姜 帅，宋兆杰，李 根，侯吉瑞

(1.中国石油大学(北京)提高采收率研究院，北京 102249；2.温室气体封存与石油开采利用北京市重点实验室，北京 102249；3.石油工程教育部重点实验室，北京 102249；4.振华石油控股有限公司，北京 100031)

轻质油藏注空气提高采收率技术适应性探讨

姜 帅1，2，3，宋兆杰1，2，3，李 根4，侯吉瑞1，2，3

(1.中国石油大学(北京)提高采收率研究院，北京 102249；2.温室气体封存与石油开采利用北京市重点实验室，北京 102249；3.石油工程教育部重点实验室，北京 102249；4.振华石油控股有限公司，北京 100031)

注空气技术是轻质油藏提高采收率的一种有效手段，该技术的驱油机理与地层原油氧化反应息息相关。本文通过调研国内外注空气技术研究，阐述了轻质油藏注空气技术的应用优势，分析了含水饱和度与地层剩余油量对该技术驱油效果的影响，基于氧化反应机理与矿场应用探讨了该技术在轻质油藏的适用性。研究表明：注空气技术适用于水驱后油田进一步提高采收率；地层剩余油量过低会影响注空气驱油效率，此时可通过适当提高注入气中N2含量或向注入气中添加吸附颗粒，来保证原油氧化反应的平稳进行，提高驱油效果。此外，矿场应用中应重视可能发生的气窜问题。

注空气技术；轻质油藏；氧化反应；提高采收率；水驱后油田；剩余油量

注空气驱油被认为是提高原油采收率的有效手段之一，该技术在北美地区已经得到了商业化的应用与推广，对于国内普遍存在的高含水、低渗以及异常高压油藏，注空气技术的适用性仍然有待探讨。由于轻质油藏注空气氧化反应所消耗的油相对较少，同时轻质油的价格高于稠油，因此注空气技术越来越多地应用于轻质油和中等重度油藏。目前轻质油藏注空气技术已经引起了石油研究学者的广泛关注，并开展了大量的室内实验研究。Moore等提出油藏烃类的氧化反应可以划分为低温反应区和高温反应区，不同温度条件下的反应原理与驱油机理存在很大差异[1]。Greaves通过研究指出低温条件下的氧化反应产生一定量的烟道气，可以有效驱替地层中的残余油[2]。高温氧化过程即利用氧化反应的热效应降低原油粘度，从而促进地层中原油的流动。随着注空气技术理论的不断完善，近年来又有学者提出了中温氧化区理论，认为中温区的原油气化-冷凝过程促进了地层原油的流动[3]。由此可知，不同温度条件的原油氧化反应与注空气提高采收率机理及其技术适应性息息相关，因此本文通过充分调研国内外注空气技术理论研究与矿场应用，基于油藏烃类氧化反应原理，开展了轻质油藏注空气提高采收率技术适用性研究与探讨，分析了注空气技术在水驱后油田中的应用前景；针对残余油饱和度较低的油田，提出了稳定氧化反应、提高注空气驱油效率的方法措施；并从油藏工程角度，提出矿场实施注空气技术的安全建议，避免过早气窜所导致的事故隐患。

1 轻质油藏注空气提高采收率技术原理

注空气驱油就是将空气注入到油藏储层，利用氧气与烃类物质氧化反应所产生的烟道气与蒸汽将原油驱替到生产井内。烟道气的主要成分包括CO2及N2的混合物，混合气体产生的推动力，辅助气体溶解、岩石润湿性反转和原油膨胀等原理将原油驱替到生产井中。随着反应的进行，地层中温度不断升高，氧化反应所产生的热效应逐渐占据主导地位，成为提高采收率的主要影响因素。图1为注空气氧化反应原理示意图。

图1 注空气氧化反应原理示意图

由于原油的化学组成十分复杂，随着反应温度的不断升高，空气中氧气与原油烃类的氧化反应呈现明显差异，因此注空气驱油原理主要取决于氧化反应的进程，而氧化反应主要包括三部分：低温氧化反应(LTO)、中温氧化反应(MTO)与高温氧化反应(HTO)。

1)低温氧化是指反应温度介于150～300℃之间时地层原油的一系列氧化反应，整个过程一般为多相反应，氧化产物包括水、大分子氧化物以及少量的烃类氧化物，这些产物并不独立存在，而是作为一种复杂的烃类成分混合在一起，粘性较大且很难挥发。因此，低温条件下重质原油的氧化反应会大大增加原油的粘度，而轻质原油的LTO过程不会使原油粘度显著增加[4]。在注空气过程中，地层中氧气含量逐渐升高，反应后原油混合物的粘度与密度不断增加，从而对原油驱替效率产生不可忽略的影响。在低温氧化过程中，注入空气的传播速度大于氧化反应的推进速度，因此，在氧化反应的同时，会有一定量的空气溶解于地层流体，使得原油体积膨胀。

2)中温氧化过程是指反应温度介于350～400℃、压力适中的氧化反应，此温度压力条件下原油燃烧带附近的原油大量气化，气态原油沿着岩石孔道运移，在生产井附近重新冷凝为液态原油，这一驱油过程也被成为“蒸馏过程”。研究发现，合理的注气速率以及充足的地层压力均有利于促进蒸馏过程。

3)高温氧化过程是指反应温度高于400℃时注入气与地层原油的氧化反应过程。此过程中烃类分子链发生明显的断裂反应，释放大量的热；在反应温度高于450℃后，断裂反应产生的热效应占据主导地位，为火烧油层前沿推进提供所需要的热能，使得原油粘度进一步降低，减小低温氧化过程中原油混合物粘度增加的负面效应，从而促进原油在地层中的流动。

由此可见，轻质油藏注空气的主要驱油机理包括：①氧化反应生成的烟道气驱替原油；②随着反应温度不断升高，原油体积膨胀，粘度降低；③注入气溶于原油使得原油体积膨胀，粘度降低；④蒸馏过程使得原油气化，促进地层中原油流动；⑤氧化反应热效应产生的能量促进原油流向井底。

2 轻质油藏注空气技术特点

2.1 轻油注空气技术的应用优势

迄今为止，对于轻油注空气技术的很大一部分认识是建立在稠油注空气现场应用上。然而当今国际油价持续低迷，重油注空气技术因其较高的成本逐渐失去竞争力。相对而言，轻油注空气的工艺较为简单，且剩余油损失量较少(氧化反应所消耗的燃料仅为剩余油量的5%～10%[5])，因而受到越来越多的关注。轻油注空气技术的应用优势主要体现在以下几方面。

1)CO2驱和蒸汽驱等注气开发方式的注入气价格高昂，而空气气源充足，根据现场试验资料可知，注空气的成本大概在0.0018美元/m3，仅是工业蒸汽的1/6左右，是CO2的1/10左右。因此，注空气技术在生产成本上具有明显的优势[6]。

2)针对致密油或异常高压地层，很难实施注水开采方式，而空气更易于加压，且注入性较好，便于注入低渗、特低渗等物性较差的地层。此外，由于注空气技术的设备为空气压缩机，设备要求相对较低，可以节约操作成本。

3)轻质油发生自燃所要求的条件较低，无需人工点火或其他点火方式，从而可在一定程度上简化矿场注气工艺，提高施工效率。

2.2 轻油注空气驱与烟道气驱技术对比

当注入空气进入油藏后，空气中的氧气与原油烃类成分作用生成一个高温燃烧带并产生大量的烟道气与蒸汽，高温导致燃烧前缘附近的原油汽化并随着烟道气与蒸汽进入下游区(低温区)，然后冷凝形成移动油带并进入生产井中被采出。注空气反应早期是一个重复加压的气驱过程，而在反应后期，热效应则成为了降粘采油的主要影响因素。Clara于2000年提出，如果抛开氧化反应区，剩余反应区的驱油工艺就相当于“烟道气驱采油技术”。Hughes与Sarma于2006年提出轻质油藏高压注空气技术的目的并不是产生多少热量并通过热效应提高采收率，而是利用反应生成的气体形成一定规模的烟道气驱。由此可知注空气驱油的早期阶段气驱采油占据了主导地位，甚至在反应初期，注空气技术就是重复加压的气驱过程，与模拟的烟道气驱采油技术并没有太大差别，但是随着反应的进行，注入气逐渐进入地层孔隙，开始依靠氧化反应的热效应驱油。由于传统烟道气驱的气体发生过程、处理过程均比较复杂，因此注空气技术在成本控制上具有明显优势，并且在驱替地层残余油时，注空气技术在烟道气驱的基础上利用氧化反应的热效应，促使原油膨胀降粘，进一步提高原油采收率。

2.3 轻油注空气与重油注空气技术对比

轻油注空气与重油注空气都可归结为注空气提高采收率技术，但二者在燃烧温度范围、燃烧机理与驱油机理等方面存在诸多不同。针对轻质油藏，通常称为轻油注空气或高压注空气技术，而将针对重质油藏使用的技术称为火烧油层或火驱。火驱过程中利用燃烧产生的热量降低原油的粘度，继而将原油驱替到井底，提高原油采收率。无论是轻油还是重油，注空气的反应过程都包含低温氧化与高温氧化，但是与火驱相比，高温氧化对轻油注空气采收率的影响相对较小，这是因为轻质油的粘度要远远小于重质油，无需过度依赖氧化反应热效应来降粘采油，而低温反应阶段的烟道气驱是轻油注空气提高采收率的主要作用因素。

由于轻质油的H含量要高于重质油H含量，而原油中的H含量决定了反应需要消耗的O含量，因此轻质油藏更易发生低温氧化反应。Moore在2002年提出，无论是重质原油还是轻质原油，驱替原油所需的热量大部分都是由碳键断裂反应产生的。在轻质油藏中，碳键断裂反应在低温条件即可发生，而重质油藏中的碳键断裂反应则主要发生在高温条件。由于火驱技术的驱替效率取决于键断裂反应的反应速度，因此有必要将反应温度控制在键断裂反应速率较大的温度区域，这对提高稠油的采收率很有必要。注空气技术在轻油与重油的应用上存在一定差异，轻油注空气的关键在于LTO过程，重油注空气的关键则在于HTO过程。总的来说，轻质油藏注空气技术对温度条件要求较低，因此相比于重质油藏，轻油更适合应用注空气提高采收率技术[7]。

3 注空气技术效果分析

注空气技术在北美地区已经得到广泛的现场应用，其中包括路易斯安那州West Hackberry油田、北达科他州的MPH区块，南达科他州的Buffalo油田等，注空气技术提高采收率效果非常显著。早在1963年，阿莫科石油公司就在内布拉斯加州的Sloss油田进行了注空气的小规模现场试验，在深井位置采用正向燃烧与水驱采油相结合的采油方法，将该油田的采收率提高到了43%。1979年，在威利斯顿盆地的北达科他区块，对注空气技术进行了第一次商业运作，取得了重大突破。1986年，Medicine Pole Hills油田通过注空气仅用一年时间就将原油采收率提高了3%，并且于1996年最终将采收率提高了14.2%，为油田带来了巨大的经济效益。1987年，Buffalo油田将Williston盆地一侧8000英亩的区块一分为二(WBBRRU与WBRRU)，分别进行注水与注空气开采，研究人员收集了两区块18年的生产历史并进行对比、研究，发现在当时油价仅为不到MYM20/bbl时，注水开采的经济效益是高于注空气开采的；但是随着油价不断升高(高于MYM25/bbl时)，注水施工成本变大、其他开采方式受到限制时，注空气提高采收率技术在注水后油田(特别是低渗、高压油藏)的应用具有相当可观的经济效益。作为注空气历史最悠久的区块，Buffalo油田的注空气项目自1979年开展以来，至2011年已经为油田多采出1700万桶原油，相当于已探明地质储量的9.4%[8-9]。

我国自20世纪80年代以来，针对注空气提高采收率技术做了大量研究，1977～1978年在胜利油田开展了空气-泡沫驱油现场试验，取得了一定的效果。1982年大庆油田在小井距北井组萨Ⅱ7+8层进行了“正韵律油层注水后期注空气矿场试验”，取得了一定的效益。1996年以来，广西百色油田分别开展了纯空气-泡沫驱油实验、空气-泡沫段塞驱油实验以及泡沫辅助-空气驱油实验，同时对注空气技术的安全性进行了分析与检测，节约了大量的成本，获得了显著的经济效益，投入产出比为1∶5。2003～2004年吐哈油田与辽河油田分别进行了部分矿场试验研究，论证了注空气技术在低渗透油田的可行性。这些研究为国内注空气技术领域积累了大量的矿场经验。

3.1 注空气技术在水驱后油田的应用前景

注水驱替是我国油田最主要的开发方式，经过几十年的水驱开采，大庆、胜利和大港等主力油田已普遍进入高含水甚至特高含水期开发阶段。我国已投产油田的水驱采收率在33%左右，表明水驱后仍有大量的剩余油滞留在地层中。据统计，国内含水率超过80%、已进入高含水开发后期的油田可采储量仍占全国总量的73.1%，其原油产量仍占全国总产量的70%以上。这就需要石油工作者进一步挖掘高含水油田开发潜力，提高原油采收率，保持油田稳产增产[10]。

近几年，轻质油藏高压注空气技术研究表明，注空气技术在中高含水油田具有广泛的应用前景[11]。1995年，Sakthikumar等开展了16组水驱后岩芯的注空气驱替实验，得到了临界温度、临界压力等数据，并在生产历史拟合的基础上，证明HPAI在水驱后可以进一步增加原油产量，提高原油采收率。2005年，Pascual等利用阿根廷某水驱后油田岩芯进行了实验测试，并结合数值模拟运算，证实注空气技术适用于该水驱后油田进一步提高采收率。2006年，Teramoto等用压碎的岩芯进行水驱后CT实验，发现岩芯中未被消耗掉的剩余油都被驱替出岩芯，样本中的剩余油量几乎为零，这表明注空气技术在高含水轻质油藏中是可行的。2006年，Onishi等基于HPAI室内实验，测试表明水驱后油田含水饱和度对原油的氧化反应性质并无影响，岩样性质相同的条件下，含水饱和度并不直接影响剩余油消耗量与原油的采收率[12]。综上可知，注空气技术可以作为一种有效的三次采油技术，进一步提高水驱后油田的原油采收率。

3.2 剩余油含量对注空气技术应用的影响

目前，轻油HPAI技术已经是被广泛接纳的提高采收率技术之一，而HPAI技术成功与否的关键就在于地层中的剩余油量是否充足。地层中、剩余油含量越多，原油的采收率也越高；相反，如果地层剩余油量无法满足氧化反应的消耗，那么整个地层的原油采收率提升量几乎为零。因此，地层剩余油饱和度与注空气技术的效果息息相关，一旦油藏剩余油饱和度较低，或是地层原油消耗过快，无法为注空气过程的氧化反应提供充足的燃料，原油最终采收率就会受到影响。

为了了解注空气的反应机理，Y Barzin等曾利用数值模拟方法建立了相关反应动力学模型用来研究注空气氧化反应动力学[13]；Kenmore油田也对原油取样进行一系列的PDSC实验与CT实验。在这些理论与实验结论的基础上可以发现：在原油的氧化过程中，不同温度条件下存在各自的放热峰值温度，空气下的氧化放热峰值温度明显高于纯氧下的放热峰值温度。这是因为空气中含有79%的氮气，氮气在一定程度上起到了降低氧化反应速率的作用，使得氧化反应放出了更多的热量[14]。

随着氧化反应的不断进行，原油在300℃左右就会损失98%左右的质量，而相同条件下原油-岩屑混合样本的质量损失为87%，并且实验室模拟原油-岩屑混合样本的反应最终剩余量也要多于原油样本的剩余量。这是因为反应过程中岩屑的表面吸附了大量的原油，使得氧化的过程更为缓慢，整体反应放出了更多的热量，相应放热反应区域的整体温度也越高[15]。

由此可知，如果高压注空气技术(HPAI)在油田残余油饱和度较低的现有条件下无法进一步提高原油采收率，可以在上述实验结论及推论的基础上尝试采用以下方法：①适当调整注入气中各组分的配比，提高N2等气体含量，这样既可以保证氧化反应平稳进行，提高注空气的驱油效率，还可以减少油田开发过程中的安全隐患；②向注入空气中加入适量吸附剂颗粒，利用注入气进入地层与原油接触时发生吸附作用，一定程度上减缓剩余油的消耗，而且可以保证原油氧化反应的平稳进行，有助于油田开发。

3.3 HPAI在应用中的气窜问题

一直以来，尽管石油工作者普遍认为高压注空气技术(HPAI)不仅在理论上可行，并且可以为油田带来可观的经济效益，但是根据大量的实验室研究及目前已有的现场应用可以了解到，高压注空气技术在应用过程中仍然存在一定的安全隐患。这是因为，在开发低渗、特低渗等特殊油田时，必须进行高压注气作业，而高压气体在井筒以及地层中极易发生气窜，另外收到地层非均质性的影响，气体在多孔介质中的渗流不受控制，一旦空气中的氧气突破油水界面进入生产井，或与烃气在油层外混合，随着生产井中含氧量的急剧上升，一旦没有及时关闭井口，就会造成严重的后果。1997年美国一口注气井就因为长时间暂停注气之后混合气体回流，重新开井施工时发生起火事故。即便发现隐患，及时关闭井口，也会因连续停产对油田的生产造成巨大影响。

为了防止注入气过早突破油相，影响生产，危及安全，可以采取如下措施。①合理控制注气速率以增加流体的垂向驱替效率。注气速率是影响HPAI提高原油采收率的重要因素，注气速率过高会导致注入气流通通道变大，这样不仅会对产出气的处理带来困难，还会加速机械腐蚀，影响驱油效率；而注入速率过低则不足以维持油带的燃烧，使注空气驱油难以继续进行(Nelson与McNeil给出最低注气速率应不低于125ft/d)。②充分考虑生产井的完井设计。由于重力分异作用，注入的空气倾向于沿储层上部层位运移，如果生产井在储层下部层位完井，那么注入气的突破时间将会延迟，从而延长整个生产周期。③优先考虑直线排状井网实施注气作业。因为注入气与燃烧油带会在地层产生径向流动，相比于五点和九点井网等，直线排状井网能够更合理的控制注入气的流动通道，使得注入气在地下形成一个稳定的流动过程，有利于油带更快的到达生产井，每当火烧前缘到达生产井时都需要关井停产一段时间，会对油田生产造成影响，因此，油带更快地到达生产井有利于提高油田采收率。

4 结 论

1)轻质油藏注空气技术具有气源充足且成本低、注入性好、自燃要求条件低、剩余油消耗量小等优点，因此相比于火驱，其应用前景更为广阔。

2)调研室内实验与数值模拟研究结果表明，油藏含水饱和度对氧化反应、剩余油消耗以及最终采收率的影响较小，注空气技术可以作为水驱后轻质油藏进一步提高采收率的有效手段。

3)地层中的剩余油量是决定HPAI技术成功与否的关键。通过分析前人实验结论认为，在油田残余油饱和度较低条件下，可以通过适当提高注入气中N2含量或向注入气中加入适量吸附剂颗粒，来减缓氧化反应对剩余油的消耗，保证反应的平稳进行，提高注空气的驱油效率。

4)高压注空气过程中极易发生气窜，进而造成生产井含氧量急剧上升，甚至井口爆炸等严重后果。实施注空气技术应当充分考虑生产井完井位置，合理控制注气速率，此外直线排状井网更利于注入气在地层中形成稳定的流动过程。

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Feasibility study on high-pressure air injection for EOR in light oil reservoirs

JIANG Shuai1，2，3，SONG Zhaojie1，2，3，LI Gen4，HOU Jirui1，2，3

(1.Research Institute of Enhanced Oil Recovery，China University of Petroleum，Beijing 102249，China；2.Beijing Key Laboratory for Greenhouse Gas Storage and Enhanced Oil Recovery，Beijing 102249，China；3.MOE Key Laboratory of Petroleum Engineering，Beijing 102249，China；4.China Zhenhua Oil Co.，Ltd.，Beijing 100031，China)

Air injection has been considered to be an effective enhanced oil recovery(EOR)process for light oil reservoirs.During the process，compressed air is injected into a high-temperature light-oil reservoir，and the oxygen in injected air is intended to react with a fraction of reservoir oil and results in an in-situ generation of flue gases and steam.Therefore，the residual oil that is immobilized by water flooding could be driven towards producer wells.The displacement mechanisms are highly related to the oxidation behavior of crude oil.Relevant studies were involved in this paper to discuss the merits of high-pressure air injection (HPAI) in light oil reservoirs，and to demonstrate the influence of water saturation and residual oil volume on displacement efficiency.According to the investigation，a feasibility study of HPAI was conducted based on the oxidation mechanisms associated with field applications.The results shows that air injection could be technically applied for EOR in water flooded reservoirs，especially in those highly water-saturated reservoirs.An insufficient residual oil volume could universally lead to low displacement efficiency；under this circumstance，adding an appropriate content of nitrogen or absorbing particles into injected air could stabilize oxidation reaction and thus improve displacement efficiency.In addition，there still exists sorts of security concerns during field applications，so more emphases should be placed on the air breakthrough in the producers.

air injection process；light oil reservoir；oxidation reaction；enhanced oil recovery (EOR)；waterflooded reservoir；residual oil volume

2016-02-10

国家自然科学基金青年科学基金项目“缝洞型油藏多相流体流动规律与剩余油形成机理研究”资助(编号：51504268)；中国石油大学(北京)科研基金“缝洞型碳酸盐岩油藏提高采收率技术研究”资助(编号：2462014YJRC053)

姜帅(1992-)，男，硕士研究生，主要从事提高采收率与油气藏工程方面的研究，E-mail：2240860163@qq.com。

TE357.7

A

1004-4051(2016)12-0082-05