化學(xué)驅(qū)提高油氣采收率方法綜述

王佳瑋，徐守余

（中國(guó)石油大學(xué)（華東）地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580）

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化學(xué)驅(qū)提高油氣采收率方法綜述

王佳瑋，徐守余

（中國(guó)石油大學(xué)（華東）地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580）

隨著越來(lái)越多的油藏進(jìn)入高含水開采階段，如何提高油氣采收率現(xiàn)已成為國(guó)內(nèi)外石油行業(yè)探索研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。提高采收率的方法包括化學(xué)驅(qū)、氣驅(qū)和熱力采油等。其中，化學(xué)驅(qū)油技術(shù)具有堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，并已得到廣泛應(yīng)用。對(duì)三種常用的化學(xué)驅(qū)方法作簡(jiǎn)要介紹，并結(jié)合應(yīng)用實(shí)例分析了化學(xué)驅(qū)目前面臨的主要問(wèn)題及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

化學(xué)驅(qū)；提高采收率；稠油油藏

化學(xué)驅(qū)油技術(shù)的本質(zhì)是將化學(xué)劑置于水溶液中，使注入流體的動(dòng)力學(xué)特性以及與原油之間相互作用的物理化學(xué)特性得到改善，從而達(dá)到提高油氣采收率的目的。在國(guó)內(nèi)油藏開發(fā)中，化學(xué)驅(qū)油技術(shù)已獲得廣泛應(yīng)用，是提高采收率的有效手段。該項(xiàng)技術(shù)由堿水驅(qū)、聚合物驅(qū)等方法共同推動(dòng)，實(shí)際處理階段作用十分明顯。其中，表活劑驅(qū)和堿水驅(qū)提升油氣采收率的機(jī)理是通過(guò)降低存在于油水界面的張力；聚合物驅(qū)則通過(guò)減小水油流度比、增大驅(qū)替介質(zhì)的波及系數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)油氣采收率的提高。

1　聚合物驅(qū)油技術(shù)

1.1技術(shù)原理

傳統(tǒng)的注水開發(fā)會(huì)產(chǎn)生非常明顯的指進(jìn)現(xiàn)象。這是因?yàn)樵谒?qū)過(guò)程中，水油的流度比非常大，因此無(wú)法通過(guò)水驅(qū)波及到大量原油。驅(qū)替液的波及系數(shù)一般隨著黏度的上升而上升，而驅(qū)油效率隨著波及系數(shù)的上升而提高。通過(guò)加入水溶性聚合物，使驅(qū)替液的黏度增大、水油的流度比減小，這就是聚合物驅(qū)油技術(shù)的作用原理。與此同時(shí)，在驅(qū)替過(guò)程中，水相的相對(duì)滲透率也會(huì)降低，其原因在于聚合物會(huì)粘著在儲(chǔ)層巖石的表面，從而使水相流度進(jìn)一步降低。

1.2存在的問(wèn)題

調(diào)研相關(guān)文獻(xiàn)可知，聚合物驅(qū)有一定的適用條件。當(dāng)原油黏度＞200 mPa·s時(shí)，聚合物溶液在地面及地下的流動(dòng)阻力較大，驅(qū)油效果并不理想。而我國(guó)稠油儲(chǔ)量十分可觀，如塔河油田、遼河油田等均蘊(yùn)含豐富的稠油資源。對(duì)于稠油，常用的開采方法是熱力采油；然而，在油層較?。ǎ?0 m）、埋深較大（＞1 000 m）或者存在邊底水的情況下，由于熱量損失過(guò)多，熱采的開采效率受到很大制約。因此，為了提高稠油采收率，仍需用到非熱采的聚合物驅(qū)方法。

1.3稠油聚合物驅(qū)技術(shù)

稠油黏度往往能達(dá)到上千mPa·s，因此所選擇的聚合物溶液濃度必須達(dá)到一個(gè)極高的標(biāo)準(zhǔn)，方可使水油流度比得到控制。Wang與Dong等［1，2］在室內(nèi)條件下，對(duì)聚合物溶液合理黏度與采收率間的關(guān)系進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)分析。研究發(fā)現(xiàn)，聚合物溶液的合理黏度存在最大值和最小值。如果位于合理區(qū)間內(nèi)，那么隨著黏度逐漸上升，必將引起石油采收率顯著提高；如果位于該區(qū)間外，溶液黏度的上升并不會(huì)造成采收率出現(xiàn)明顯變化（圖1）。除此之外，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比可知，聚合物溶液的初始黏度增大時(shí)，合理黏度的最大值及最小值同樣呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，并且在雙對(duì)數(shù)圖中表現(xiàn)為線性關(guān)系。

圖1　注入濃度對(duì)采收率的影響Fig.1 Effect of injection concentration on oil recovery

Wassmuth等［3］通過(guò)油藏模擬，對(duì)黏度在300～1 600 mPa·s范圍內(nèi)的稠油，分別采用水驅(qū)和聚合物驅(qū)的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示，以水驅(qū)方式添加1 PV水，采出液含水比例超過(guò)90%；但當(dāng)添加了0.5 PV黏度為50 mPa·s的聚合物段塞時(shí)，采收率隨之增加20%。該現(xiàn)象表明，在條件合理的前提下，聚合物驅(qū)與水驅(qū)的驅(qū)油效率相比較而言，前者相當(dāng)于后者的兩倍（圖2）。

圖2　注入量對(duì)采收率的影響Fig.2 Effect of injection rate on oil recovery

國(guó)內(nèi)也有許多學(xué)者選擇稠油油藏聚合物驅(qū)這一課題開展室內(nèi)研究和礦場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。由于我國(guó)的稠油油藏具有埋藏較深、儲(chǔ)層壓力較大等特點(diǎn)，造成注聚技術(shù)無(wú)法發(fā)揮出最佳效果。許家峰、程林松等［4］以稠油油藏超高分子聚合物驅(qū)為分析對(duì)象，利用物理實(shí)驗(yàn)?zāi)M和油藏?cái)?shù)值模擬，對(duì)其進(jìn)行有效性評(píng)估。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)于超高分子、中分子和一般這三類形態(tài)而言，超高分子聚合物無(wú)論黏彈性或可靠性均更具優(yōu)勢(shì)，能夠快速清除盲端殘留油，提升驅(qū)油性能。同水驅(qū)相比較，超高分子的聚合物驅(qū)對(duì)稠油采收率增幅為27.2%，有明顯的提升，尤其是將整體段塞置入同段塞聯(lián)合模式進(jìn)行對(duì)比，效果更佳；同時(shí)，當(dāng)驅(qū)替相和被驅(qū)替相黏度比達(dá)到3后，作用最為明顯。

張賢松等［5］運(yùn)用數(shù)模的技術(shù)，對(duì)聚合物驅(qū)作用于國(guó)內(nèi)陸相沉積稠油油藏時(shí)的油藏性質(zhì)進(jìn)行了細(xì)致的研究，分析的主要參數(shù)有儲(chǔ)層的非均質(zhì)性以及原油的黏度等等。他通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，如果要將聚合物驅(qū)有效地作用于陸相沉積稠油油藏，其滲透率最小值必須大于500×10-3μm2，地下原油黏度有效值不可低于100 Pa·s，采取聚合物驅(qū)的時(shí)機(jī)不可于含水率達(dá)到70%后，這樣便能保證增油指標(biāo)合理。一方面能夠防止后期水驅(qū)時(shí)地層破裂，另一方面能夠明顯增強(qiáng)水驅(qū)作用，減少注聚開發(fā)時(shí)存在的風(fēng)險(xiǎn)。只有上述油藏性質(zhì)滿足相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，才能使聚合物驅(qū)油發(fā)揮作用。

此外還有研究表明，如果經(jīng)濟(jì)條件允許，同時(shí)采用聚合物驅(qū)和水平井兩項(xiàng)技術(shù)，可以明顯提高稠油油藏的采收率?；谟筒丨h(huán)境的特性，選取最適合的聚合物濃度以及最佳的注入?yún)?shù)，同時(shí)利用水平井技術(shù)增強(qiáng)其注入效率，這種“雙管齊下”的技術(shù)模式極具市場(chǎng)前景。

2　堿水驅(qū)油技術(shù)

2.1技術(shù)原理

堿水驅(qū)的含義是向油層中注入堿性試劑，利用堿和原油內(nèi)部有機(jī)酸發(fā)生反應(yīng)得到表面活性劑，以此控制油水界面張力，讓原油快速轉(zhuǎn)變?yōu)槿闋钜?。目前?yīng)用最為普遍的堿劑為氫氧化鈉，其他堿劑如碳酸氫鈉、碳酸鈉、氫氧化銨等，也可用于堿水驅(qū)油中。

2.2應(yīng)用研究

Mayer等［6］對(duì)注入油藏地層的堿劑與儲(chǔ)層巖石及其流體間的反應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，包括堿與油的反應(yīng)，堿與水的反應(yīng)以及堿與巖石的反應(yīng)這三個(gè)方面。Johnson［7］對(duì)堿水驅(qū)提高采收率的原理作了歸類與說(shuō)明，即水濕反轉(zhuǎn)為油濕、油濕反轉(zhuǎn)為水濕、乳化攜帶與乳化捕集四種類型。而由于水驅(qū)稠油階段，波及系數(shù)往往偏小，乳化捕集的原理在稠油開采中的作用更為明顯。

Campbell等［8］對(duì)比了Huntington Beach油田注入硅酸鈉和氫氧化鈉堿溶液而造成不同的剩余油采收率進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。所有實(shí)驗(yàn)組的注入流體內(nèi)全部添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.75%的氯化鈉。結(jié)果顯示，如果注入溶液的濃度和體積一致，無(wú)論注入方式為持續(xù)式或段塞式，硅酸鈉溶液的驅(qū)油效果明顯好于氫氧化鈉溶液。不僅如此，所添加的氯化鈉濃度會(huì)使油水間界面張力發(fā)生變化，由此可以確定最合理的氯化鈉濃度值。

Scoot等［9］以Lloydminster稠油為對(duì)象，研究了氫氧化鈉堿劑的性質(zhì)以及其與油水界面張力變化之間的關(guān)系。如果堿劑的pH值處于9～11之間，油水的界面張力將快速減小。當(dāng)氫氧化鈉溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升時(shí)，界面張力將隨之下降；若質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.005%，界面張力不會(huì)超過(guò)1 mN/m。還有實(shí)驗(yàn)證明，溶液內(nèi)含有氯化鈉時(shí)，若想控制界面張力必須降低堿劑含量。如果鹽水內(nèi)氯化鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大至0.01%～0.1%，采收率必然上升；而濃度增大到一定程度后，采收率將不會(huì)隨之出現(xiàn)明顯的變化。

Arhuoma等［10］選取不同孔滲的巖心樣本，對(duì)不同濃度的氫氧化鈉溶液驅(qū)替Alberta原油的壓降情況及采收率進(jìn)行分析。當(dāng)濃度持續(xù)升高時(shí)，注入壓力快速增大，出現(xiàn)穩(wěn)定值后開始減小。對(duì)產(chǎn)出液的成分研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氫氧化鈉和原油內(nèi)石油酸反應(yīng)時(shí)，能夠得到有效控制油水界面張力的表面活性劑，同時(shí)讓原油乳轉(zhuǎn)變成油包水型乳狀液。乳狀液能夠封堵高滲通道，減小水相滲透率，增大注入壓力，致使堿水驅(qū)替低滲孔喉內(nèi)部原油，最終實(shí)現(xiàn)采收率的提高。

2.3存在的問(wèn)題

主要問(wèn)題包括兩個(gè)，一是在堿水驅(qū)油過(guò)程中，堿和原油、地層水等發(fā)生反應(yīng)，需要的堿劑數(shù)量較多；二是水油流度比的不合理，會(huì)造成波及系數(shù)過(guò)小，驅(qū)油效率不足。應(yīng)用效果統(tǒng)計(jì)顯示，選用堿水驅(qū)油方法后，采收率上升值僅在 6%～8%范圍內(nèi)，平均為2%，此外還存在結(jié)垢、黏性、指進(jìn)等問(wèn)題。因此，堿水驅(qū)油技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域并未普及，實(shí)際應(yīng)用中常將堿劑、聚合物、表面活性劑等結(jié)合起來(lái)構(gòu)成復(fù)合體系驅(qū)油。

3　表面活性劑驅(qū)油技術(shù)

3.1技術(shù)原理

在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中，表面活性劑往往與堿劑搭配使用。這是因?yàn)椴捎脡A水驅(qū)時(shí)，由于堿在多孔介質(zhì)內(nèi)容易出現(xiàn)吸附、沉積等現(xiàn)象，通常必須提高堿劑注入濃度。然而在高濃度條件下，堿水驅(qū)采收率并不理想。因此，為了在最佳的堿劑濃度下得到最低的表面張力，可以向堿劑內(nèi)添加表面活性劑，利用混合物達(dá)到穩(wěn)定驅(qū)替。

3.2應(yīng)用研究

Bryan等［11］通過(guò)大量的巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，對(duì)一種堿-表面活性劑復(fù)合驅(qū)油體系在加拿大Alberta原油驅(qū)替中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，分析了不同濃度的堿、鹽含量在乳狀液產(chǎn)生時(shí)期的不同作用。結(jié)果表明，堿-表面活性劑復(fù)合體系在驅(qū)替原油時(shí)具有最合理的堿濃度，能使油水界面張力出現(xiàn)最小值，實(shí)現(xiàn)原油的快速乳化。如果鹽濃度偏大，會(huì)出現(xiàn)油包水型乳狀液；如果偏小，會(huì)出現(xiàn)水包油型乳狀液。由該實(shí)驗(yàn)可知，堿-表面活性劑這種二元復(fù)合模式，可令水驅(qū)后的實(shí)驗(yàn)稠油采收率提高20% 。

Dong等［12］進(jìn)行了一系列乳化及界面張力測(cè)試實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)堿溶液中存在一定含量的表面活性劑時(shí)，可將界面張力降低至0.01 mN/m；此外，通過(guò)相應(yīng)的界面擾動(dòng)便能使稠油在地層水中出現(xiàn)乳化現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，利用堿-表面活性劑這種復(fù)合驅(qū)時(shí)，通過(guò)使水相內(nèi)的原油快速乳化，可以得到微小的乳化液滴，這種乳化液液滴能夠非常容易地依附在水相上并隨著水相被排出。通過(guò)進(jìn)行填砂管驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)運(yùn)用這種方法的三次采收率可達(dá)20%以上。

葛際江等［13］對(duì)碳酸鈉與非離子-陰離子表面活性劑復(fù)合體系對(duì)稠油動(dòng)態(tài)界面張力所造成的影響進(jìn)行了分析，研究結(jié)果表明僅僅依靠碳酸鈉或表面活性劑中任意一個(gè)，是沒有辦法達(dá)到減小界面張力這個(gè)目的；但是如果將碳酸鈉與表面活性劑相結(jié)合使用后，則可實(shí)現(xiàn)協(xié)同增效。如果表面活性劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于 0.002 5%與此同時(shí)堿溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.35%，最低界面張力可以降低到10-4 mN/m以下。不僅如此，這種二元復(fù)合體系還可確定堿濃度的閾值——界面張力出現(xiàn)明顯減小的情況僅僅在碳酸鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)了0.35%時(shí)才會(huì)發(fā)生。通過(guò)進(jìn)行室內(nèi)驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明油水動(dòng)態(tài)界面張力和驅(qū)油劑-稠油體系乳化效果之間并沒有確定的對(duì)應(yīng)性；而乳化效果與采收率之間則存在相關(guān)關(guān)系，即乳化效果越佳，采收率越高。

4　結(jié) 論

化學(xué)驅(qū)作為提高油氣采收率的一種有效手段，在過(guò)去幾十年間飛速發(fā)展，現(xiàn)已獲得廣泛應(yīng)用。然而，對(duì)于實(shí)踐中出現(xiàn)的種種困難，這一技術(shù)仍面臨許多挑戰(zhàn)。面對(duì)我國(guó)豐富的稠油資源，如何利用化學(xué)驅(qū)有效地提高采收率，成為目前亟待解決的問(wèn)題。已有的研究成果表明，將聚合物驅(qū)和水平井兩項(xiàng)技術(shù)相結(jié)合，能夠顯著提高稠油采收率；堿-表面活性劑驅(qū)這一復(fù)合體系驅(qū)油技術(shù)具有良好的協(xié)同效應(yīng)，受成本因素制約一直沒有發(fā)展為商業(yè)規(guī)模，如何降低成本、提高效率是我們未來(lái)需要攻克的難題。

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Overview of Methods of Improving Oil-gas Recovery Efficiency by Chemical Flooding

WANG Jia-wei，XV Shou-yu
（School of Geosciences, China University of Petroleum, Shandong Qingdao 266580，China）

How to improve oil-gas recovery efficiency is always a topic explored in oil industry all over the world, in particular when reservoir development enters into high water cut period. The primary technologies of improving oil-gas recovery efficiency include chemical flooding, gas flooding and thermal recovery. In China, we are enlarging the scale of chemical flooding gradually and going into the large-scale application. In this paper, three methods of chemical flooding were summarized, and major problems and development trends of chemical flooding were analyzed combined with the international existing experiences.

chemical flooding; improving recovery efficiency; heavy oil reservoir

王佳瑋（1991-），女，山東東營(yíng)人，碩士研究生在讀，碩士學(xué)位，研究方向：油氣藏開發(fā)地質(zhì)。E-mail：imveramo@gmail.com。

TE 357

A

1671-0460（2016）05-0911-04

國(guó)家科技重大專項(xiàng)“復(fù)雜油藏剩余油分布預(yù)測(cè)研究”，項(xiàng)目號(hào)：2011ZX05009-003。

2016-02-04