提高稠油采收率技術概述*

孫江河，范洪富，張付生，劉 瓏

（1.中國地質大學（北京）能源學院，北京 100083；2.中國石油勘探開發(fā)研究院油田化學研究所，北京 100083）

隨著常規(guī)原油的開發(fā)，地下儲量逐漸減少，而儲量巨大的稠油資源在日后的能源結構中占據的比例增大。稠油在常規(guī)水驅后的剩余油較多且大部分連續(xù)可流動，這些稠油資源的開采方式成為了今后研究的重要課題。國內大部分稠油油藏已進入高含水期，其中一部分進入特高含水期。普通稠油水驅后的最終采收率較低，但剩余油飽和度較高且分布零散，而采油速度低，含水率上升快，波及系數較小，油藏開發(fā)后期效果極不理想。因此，如何進一步開發(fā)稠油水驅后的剩余油，成為了提高油田開發(fā)效果的潛力所在。稠油因其膠質、瀝青質的含量較高，密度大、黏度高、流動性差，因此稠油開采的難度大、所需的成本高［1］。

稠油開采的關鍵在于降低黏度與摩阻和改善流變性［2］。熱采是目前國內外稠油開采最常用也最成功的方法，主要包括熱水驅、蒸汽驅、蒸汽輔助重力泄油（SAGD）和蒸汽吞吐等。熱采主要是通過加熱來降低稠油的黏度從而提高其流度，在沒有底水以及油層較厚的情況下，熱采技術非常有效，采收率較高。但對于油層厚度較小以及存在底水的油藏，熱量在傳輸及加熱原油的過程中會大量損失，無法通過加熱來降低稠油黏度，熱采稠油技術在這種情況下的應用受到限制，這時通常考慮利用冷采如化學驅和微生物驅等方法進一步提高稠油油藏采收率。

1 稠油資源概況

1.1 稠油的定義及分類

我們把瀝青質、膠質含量較高且黏度和密度較大的原油稱為稠油，國外統(tǒng)稱稠油為重質原油。我國通常把油藏條件下相對密度為0.92數0.95、黏度為100數10000 mPa·s的原油稱為普通稠油；油藏條件下相對密度為0.95數0.98、黏度為10數50 Pa·s的原油稱為特稠油；油藏條件下相對密度大于0.98黏度大于50 Pa·s 的原油稱為超稠油［3］。稠油是石油資源的重要組成部分，是多種重要化工產品的生產初級原料，也是近幾年國家石油勘探開發(fā)與開采的重要目標［4］。

1.2 世界稠油資源的分布

稠油在世界油氣資源中占據了很大的比例。據估算，稠油、超稠油及天然瀝青的世界儲量約為1×1011t，其中中國、美國、加拿大、委內瑞拉、蘇聯(lián)等國家都擁有豐富的稠油資源，重油資源和瀝青砂資源約為4000×108t 和6000×108m3，稠油年產量可達1.27×108t 以上［5］。目前世界上稠油資源儲量最豐富的國家是加拿大，其稠油資源主要分布在加拿大的阿爾伯塔盆地，其中包括冷湖、平河及阿薩巴斯卡等八個大油田，地質儲量約為2680×108數4000×108t［6］。我國也擁有豐富的稠油和瀝青資源，目前已經發(fā)現了位于十二個盆地中的七十多個重質油田，預估稠油和瀝青資源總量可達300×108t［7］。目前較大的稠油油田有遼河油田和塔河油田等［8］。

2 稠油開采技術

20世紀60年代以來，稠油開采技術有了迅猛的發(fā)展。就目前稠油開采技術而言，稠油開采以蒸汽驅和熱水驅等熱力開采為主，而在加拿大和委內瑞拉以冷采技術開采稠油的規(guī)模較大［9］。

2.1 熱采

2.1.1 熱水驅

熱水驅油即是通過向地層注入熱水，原油受熱后黏度大大降低，原油的流動性顯著增強。與此同時，巖石和地層流體受熱后體積發(fā)生膨脹，使得殘余油飽和度降低，也能促進巖石水濕，防止高黏油帶的形成。熱水驅油技術操作簡便，與常規(guī)注水驅油方法相同。熱水驅的作用機理主要表現在：（1）注入熱水攜帶的熱量可使原油溫度升高，從而降低油水比，對稠油的作用效果明顯。在含油飽和度和相對滲透率不變的情況下，升高溫度能引起水相向前推進的速度降低，從而提高水突破時原油的采收率［10］；（2）當儲層原油溫度升高時，殘余油飽和度明顯降低［11］，同時，原油溫度升高會導致相對滲透率發(fā)生改變，而這種改變一般都是有利的；（3）儲層中的流體及巖石受熱后膨脹，也會促進原油的驅替過程。

為了實現油田長期高效可持續(xù)發(fā)展，李興博［12］結合油藏地質特征和室內驅油實驗，于2012年3月起先后在哈薩克斯坦的NB油田開展了五個井組的熱水驅油試驗。截至2015年底，井組累計增油2.2萬噸，井組日增油量可達30 t。對于厚度較薄的砂巖稠油油藏，王月明［13］根據井組近年的開發(fā)狀況，結合室內實驗分析了井組中各油井的受效特征，在D稠油區(qū)塊開展了熱水驅開發(fā)。通過D66-5井天然巖心的室內實驗，確定了最佳注入溫度、注采比及注水方案。目前，該區(qū)塊開井的17口油井中共有11口受效井，受效比例64.7%，平均受效時間187 d，受效時平均注水強度1243 m3/m，受效后日產液量上升 10.3 t，日產油上升 4.7 t，已累計增油 3534 t，增油效果明顯，說明熱水驅可以實現區(qū)塊動用。同時，注入熱水后，有效地抑制了邊水的推進，使含水上升速度明顯減緩。

熱水驅地面工藝簡單，有較好的增油效果，在一定程度上實現了油田的高效發(fā)展。但是熱水驅提高采收率的幅度相對較低，因此不能成為熱力采油的主導技術。對于一些熱水驅不能顯著提高油藏采收率的情況，可以考慮在注入熱水時添加合適的表面活性劑，形成水包油型乳狀液，從而降低原油的黏度和油水界面張力，在高效地提高原油采收率的同時降低能耗。同時，熱水驅也可以作為蒸汽驅或其他熱采方式的后續(xù)開采方法，充分利用熱能，改善整體技術，提高經濟效益。

2.1.2 蒸汽驅

對于高黏度、高重度和高孔隙度的油藏來說，蒸汽驅是一項采用率很高的采油方式。我國蒸汽驅技術已經非常成熟，并且在很多大型油田得到了廣泛的應用。蒸汽驅是將熱蒸汽作為載熱流體和驅動介質，對注氣井進行持續(xù)注汽，從而在相鄰的生產井持續(xù)采油，利用注入的熱量和質量來提高驅油效率的過程［14］。蒸汽驅驅油機理包括高溫蒸汽對于稠油的降黏作用、蒸汽與原油的混相驅作用以及巖石與流體的熱膨脹作用等。威爾曼等［15］研究發(fā)現，蒸汽驅的采收率一般高于冷水驅的采收率，而且比同溫熱水驅的采收率也要高出很多。然而同樣作為蒸汽驅，高壓蒸汽驅的采收率通常高于低壓蒸汽驅采收率［16］。

針對中深層超稠油油藏水平井蒸汽吞吐后期產量遞減快、油藏采收率低的問題，辛坤烈［17］在國外蒸汽驅開發(fā)的基礎上，結合油田實際開發(fā)狀況，利用數值模擬等手段，在曙光油田杜84塊興1組超稠油油藏開辟了兩個水平井蒸汽驅的先導試驗。對于先導試驗的可行性進行了深入研究，并且在注采井網、注采參數和注采工藝等配套技術方面進行了優(yōu)化設計，初步形成了適用于超稠油水平井蒸汽驅的動態(tài)調控技術。兩個試驗井組于2016年6月進入現場，階段實施679 d，階段注氣量6.4×104t，累計產液量7.3×104t，累計產油量1.1×104t，目前日產液量91 t，日產油量27 t。實施前年產油量為0.3×104t，實施后提高至2017年的0.9×104t，采油速度從0.6%提高到1.7%，預計采出程度可達到40%以上。呂政等［18］結合前期先導試驗結果，繼續(xù)擴大蒸汽驅的范圍。針對洼38 塊外擴的3 個蒸汽驅井組進行構造與參數建模，通過對產液量和產油量的歷史擬合，優(yōu)化了蒸汽驅的基礎操作參數，并且對2016年之后的15年進行了模擬。模擬結果表明，優(yōu)化后的方案與原方案相比，累計增油5.59×104t，采出程度增加5.83%，經濟效益良好。

雖然蒸汽驅作為目前在技術和經濟上比較成功的稠油油藏開發(fā)技術之一［19］，然而儲層的非均質性以及各生產井工作制度上的差異造成位于高滲透方向、高產量且注采井距較小的生產井首先發(fā)生蒸汽突破現象［20］，使得油藏熱利用率低，整體的經濟效益無法得到保障。此時應當考慮以下幾個相關的技術方法：（1）在進行射孔操作時，盡量避免高滲層或其他層位同時射開，要針對具體的開采情況有效控制各個層內的滲透率級差，保證開采工作高效的進行；（2）對注入油層的蒸汽量進行合理的調配，根據地層的吸汽能力對注入汽量和注入速度進行調整，盡量做到均勻注采；（3）對于易產生氣竄的井層加大研究力度，在注汽時可以通過封隔器來封堵易竄井層，然后選注非氣竄的井層，實行分層注汽作業(yè)；（4）對于易發(fā)生氣竄的高滲層進行機械或化學封竄，如投入大小合適的空心金屬球或注入一些合適的化學劑［21］。

2.1.3 蒸汽輔助重力泄油

SAGD是在1978年由Butler等提出的針對稠油或超稠油并隨著水平井技術發(fā)展起來的一種特殊的蒸汽驅技術。此項技術在加拿大、委內瑞拉和我國的遼河油田都得到了較為廣泛的應用。該技術將注入的蒸汽作為供熱熱源，依靠被加熱的水和油與從注汽井注入的蒸汽之間的密度差作為驅動力來開采稠油，為稠油、超稠油的有效開采與及時接替開拓了新的途徑與方法［22］。SAGD是通過注入高溫度、高干度的熱蒸汽對油層進行加熱，形成蒸汽腔，在保持一定油層壓力的情況下使原油在重力的作用下流到生產井中［23］。相對于蒸汽驅來說，該技術具有較高的采油及泄油能力、較高的油氣比和最終采收率，同時還可以降低井間干擾，能有效避免蒸汽過早的在井間竄流或連通等問題［24］。

雖然SAGD 技術很大程度上能提高稠油的采收率，但是隨著生產的進行也會出現一些嚴重的問題，如蒸汽腔溫度下降導致蒸汽冷凝。蒸汽腔向上部地層傳熱過多致使原有的膠質瀝青質隔層融化，造成頂水和邊水侵入，從而使得采出液中的含水率急劇上升，導致油藏整體采收率降低。當頂水和邊水泄入時會降低稠油油層的溫度，進而使稠油的黏度急劇上升，甚至失去流動性。因此急需研發(fā)SAGD 的接替方案以改善和提高熱蒸汽的利用率，同時對采出液的含水率加以控制［25］。

2.1.4 蒸汽吞吐

蒸汽吞吐是先向油井中注入一定量的熱蒸汽，隨后進行一段時間的燜井，等蒸汽的熱量擴散到油層之后，再進行開井生產的一種開采稠油的方法［26］。蒸汽吞吐在我國的應用十分廣泛，我國大部分的稠油產量是通過蒸汽吞吐技術獲得的。蒸汽吞吐技術的采油原理可以歸納為：（1）油層中的原油經蒸汽加熱后黏度降低，流動性增強；（2）對于壓力較高的油層，油層的彈性能量在加熱后充分釋放，增加了驅油的動力；（3）巖石和流體的熱膨脹作用促進了油藏的開發(fā)；（4）高溫蒸汽對于巖石的沖刷可以解除近井帶的污染，起到了良好的解堵作用［27］。

李萍等［28］借鑒國內外蒸汽吞吐技術的開發(fā)經驗，結合現場實施情況，首次在渤海旅大27-2 油田進行了稠油先導性試驗，研究了地質-油藏工程方案、注采方案、地面方案等，設計了蒸汽吞吐實施工藝，順利完成了注汽、燜井、放噴和下泵生產，為稠油油田的大規(guī)模開發(fā)打下了良好的基礎。劉義坤等［29］在精細地質建模和歷史模擬的基礎上，利用數模技術對于大慶油田江37 區(qū)塊稠油開發(fā)區(qū)的注汽速度、注汽強度、井底干度等注汽參數按照不同有效厚度級別進行了優(yōu)化并確定了合理范圍，完成了22口井共計61井次的蒸汽吞吐注汽，累計產油量為2.23×104t。

2.2 冷采

2.2.1 表面活性劑驅

表面活性劑具有乳化、潤濕、分散、增溶、潤滑等優(yōu)異性能，在生產生活中的各個領域均有應用［30］。在稠油油藏的開采中，表面活性劑驅是將合適的表面活性劑水溶液注入井下，使稠油在表面活性劑溶液的乳化作用下分散并形成穩(wěn)定的O/W乳狀液，從而大大地降低稠油的黏度，使稠油的流動能力得到提高。其次，表面活性劑溶液具有降低界面張力和軟化界面膜的能力，使得油滴的流動阻力降低。表面活性劑溶液的加入提高了洗油效率，從而提高了采收率。表面活性劑的驅油機理通常歸為3 種：乳化降黏、破乳降黏以及吸附降黏［31］。其中乳化降黏是通過加入表面活性劑使W/O 型乳狀液轉化成O/W型乳狀液從而降低黏度；破乳降黏是指在表面活性劑的作用下破壞油包水型乳狀液，形成游離水從而達到降黏的效果；吸附降黏是指向油井中注入表面活性劑后使油管或抽油桿表面的潤濕性轉為親水性［32］。

在表面活性劑驅油的基礎之上，與吞吐工藝相結合，賴南君等［33］通過正交實驗設計，采用物理模型模擬化學吞吐過程，研究了乳化降黏吞吐技術提高采收率的效果，并確定了相關施工工藝參數，得到了較好的降黏效果。當使用0.4%表面活性劑CD-1+0.2%NaOH+0.07%聚合物HPAM 體系時，稠油的降黏率高達96.1%，穩(wěn)定時間可達48 h。王剛霄等［34］將陰離子烯烴類磺酸鹽乳化降黏劑和非離子型低張力乳化降黏劑按質量比1∶1制得復配乳化降黏劑。該降黏劑可用作普通稠油油田的驅油處理劑，可將油水界面張力降至1×10-5mN/m，在25℃下按水油質量比3∶7 配制的乳狀液黏度為30 mPa·s，采收率達81.46%，改善了勝利油田陳家莊稠油黏度大、開采難的問題。

2.2.2 堿驅

堿驅是最早進行現場試驗的化學驅油技術，但是由于驅油機理復雜，限制條件過多，因此未得到廣泛的現場應用。堿驅是將適宜濃度的堿性溶液注入地層，通過堿性溶液與油藏中的巖石或流體發(fā)生反應，使采收率提高的技術。堿驅最主要的機理就是堿和原油中的酸性物質發(fā)生反應，在原位形成表面活性劑，降低油水界面張力，從而降低原油的流動阻力［35］。稠油的酸值一般較大，堿性溶液很容易乳化稠油，并且能一定程度上改變油藏的潤濕性，對于稠油的開采非常有利［36］。但是，堿性溶液不僅會與原油發(fā)生反應，也會和巖石以及其他地層流體發(fā)生反應，從而造成堿液消耗過多、堿液突破和開采滯后的現象。因此，在進行堿驅之前要經過嚴密的試驗，以選擇與油田配伍的堿溶液。堿驅過程中極易出現結垢，對油田后期的開發(fā)造成影響，因此堿溶液濃度的選擇也是非常重要的。

為了進一步探討稠油堿驅提高采收率機理，劉曉玲等［37］以勝利油田樁西普通稠油為研究對象，構建了Na2CO3與NaOH 質量比為1∶1 的復配堿體系，利用玻璃刻蝕微觀模型模擬驅油過程。采用圖像處理技術，得到了水驅、不同濃度復合堿體系在突破時刻的波及系數∶純水突破時的波及系數為22.686%，2 h后剩余油飽和度為58.209%；0.4%復合堿突破時的波及系數為46.866%，2 h后剩余油飽和度為37.91%；1%復合堿突破時的波及系數高達62.388%，2 h后剩余油飽和度降至34.328%。堿驅在提高波及系數、降低剩余油飽和度方面均優(yōu)于水驅。

2.2.3 聚合物驅

聚合物驅油是化學驅提高原油采收率方法中應用最廣泛的方法。聚合物驅是向注入水中加入分子量高的聚合物，例如部分水解聚丙烯酰胺、多糖等。聚合物可以增加水相黏度從而降低油水流度比，增加波及體積，提高原油的采收率［38］。其次，彈性聚合物溶液通過黏彈性產生黏滯力，提高原油的驅油效率。通常聚合物驅選用的聚合物應具有良好的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性。聚合物驅也存在很多不利因素。比如，我國大部分油田屬于強采強注型，因此產生了大孔道，地層變異系數隨之增加，油藏非均質性增大，進行聚合物驅時容易發(fā)生竄聚，大大降低了油田開發(fā)的效率，因此在聚合物驅實施之前進行堵水調剖十分重要。另外，聚合物溶液黏度較高，進行驅替時不能超過水驅時的初始壓力梯度，否則將會破壞巖石結構［39］。

為了研究注聚合物過程中產液量下降過快且含水率高等問題，敖文君等［40］利用室內物理模擬與數值模擬方法，并結合理論分析，根據目標油田的油藏特征研究了含水率不同時轉聚合物驅后油田參數的變化規(guī)律。同時，通過對比不同的注入方式，發(fā)現聚合物梯次降濃度注入效果優(yōu)于單一段塞注入效果。聚合物梯次降濃度注入，對高滲層的封堵效率高，中低滲透層可以得到較好的動用。

2.2.4 復合驅

復合驅是指將兩種或兩種以上驅油技術組合起來的驅油方法，利用幾種驅油方式的優(yōu)點來開發(fā)油田，達到提高采收率的目的。針對渤海SZ36-1油田的地質特征，金發(fā)揚等［41］篩選了適合海上稠油油田水驅降黏開采的復合降黏體系。將堿與表面活性劑進行復配，復合降黏體系溶液與原油形成的水包油型乳狀液既具有良好的穩(wěn)定性，也滿足脫水破乳要求，且藥劑用量少，成本低，降黏率高，可達到高效經濟開采稠油的目的。廖凱麗等［42］通過人造巖心物理模擬實驗和微觀驅油實驗評價了聚合物/表面活性劑體系的驅油效果，測定了該復合體系耐溫抗鹽、抗二價離子的性能，發(fā)現在聚/表劑二者的協(xié)同作用下較單一的驅油方式最終采收率有所提高。宋清新等［43］針對單家寺稠油油田蒸汽吞吐后期蒸汽利用率低的狀況，研制出具有調剖、洗油、降黏三效合一功能的泡沫劑作為表面活性劑進行驅油。經礦場試驗證明，多效復合驅油體系能有效改善吞吐后期油井的開發(fā)效果，控制邊、底水的入侵，對油田最終采收率有明顯的改善作用，增油效果較好。

2.3 微生物驅

微生物采油是將微生物直接注入地層，利用微生物的生長代謝活動和微生物代謝產物與油藏中的物質相互作用而增產原油的一種方法［44］，是一種廉價有效且技術含量較高的提高采收率技術。微生物驅油機理可分為：（1）微生物在一定培養(yǎng)條件下在代謝過程中分泌具有表面活性作用的代謝物，可以降低油水界面張力，提高驅油效率；（2）微生物活動產生酸性物質，溶解地層巖石，從而改善油層的滲透性；（3）微生物分解原油里的高分子量烴，同時釋放氣體，增強驅油動力；（4）在油層多孔介質中生長發(fā)育的菌體及細菌代謝所產生的聚合物可以填塞注水油層的高滲通道，提高波及系數［45］。

為了進一步提高開發(fā)效果，王冠等［46］在蒙古林砂巖普通稠油油藏弱凝膠調驅后開展了微生物采油。在室內篩選出兩株適合于該油藏條件的微生物菌種，并在現場選擇了9 口油井進行了微生物油井吞吐先導試驗，其中7口井取得了較好的效果，措施有效率達77.8%，平均日產油量由11.69 t 增至20.68 t，累計增油1093.5 t，有效期最長達190 d。桑林翔等［47］在室內模擬了微生物驅油，篩選出解淀粉芽孢桿菌植物亞種、韓國假單胞菌和約氏不動桿菌3 種高效的菌種，研究了菌種用量及處理時間并篩選出合適的菌種復配比例。當菌種按照菌落數1∶1∶1復配時，原油降黏率達到73.58%，優(yōu)于任意單一菌種，按照最優(yōu)復配比例進行驅替時的增產率平均值可達24.8%。由于技術本身較為復雜，從整體上講，該技術目前還多處于試驗研究階段，沒有得到大規(guī)模的工業(yè)化應用。

3 研究展望

在全球能源需求不斷增長的形勢下，稠油油藏的開采已經得到了越來越多的關注，現有的稠油開采技術也在不斷地改進與創(chuàng)新。展望未來，以下幾個方面仍然是我們應當關注的焦點。（1）隨著理論知識與實驗數據的不斷更新，稠油的開采技術也在不斷地創(chuàng)新。每一種開采方式都具有獨特的優(yōu)點，同時也有著不足之處。需根據不同油藏的不同條件，因地制宜，選擇適合的開采技術，盡可能做到經濟與效益的最大化。（2）深化室內物理模擬與數值模擬技術，深入研究各種不同驅油方式的驅油機理，用以指導現場試驗。再根據現場試驗數據反饋加強理論機理認識。（3）稠油熱采較冷采適用范圍更廣泛，包括普通稠油、超稠油和特稠油。對于油層的地質情況來說，熱采的適應性也大于冷采的適應性。（4）對于正在探索試驗階段的微生物采油技術應積極進行相應的室內及礦場試驗，在保護環(huán)境的大主題下，此技術作為一種清潔無污染的采油方式應得到提倡。（5）無論是化學驅的試劑復配或者是微生物驅的微生物菌種的復配，驅油效果都好于單一的驅油效果，因此應對復配體系進行進一步的優(yōu)化研究。