氣初期主要是保持或提高地層壓力和氣驅(qū)作用，由于氧化生熱能夠有效累積，后期熱效應(yīng)也是其重要的驅(qū)油機(jī)理。氮?dú)怛?qū)沒有熱效應(yīng)，只有一個氣驅(qū)作用的產(chǎn)油高峰，而空氣驅(qū)開發(fā)在氣驅(qū)產(chǎn)油高峰之后還存在一個熱效應(yīng)作用的產(chǎn)油高峰[31]。

空氣驅(qū)適合溫度大于120 ℃的高、中、低、特低滲透油藏（包括砂巖、礫巖、碳酸鹽巖等類型），開發(fā)中僅需采用壓縮機(jī)將空氣連續(xù)注入油層，地面流程簡單。與減氧空氣驅(qū)相比，空氣驅(qū)無減氧過程，降低了地面工程的投資和減氧成本，提高了空氣驅(qū)的經(jīng)濟(jì)效益，但由于氧氣濃度較高，存在一定的爆炸風(fēng)險，在實(shí)施過程中需要在壓縮機(jī)出口、注氣井井口、采油井井口等處監(jiān)測氧氣、烴類氣體濃度的變化，特別是注氣井和氣竄的采油井，需要在注入過程中精準(zhǔn)調(diào)控，降低爆炸風(fēng)險。另一方面，高壓、高溫、高氧含量空氣的注入，對注氣井管柱存在較強(qiáng)的氧腐蝕，需要加強(qiáng)腐蝕的監(jiān)控和防腐措施。

為了更好地發(fā)揮空氣驅(qū)原油氧化的熱效應(yīng)，美國針對輕質(zhì)油藏空氣驅(qū)提高采收率技術(shù)做了大量的研究與實(shí)踐，篩選油藏溫度大都在 120 ℃以上，獲得了較好的效果。遼河油田在錦625區(qū)塊（油藏溫度123 ℃）開展了空氣驅(qū)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)區(qū)7個井組累計增油3.4×104t，展現(xiàn)了良好的開發(fā)效果和應(yīng)用前景。

2.3 稠油油藏注空氣中溫火驅(qū)

對于黏度較低的普通稠油油藏，可采取化學(xué)點(diǎn)火方式把油藏加熱到200～400 ℃。在該溫度區(qū)間，中溫氧化反應(yīng)釋放出較多的熱量。通過持續(xù)注入空氣，使200～400 ℃的反應(yīng)熱前緣在地下推進(jìn)，形成稠油中溫火驅(qū)開發(fā)。

注空氣中溫火驅(qū)主要采用化學(xué)點(diǎn)火方式，形成的燃燒前緣溫度較低（一般低于400 ℃），對地層原油的改質(zhì)作用較弱，該技術(shù)主要適用于地層原油黏度較低的普通稠油油藏。

遼河油田杜66區(qū)塊作為典型的普通稠油油藏，經(jīng)過多年的蒸汽吞吐開發(fā)，已經(jīng)進(jìn)入開發(fā)后期。2005年進(jìn)行了 7個井組的火驅(qū)先導(dǎo)試驗(yàn)，取得了明顯的增產(chǎn)效果和良好的經(jīng)濟(jì)效益。截至2018年底，現(xiàn)場注空氣火驅(qū)井組已達(dá)112個，年產(chǎn)油規(guī)模24×104t，較常規(guī)吞吐增產(chǎn) 16×104t，是國內(nèi)目前最大的直井火驅(qū)開發(fā)基地，開發(fā)效果十分顯著。

2.4 稠油油藏注空氣高溫火驅(qū)

注空氣高溫火驅(qū)技術(shù)具有較廣泛的適應(yīng)性，既可用于普通稠油油藏，也可用于膠質(zhì)和瀝青質(zhì)含量較高的特/超稠油油藏；既可以應(yīng)用于稠油油藏的一次開發(fā)，也可以應(yīng)用于注蒸汽后期稠油油藏進(jìn)一步提高采收率?，F(xiàn)階段注空氣高溫火驅(qū)一般選用電點(diǎn)火的方式點(diǎn)燃油層，過程中伴隨著傳熱和復(fù)雜的物理化學(xué)變化，具有原油改質(zhì)、蒸汽驅(qū)、熱水驅(qū)、煙道氣驅(qū)等多種驅(qū)油機(jī)理。

注空氣高溫火驅(qū)通過注氣井向油層連續(xù)注入空氣并點(diǎn)燃油層，在油藏內(nèi)形成450 ℃以上穩(wěn)定擴(kuò)展的高溫燃燒前緣，從而將地層原油從注氣井推向生產(chǎn)井。注空氣高溫火驅(qū)在燃燒前緣的前方可以形成高含油飽和度的油墻，可對油藏的高含水通道、裂縫等進(jìn)行封堵，進(jìn)而通過高溫燃燒前緣對油層實(shí)現(xiàn)縱向上的高效波及。

新疆油田紅淺 1井區(qū)先后進(jìn)行了蒸汽吞吐、蒸汽驅(qū)開發(fā)。吞吐階段累計產(chǎn)油11.3×104t，階段采出程度26.5%；蒸汽驅(qū)階段累計產(chǎn)油1.0×104t，階段采出程度2.4%；蒸汽驅(qū)結(jié)束后廢棄停產(chǎn)達(dá)10年（見圖5）。2009年中國石油在該油藏開展了注空氣高溫火驅(qū)先導(dǎo)試驗(yàn)，采用 13注 37采的線性井網(wǎng)開發(fā)。對比試驗(yàn)區(qū)h2118A井注空氣火驅(qū)前、后的取心照片（見圖6）發(fā)現(xiàn)，注空氣火驅(qū)前后整個油層段內(nèi)巖性及剩余油飽和度等均存在明顯差異，火驅(qū)后實(shí)現(xiàn)了油藏縱向全部波及，整個巖心段剩余油飽和度小于5%。注空氣高溫火驅(qū)全面提高縱向波及范圍的能力是其他驅(qū)替方式所不具備的。截至2018年底，試驗(yàn)區(qū)累計產(chǎn)油14.7×104t，階段采出程度 34.6%（見圖5），累計空氣油比 2 789 m3/m3。試驗(yàn)區(qū)節(jié)能減排效果十分明顯，與蒸汽驅(qū)相比節(jié)約能量消耗 16.2×104t標(biāo)煤，累計減排二氧化碳12.5×104t。注空氣高溫火驅(qū)技術(shù)可作為注蒸汽開發(fā)稠油老區(qū)的戰(zhàn)略接替技術(shù)。

圖5 紅淺先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)原油產(chǎn)量和采出程度

圖6 h2118A井注空氣高溫火驅(qū)前后巖心照片

3 結(jié)論

注空氣開發(fā)全溫度域原油氧化反應(yīng)具有如下特征：溫度低于120 ℃，基本不發(fā)生原油的氧化反應(yīng)，無明顯的熱效應(yīng)；溫度為120～200 ℃，原油與氧氣主要發(fā)生低溫氧化反應(yīng)，氧氣被消耗，釋放一定的熱量；溫度為200～400 ℃，主要發(fā)生原油的縮聚反應(yīng)和斷鍵反應(yīng)，生成CO2、CO、H2O以及氧化焦，釋放較多的熱量；溫度高于 400 ℃，主要發(fā)生原油熱裂解成焦反應(yīng)和固體焦炭的氧化反應(yīng)，釋放大量的熱量。

全溫度域注空氣開發(fā)方式為：油藏溫度小于120 ℃的稀油油藏，可采用減氧空氣驅(qū)開發(fā)；油藏溫度大于120 ℃的稀油油藏，利用低溫氧化作用消耗注入空氣中的氧氣，可直接進(jìn)行空氣驅(qū)開發(fā)；普通稠油油藏使用化學(xué)點(diǎn)火方式把油藏加熱至200～400 ℃，采用注空氣中溫火驅(qū)開發(fā)；普通稠油油藏和膠質(zhì)瀝青質(zhì)含量較高的特/超稠油油藏可使用電點(diǎn)火方式把油藏加熱到450 ℃以上，采用注空氣高溫火驅(qū)開發(fā)。

中國石油近10年的攻關(guān)和開發(fā)試驗(yàn)證實(shí)，空氣是高效、低成本、綠色的新型驅(qū)油介質(zhì)，減氧空氣驅(qū)、空氣驅(qū)、稠油注空氣中溫火驅(qū)和高溫火驅(qū)等注空氣開發(fā)技術(shù)具有采收率高、成本低、節(jié)能、節(jié)水、綠色等特點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

致謝：本文研究成果得到相關(guān)油田、研究院所的大力支持。文中引用了專家研究文獻(xiàn)和油田試驗(yàn)成果，在此一并致謝！

符號注釋：

mcoke1——氧化焦質(zhì)量，g；mcoke2——熱解焦質(zhì)量，g；Q1——單位質(zhì)量氧化焦的氧化放熱量，J/g；Q2——單位質(zhì)量熱解焦的氧化放熱量，J/g；QHT——單位質(zhì)量焦（氧化焦+熱解焦）高溫氧化的總放熱量，J/g；R——參與高溫氧化反應(yīng)焦炭中氧化焦所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；x——原油和其加氧產(chǎn)物的碳原子數(shù)，個；y——原油和其加氧產(chǎn)物的氫原子數(shù)，個；z——原油和其加氧產(chǎn)物的氧原子數(shù)，個；α——焦炭中的碳原子數(shù)，個；β——焦炭中的氫原子數(shù)，個；γ——焦炭中的氧原子數(shù)，個。