在轻质油藏中空气注入期间静态氧化特性评估及驱替效率分析

为什么用空气驱油很重要

世界上大部分易采油藏已被开采殆尽，留下大量被紧密、顽固岩石束缚的油。这项研究探索了一个低成本方案：使用普通空气而非昂贵的专用气体，将更多轻质油从地下油藏中驱出。通过观察原油在温和温度下与氧缓慢反应的过程，以及这种化学反应如何影响油在岩石中的流动，研究人员说明了在何种条件下空气注入能够成为一种高效且可行的提高产量的手段，尤其适用于低渗油田。

空气：一种廉价的地下助手

传统的增产方法通常依赖水淹或注入二氧化碳等气体。这些技术可能成本高、耗水大或受气源限制。相比之下，空气几乎免费，可就地获取，对远程或缺水地区很有吸引力。当空气被泵入轻质油藏时，空气中的氧在低温氧化过程中与原油发生温和反应，生成额外气体并改变油的组成。本研究聚焦于中国新疆某轻质油藏，考察在什么条件下这种缓慢的化学过程有助于或阻碍额外采油。

在实验室里观察油的缓慢变化

为分离出化学效应，研究团队首先进行了高压“静态”实验：将现场采集的原油封入长加热钢管中，暴露在空气或氧含量较低的空气中数天至数月。随后测量被消耗的氧量、生成的气体、油的密度和粘度如何变化，以及轻组分、中组分和重组分的转变。他们改变了五个关键因素以模拟真实油藏条件：反应时间、岩石含水量、注入气体的氧含量、油中中组分的富集程度，以及是否存在油藏岩石矿物。

当化学反应使油变稠或变稀

结果显示氧—油反应分阶段进行。早期，氧被快速消耗，同时产生二氧化碳，因为油中的轻组分和中组分反应生成更重、更复杂的分子，这会使油变得更密、更粘，可能更难流动。随着最活泼组分被消耗，反应速率趋于减缓。岩石中的水起到刹车作用：在高含水饱和度下，氧与油接触效率降低，因此氧消耗和二氧化碳生成减少，油的性质几乎不变。降低注入气体的氧含量也有类似的抑制作用。向油中富集稳定的中组分同样削弱反应，因为这些分子不易参与氧化。

矿物如何扭转反应方向

在试验中加入细碎的油藏岩石改变了反应图景。岩石中含有具有反应表面的粘土矿物，充当天然催化剂。在这些矿物存在时，氧化反而倾向于将较大的油分子裂解为较小分子，而不是主要生成更重的分子。这种转变增加了中组分的比例，降低了油的密度和粘度——本质上“变轻”了油，使其更易流动。综合比较所有试验条件，研究显示岩石矿物通常会加深并重定向反应，而高含水、低氧和更多中组分则倾向于抑制反应，这不仅影响反应速率，也决定了主要产物的类型。

空气在紧致岩石中的驱替过程

接着，研究人员测试了这些化学发现实际在岩石中随空气流动时的表现。他们使用了涵盖低渗范围的长人工岩心，并模拟真实油藏的压力和温度。先用水淹饱和岩心，再以可控速率注入空气，记录压力、气液产量和采油率。在所有岩心中，空气驱均产生了“油库”：一旦气体突破，随着空气膨胀并重新动员水未能驱出的油，油产量显著上升，包括水无法进入的微小孔隙中滞留的油。

哪些岩石受益最多

渗透率——流体通过岩石的难易程度——被证明至关重要。在最致密的岩心中，气体在微小孔喉处遭遇强阻力，导致压力快速上升并早期形成优先气道，绕过大量油。在同一低渗范围中渗透率稍高的岩心中，气体推进更均匀，延迟了气道化并扫出更多油。在这些岩心中，空气驱在水淹后可额外提高十几个百分点的采收率。作者强调，这种行为不同于中高渗油藏，在那类油藏中更高的渗透率往往会加速不受欢迎的气体突破。

对未来油藏的启示

总体而言，这项研究将缓慢的低温氧化化学与油气在岩石中的大尺度流动联系起来。研究表明，空气注入在某些低渗轻质油藏中尤其有前景，特别是在天然岩石矿物有助于“变轻”油品且渗透率既足以避免严重气体滞留、又足够低以控制气道化的情况下。通过阐明含水量、氧含量、油组分和岩石矿物如何共同影响反应与流动，该工作为何时以及如何使用空气注入以低成本提高顽固油田的采收率提供了框架。

引用: 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

关键词: 空气注入, 低温氧化, 轻质油藏, 提高采收率, 低渗岩石