鐘立國，張守軍，魯 笛，管九洲，張忠義

（1.中國石油大學(xué)（北京）提高采收率研究院，北京 102249； 2.中國石油遼河油田分公司 曙光采油廠，遼寧 盤錦124109； 3.中國石油勘探開發(fā)研究院 熱采所，北京 100083）

0 引言

蒸汽吞吐采油工藝簡單、油藏適應(yīng)范圍廣、采油速度快，是目前稠油的主要開采方式；主要利用油藏天然能量進(jìn)行開發(fā)，屬于一次采油[1]，經(jīng)過多輪次開發(fā)后，地層壓力和油汽比降低，開發(fā)效果逐漸變差.因此，多采用注入N2、CO2、煙氣或者井下自生氣體的方式，通過氣體輔助蒸汽吞吐改善開發(fā)效果[2－6].在氣體輔助蒸汽吞吐采油時(shí)，可以采用前置段塞、同注和后置段塞的方式注入N2、CO2或煙氣，改善蒸汽吞吐的機(jī)理包括增加地層壓力、降低稠油黏度、加快排液和采油、擴(kuò)大加熱范圍等.其中注入的N2主要是由制氮工藝將空氣分離制得，成本相對(duì)較高；注入的CO2或煙氣成本也較高，并且容易產(chǎn)生腐蝕等問題[7－14].

空氣來源廣泛、成本低，可以用于火燒油層開采稠油或高壓注空氣開采低滲稀油油藏[13－15]，因此注空氣驅(qū)油成為目前挖掘低滲透油藏剩余儲(chǔ)量最廉價(jià)、最有發(fā)展前景的三次采油方法之一.空氣被注入輕質(zhì)油藏后，氧氣與原油發(fā)生低溫氧化反應(yīng)，氧氣被消耗而生成碳的氧化物，并且反應(yīng)產(chǎn)生的熱量使油層溫度升高，促使輕質(zhì)組分蒸發(fā)，因此直接起驅(qū)替作用的并不是空氣，而是在油層內(nèi)生成的CO、CO2，以及由N2和輕烴組分等組成的煙道氣[16].火燒油層是最早用于開發(fā)稠油的熱力采油技術(shù)，美國、前蘇聯(lián)、羅馬尼亞和加拿大等國家開展較大規(guī)模工業(yè)性開采試驗(yàn)，火燒油層采收率可以達(dá)到50%～80%.我國也在新疆、勝利和遼河等油田開展火燒油層試驗(yàn)[15，17－19].

在注蒸汽條件下空氣對(duì)稠油的低溫氧化作用增加稠油黏度.由于注入空氣中氧氣與原油發(fā)生低溫氧化反應(yīng)，產(chǎn)生CO2而放出熱量，在一定程度上改變原油性質(zhì)，使得空氣輔助蒸汽吞吐的采油機(jī)理比N2、CO2或煙氣輔助蒸汽吞吐的復(fù)雜[20－22].目前，未見到關(guān)于空氣輔助蒸汽吞吐采油機(jī)理方面的研究報(bào)導(dǎo).針對(duì)遼河油田杜84超稠油區(qū)塊，在模擬蒸汽吞吐的條件下，筆者采用填砂模型驅(qū)替、吞吐實(shí)驗(yàn)及油藏?cái)?shù)值模擬，研究蒸汽（熱水）—空氣驅(qū)替和空氣輔助蒸汽吞吐的規(guī)律，分析空氣輔助蒸汽吞吐的采油機(jī)理，論證空氣輔助蒸汽吞吐的技術(shù)可行性.

1 填砂管驅(qū)替實(shí)驗(yàn)

1.1 裝置與方法

采用直徑為2.5cm、長度為30.0cm（有效填砂長度為27.1cm）的填砂管，進(jìn)行蒸汽（熱水）驅(qū)及蒸汽（熱水）—空氣驅(qū)實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)裝置由模型本體、注入系統(tǒng)、壓力和流量測量模塊組成（見圖1）.其中模型本體為填砂模型；注入系統(tǒng)包括注入泵、恒溫箱、中間容器及相關(guān)的管閥件；壓力測量模塊測量模型兩端壓力；流量測量模塊主要分離和測量產(chǎn)出流體.

圖1 高溫驅(qū)替裝置流程Fig.1 Diagram of the displacement experiment under HTHP conditions

實(shí)驗(yàn)方法：（1）在充填篩析的砂樣后，先用N2測量氣測滲透率；（2）飽和模擬地層水，通過飽和水前后稱重確定填砂模型的孔隙度，測量水測滲透率；（3）飽和稠油；（4）在設(shè)定模擬溫度條件下注入一定量蒸汽，記錄采油速度和采水速度變化；（5）按設(shè)計(jì)空氣油體積比注入空氣，保持恒溫箱恒定的溫度和壓力，使填砂管中空氣與稠油反應(yīng)一定時(shí)間（3d）；（6）在設(shè)定模擬溫度條件下進(jìn)行蒸汽（或熱水）驅(qū)至殘余油飽和度，記錄采油速度和采水速度變化.

實(shí)驗(yàn)用原油為遼河油田杜84區(qū)塊館陶組的超稠油（50℃溫度時(shí)脫氣稠油黏度為108.000Pa·s），模擬油藏溫度為40℃，蒸汽注入速度為0.5～1.0mL·min－1，蒸汽（熱水）—空氣驅(qū)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)狀況下空氣油體積比為20.

1.2 結(jié)果與討論

蒸汽（熱水）驅(qū)和蒸汽（熱水）—空氣驅(qū)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1，不同溫度時(shí)蒸汽驅(qū)和蒸汽—空氣驅(qū)的開采動(dòng)態(tài)見圖2.由表1和圖2可見，注入空氣對(duì)熱水驅(qū)和蒸汽驅(qū)開采動(dòng)態(tài)有影響.對(duì)于200℃溫度時(shí)熱水驅(qū)與熱水—空氣驅(qū)，在注入熱水30min（0.65PV）后，注入20倍原油體積的空氣再進(jìn)行熱水驅(qū)，快速排水，采油速度達(dá)到較高值，但驅(qū)油效率較熱水驅(qū)的降低.對(duì)于300℃溫度時(shí)蒸汽—空氣驅(qū)，注入蒸汽后再注入20倍原油體積的空氣，對(duì)蒸汽驅(qū)開采有比較明顯的影響，但對(duì)驅(qū)油效率影響不大.

填砂管驅(qū)替實(shí)驗(yàn)產(chǎn)出稠油黏度及SARA分析結(jié)果見表2.由表2可見，熱水和蒸汽驅(qū)產(chǎn)出稠油的黏度要低于原油的，原因是驅(qū)替過程中受色譜分離作用影響和存在采出油組成差別.注入空氣使采出稠油黏度升高，100℃溫度時(shí)熱水—空氣驅(qū)采出稠油的黏度較原油的增大6.27%，較熱水驅(qū)采出稠油的升高20.43%；200℃溫度時(shí)蒸汽—空氣驅(qū)采出稠油的黏度較原油的增大0.85%，較蒸汽驅(qū)采出稠油的升高10.80%，低于100℃溫度時(shí)熱水驅(qū)的.相應(yīng)地，注入空氣后采出稠油的瀝青質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于蒸汽（或熱水）驅(qū)采出稠油的，膠質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)與蒸汽（或熱水）驅(qū)采出稠油的相當(dāng).

表1 蒸汽（熱水）驅(qū)和蒸汽（熱水）—空氣驅(qū)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Data of steam（hot water）flooding and steam（hot water）－air flooding experiment

圖2 不同溫度時(shí)蒸汽驅(qū)與蒸汽—空氣驅(qū)開采動(dòng)態(tài)Fig.2 Production performance of 200，300℃steam flooding and steam－air flooding

表2 填砂管驅(qū)替實(shí)驗(yàn)產(chǎn)出稠油黏度及SARA分析結(jié)果Table 2 The SARA and viscosity of heavy oils produced in the displacement experiment with sand packed tube

填砂管驅(qū)替實(shí)驗(yàn)采出氣體分析結(jié)果見表3.由表3可見，采出氣中O2體積分?jǐn)?shù)低于3%，CO2體積分?jǐn)?shù)為3%～5%，也采出少量CO、HC、SO2和H2S.在油藏壓力條件下，低溫氧化反應(yīng)的稠油黏度升高10%～30%；飽和烴的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化不大，膠質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，瀝青質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，重質(zhì)組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大5%.注空氣低溫氧化反應(yīng)使填砂模型滲透率降低5%～9%，使殘余油量稍有提高，但變化不大；高嶺石等黏土礦物使填砂模型滲透率降低10%以上.

表3 填砂管驅(qū)替實(shí)驗(yàn)采出氣體分析結(jié)果Table 3 The gases produced in the displacement experiment with sand packed tube

2 就地固砂實(shí)驗(yàn)

2.1 裝置與方法

利用低溫氧化反應(yīng)產(chǎn)生的焦?fàn)钗锟梢詫⑸傲Ｄz結(jié)在一起，起到固砂作用.采用置于恒溫箱的巖心夾持器，將飽和后的填砂模型置于巖心夾持器，進(jìn)行飽和稠油實(shí)驗(yàn)和注空氣氧化固結(jié)實(shí)驗(yàn)，考察稠油低溫氧化的固砂效果.

（1）實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備：將一定量砂樣（地層砂和一定比例的高嶺石）放入直徑為25mm的薄軟金屬管中，金屬管兩端安裝篩網(wǎng)；將填砂模型裝入具有橡膠套的巖心夾持器內(nèi).控制圍壓為5.00MPa，測量填砂模型的空氣絕對(duì)滲透率；將巖心夾持器置于恒溫箱，將恒溫箱升溫至80℃后將巖心飽和稠油.如果需要一定的含水飽和度，在飽和油前先將填砂模型充滿模擬地層水，再用稠油驅(qū)替至束縛水飽和度；注入300℃以上高溫蒸汽或熱水驅(qū)替可動(dòng)油，在0.25MPa下注入N2驅(qū)替5min；計(jì)算氣測滲透率，收集流出物并計(jì)算殘余油飽和度.

（2）注空氣低溫氧化：在5.00MPa圍壓下，將巖心夾持器與注采系統(tǒng)相連.將恒溫箱升至氧化實(shí)驗(yàn)溫度恒溫60min以上，加熱期間保持圍壓為5.00MPa.保持回壓為0.50MPa，以200mL／min恒速注入空氣，直到排出氣中氧氣濃度基本不變.

（3）滲透率測試：測量砂樣的空氣滲透率，計(jì)算與固結(jié)前砂樣的滲透率損失；將砂樣取出后進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度測試；將砂樣在650℃溫度下煅燒360min，測量氧化殘?jiān)|(zhì)量分?jǐn)?shù).

2.2 結(jié)果與討論

杜84區(qū)塊超稠油低溫氧化固砂實(shí)驗(yàn)砂樣的初始性質(zhì)、氧化條件及固結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4，實(shí)驗(yàn)砂樣不含水.由表4可見，溫度的變化對(duì)滲透率損失的影響不大，低溫時(shí)低溫氧化反應(yīng)的砂樣滲透率損失較大，砂樣抗壓強(qiáng)度較高.固結(jié)后砂樣的抗壓強(qiáng)度為2.00～4.50MPa.黏土的存在使填砂模型在低溫氧化固結(jié)后抗壓強(qiáng)度顯著增大，因?yàn)轲ね潦`砂粒間更多的稠油，經(jīng)過低溫氧化反應(yīng)后可產(chǎn)生更多的類焦物質(zhì)直到形成固砂作用.

表4 杜84區(qū)塊超稠油低溫氧化固砂實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 4 Result of sand consolidation by LTO reaction with Du84extra－h(huán)eavy oil

3 填砂模型吞吐實(shí)驗(yàn)

3.1 裝置與方法

采用耐壓15.00MPa、配置多個(gè)測壓點(diǎn)和測溫點(diǎn)的填砂模型實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行吞吐實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置流程見圖3.模型尺寸為550mm×800mm，主要包括高壓填砂模型、中間容器（用于吞吐注入過程中流體緩沖容器）、蒸汽發(fā)生器、空氣中間容器、油氣水計(jì)量裝置、計(jì)量泵、流量計(jì)、壓力計(jì)及數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng).填砂模型填砂及飽和油水?dāng)?shù)據(jù)見表5.

表5 填砂模型填砂和飽和油水?dāng)?shù)據(jù)Table 5 Data of sand pack，and oil and water saturation in the sand packed model

3.2 結(jié)果與討論

模擬油田注空氣強(qiáng)化蒸汽吞吐采油過程，考察的實(shí)驗(yàn)注采參數(shù)包括采油速度、采水速度、采氣速度、油汽比、回采水率和采收率.填砂模型蒸汽吞吐和空氣輔助蒸汽吞吐實(shí)驗(yàn)中蒸汽溫度為300℃，蒸汽干度為1.0，蒸汽注入速度為50mL·min－1，燜井時(shí)間為10min.蒸汽吞吐與空氣輔助蒸汽吞吐實(shí)驗(yàn)的注采數(shù)據(jù)﹑開采動(dòng)態(tài)和模型壓力變化曲線見表6和圖4.由表6和圖4（a）可見，空氣輔助蒸汽吞吐的日產(chǎn)油量高于蒸汽吞吐的，產(chǎn)水率明顯低于蒸汽吞吐的，并且增產(chǎn)和降水助排效果隨著吞吐輪次增加而變大.空氣輔助蒸汽吞吐3個(gè)輪次的周期產(chǎn)油量較蒸汽吞吐的分別提高22.1%、45.9%和57.0%.由圖4（b）可見，空氣輔助蒸汽吞吐的模型平均壓力要明顯高于蒸汽吞吐的，注入空氣具有明顯的增壓效果，并且增壓效果隨著吞吐輪次增加而增大.

圖3 空氣輔助蒸汽吞吐模擬實(shí)驗(yàn)裝置流程Fig.3 Diagram of experimental apparatus for air assisted CSS

表6 蒸汽吞吐與空氣輔助蒸汽吞吐實(shí)驗(yàn)的注采數(shù)據(jù)Table 6 The injection and production data of CSS and air assisted CSS experiments

圖4 蒸汽吞吐與空氣輔助蒸汽吞吐實(shí)驗(yàn)的開采動(dòng)態(tài)和模型壓力變化曲線Fig.4 The production performance and pressure of the sand packed model in CSS and air assisted CSS experiments

4 數(shù)值模擬

4.1 模型及參數(shù)

采用Eclipse的Thermal模型進(jìn)行注空氣低溫氧化非混相驅(qū)吞吐采油數(shù)值模擬.根據(jù)遼河油田館陶組油藏地質(zhì)特征，建立50×40×25個(gè)網(wǎng)格的均質(zhì)油藏地質(zhì)模型，油藏地質(zhì)參數(shù)見表7.

表7 杜84區(qū)塊超稠油油藏?cái)?shù)值模擬參數(shù)Table 7 Properties of Du84extra－h(huán)eavy oil reservoir used in numerical simulation

采用瀝青質(zhì)、膠質(zhì)、輕質(zhì)組分、焦炭、O2、CO2和N2擬組分表征原油，各擬組分比（摩爾分?jǐn)?shù)比）為Asphalt（瀝青質(zhì)）∶Resin（膠質(zhì)）∶Light（輕質(zhì)組分）∶Coke（焦炭）∶O2∶CO2∶N2＝0.15∶0.40∶0.45∶0∶0∶0∶0.低溫氧化涉及的化學(xué)反應(yīng)：（1）膠質(zhì)氧化生成瀝青質(zhì)；（2）輕質(zhì)的芳香烴氧化生成膠質(zhì)；（3）瀝青質(zhì)裂解生成膠質(zhì)、焦炭和CO2；（4）焦炭燃燒生成CO2和水.化學(xué)反應(yīng)中反應(yīng)物和生成物的化學(xué)計(jì)量學(xué)因數(shù)見表8.

表8 化學(xué)反應(yīng)中反應(yīng)物和生成物的化學(xué)計(jì)量學(xué)因數(shù)Table 8 Stoichiometric coefficients of reactants and products in the reactions

為了評(píng)價(jià)空氣輔助蒸汽吞吐的開采效果，分別設(shè)計(jì)直井蒸汽吞吐、N2輔助蒸汽吞吐、等量N2輔助蒸汽吞吐和空氣輔助蒸汽吞吐開采方案，其中，N2輔助蒸汽吞吐方案的N2注入量與空氣輔助蒸汽吞吐中的N2注入量相等，等量N2輔助蒸汽吞吐方案的N2注入量與空氣輔助蒸汽吞吐中的空氣注入量相等.每個(gè)方案均模擬計(jì)算吞吐3個(gè)輪次，每輪次注采時(shí)間為120d.油藏?cái)?shù)值模擬方案的注采參數(shù)見表9，其中，N2輔助蒸汽吞吐的N2注入量為3.95m3，等量N2輔助蒸汽吞吐的N2注入量為5.00m3.

表9 油藏?cái)?shù)值模擬方案的注采參數(shù)Table 9 Injection and production parameters in numerical simulation

4.2 結(jié)果與討論

不同方式吞吐油藏?cái)?shù)值模擬計(jì)算的開發(fā)指標(biāo)見表10.由表10可見，空氣輔助蒸汽吞吐的增產(chǎn)效果與N2輔助蒸汽吞吐相當(dāng)，周期采油量較蒸汽吞吐提高20%～30%，吞吐開采輪次越高，增產(chǎn)效果越明顯.

表10 不同方式蒸汽吞吐油藏?cái)?shù)值模擬計(jì)算的開發(fā)指標(biāo)Table 10 Production parameters of different CSS numerical simulation schemes

5 采油機(jī)理

空氣輔助蒸汽吞吐過程中，注入空氣與稠油反應(yīng)而被消耗，利用未反應(yīng)的N2及生成的CO2等煙氣的增壓助排、氣體降黏、生熱、提高熱效率和固砂等作用，可以改善蒸汽吞吐開采的效果.

5.1 氣體溶解降黏作用

不同溫度和壓力下，低溫氧化產(chǎn)生尾氣（14%CO2﹑86%N2（體積分?jǐn)?shù)））溶解稠油的黏度測定結(jié)果見表11.由表11可見，在低于100℃溫度時(shí)N2或煙氣溶解可使杜84區(qū)塊超稠油黏度降低10%；在高于100℃溫度時(shí)N2或煙氣溶解在超稠油中溶解度降低，壓力增大導(dǎo)致超稠油黏度有所上升.

表11 杜84區(qū)塊超稠油與低溫氧化產(chǎn)生尾氣體系的表觀黏度Table 11 The viscosity of Du84extra－h(huán)eavy oil and the gases generated in LTO mPa·s

5.2 氣體增壓和擴(kuò)大加熱腔作用

基于油藏?cái)?shù)值模擬結(jié)果計(jì)算的蒸汽吞吐與空氣輔助蒸汽吞吐的加熱腔和高壓區(qū)參數(shù)見表12.由表12可見，空氣輔助蒸汽吞吐形成的高壓區(qū)體積明顯大于注蒸汽的，是其3倍以上，在油田開發(fā)后期采用注空氣方法增壓助排作用明顯.填砂模型壓力數(shù)據(jù)也表明，空氣輔助蒸汽吞吐開采3輪后模型壓力保持在4.70 MPa，蒸汽吞吐開采3輪后模型壓力降至4.20MPa以下，注空氣增壓比例達(dá)到10%以上.在蒸汽吞吐過程中，注入空氣保持壓力的效果非常明顯.

同時(shí)，注入空氣可以明顯增大加熱腔體積和油藏壓力，原因在于氣體能夠降低蒸汽分壓及氣體本身的熱載體作用.空氣輔助蒸汽吞吐形成的加熱腔體積是蒸汽吞吐的3倍以上，其加熱腔平均溫度要稍低于蒸汽加熱腔的，分別為165.4℃和189.7℃.

表12 蒸汽吞吐與空氣輔助蒸汽吞吐的加熱腔和高壓區(qū)參數(shù)Table 12 The parameters of heating chamber and high－pressure region in CSS and air assisted CSS

5.3 低溫氧化反應(yīng)生熱作用

稠油低溫氧化反應(yīng)熱一般為30～100kJ／mol（O2），杜84區(qū)塊稠油低溫氧化反應(yīng)熱為45.0kJ／mol（O2），標(biāo)準(zhǔn)狀況下1萬m3O2與杜84區(qū)塊稠油低溫氧化反應(yīng)的放熱量相當(dāng)于1.70t、234℃、干度0.5的蒸汽.若考慮蒸汽放熱后無法利用熱水的熱焓，則標(biāo)準(zhǔn)狀況下1萬m3O2與杜84區(qū)塊稠油低溫氧化反應(yīng)的放熱量相當(dāng)于2.24t、234℃、干度0.5的蒸汽（見表13）.若考慮蒸汽放熱后無法利用熱水的熱焓，每輪次注入標(biāo)準(zhǔn)狀況下10～20萬m3O2與杜84區(qū)塊稠油低溫氧化反應(yīng)的放熱量相當(dāng)于22.4～44.8t蒸汽.

表13 杜84區(qū)塊超稠油低溫氧化反應(yīng)熱計(jì)算結(jié)果Table 13 Data of the LTO reaction heat of Du84extra－h(huán)eavy oil

6 結(jié)論

（1）對(duì)于杜84區(qū)塊稠油，注入空氣使100℃溫度熱水驅(qū)的驅(qū)油效率有所降低，100℃溫度熱水—空氣驅(qū)的采出稠油黏度較熱水驅(qū)的升高20.43%；注入空氣對(duì)200℃溫度蒸汽驅(qū)與蒸汽—空氣驅(qū)開采的影響不明顯，200℃溫度蒸汽—空氣驅(qū)的采出稠油黏度較蒸汽驅(qū)的升高10.80%.蒸汽（熱水）—空氣驅(qū)的采出稠油的瀝青質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于蒸汽（或熱水）驅(qū)的，膠質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)與蒸汽（或熱水）驅(qū)的相當(dāng)，采出氣中氧體積分?jǐn)?shù)低于3%，CO2體積分?jǐn)?shù)為3%～5%.

（2）空氣輔助蒸汽吞吐的增壓和增產(chǎn)效果與N2輔助蒸汽吞吐的相當(dāng)，周期采油量較蒸汽吞吐的提高20%～30%，吞吐開采輪次越高，增產(chǎn)效果越明顯.

（3）空氣輔助蒸汽吞吐采油的增產(chǎn)機(jī)理包括加熱降黏、氣體溶解降黏、氣體增壓、氣體擴(kuò)大加熱腔及就地固砂作用等.

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