㊀㊀收稿日期:20210909；改回日期:20220315
㊀㊀基金项目：中国石油重大科技项目 二三结合 协同提高采收率关键技术研究 (kt2021-07-03)富士数码相机
㊀㊀作者简介：滕卫卫(1978 )，男，高级工程师,2002年毕业于石油大学(华东)石油工程专业，现主要从事非常规油气提高采收率研究工作㊂
DOI :10.3969/j.issn.1006-6535.2022.03.015
低渗透油藏空气驱原油氧化机理实验
滕卫卫，吴庆祥，胡晓蝶，王晓光，程宏杰，朱桂芳
最后一封信
(中国石油新疆油田分公司，新疆㊀克拉玛依㊀834000)
摘要：为深入探究低渗透油藏空气驱开发过程中原油的氧化特征及其影响因素，评价其驱油效果，以新疆油田低渗透油藏为研究对象，开展原油组分分析㊁原油氧化特征㊁空气驱及空气泡沫驱等实验，系统研究了不同条件下原油氧化特征及规律㊂实验结果表明：相同条件下，油砂比纯油样静态氧化反
应速率大，反应充分，且反应速率与反应压力㊁温度㊁作用时间呈正相关；油藏温度下，原油经历氧化反应后轻重比减小，主峰碳增加；反应温度对空气驱原油动态氧化特征有较大影响，温度越高耗氧量越大，反应越充分；空气驱具有较好驱油效果，但易发生气窜；泡沫驱可有效封堵气窜通道，扩大空气波及体积，改善空气驱效果㊂研究成果对空气驱理论研究及应用具有借鉴意义㊂
关键词：低渗透油藏；空气驱；氧化机理；氧化特征；驱油效果；实验研究
中图分类号:TE31㊀㊀文献标识码:A ㊀㊀文章编号:1006-6535(2022)03-0104-08
Experiment on Oxidation Mechanism of Crude Oil by Air Flooding in Low permeability Rervoirs
Teng Weiwei ,Wu Qingxiang ,Hu Xiaodie ,Wang Xiaoguang ,Cheng Hongjie ,Zhu Guifang
(PetroChina Xinjiang Oilfield Company ,Karamay ,Xinjiang 834000,China )
Abstract :In order to deeply investigate the oxidation characteristics of crude oil and its influencing factors during
the development by air flooding of low permeability rervoirs and evaluate its oil displacement efficiency ,experi-ments on crude oil component analysis ,oxidation characteristics of crude oil ,air flo
oding and air -foam flooding were conducted to systematically study the oxidation characteristics and laws of crude oil under different conditions ,taking the reprentative rervoirs of low permeability in Xinjiang Oilfield as the study object.The experimental re-sults showed that ,under the same conditions ,the static oxidation reaction rate of oil sand was higher than and the reaction was more sufficient than that of pure oil sample ,and the reaction rate was positively correlated with the re-action pressure ,temperature and action time ;at the rervoir temperature ,the weight ratio of crude oil after oxida-tion reaction decread ,and the main peak carbon incread ;the reaction temperature had a great influence on the dynamic oxidation characteristics of crude oil in air flooding ,the higher the temperature ,the greater the oxygen consumption and the more sufficient the reaction ;the air flooding was effective in oil displacement ,with gas chan-neling easy to occur ;the foam flooding could effectively block the gas channeling channel ,expand the air swept volume ,and improve the air flooding effect.The study results have an exemplary significance regarding the theoreti-cal rearch and application of air flooding.
Key words :low permeability rervoir ;air flooding ;oxidation mechanism ;oxidation characteristics ;oil displace-ment effect ;experimental study
0㊀引㊀言
准噶尔盆地低渗透油藏注水开发整体效果较差，普遍存在注水困难的问题，有必要开展更经济
小兔子乖乖的歌词有效的开采试验㊂许多研究表明[1-6]，注气开发是改善低渗透油藏开发效果的一种有效技术手段，因低渗透油藏的吸气能力大于吸水能力，注气更容易在地层中形成有效压力驱替系统㊂而空气因其资
㊀第3期
滕卫卫等：低渗透油藏空气驱原油氧化机理实验
105㊀㊀
源丰富㊁不受地域限制㊁成本低廉等优点被广泛用于石油注气开采[7-8]㊂经过多年矿场实践，空气驱已成为提高低渗透油藏采收率极具发展前景的技术之一[9-15]，其主要包括高压空气驱㊁空气泡沫驱和稀油注空气点火开采㊂空气驱的主要机理包括
3个方面：一是注气可以增加地层能量，减少举升成本；二是空气与原油在地层条件下发生低温氧化反应，反应中放出的热量可降低原油黏度，同时生成的CO 2溶解于原油后，使原油体积膨胀㊁原油黏度降低；三是低温氧化反应生成的CO㊁CO 2以及轻质组分等与空气中N 2组成烟道气，在适合条件下可与原油形成混相或近混相驱，具有较好的驱替效果[16-18]㊂上述作用机理中原油低温氧化作用是空气驱的关键因素之一㊂为深入探究空气驱过程中原油的低温氧化特征及其影响因素，开展原油组
分㊁原油与空气静动态氧化动力学等室内实验，研究不同条件下耗氧量㊁氧化速率㊁原油组分等变化特征，研究结果可为空气驱油藏工程设计等相关研究奠定基础㊂
1㊀实验部分
1.1㊀实验材料
实验油样选自新疆油田4个区块(A1㊁A2㊁
A3㊁A4)，为脱水原油，原油黏度和油藏基础参数见表1㊂实验所用空气来自压缩机产生的高压空气㊂
静态氧化实验用砂采用经过洗油㊁研磨㊁筛选等流程处理后的真实岩心，将原油与水㊁处理后岩心样品按一定比例均匀混合配制，得到实验用人造油砂；动态驱替实验采用80~120目石英砂㊂
表1㊀油藏基础参数和原油黏度数据
1.2㊀实验装置
1.2.1㊀静态氧化实验装置
原油静态氧化实验设备包括高压恒温静态氧
化装置㊁气体分析仪等㊂其中，高压恒温静态氧化装置由高压反应器㊁恒温油浴箱㊁反应控制器㊁数据采集系统等部分组成(图1)，主要用于模拟一定条件下原油与空气的静态反应过程；气体分析仪主要用于检测氧化反应后O 2㊁CO 2等气体含量，测量精度为0.
鸡蛋果1%㊂
1.2.2㊀动态氧化模拟实验装置动态氧化模拟实验装置及流程详见图2㊂装
置的核心部分是模型本体，即填砂氧化管，几何尺寸为Φ25mm ˑ700mm，最高工作压力为32MPa，最高工作温度为350ħ，用于模拟储层条件㊂其他
组件包括注气单元㊁数据采集单元和采出液分离与计量等部分㊂其中，注气单元由高压空气瓶(用于提供空气气源)㊁增压泵㊁中间高压容器和流量计等设备组成，可以实现实验过程中注气强度的调整,
图1㊀高压恒温静态氧化实验装置示意图
Fig.1㊀The schematic diagram of static oxidation experimental
device with high pressure and constant temperature
以及对注入气量的精确控制与计量；数据采集单元由温度传感器㊁数据采集卡等元件组成，可以实时显示并记录实验过程中温度变化等数据；采出液分离与计量单元由回压阀㊁红外气体分析仪㊁便携式氧气分析仪等组成，可以实现产出油㊁气精确计量,
以及O 2㊁CO 2等气体含量分析㊂
㊀106㊀
特种油气藏
第29卷
㊀
图2㊀注空气动态氧化模拟实验流程示意图
Fig.2㊀The flow chart of dynamic oxidation simulation experiment of air injection
1.3㊀实验步骤与计算方法1.3.1㊀实验步骤
静态氧化实验:①将脱水原油和人造油砂分别
放入高温高压反应器内㊂②按图1连接好实验流程，持续向反应器内注入空气，直至压力升至20.0
MPa，检测流程中管线㊁各连接头和开关处的密闭性㊂③待油浴恒温箱温度稳定在油藏温度后，向反应器内通入气体直至油藏压力，将反应器放入油浴中，反应过程中通过传感器监测温度㊁压力的变化并作好记录㊂④待反应器压力稳定后，用气样袋收集产出气体，利用气体分析仪检测气体中CO 2与O 2的体积分数㊂
动态氧化实验:①将装满岩心的填砂氧化管在
负压下抽成真空，自吸式饱和水，测定孔隙体积和孔隙度；按图2将填砂氧化管模型接入驱替实验流程，并进行全流程耐压性能测试㊂②开始油驱水实验，过程中记录时间㊁产液量等信息，直至填砂氧化管出口端无水产出，计算含油饱和度和束缚水饱和度㊂③按设计流量向填砂氧化管中注入空气，记录驱替过程中不同时刻填砂氧化管两端压差㊁产量(产油量㊁产气量等)数据，同时收集产出气体，进行气体成分分析，重点关注O 2和CO 2㊂④待空气驱阶段填砂氧化管出口端基本上不见油后，开始注入发泡剂段塞，然后继续注入空气，直至出口端基本不出油终止实验；驱替过程中实时记录填砂氧化管两端压力㊁产量(产水量㊁产油量等)数据，同时收集产出气体，进行气体成分分析㊂⑤空气泡沫驱后，原油与空气静态反应125h，然后进行气体成分
分析㊂
1.3.2㊀计算方法(1)氧化反应速率计算㊂低温氧化反应方程式可以简化为:
C n H 2n +2+c O 2ң
2c -1
2CO 2+H 2O +C n -1H 2n ν=x Vt (1)x =c (n 1-n 2)0.5
(2)c -2c -1
2
=0.5(3)
式中:n 1㊁n 2分别为反应前㊁反应后注入实验设备中气体物质的量,mol;c 为气体物质的量,mol;x 为反应前后气体物质的量的变化量,mol;ν为气体氧化反应速率,mol /(h㊃mL);V 为原油体积,mL;t 为反应时间,h㊂
(2)氧气消耗率(简称耗氧率)计算公式为:
φ=(m 1-m 2)/m 1
(4)
式中:φ为耗氧率,%;m 1为注入的氧气量,mL;m 2为未消耗的氧气量,mL㊂
根据气体流量计读数和实验持续时间可计算出注入气体中O 2的总量，另计算出产出气体㊁溢出气体㊁反应器和油水分离器中含有O 2的量，两者之差就是消耗氧气的量，其与注入的氧气量之比就是耗氧率㊂
以注入空气进入填砂管内为开始时刻，到模型产出端产出气体为截止时刻，这段时间为空气滞留
时间㊂空气滞留时间计算公式为:
T =V ϕ/Q
(5)
式中:T 为空气滞留时间,h;V ϕ为孔隙体积,mL;Q 为空气流量,mL /h㊂
㊀第3期
滕卫卫等：低渗透油藏空气驱原油氧化机理实验
107㊀㊀
2㊀实验结果分析
2.1㊀静态氧化特征分析2.1.1㊀脱水原油低温氧化实验
产出气体中O 2体积分数㊁压降速率㊁氧化反应
速率数据见表2㊂结果表明，静态氧化反应后产出气体中O 2体积分数为15.7%~19.7%,4组油样在油藏温度下的耗氧量都比较小，主要原因可能是较低温度下原油中参与氧化反应的活性成分较少㊂A1㊁A4油样的压降速率和氧化速率相对较大，表明氧化反应发生程度较大㊁速度较快㊂
表2㊀脱水原油低温氧化实验数据
2.1.2㊀油砂样品低温氧化实验
为了更好地表征油藏条件下原油低温氧化性
能，在脱水原油实验基础上，选取静态氧化速率最低的A2㊁氧化速率最高的A1和中间氧化速率的A4脱水原油分别制备油砂样品，开展低温氧化实验(表3)㊂
由表3可知:A1油砂样品氧化反应最充分，产出气体中O 2体积分数最低㊁CO 2体积分数最高，氧
阳光心灵化反应速率最大，氧化特性最好㊂其次为A2油砂样品，产出气体中O 2体积分数为3.2%㊂与纯油样相比，相同实验条件下，油砂样品的静态反应速率更大㊁反应更充分㊂这主要是由于地层砂粒增加了原油与空气的接触面积，从而在较短时间发生充分的氧化反应，氧化反应速率明显增大㊂因此，在实际油藏多孔介质中，原油与注入空气发生氧化反应将会有更高的氧化反应速率㊂
表3㊀油砂样品静态氧化实验数据
2.1.3㊀氧化反应速率的影响因素分析
选择氧化反应速率快㊁氧化特性较好的A1脱
水原油样品开展了多组低温静态氧化实验，研究压力㊁温度等因素对氧化反应速率的影响㊂
(1)压力对氧化反应速率的影响㊂保持实验
温度为77ħ(A1区块油藏温度)不变，在压力为13㊁18㊁23MPa 条件下开展静态氧化实验，实验结
果见图3㊂由图3可知：低温氧化反应速率随着压力增加而增大，但增幅逐渐变小㊂分析认为这是由于反应压力越大，氧气的分压就越高
，在相同接触面积上，氧气物质的量浓度将会增大，原油中溶解的氧气物质的量浓度也在增大，这些因素促使原油更易与空气发生氧化反应，导致氧化反应速率有所增大㊂
利害得失
(2)温度对氧化反应速率的影响㊂在保持压
力基本不变的条件下，采用阶梯式升温方法逐步升
图3㊀氧化反应速率与压力关系曲线
Fig.3㊀The relationship curve of oxidation
reaction rate varying with pressure
固态硬盘作用高反应器中原油的温度，在初始反应温度分别为77㊁97㊁117ħ条件下开展静态氧化实验，实验结果
见表4㊂由表4可知：初始温度为77ħ时,9h 内
反应器内压力由23.3MPa 下降至22.9MPa，氧化
㊀108㊀
特种油气藏
第29卷㊀
速率为23.1ˑ10-5mol /(h㊃mL)；初始温度为97ħ
时,9h 内反应器内压力由23.3MPa 下降至22.8MPa，氧化速率为24.5ˑ10-5mol /(h㊃mL)；但当初始温度升高至117ħ时,20h 内压力由24.1MPa
大幅下降至20.8MPa，氧化速率达到71.5ˑ
10-5mol /(h㊃mL)，低温氧化速度明显加快㊂分析
认为主要是随着温度的逐步升高，原油中可能会有新的组分参与了氧化反应，或者是原油中某些组分在低温下氧化生成新物质后不再参与反应，但这些组分在高温下又参与氧化反应㊂
表4㊀不同初始温度下原油氧化反应速率实验结果
2.1.4㊀原油组分氧化反应规律分析
选取氧化特性较好的A1脱水原油样品为研
究对象，在油藏温度(77
色谱分析与4组分测定法，对比原油与空气氧化反应前后气相色谱的特征参数与组分特性(图4㊁表
图4㊀油样氧化反应前后气相色谱图
Fig.4㊀The gas chromatogram of oil sample before and after oxidation reaction
表5㊀A1油样氧化反应前后
4组分等含量对比
大卫不可以图片
前的96.29%降至反应后的94.49%(芳香烃和饱和烃分别降低了0.26和1.54个百分点)，胶质和沥青质相对含量由反应前的3.71%增至反应后的
5.51%，表明油藏温度下，芳香烃㊁饱和烃等轻质组分经低温氧化反应后转换成重质组分㊂
原油轻重比(ðn C 21-/ðn C 22+)表示的是低碳数正构烷烃含量总和与高碳数正构烷烃含量总和的比值，主峰碳则代表原油中含量最高的正构烷烃，一般来说轻重比越高，主峰碳越小，原油品质越好㊂由表5可知，原油在经历低温氧化后，轻重比由原来的2.45减小至2.22，主峰碳由n C 15增加至
n C 17，原油品质略微变差，这与4组分分析数据是一致的㊂另外，奇偶优势通常用奇偶优势比(OEP )来表示，该值明显大于1.0时认为有奇碳优势，明显小于1.0时具有偶碳优势㊂由表5可知:
在低温氧化前后，原油一直保持略呈奇碳优势，比值始终为1.11，表明原油中奇数碳与偶数碳在低温氧化过程中氧化的难易程度相近㊂2.2㊀动态氧化驱替实验
选取氧化特性较好的A1脱水原油样品开展了含油饱和度为64.36%的填砂管空气驱替实验,
