化學驅提高油氣采收率方法綜述

王佳瑋，徐守余

（中國石油大學（華東）地球科學與技術學院，山東 青島 266580）

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化學驅提高油氣采收率方法綜述

王佳瑋，徐守余

（中國石油大學（華東）地球科學與技術學院，山東 青島 266580）

隨著越來越多的油藏進入高含水開采階段，如何提高油氣采收率現已成為國內外石油行業探索研究的熱點和難點。提高采收率的方法包括化學驅、氣驅和熱力采油等。其中，化學驅油技術具有堅實的理論基礎，并已得到廣泛應用。對三種常用的化學驅方法作簡要介紹，并結合應用實例分析了化學驅目前面臨的主要問題及未來發展趨勢。

化學驅；提高采收率；稠油油藏

化學驅油技術的本質是將化學劑置于水溶液中，使注入流體的動力學特性以及與原油之間相互作用的物理化學特性得到改善，從而達到提高油氣采收率的目的。在國內油藏開發中，化學驅油技術已獲得廣泛應用，是提高采收率的有效手段。該項技術由堿水驅、聚合物驅等方法共同推動，實際處理階段作用十分明顯。其中，表活劑驅和堿水驅提升油氣采收率的機理是通過降低存在于油水界面的張力；聚合物驅則通過減小水油流度比、增大驅替介質的波及系數來實現油氣采收率的提高。

1　聚合物驅油技術

1.1技術原理

傳統的注水開發會產生非常明顯的指進現象。這是因為在水驅過程中，水油的流度比非常大，因此無法通過水驅波及到大量原油。驅替液的波及系數一般隨著黏度的上升而上升，而驅油效率隨著波及系數的上升而提高。通過加入水溶性聚合物，使驅替液的黏度增大、水油的流度比減小，這就是聚合物驅油技術的作用原理。與此同時，在驅替過程中，水相的相對滲透率也會降低，其原因在于聚合物會粘著在儲層巖石的表面，從而使水相流度進一步降低。

1.2存在的問題

調研相關文獻可知，聚合物驅有一定的適用條件。當原油黏度＞200 mPa·s時，聚合物溶液在地面及地下的流動阻力較大，驅油效果并不理想。而我國稠油儲量十分可觀，如塔河油田、遼河油田等均蘊含豐富的稠油資源。對于稠油，常用的開采方法是熱力采油；然而，在油層較薄（＜10 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方法。

1.3稠油聚合物驅技術

稠油黏度往往能達到上千mPa·s，因此所選擇的聚合物溶液濃度必須達到一個極高的標準，方可使水油流度比得到控制。Wang與Dong等［1，2］在室內條件下，對聚合物溶液合理黏度與采收率間的關系進行了相關實驗分析。研究發現，聚合物溶液的合理黏度存在最大值和最小值。如果位于合理區間內，那么隨著黏度逐漸上升，必將引起石油采收率顯著提高；如果位于該區間外，溶液黏度的上升并不會造成采收率出現明顯變化（圖1）。除此之外，通過實驗對比可知，聚合物溶液的初始黏度增大時，合理黏度的最大值及最小值同樣呈現增大趨勢，并且在雙對數圖中表現為線性關系。

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

Wassmuth等［3］通過油藏模擬，對黏度在300～1 600 mPa·s范圍內的稠油，分別采用水驅和聚合物驅的方法進行實驗。結果顯示，以水驅方式添加1 PV水，采出液含水比例超過90%；但當添加了0.5 PV黏度為50 mPa·s的聚合物段塞時，采收率隨之增加20%。該現象表明，在條件合理的前提下，聚合物驅與水驅的驅油效率相比較而言，前者相當于后者的兩倍（圖2）。

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

國內也有許多學者選擇稠油油藏聚合物驅這一課題開展室內研究和礦場實驗。由于我國的稠油油藏具有埋藏較深、儲層壓力較大等特點，造成注聚技術無法發揮出最佳效果。許家峰、程林松等［4］以稠油油藏超高分子聚合物驅為分析對象，利用物理實驗模擬和油藏數值模擬，對其進行有效性評估。經分析發現，對于超高分子、中分子和一般這三類形態而言，超高分子聚合物無論黏彈性或可靠性均更具優勢，能夠快速清除盲端殘留油，提升驅油性能。同水驅相比較，超高分子的聚合物驅對稠油采收率增幅為27.2%，有明顯的提升，尤其是將整體段塞置入同段塞聯合模式進行對比，效果更佳；同時，當驅替相和被驅替相黏度比達到3后，作用最為明顯。

張賢松等［5］運用數模的技術，對聚合物驅作用于國內陸相沉積稠油油藏時的油藏性質進行了細致的研究，分析的主要參數有儲層的非均質性以及原油的黏度等等。他通過研究發現，如果要將聚合物驅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，采取聚合物驅的時機不可于含水率達到70%后，這樣便能保證增油指標合理。一方面能夠防止后期水驅時地層破裂，另一方面能夠明顯增強水驅作用，減少注聚開發時存在的風險。只有上述油藏性質滿足相應的標準，才能使聚合物驅油發揮作用。

此外還有研究表明，如果經濟條件允許，同時采用聚合物驅和水平井兩項技術，可以明顯提高稠油油藏的采收率。基于油藏環境的特性，選取最適合的聚合物濃度以及最佳的注入參數，同時利用水平井技術增強其注入效率，這種“雙管齊下”的技術模式極具市場前景。

2　堿水驅油技術

2.1技術原理

堿水驅的含義是向油層中注入堿性試劑，利用堿和原油內部有機酸發生反應得到表面活性劑，以此控制油水界面張力，讓原油快速轉變為乳狀液。目前應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，也可用于堿水驅油中。

2.2應用研究

Mayer等［6］對注入油藏地層的堿劑與儲層巖石及其流體間的反應進行了系統研究，包括堿與油的反應，堿與水的反應以及堿與巖石的反應這三個方面。Johnson［7］對堿水驅提高采收率的原理作了歸類與說明，即水濕反轉為油濕、油濕反轉為水濕、乳化攜帶與乳化捕集四種類型。而由于水驅稠油階段，波及系數往往偏小，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行了實驗分析。所有實驗組的注入流體內全部添加質量分數為0.75%的氯化鈉。結果顯示，如果注入溶液的濃度和體積一致，無論注入方式為持續式或段塞式，硅酸鈉溶液的驅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使油水間界面張力發生變化，由此可以確定最合理的氯化鈉濃度值。

Scoot等［9］以Lloydminster稠油為對象，研究了氫氧化鈉堿劑的性質以及其與油水界面張力變化之間的關系。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。當氫氧化鈉溶液質量分數上升時，界面張力將隨之下降；若質量分數達到0.005%，界面張力不會超過1 mN/m。還有實驗證明，溶液內含有氯化鈉時，若想控制界面張力必須降低堿劑含量。如果鹽水內氯化鈉的質量分數增大至0.01%～0.1%，采收率必然上升；而濃度增大到一定程度后，采收率將不會隨之出現明顯的變化。

Arhuoma等［10］選取不同孔滲的巖心樣本，對不同濃度的氫氧化鈉溶液驅替Alberta原油的壓降情況及采收率進行分析。當濃度持續升高時，注入壓力快速增大，出現穩定值后開始減小。對產出液的成分研究發現，當氫氧化鈉和原油內石油酸反應時，能夠得到有效控制油水界面張力的表面活性劑，同時讓原油乳轉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，致使堿水驅替低滲孔喉內部原油，最終實現采收率的提高。

2.3存在的問題

主要問題包括兩個，一是在堿水驅油過程中，堿和原油、地層水等發生反應，需要的堿劑數量較多；二是水油流度比的不合理，會造成波及系數過小，驅油效率不足。應用效果統計顯示，選用堿水驅油方法后，采收率上升值僅在 6%～8%范圍內，平均為2%，此外還存在結垢、黏性、指進等問題。因此，堿水驅油技術在工業領域并未普及，實際應用中常將堿劑、聚合物、表面活性劑等結合起來構成復合體系驅油。

3　表面活性劑驅油技術

3.1技術原理

在現場作業中，表面活性劑往往與堿劑搭配使用。這是因為采用堿水驅時，由于堿在多孔介質內容易出現吸附、沉積等現象，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，可以向堿劑內添加表面活性劑，利用混合物達到穩定驅替。

3.2應用研究

Bryan等［11］通過大量的巖心驅替實驗，對一種堿-表面活性劑復合驅油體系在加拿大Alberta原油驅替中的應用進行了研究，分析了不同濃度的堿、鹽含量在乳狀液產生時期的不同作用。結果表明，堿-表面活性劑復合體系在驅替原油時具有最合理的堿濃度，能使油水界面張力出現最小值，實現原油的快速乳化。如果鹽濃度偏大，會出現油包水型乳狀液；如果偏小，會出現水包油型乳狀液。由該實驗可知，堿-表面活性劑這種二元復合模式，可令水驅后的實驗稠油采收率提高20% 。

Dong等［12］進行了一系列乳化及界面張力測試實驗，發現當堿溶液中存在一定含量的表面活性劑時，可將界面張力降低至0.01 mN/m；此外，通過相應的界面擾動便能使稠油在地層水中出現乳化現象。實驗結果顯示，利用堿-表面活性劑這種復合驅時，通過使水相內的原油快速乳化，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。通過進行填砂管驅替實驗，結果發現運用這種方法的三次采收率可達20%以上。

葛際江等［13］對碳酸鈉與非離子-陰離子表面活性劑復合體系對稠油動態界面張力所造成的影響進行了分析，研究結果表明僅僅依靠碳酸鈉或表面活性劑中任意一個，是沒有辦法達到減小界面張力這個目的；但是如果將碳酸鈉與表面活性劑相結合使用后，則可實現協同增效。如果表面活性劑的質量分數大于 0.002 5%與此同時堿溶液的質量分數大于0.35%，最低界面張力可以降低到10-4 mN/m以下。不僅如此，這種二元復合體系還可確定堿濃度的閾值——界面張力出現明顯減小的情況僅僅在碳酸鈉的質量分數超過了0.35%時才會發生。通過進行室內驅油實驗，結果表明油水動態界面張力和驅油劑-稠油體系乳化效果之間并沒有確定的對應性；而乳化效果與采收率之間則存在相關關系，即乳化效果越佳，采收率越高。

4　結 論

化學驅作為提高油氣采收率的一種有效手段，在過去幾十年間飛速發展，現已獲得廣泛應用。然而，對于實踐中出現的種種困難，這一技術仍面臨許多挑戰。面對我國豐富的稠油資源，如何利用化學驅有效地提高采收率，成為目前亟待解決的問題。已有的研究成果表明，將聚合物驅和水平井兩項技術相結合，能夠顯著提高稠油采收率；堿-表面活性劑驅這一復合體系驅油技術具有良好的協同效應，受成本因素制約一直沒有發展為商業規模，如何降低成本、提高效率是我們未來需要攻克的難題。

［1］ Wang J， Dong M.A laboratory study of polymer flooding for improving heavy oil recovery ［A］.Petroleum Society's 8th Canadian International Petroleum Conference［C］. Calgary，Albert， Canada，2007：178.

［2］ Wang J， Dong M. Optimum effective viscosity of polymer solution for improving heavy oil recovery ［J］.J Petrol SciEng，2009， 67： 155-158.

［3］ Wassmuth Fred， Arnold Wayne， Green Ken， et al. Poly-mer flood application to improve heavy oil recovery at east bodo［J］. Journal of Canadian Petroleum technology， 2009， 48（2）： 55-61.

［4］ 許家峰，程林松，李春濤.普通稠油超高分子聚合物驅適應性評價［J］.石油鉆采工藝，2007，29（3）：63- 68.

［5］ 張賢松，丁美愛.陸相沉積稠油油藏聚合物驅關鍵油藏條件研究［J］.石油天然氣學報，2009，31（1）：127- 129.

［6］ Mayer E H， Berc R L， Carmichael J D. Alkaline injection for enhanced oil recovery a status report ［J］.J Petrol Technology， 1983： 209- 221.

［7］ Johnson C E. Status of caustic and emulsion methods ［J］.J Petrol Technol， 1983： 1581- 1590.

［8］ Campbell T C， Krumrine P H. Laboratory studies on alkaline water flooding［C］. SPE8328， 1979：1023-1030.

［9］ Scott G R， Collins H N， Flock D L. Improving water flood recovery of viscous crude oils by chemical control ［J］.J Can Petrol Technol， 1965，4（4）： 243- 250.

［10］ Arhuoma M， Yang D， Dong M， etal. Determination of increase in pressure drop and oil recovery associated with alkaline flooding for heavy oil reservoirs［C］.Petroleum Society’s 10th Canadian International Petroleum Conference， Calgary，Alberta， Canada， June16-18， 2009：1-11.

［11］ Bryan J， Kantzas A. Enhanced heavy oil recovery by alkali surfactant flooding ［C］.SPE 110738， 2008.

［12］ Dong M Z， Ma S Z， Liu Q. Enhanced heavy oil recovery through interfacial instability： a study of chemical flooding for brintnell heavy oil ［J］.Fuel， 2009， 88（6）：1049- 1056.

［13］ 葛際江，張貴才，蔣平，等.含烷氧基鏈節的硫酸鹽表面活性劑的油-水界面張力及其對原油的乳化能力［J］.石油學報（石油加工），2008， 24（5）：614- 620.

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，山東東營人，碩士研究生在讀，碩士學位，研究方向：油氣藏開發地質。E-mail：imveramo@gmail.com。

TE 357

A

1671-0460（2016）05-0911-04

國家科技重大專項“復雜油藏剩余油分布預測研究”，項目號：2011ZX05009-003。

2016-02-04