注空气提高采收率机理调研

1、注空气提高采收率机理调研轻质油藏高压空气驱包含许多复杂的机理。这些机理包括烟道气驱、油藏增压。原油膨胀、黏度降低、原油中轻质组分的抽提效应以及热效应等。早期的注空气应用主要是利用空气的增压保压等常规气驱机理。因而空气驱过程中作为次要机理的热效应并没有考虑进来。氧化热前缘直接驱替原油的程度取决于烟道气的波及程度。1979年Chekalyuk等1认为注空气在提高原油采收率方面具有独特的经济和技术优势，在轻质油藏中具有如下机理：良好的驱替效率；近混相及烟道气对轻烃类具有较好的抽提能力；空气中的氧气几乎全部耗尽；高温下水蒸气的超级萃取效应。1996年Fassihi等2对Medicine Pole Hi

2、lls Unit和West Hackberry油藏进行空气驱经济性评价，认为注空气驱油主要考虑间接生成的烟道气的驱替作用，至于生成的热量则是次要的。并针对实际油藏把空气驱机理分为以下2个模式：倾斜油藏中的重力驱替机制和水平井中氧化前缘驱替机制。同时他们认为，就地燃烧过程中生成的（N285%+CO215%）烟道气会明显抽提大量的轻烃组分，随后形成类似于液化天然气（NGL）的作用。1998年Greaves等3对North Sea等地的四个轻质油藏的氧化及驱替机理进行研究，结果表明，低温氧化产生的驱替气包括CO2、CO、N2及蒸馏/抽提的轻质烃类，气体突破之前，产出的为未氧化的原油，烟道气驱替波及区

3、域中的油，并且一定条件下低温氧化最多产生7-9.2%的CO2。2002年Shokoya等4为了研究轻质油藏注空气就地生成的烟道气与原油混相情况及其对采收率的贡献开展了细管驱替实验，结果表明油藏条件下，烟道气无法与原油实现混相驱。而在高于油藏压力条件下，向前多次蒸发/凝析过程中更多的轻质、中质组分抽提到气相中，并且在驱替前缘后面呈层状流动，类似于近混相驱，会大幅提高原油轻采收率。2002年Moore等5 某些情况下反应层的温度升高对采收率起重要作用。在燃烧前缘周围，一部分原油被蒸发，没有被作为燃料消耗的蒸发相通过烟道气和蒸汽携带到下游油藏的低温部分，冷凝形成油带。同时，此过程中的热量传递会降低原

4、油黏度，增加流动性。2006年Kikuchi等6对日本某油田2种不同含油饱和度（40%和17%）的油藏进行燃烧管实验、PVT实验及加速量热实验。结果表明对于高含水油藏，高温氧化前缘的蒸馏作用是主要的驱替机理。2010年Montes等7通过室内实验及Buffalo油田现场情况认为空气驱不同于常规的气体驱替，其机理不仅包括烟道气驱，而且还包括氧化产生的热效应。并且证实了空气驱过程中热前缘对原油采收率的贡献。从Buffalo油田注空气驱现场效果来看，原油确实发生了自燃且燃烧前缘对原油产量有着非常重要的影响，通过GOR曲线可判断，如果出现了平稳阶段说明发生燃烧，平稳阶段之后为常规的气驱GOR特征，呈指

5、数增加。且从现场取芯来看，确实找到了燃烧前缘驱替的证据。空气注入油藏提高采收率技术综合了许多驱油机理，对不同的油藏来说，其驱油机理也有所不同。稠油油藏注空气是借助原油燃烧产生大量的热,使稠油降粘而流动。而轻质油藏注空气一般具有以下几种驱替机理8-10：（1）高压注空气补充或提高了油藏压力；（2）通过氧化或燃烧形成的热效应作用；（3）就地生成的二氧化碳的驱替作用；（4）二氧化碳溶解导致的降黏作用；（5）水的超抽提效应；（6）低温氧化把氧气都消耗掉，至少可以实现氮气驱或间接的烟道气驱；（7）在适当的压力下，烟道气可以与原油之间发展为近混相驱替；（8）由于氧化反应的热效应可以产生原油蒸发气化、降黏、

6、热膨胀效应；（9）对陡峭或倾斜的油藏顶部注空气可以产生重力驱提作用。当在残余油饱和度下的油藏中注空气提高采收率时，热效应形成的蒸发过程和烟道气驱对驱油贡献起主导作用。在油藏注空气过程中，形成的烟道气的主要成分是氮气，另外含有少量CO、CO2以及一定量的轻质组分，因此烟道气中起驱提作用的主要是氮气，其提高采收率机理主要有以下几个方面：（1）重力稳定驱替。用氮气进行混相驱替，往往最小混相压力MMP比较高，实际油藏压力无法满足要求。然而氮气与乙烷以上的烃类气体含量高的天然气、二氧化碳等相比，密度小，而且在油水中溶解性很弱，这些特点都是氮气进行重力稳定驱油的有利条件。（2）驱替溶剂段塞。因为二氧化碳和

7、烃类气体的价格不如氮气优越，为了降低二氧化碳和烃类气体混相驱提成本，采用氮气推动溶剂段塞混相驱替以提高采收率。如果溶剂段塞尺寸选择合理，用氮气推动溶剂段塞的驱油效果和连续注入溶剂的效果是相同的，而前者的经济效益要比后者高的多。综上所述，轻质油藏注空气过程中各种驱替机制的综合作用将会使原油采收率大幅度提高。然而，从目前研究现状来看，一些驱油机制仍然存在着争议，而且每种驱替机制对采收率的贡献大小也不明确。因此，为了进一步明确轻质油藏HPAI提高采收率机制，需要在研究中对各驱油机制进行量化分析。从目前国内外室内研究和现场应用状况来看，空气驱的主要机制可以归纳如下10：（1）氧化形成的烟道气驱。注入油

8、藏中的空气会和油藏中的原油发生低温氧化，消耗空气中的氧气，就地生成烟道气，对原油产生较好的驱替效果。（2）油藏增压作用。主要体现在两个方面，首先，大量空气注入到油藏中势必会增加油藏压力，维持油藏压力水平；其次，注入的空气与原油发生氧化反应，生成CO2的同时释放大量热，使水蒸气及原油蒸发相增加，各种气体在高温条件下会导致油藏压力迅速增加。（3）气体溶解及原油膨胀。就地生成的烟道气中的部分组分（主要为CO2）在油藏条件下溶解到原油中，可以显著降低原油黏度，使原油体积膨胀，增加原油的流动能力。（4）烟道气与原油混相及近混相驱替。尽管有许多学者已经通过实验证明了在正常油藏条件下烟道气不可能与原油发生混

9、相作用，但是在适当的条件下，CO2等气体不断抽提原油中的轻质组分，使气液相物性差异减少，就地生成的烟道气产生的近混相驱将会大大提高原油采收率4。（5）烟道气抽提。烟道气将原油中的轻质组分抽提出来，随后产生类似液化天然气（LNG）驱替的作用。（6）热效应（热前缘）。有关热效应对采收率的贡献一直存在争议，很多研究者将HPAI看作间接的烟道气驱，然而，高含水轻质油藏的剩余油一般不能通过烟道气驱替出。尽管早期生产主要是由于油藏增压和烟道气驱，但1孔隙体积（PV）空气注入后，燃烧前缘成为起主要作用机理的区域11。Moore等12认为，某些情况下反应层的温度升高对采收率起重要作用。在燃烧前缘周围，一部分原

10、油被蒸发，没有被作为燃料消耗的蒸发相通过烟道气和蒸汽携带到下游油藏的低温部分，冷凝形成油带。同时，此过程中的热量传递会降低原油黏度，增加流动性。蒸馏过程和原油是否处于剩余油状态的关系很小，因此，对于高含水油藏提高采收率非常重要，而且，燃烧前缘自校正的独特效应可以提高油藏体积波及效率，实现双驱作用（DDP）13。实验室和现场数据也都表明热前缘对采收率有重大影响。在目前HPAI工程仍保持成功的BRRU进行取心，分析发现残油饱和度为4.9%，这是非混相烟道气驱不能够达到的，而且盐岩的存在也表明油藏岩石经历过高温。Kumar对美国密西西比West Heidelberg油田的数值模拟表明，尽管最初HPA

11、I作为二次采油技术用于压力保持，但有超过50%的原油通过热效应采出14。（7）蒸馏作用。蒸馏作用和热效应是相伴而生的。燃烧前缘的蒸汽指进也会对原油形成驱提作用。目前国内大部分油田已处于开发中后期，部分油田已进入中高含水期，鉴于蒸馏作用在高含水油藏中的特殊作用，有必要进行详细阐述。蒸馏不仅作为提高采收率的一种机制，更重要的是影响轻质油藏HPAI反应动力学。2006年日本学者Kikuchi等6对日本国内一个水驱后油藏进行可行性研究表明，对于高含水油藏，蒸馏过程是一个非常重要的提高采收率机制。通过这种机制，在氧化前缘形成油带。2010年Barzin等15-17讨论了蒸汽相和蒸馏过程对HPAI反应动力

12、学的影响，并指出蒸气相的氧化加成反应可能为自动点火提供能量，原油蒸发和燃料氧化同时发生，蒸发前缘和氧化前缘同时传播，一部分蒸气相燃料参与了氧化或者燃烧反应。对于蒸气相燃烧动力学，从限制反应速率角度来讲，碳氢化合物组成将是非常重要的限制因素。研究和发展多相组成相态模型将有助于确定蒸气相组成和初始原油组成、含水饱和度、空气流量、压力和温度之间的关系。在油藏条件下N2及烟道气中的CO2以及轻烃溶于原油（特别是CO2易溶于原油）使原油膨胀，黏度降低，增加原油产出动力，促使原油流向生产井。理论上，就地生成的烟道气与原油可能是混相，近混相或者非混相状态。然而，研究人员己经通过实验证明了在正常油藏条件下烟道

13、气几乎不可能与原油发生混相作用，但Shokoya等18人通过实验证明在适当的条件下，轻质油藏HPAI过程中就地生成的烟道气在增加的油藏压力和温度条件下产生的近混相驱将会大幅提高釆收率。燃烧前缘的蒸汽指进效应主要是指在高含水条件下，存在着潜在的“超抽提效应”，氧化前缘的蒸汽产生指进现象，将热量传递到油藏中温度更低的部分，使原油黏度降低，增加流动性。1CHEKALYUK E, OGANOV K, ONOPRIENKO V. Oil in Water Intersolubility Thermal Process to Improve Recovery; proceedings of the Pro

14、ceedings of the Tenth World Petroleum Congress, Bucharest, Romania, F, 1979 C.2FASSIHI M, YANNIMARAS D, WESTFALL E, et al. Economics of light oil air injection projects; proceedings of the Symposium on improved oil recovery, F, 1996 C.3GREAVES M, REN S, RATHBONE R. Air injection technique (LTO proce

15、ss) for IOR from light oil reservoirs: oxidation rate and displacement studies; proceedings of the Symposium on improved oil recovery, F, 1998 C.4SHOKOYA O, MEHTA S, MOORE R, et al. Evaluation of the Miscibility and Contribution of Flue Gas to Oil Recovery under High Pressure Air Injection J. J Can

16、Pet Technol, 2002, 41(10): 58-68.5MOORE R, MEHTA S, URSENBACH M. A Guide to High Pressure Air Injection (HPAI) Based Oil Recovery; proceedings of the SPE/DOE Improved Oil Recovery Symposium, F, 2002 C. Society of Petroleum Engineers.6KIKUCHI I, TERAMOTO T, ONISHI T. Improved recovery of light oil by

17、 air injection J. Journal of the Japanese Association for Petroleum Technology, 2006, 71(3): 293-304.7MONTES A R, GUTIERREZ D, MOORE R G, et al. Is High-Pressure Air Injection (HPAI) Simply a Flue-Gas Flood? J. 2010, 8TAKABAYASHI K, MAEDA H, UEMATSU H. Evaluation of Air Injection EOR to apply a Ligh

18、t Oil Reservoir with Low Oil saturation after water flooding J. 9吴信荣, 林伟民, 姜春河. 空气泡沫调驱提高采收率技术 M. 石油工业出版社, 2010.10蒲万芬, 袁成东, 金发扬, et al. 轻质油藏高压注空气技术应用前景分析 J. 科技导报, 2013, 31(17): 72-9.11KUMAR V, GUTIERREZ D, THIES B P, et al. 30 Years of Successful High-Pressure Air Injection: Performance Evaluation of

19、 Buffalo Field, South Dakota; proceedings of the SPE Annual Technical Conference and Exhibition, F, 2010 C. Society of Petroleum Engineers.12URSENBACH M. A guide to high pressure air injection (HPAI) based oil recovery J. 2002, 13YANNIMARAS D, TIFFIN D. Screening of oils for in-situ combustion at re

20、servoir conditions by accelerating-rate calorimetry J. SPE Reservoir Engineering (Society of Petroleum Engineers);(United States), 1995, 10(1): 14GUTIERREZ D, TAYLOR A R, KUMAR V, et al. Recovery factors in high-pressure air injection projects revisited J. SPE Reservoir Evaluation & Engineering, 2008, 11(06): 1,097-1,106.15BARZIN Y, MOORE R G, MEHTA S A, et al. Effect of interstitial water saturation and air flux on combustion kinetics of high pressure air injection (HPAI); proceedings of the SPE Western Regional Meeting, F, 2010 C. Society of Petroleum Engineers.16BARZIN