0 引言
整体来说目前对于轻质原油注空气技术的研究主要集中于低温氧化特征[18⇓⇓⇓⇓-23]、原油空气反应产物[3,24 -25]、烟道气驱机理[26⇓⇓-29]和生产动态规律[16-17]等方面，缺乏对稀油注空气提高采收率机理的深刻认识，尤其对高温和热效应提高稀油采收率机理缺乏深入研究[30]。针对这些问题，笔者前期对稠油、稀油、挥发油[31]以及凝析油等不同类型原油开展了一维热氧化驱对比实验，实验结果表明，在高压条件下稀油注空气也能充分消耗氧气产生烟道气（约含85% N2和15% CO2），形成和稠油火驱一样稳定的热氧化前缘，稀油油藏可以安全高效注入空气驱油。但随着原油重质组分减少、黏度降低，其热氧化前缘特征发生了显著的变化：①热氧化前缘温度显著降低，从稠油的500~700 ℃降低到稀油的350~450 ℃、挥发油的260~300 ℃、凝析油的220~250 ℃，氧化燃料也从稠油的固态结焦物变为轻质油的残余液相重质组分；②升温降黏开发特征越来越弱，热蒸馏相变特征越来越明显[32]，稀油、挥发油和凝析油由于热蒸馏相变，大部分被原油与烟道气组成的高温热混相前缘驱替到生产端产出，最终驱油效率均超过90%，达到了混相驱替的驱油效率。
笔者基于对实验结果的分析，通过相态模拟计算发现烟道气驱替过程中在轻质油藏热氧化前缘实现了原油与烟道气的超临界混相，据此提出了空气热混相驱的理念[31]。但是目前在空气热混相驱过程中是否真正实现了烟道气与原油的混相没有得到验证，且存在对其混相规律和特征认识不清等问题。针对这些问题，笔者在一维空气热氧化管驱替实验认识的基础上，基于对稀油注空气热氧化前缘生成的烟道气组分的合理假设，借鉴CO2混相驱细长管混相压力实验流程并升级实验设备，开展不同温度、压力条件下烟道气与不同类型轻质原油的混相实验，对烟道气与轻质原油的热混相规律进行研究，以期加深对注空气生热驱油机理的认识，为轻质油藏注空气热混相驱提供实验和理论依据。烟道气高温条件下的混相机理研究对于拓展混相驱理论，发展低CO2含量的烟道气高效驱油/埋存技术也具有理论和应用指导意义。
1 轻质原油热混相机理室内实验
1.1 实验材料
本次实验共选取了3种有代表性的脱气原油油样进行对比研究：①吉林油田莫里青油藏常规稀油油样，地面脱气原油黏度为7 mPa·s，地下原油黏度为2 mPa·s，溶解气油比为80 m3/m3；②塔里木盆地柯克亚油田挥发油油样，地面脱气原油黏度为5 mPa·s，地下原油黏度为1 mPa·s，溶解气油比为280 m3/m3；③塔里木盆地柯克亚油田气顶凝析油油样，地面脱气原油黏度为2 mPa·s，地下原油黏度为0.7 mPa·s，凝析气藏凝析油含量为500 g/m3。
本次实验使用气体为工业纯二氧化碳和氮气，其纯度大于99%，通过控制二氧化碳和氮气的注入速度配制成前者占比为15%、后者占比为85%的烟道气。
1.2 实验装置
本次实验装置主要包括耐高温细长管模型系统、注入系统、温度压力控制系统和测量及尾气处理系统（见图1 ）。①细长管模型系统：细长管模型内径为4 mm，长度为2 084 cm，内部填充粒径75 μm（200目）石英砂，渗透率为1 500×10-3 μm2。②注入系统：主要包括气瓶、气体质量流量控制器、ISCO泵和高温高压活塞容器等设备，其主要功能是保证实验中模型充分饱和原油、确保注入气体量的精确控制以及完成实验后的管线清理工作。气体质量流量控制器精度为±0.2%，ISCO泵的精度为±0.5%。③温度压力控制系统：主要包括恒温烘箱和回压调节阀，可以提供稳定的温度、压力等实验环境。恒温烘箱的控温精度为±1.0 ℃，回压调节阀的控压精度为±0.01 MPa；④测量及尾气处理系统：主要包括压力表、气量计、收集装置（量筒及电子天平）、气液分离器和尾气处理装置，可以保证实验数据的精确收集和实验人员的安全。电子天平量程为200 g，感量为0.01 mg，压力表精度为0.25级，气量计精度为0.05 cm3。
1.3 实验设计与步骤
本次实验主要目的为探究升温热作用条件下不同类型原油与烟道气混相规律，为此共设计完成2类共32组实验。表1 中实验方案以莫里青原油为研究对象，研究同一种常规稀油烟道气最小混相压力随温度变化规律；表2 中实验方案以莫里青稀油和柯克亚挥发油/凝析油为研究对象，研究常规稀油、挥发油、凝析油在相同压力条件下对应的最小混相温度。
表1 莫里青稀油细长管混相实验设计方案 |
| 编号 | 原油类型 | 实验压力/MPa | 实验温度/℃ | 注入流体 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 莫里青稀油 | 20，25，30，35，40 | 100 | 15%CO2+85%N2 |
| 2 | 莫里青稀油 | 20，25，30，35，40 | 250 | 15%CO2+85%N2 |
| 3 | 莫里青稀油 | 20，25，30，35，40 | 300 | 15%CO2+85%N2 |
| 4 | 莫里青稀油 | 15，20，25，30 | 350 | 15%CO2+85%N2 |
| 5 | 莫里青稀油 | 15，20，25 | 400 | 15%CO2+85%N2 |
表2 莫里青稀油、柯克亚挥发油/凝析油细长管混相对比实验设计方案 |
| 编号 | 原油类型 | 实验压力/MPa | 实验温度/℃ | 注入流体 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 莫里青稀油 | 20 | 250，300，350，400 | 15%CO2+85%N2 |
| 2 | 柯克亚挥发油 | 20 | 250，300，350 | 15%CO2+85%N2 |
| 3 | 柯克亚凝析油 | 20 | 150，200，250 | 15%CO2+85%N2 |
每组实验的具体步骤如下。
①清洗细长管模型与试压。将细长管模型恒温在50 ℃，使用石油醚清洗细长管模型，直至细长管出口端产出流体全部为石油醚时停止，以保证细长管完全清洗干净。然后利用干燥的高压氮气吹干细长管内部，并进行1 h的试压，若压降小于0.05 MPa说明模型密封性良好。
②细长管模型饱和原油。细长管模型清洗完毕后调整温度压力控制系统至实验温度和压力，然后以1 mL/min的驱替速度使用ISCO泵将活塞容器中的原油缓慢注入细长管模型，直至细长管出口端产出流体均为原油时停止，此时细长管模型饱和原油完毕。
③气体驱替。在实验温度、压力条件下，将氮气与二氧化碳按照体积比85∶15在气体活塞容器中充分混合，然后以0.2 mL/min的恒定速度驱替细长管模型中的原油，当累计注入量大于1.2 PV且不再产油后停止驱替。
④相关参数的计算与测量。在气体驱替过程中每间隔2 min记录1次产出液的体积与质量，计算阶段产油速率和累计采收率，并记录和整理实验数据。
2 实验结果及分析
2.1 莫里青稀油细长管混相实验
2.2 莫里青稀油、柯克亚挥发油/凝析油细长管混相对比实验
研究表明，由于大分子链胶质和沥青质含量较高，稠油在高温火驱一维驱替实验中会出现结焦现象，最终驱油效率一般小于85%[35]，说明稠油在注空气开发的过程中不能实现混相驱替，升温降黏为其主要开发机理。因此本文不对稠油的热混相状态与条件进行讨论。
为了分析温度对轻质原油混相的影响，本文将一定压力条件下细长管驱油实验注入1.2 PV烟道气时驱油效率达到90%的温度点定义为该压力条件下的最小混相温度。实验测试表明，莫里青稀油、柯克亚挥发油和凝析油在20 MPa下的最小混相温度分别约为390，310，220 ℃（见图6 ），说明原油越轻、所含C20以下的轻质组分越多（见表3 ），相同压力条件下实现混相所需要的温度越低，越容易实现混相驱替，越适宜于注空气开发，注空气开发效果越好。
2.3 讨论
对莫里青稀油细长管混相实验数据进行回归和计算，得到100，250，300，350，400 ℃下最小混相压力分别约为123.9，54.2，40.5，24.5，19.5 MPa，由此可得如图8 所示的最小混相压力与温度关系曲线。可以看出，温度上升到200 ℃以上时，烟道气与莫里青稀油混相压力明显下降，说明提高温度是促进原油混相的有效方法。该实验结果不同于以往认为的以氮气为主的烟道气不能与原油发生混相的固有观点，加深了对热作用条件下混相效果的认识。本次实验中，在实验设备允许的温度压力范围之内，没有找到烟道气随着温度的增大最小混相压力先增加后变小的拐点。从理论上来说，烟道气最小混相压力也应该具有与CO2最小混相压力类似的变化规律，存在最小混相压力随温度变化的拐点。但对于以氮气为主的烟道气来说，由于氮气的临界温度和临界压力（-146.95 ℃，3.39 MPa）较CO2（31.1 ℃，7.38 MPa）在饱和压力-温度关系图上的位置更加靠左，因此其与原油的最小混相压力-温度曲线拐点理论上也应向左偏移，这一点仍需进一步开展实验和理论验证。
轻质原油与烟道气混相驱替机理和规律与传统CO2混相驱有很大的区别，CO2混相驱是通过高压实现接触抽提混相，更多表现出单相液相的特点，而轻质原油与烟道气热混相体现的是高温高压条件下的超临界相变状态，表现出更多气相相变特征。但是，目前对于烟道气与轻质原油混相的组分相变作用特征、微观作用机理仍需开展高温高压可视化实验研究，进一步明确热作用条件下混相组分相变作用机理。
3 结论
烟道气在高温高压条件下可以实现对轻质原油的混相驱替，当温度升高到一定条件时最小混相压力大幅度降低。在相同压力条件下，随着温度升高，烟道气的驱油效率呈现出先平稳增加，再急速增加，后缓慢增加的趋势。驱油效率随温度急速增加阶段与稀油轻质组分随温度的蒸馏相变有着密切关系。相同压力条件下，混相后温度越高，轻质原油与烟道气的混相效果越好，温度升高驱油效率仍可持续增加。
相同压力条件下，烟道气与轻质原油最小混相温度随着原油中轻质组分含量增加而下降，说明原油中轻质组分越多，其越易发生混相，越适宜于注空气开发，注空气热混相驱效果越好。