Оценка характеристик статической окисляемости и анализ эффективности вытеснения при закачке воздуха в месторождениях лёгкой нефти

Почему важно вытеснять нефть воздухом

Большая часть лёгко добываемой нефти уже извлечена, и теперь остаются большие объёмы, заключённые в тугих, неподатливых породах. В этом исследовании рассматривается недорогая идея: использование обычного воздуха, а не дорогих специализированных газов, чтобы извлечь больше лёгкой нефти из подземных резервуаров. Наблюдая, как сырая нефть медленно реагирует с кислородом при умеренных температурах и как эта химия влияет на течение нефти в породе, авторы показывают, при каких условиях закачка воздуха может быть эффективным и практичным способом повысить добычу в низкопроницаемых пластах.

Воздух как дешёвый помощник в недрах

Традиционные методы дополнительной добычи нефти чаще опираются на затопление водой или закачку газов, таких как углекислый газ или попутный газ. Эти методики могут быть затратными, требовать больших объёмов воды или ограничиваться доступностью газа. Воздух, напротив, почти бесплатен, доступен на месте и привлекателен для удалённых или бедных водными ресурсами районов. При закачке воздуха в пласт кислород реагирует с нефтью в процессе, называемом низкотемпературным окислением, образуя дополнительные газы и изменяя состав нефти. В исследовании изучается лёгкое нефтяное месторождение в Синьцзяне (Китай) и выясняется, при каких условиях эта «тихая» химия помогает или мешает извлечению нефти.

Наблюдение за медленными превращениями нефти в лаборатории

Чтобы выделить химический эффект, команда сначала провела высоко‑давленные «статические» эксперименты: сырую нефть из месторождения помещали в длинную нагреваемую стальную трубку и в течение дней–месяцев экспонировали её воздуху или обеднённому кислородом воздуху. Затем измеряли потребление кислорода, образующиеся газы, изменения плотности и вязкости нефти и смещение долей лёгких, средних и тяжёлых фракций. В экспериментах варьировали пять ключевых факторов, имитирующих реальные пластовые условия: время реакции, водонасыщение пород, содержание кислорода в закачиваемом газе, насыщенность нефти среднефракционными компонентами и присутствие минералов пластовой породы.

Когда химия делает нефть гуще или легче

Результаты показывают, что реакция кислород–нефть идёт ступенчато. На ранних стадиях кислород расходуется быстро, образуется углекислый газ, поскольку лёгкие и средние фракции нефти реагируют с образованием более тяжёлых, более сложных молекул. Это увеличивает плотность и вязкость нефти — потенциально затрудняя её подвижность. Со временем, по мере выгорания наиболее реакционноспособных компонент, процесс замедляется. Наличие воды в породе действует как тормоз: при высокой водонасыщенности кислороду и нефти труднее встретиться, поэтому и расход кислорода, и генерация CO2 снижаются, а свойства нефти изменяются мало. Снижение содержания кислорода в закачиваемом газе оказывает подобный гашащий эффект. Обогащение нефти стабильными среднеразмерными компонентами также ослабляет реакцию, так как эти молекулы менее склонны к окислению.

Как минералы могут изменить ход реакции

Добавление тонко раздробленной пластовой породы в опыты изменило картину. Порода содержит глинистые минералы с реакционноспособными поверхностями, которые действуют как природные катализаторы. В их присутствии окисление смещалось от образования преимущественно более тяжёлых молекул к расщеплению крупных молекул на более мелкие. Это увеличивало долю средних фракций и снижало плотность и вязкость нефти — по сути «облегчая» нефть и улучшая её текучесть. Сопоставление всех условий показывает, что минералы породы склонны усиливать и перенаправлять реакцию, тогда как вода, пониженный уровень кислорода и большее содержание средних компонентов её успокаивают, влияя не только на скорость реакции, но и на доминирующие продукты.

Закачка воздуха через тугопроницаемую породу

Далее исследователи проверили, как эти химические выводы проявляются при фактическом движении воздуха через породу. Были использованы длинные искусственные керны, охватывающие диапазон низких проницаемостей, при имитации пластового давления и температуры. После предварительного затопления кернов водой в них закачивали воздух с контролируемой скоростью и отслеживали давление, газо‑ и жидкоотдачу, а также нефтевыдачу. Во всех кернах закачка воздуха формировала «нефтяной банк»: после прорыва газа добыча нефти резко возрастала, поскольку расширяющийся газ мобилизовал нефть, оставшуюся после воды, в том числе нефть, запертую в микропорах, недоступных для воды.

Какие породы выигрывают больше

Проницаемость — лёгкость, с которой флюиды движутся в породе — оказалась критичным фактором. В самых тугих кернах газ сталкивался с сильным сопротивлением на узких горловинах пор, что вело к сильному росту давления и раннему формированию предпочитаемых газовых каналов, огибавших значительную часть нефти. В слегка более проницаемых кернах в том же низкопроницаемом диапазоне газ продвигался более равномерно, отодвигая явление канализации и вымывая больше нефти. В таких кернах закачка воздуха давала дополнительные десятки процентных пунктов к охвату после затопления водой. Авторы подчёркивают, что это поведение отличается от средне‑ и высокопроницаемых пластов, где высокая проницаемость чаще ускоряет неблагоприятный ранний прорыв газа.

Что это означает для будущих месторождений

В целом работа связывает медленную низкотемпературную химию окисления с крупномасштабным движением нефти и газа в породе. Показано, что закачка воздуха может быть особенно перспективной в определённых низкопроницаемых месторождениях лёгкой нефти, особенно там, где природные минералы породы способствуют «облегчению» нефти, и где проницаемость достаточна, чтобы избежать серьёзной локализации газа, но всё ещё невелика для контроля канализации. Проясняя, как водонасыщение, уровень кислорода, состав нефти и минералы породы направляют и реакции, и поток, работа предлагает рамки для принятия решений о том, когда и как использовать закачку воздуха для дешёвого повышения нефтеотдачи в труднодоступных месторождениях.

Цитирование: Liu, Z., Yang, B., Zhang, S. et al. Evaluation of static oxidation characteristics and analysis of displacement efficiency during air injection in light oil reservoirs. Sci Rep 16, 12640 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40187-1

Ключевые слова: закачка воздуха, низкотемпературное окисление, месторождение лёгкой нефти, повышение нефтеотдачи, низкопроницаемые породы