提高采收率技術的應用及其發展趨勢

張冬玉 姜婷 王秋語 蓋瑜 (中國石化集團勝利油田分公司地質科學研究院)

提高采收率技術的應用及其發展趨勢

張冬玉 姜婷 王秋語 蓋瑜 (中國石化集團勝利油田分公司地質科學研究院)

隨著油氣儲量發現難度的加大,油氣采收率已備受世界各國的關注,提高采收率技術發展迅速。本文介紹了世界范圍內熱采、氣驅、化學驅和微生物驅等提高采收率技術的應用情況,分析總結了提高采收率技術的發展趨勢:提高采收率技術將向集成化和高科技方向發展;化學輔助提高采收率技術將成為今后一個時期的主流技術;現代科學技術和工藝技術的進步將繼續引領提高采收率技術的變革與發展。

提高采收率 原油產量 熱采氣驅 化學驅 微生物驅 集成技術 發展趨勢

據美國《油氣雜志》公布的統計,2008年世界石油剩余探明儲量為1 838.32×108t,天然氣剩余探明可采儲量為175.16×1012m3,石油和天然氣產量分別為36.18×108t和2.94×1012m3[1]。據估算,如果目前所有油田的采收率提高1%,就相當于增加全世界2～3年的石油消費量。這在石油資源日益短缺,需求量不斷增加的情況下,極大地激發了提高采收率 (EOR)技術的研究和應用,為EOR技術提供了發展機遇。

1 世界EOR技術產量概況

按照目前世界公認的分類,EOR技術分為:化學驅、氣驅、熱力驅和微生物驅。2008年世界EOR項目數是361個,總產量為9 097×104t/a (表1),約占世界石油總產量的2%[2]。從表1可以看出,熱采和氣驅采油在EOR產量結構中占很大比例。其中,蒸汽項目142個,產量5 967.3× 104t/a,約占世界 EOR總產量的65.6%;烴混相/非混相項目38個,產量1 356.1×104t/a,約占EOR總產量的14.9%;CO2混相/非混相項目124個 (大部分為CO2混相驅),產量1 371×104t/a,約占EOR總產量的14.2%。

據George J.S.的觀點,世界范圍內的 EOR產量高峰很可能在全球石油總產量開始遞減30～35年之后出現,或者在本世紀60年代出現[3]。

表1 2008年世界EOR項目數及產油量

2 EOR技術應用進展

2.1 熱采

熱采的產量從1982年到現在一直位居EOR產量榜首,其中蒸汽驅仍然是開發稠油最廣泛使用的技術。近年來,水平井注蒸汽以及添加各種助劑使蒸汽驅技術有了較大的發展。2006年,美國在San Ardo等油田進行了蒸汽添加丙烷的試驗,產量增加了30%。此外,蒸汽驅的應用范圍也不斷擴大,已成為稀油油藏水驅后的一項具有發展潛力的EOR技術[4-5]。

針對超稠油 (瀝青、油砂),加拿大發展了水平井蒸汽輔助重力泄油 (SAGD)技術,并在此基礎上開發了多種強化SAGD技術,如多泄油通道SAGD、膨脹溶劑-SAGD等,由此引發了世界范圍內超稠油開發技術的飛躍。部分強化SAGD技術已經進行了先導試驗并取得了較好的效果,如快速SAGD方法,是常規SAGD與蒸汽吞吐技術的集成技術,能使產能提高35%,已在加拿大的冷湖油田實施[6]。

火燒油層技術由于工藝問題一直發展緩慢,但近年來由此發展起來的注空氣EOR技術有了較大突破。根據驅油效率和油藏氧化強度,注空氣技術分為高溫氧化非混相驅、低溫氧化非混相驅、高溫氧化混相驅和低溫氧化混相驅4種類型[7]。后2種被稱為高壓注空氣技術,已用于稀油油藏的開發。

2.2 氣驅

氣驅包括混相、部分混相或非混相的富氣驅、干氣驅、CO2驅、氮氣驅和煙道氣驅等,其中CO2混相驅是美國繼蒸汽驅之后的第二大EOR技術。針對CO2注入量不夠、黏性指進、混相差等問題,美國能源部資助研發了新一代集成CO2驅技術,通過增加注入量、改進驅替方式和布井方案、增加注氣黏度等多套技術方案解決上述問題。該技術可將美國許多油田的采收率從目前的33%提高到60%以上。美國已在加利福尼亞等6個地區進行試驗,預計可使全美國的原油可采儲量增加1 600×108bbl[8](1 bbl=0.159 m3)。

烴混相驅項目主要集中在加拿大和北海地區[9-10]。加拿大阿爾伯塔的混相驅平均采收率可達到59%;北海地區已形成了水氣交替注入、烴混相、水氣同時交替注入、泡沫輔助水氣交替注入等4個技術系列,其平均采收率達到45%。

N2驅在美國和加拿大發展迅速。由于所需的混相壓力較高,一般用于較深和溫度較高的油藏。試驗表明,當注入N2達到1.198 PV時,采收率可達到48.2%以上[11]。目前美國N2驅項目已達到5個。

2.3 化學驅

化學驅包括堿驅、表面活性劑驅、聚合物驅和復合驅。近年來,高油價刺激化學驅再度升溫,美國、加拿大、印度、巴西、阿根廷、德國和印度尼西亞均有新的化學驅項目。僅2008年計劃實施的化學驅項目就有13個,其中8個是交聯聚合物驅, 5個是復合驅。

針對黏土含量高、原油酸值較低、單獨用堿水驅無法獲得較高產油量的油田,美國懷俄明州Cambridge Minnelus油田實施了堿-表面活性劑-聚合物三元復合驅,在經濟和技術上都獲得了成功。該油田1993年開始復合驅,注入劑組分為1.25% Na2CO3、0.1%磺酸鹽和1 475 mg/L的聚合物, 1996年注入聚合物后續溶液,2000年后續水驅。注入順序為先注入0.307 PV的復合驅溶液,隨后注入0.297 PV聚合物后續溶液,最后水驅到經濟極限。復合驅使該油田采收率達到52%,每桶原油的生產成本為2.42美元[12]。

我國提高采收率的主導技術是聚合物驅,已在大慶、勝利等大油田工業性推廣。在此基礎上,開展了二元復合驅和三元復合驅先導試驗,部分技術已達到國際先進水平。大慶油田從1993年開始至今已先后開展了5個三元復合驅礦場試驗,其中4個已經完成,取得了良好的效果,比水驅提高采收率20%以上。勝利油田二元復合驅已取得重大進展。

2.4 微生物驅

微生物驅具有適用范圍廣、工藝簡單、不傷害油層等優點,是一項具有發展前景的 EOR技術。自20世紀90年代以來,全球已有100多個油田開展了微生物驅先導試驗。國內外微生物驅試驗顯示,其提高采收率幅度為13%～65%不等,但大規?，F場應用的甚少。馬來西亞石油公司在博科爾油田的微生物驅仍處于世界領先地位[13]。

微生物驅技術引發了生物表面活性劑驅和生物聚合物驅的發展,加拿大、英國、德國等國家先后進行了研究與應用。典型的生物表面活性劑如海藻糖脂等容易溶解在地層水和注入水中,在油水界面上具有較高的表面活性,且在固體表面上吸附量少,驅油能力強。研究表明,生物表面活性劑的驅油效率是化學合成表面活性劑的3.5～8倍,而其生產成本僅為化學合成表面活性劑的30%。黃胞膠是生物聚合物驅中最常用的一種。在英國和德國等國家,黃胞膠的用量幾乎與聚丙烯酰胺相當[14]。

3 EOR技術發展趨勢

3.1 EOR技術向著多元集成化方向發展

為了彌補單項EOR技術的局限性,采用多種EOR技術機理發揮集成效應是EOR技術的發展方向之一。如加拿大冷湖油田實施的蒸汽與輕烴混合驅技術,其油汽比 (OSR)比單注蒸汽的OSR高33%[15];土耳其在Bati Raman稠油油田實施了熱采和溶劑萃取技術相結合的熱CO2驅,試驗表明,熱CO2驅比相同油藏條件的常規CO2驅的原油采收率高3%[16]。

水平井技術、井間成像技術和計算機技術等促進了集成EOR技術的發展。一種全新理念的“智能化集成開發技術”已成為提高老油田采收率的標志性技術。該技術集成了油藏動態表征技術、儲層建模技術、分支水平井技術、智能井技術和超前注水等多項技術,在世界第一大油田——沙特阿拉伯的加瓦爾油田應用獲得成功。該油田開發近60年,開始面臨減產和含水上升的困擾。沙特阿美石油公司在油田南部Haradh油區3個地質儲層條件和產能相同的區塊進行大規模的開發對比試驗。Ⅰ區沿用常規直井開發,Ⅱ區用常規水平井開發,Ⅲ區全部采用MRC井,并采用了智能化集成開發技術。Ⅲ區在投產21個月后,日產油量為30×104bbl,單井產量是Ⅰ區的3.3倍,生產成本則比Ⅰ、Ⅱ區下降?3。Ⅲ區的成功開發證實了智能化集成開發技術的巨大優勢[17]。

已開采70多年的美國第三大油田——威明頓油田是以稠油開發為主的油田。開發后期面臨著地面下沉、產量快速遞減和含硫含砂等問題。美國國家能源技術實驗室、Tidelands石油公司和斯坦福大學等聯合開發了先進的油藏動態表征技術與熱采集成技術,包括先進的三維油藏模型、新型堿-蒸汽驅技術、脫硫技術、新型蒸汽發生器和蒸汽驅動態自動監測技術等。先導試驗證實,該技術可使威明頓油田的可采儲量增加5.25×108bbl,全美國的探明可采儲量也因此提高了2.5%[18]。

3.2 化學輔助EOR技術將成為主流技術

各種EOR方法都或多或少地與化學技術有聯系?；瘜W輔助EOR技術將成為EOR的主流技術。其應用主要體現在以下幾個方面:

(1)針對水驅、蒸汽驅、氣驅等 EOR中的不利流度比,借助化學發泡作用發展了蒸汽泡沫驅、CO2泡沫驅和N2泡沫驅等技術。泡沫增加了驅替液的黏度,改善了流動剖面,同時也提高了驅油效率。熱采中蒸汽泡沫的現場應用表明,蒸汽泡沫可使蒸汽的流度在注入井附近下降至原來的1/60～1/20,比蒸汽驅提高采收率5～20個百分點[19]。

(2)表面活性劑在各種 EOR技術中廣泛使用。表面活性劑可降低油水界面張力至10-3mN· m-1,使毛管數增加3～4個數量級,從而大大提高了驅油效率[20]。

(3)針對儲層非均質性發展了聚合物調驅技術。目前,弱凝膠、膠態分散凝膠 (CDG)、體膨顆粒、柔性顆粒等深部調驅技術已開始大量使用[21]。如國內外廣泛使用的交聯聚合物弱凝膠調驅技術在現場應用中均取得了很好的增產效果。

3.3 EOR技術與高新技術的結合越來越緊密

高科技為EOR技術提供了發展機遇,賦予了EOR新的技術內涵。高新技術促使EOR技術向著精細化、集成化、實時化、智能化方向發展。近年來興起的油藏最大接觸位移技術 (MRC)和數字油田技術大大拓展了EOR技術的發展空間。

MRC技術是集井眼軌跡設計、鉆井液設計、側鉆方式、完井方式和采油工藝于一體的新技術。MRC技術在挖掘復雜地質體油藏的剩余油方面具有獨特的技術優勢,如河道砂頂部剩余油、三角洲前緣相砂體剩余油、復雜斷塊油藏剩余油、多層砂巖油藏剩余油等。2002年,沙特阿拉伯國家石油公司為了開采Shaybah油田剩余油,設計了3口多分支井。投產后,產量是1 km水平井的5倍,開發成本下降了80%[22]。

數字油田概念一出現,便得到了世界石油界的廣泛關注。數字油田技術是一套連接地面與井下、油氣開發全過程控制的一個閉環信息采集、雙向傳輸和處理系統,它能夠伴隨作業過程實時指導開發方案的執行和相關技術的應用。相關研究表明,數字油田技術能大幅度降低石油生產成本,油田平均采收率可從現在的30%提高到50%以上。巴西最大的陸上油田Carmopolis油田已開始了數字油田技術的先導試驗[23]。

3.4 工藝技術進步繼續引領EOR技術的變革

各種EOR技術的發展均與工藝技術的進步密切相關,如蒸汽驅、CO2驅等技術的發展均來源于相應的工藝技術的進步。從近年EOR技術的發展看,工藝技術的發展仍將引領EOR技術的變革。

在稠油開發領域,多年來,許多國家一直探索和研究井下蒸汽發生器。最近,由Precision Combustion公司研制的催化燃燒蒸汽發生器和 EDSG公司研制的電熱井下蒸汽發生器已獲得了技術上的成功。其中,EDSG公司研制的電熱井下蒸汽發生器使用碳電極產生等離子控制電弧,使水蒸發為蒸汽。目前,該技術正處于商業化應用前的試驗階段,一旦成熟,將對世界稠油開發產生重大影響。

高含水油田的經濟開采一直是EOR研究的重點,井下油水分離技術將為高含水油藏采收率的提高打開一個新的局面。目前,已開發了一種井下油水分離決策樹,開展了針對油藏評估、選井可行性的技術研究。相關研究表明,該技術在油田高含水開發后期仍可將采收率提高至少3個百分點。

4 結論與認識

EOR技術突破了傳統的 EOR技術范疇,物理、化學和工藝等方面的技術發展賦予了EOR技術新的內涵,在EOR中發揮了重要作用。

化學輔助作用使各種EOR技術的效果大大增加,應借助我國在化學驅領域的技術優勢發展化學輔助EOR技術。

高新技術為EOR提供了技術發展空間,EOR技術正向著精細化、集成化、實時化、智能化方向發展。

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2009-10-18)