《致密砂巖油藏注空氣低溫氧化機(jī)理及組分變化規(guī)律研究》論文發(fā)表期刊：《當(dāng)代化工研究》；發(fā)表周期：2021年16期

《致密砂巖油藏注空氣低溫氧化機(jī)理及組分變化規(guī)律研究》論文作者信息：王濤（1986-），男，漢族，陜西澄城人，碩士，工程師，延長(zhǎng)油田股份有限公司子長(zhǎng)采油廠；研究方向：油田注水。

　　摘要：為有效提高采收率，對(duì)延長(zhǎng)油田某致密砂巖油藏原油開(kāi)展注空氣低溫氧化研究。聯(lián)合運(yùn)用靜態(tài)低溫氧化裝置及氣相色譜等測(cè)試手段分析低溫氧化反應(yīng)后氣體組成和原油物理化學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律等。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：原油氧化的速度對(duì)溫度非常敏感，在相對(duì)較低的溫度與壓力下，原油的氧化速度較慢。在較高的溫度下，空氣對(duì)原油的氧化能力較強(qiáng)。當(dāng)壓力一定時(shí)，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，體系中cO，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，c0，增加的百分比小于氧氣減少的百分比。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，反應(yīng)速度逐漸下降。高溫下更多的長(zhǎng)烴鏈斷裂成了短烴鏈，cH，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，CH，的含量越高。同時(shí)利用數(shù)值模擬驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。該研究成果對(duì)致密砂巖油藏空氣驅(qū)具有一定的借鑒意義。

　　關(guān)鍵詞：注空氣;致密砂巖油藏;低溫氧化;族組分;氣相色譜

　　Abstract: In order to effectively improve oil recovery; a study on low temperature oxidation of crude oil was carried out for a tight sandstone reservoir from Yanchang Oilfield. The variations of gas components and oil physicochemical properties were analyzed by means of static low temperature oxidation apparatus and gas-phase chromatography devices. The experimental results showed that the oxidation rate of crude oil was very sensitive to temperature and it was slow inder a condition of relatively low temperature and pressure. The oxidation ability of air was very stronger a.

　　higher temperatures. When the pressure was constant, the oxygen content in air obviously decreased as the temperature increased after the oxidationreaction. The content of CO, was obviously related to the content ofoxygen. The content of CO, gradually rose and the consumption of oyygen sharply enlarged with temperature and pressure increasing, but the reduced percentage of CO, was lower than the incremental percentage of oxygen. At the same temperature, the consumption of oxygen was obviously greater under higher pressure than lower pressure. Greater pressure made more oxygen dissolve into crude oil but higher temperature made faster reaction rate betveen oxygen and oil. In the initial stage, the percentage of oxygen was higher in air; so more oxvgen was dissolved into crude oil. However in the later stage, the percentage of orvgen decreased resulted in lower dissolution of oxygen and slower reaction rate with crude oil. At high temperature, more hydrocarbons of long chain broke into short chain ones, which led to a higher content of CH, The content of CH, gradually increased with temperature and pressure increasing. These results are very usefully to guide a wide application ofair flooding in tight sandstone reservoirs.

　　Key words: imject air; tight sandstone reservoir; low temperature oxidation; group component; gas chromatography

　　注空氣開(kāi)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(xiàng)新提高原油的采收率技術(shù)[-3]。空氣注入輕質(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、co，以及由N，和蒸發(fā)的輕烴組分等可形成煙道氣驅(qū)的效果[3-1。英國(guó)巴斯大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)[8，在注空氣低溫氧化研究的過(guò)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[3等人，研究了在注空氣過(guò)程中，原油發(fā)生低溫氧化需要一個(gè)熱量的界限，這個(gè)界限可用活化能來(lái)表示。2013年，王蕾[10等人，對(duì)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(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析低溫氧化階段的各種氧化、放熱性質(zhì)，同時(shí)又對(duì)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(huì)發(fā)生一定變化，原油性質(zhì)也隨之發(fā)生改變，目前對(duì)這兩部分研究較少。本文針對(duì)延長(zhǎng)油田一致密砂巖油藏原油開(kāi)展低溫氧化實(shí)驗(yàn)，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(shí)低溫氧化對(duì)前后氣體及原油性質(zhì)的影響，對(duì)于了解注空氣后油藏條件變化和深入認(rèn)識(shí)驅(qū)替機(jī)理具有更重要的意義。

　　1.實(shí)驗(yàn)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。空氣中的氧會(huì)逐漸與原油發(fā)生氧化反應(yīng)，通過(guò)定時(shí)檢測(cè)氣體組分的變化，即可計(jì)算出原油在不同條件下消耗氧氣的速度。對(duì)比實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)在2.2MPa、4.85MPa兩個(gè)壓力條件下，分別測(cè)試30℃、35.6℃(油層溫度)、50℃三個(gè)溫度下原油與空氣發(fā)生低溫氧化反應(yīng)的速度，并對(duì)反應(yīng)前后氣體組分、原油組分、原油粘度進(jìn)行對(duì)比分析。氧化速率與總耗氧量計(jì)算方法：氧化速率計(jì)算主要采用氣體含量法的方法，即通過(guò)測(cè)試反應(yīng)后氣體中氧氣的含量變化來(lái)計(jì)算氧氣消耗的量，計(jì)算方法如下：

　　2.實(shí)驗(yàn)設(shè)備與材料

　　(1)實(shí)驗(yàn)材料

　　本次實(shí)驗(yàn)油樣為延長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)采用了現(xiàn)場(chǎng)天然巖心，將其粉碎成油砂備用。實(shí)驗(yàn)所用氣源為室內(nèi)采集空氣。通過(guò)增壓泵將空氣加壓預(yù)處理，使壓力達(dá)到設(shè)計(jì)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(jiàn)表1。

　　整個(gè)流程主要由增壓系統(tǒng)、高溫配樣系統(tǒng)等組成(見(jiàn)圖1)。增壓系統(tǒng)由氣體增壓泵、高壓活塞容器、手動(dòng)泵組成。氣體增壓泵用于采集空氣并將氣加壓至實(shí)驗(yàn)壓力，高壓活塞容器用于盛裝壓縮空氣，手動(dòng)泵用于將空氣增壓至實(shí)驗(yàn)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(shí)間重現(xiàn)性<0.0012min，峰面積重現(xiàn)性<2.0% RSD。

　　(3)實(shí)驗(yàn)流程

　　設(shè)計(jì)了6組氧化實(shí)驗(yàn)，在地層壓力條件下(4.85MPa)開(kāi)展原油+巖心砂+地層水+空氣相互反應(yīng)機(jī)理實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)溫度選擇30℃、35.6℃和50℃，測(cè)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(duì)原油低溫氧化的影響，又分別開(kāi)展了2.20MPa條件下，30℃、35.6℃和50℃時(shí)的原油低溫氧化實(shí)驗(yàn)。

　　靜態(tài)氧化實(shí)驗(yàn)流程為：稱取定量的原油置入反應(yīng)器中，并按實(shí)驗(yàn)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)容器活塞以確保空氣體積。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(kāi)始記錄反應(yīng)時(shí)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(shí)驗(yàn)的溫度、壓力較低，原油氧化速度慢，設(shè)計(jì)每隔24h取一次氣樣并測(cè)試，分析其組分變化，直至反應(yīng)288h;停止實(shí)驗(yàn)后，將原油取出，測(cè)試粘度及組分。

　　3.實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)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(shí)驗(yàn)，目的是考察在不同條件下空氣對(duì)原油的氧化速度。氧化實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。從圖中可以看出，在相對(duì)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(duì)原油的氧化能力較弱。當(dāng)壓力一定時(shí)，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(shì)。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。可以看出CO2增加的百分比小于氧氣減少的百分比，這是因?yàn)橐环矫鍯O2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。

　　根據(jù)不同氧化時(shí)間后空氣中的含氧量百分比，計(jì)算出不同時(shí)間后氧氣的消耗量(標(biāo)態(tài)下氣體體積)，見(jiàn)表2。從計(jì)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(shí)，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(duì)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。

　　根據(jù)不同時(shí)間段內(nèi)氧氣的消耗量，計(jì)算出288h內(nèi)原油總耗氧量(見(jiàn)表3)與不同反應(yīng)時(shí)期的氧化速率(見(jiàn)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。

　　空氣中的N2與CH4含量變化見(jiàn)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(shuō)明高溫下更多的長(zhǎng)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(duì)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。

　　4.結(jié)論

　　(1)原油氧化的速度對(duì)溫度非常敏感，在相對(duì)較低的溫度與壓力下，原油的氧化速度較慢，反應(yīng)88h后，氧氣含量仍在17.869%～19.443%。當(dāng)壓力一定時(shí)，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(zhǎng)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。

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