中外提高采收率新技術研究現狀及發展趨勢

王 銳，倫增珉，呂成遠，王友啟，唐永強，王 欣

（1.國家能源陸相砂巖老油田持續開采研發中心，北京 102206；2.中國石化石油勘探開發研究院，北京 102206）

提高石油采收率是通過改善油藏及流體物理化學特性，提高波及效率與驅油效率的采油方法的統稱。在此定義下，提高采收率可包括那些除了利用天然能量開采和以保持地層壓力為目的的注水開采之外的各種采油方法。根據驅替介質和驅替方式，提高采收率方法可分為化學驅、熱采、氣驅、微生物采油和物理法采油等。隨著勘探開發面臨對象日益復雜，對提高采收率技術需求越來越強烈，傳統的提高采收率技術界限越來越模糊，技術復合交叉化趨勢愈發明顯，提高采收率新材料、新領域、新方法研究與應用方興未艾。

1 提高采收率技術概況

美國密蘇里科技大學提高采收率數據研究組對全球提高采收率技術進行了全面統計分析，結果表明，全球提高采收率項目約有976項，主要位于美國、加拿大和中國。其中，稠油熱采項目有454 項，占46.5%；氣驅有387項，占39.7%；化學驅有132項，占13.5%；其他有3 項，占0.3%。熱采、氣驅、化學驅作為三大主要提高采收率技術，獲得了廣泛應用。目前，全球應用提高采收率技術獲取的日產原油約達300 萬桶規模。近十年來，熱采和氣驅技術對全球原油生產做出了重要貢獻，特別是加拿大的油砂項目和美國的CO2驅項目。其中，氣驅項目日產原油約75 萬桶，而化學驅項目僅日產原油37.5 萬桶，約有30 萬桶來自于中國。隨著世界能源需求持續增長，老油田逐步步入枯竭，新油田勘探開發越來越困難，提高采收率技術愈發重要［1-2］。

2 提高采收率新技術研究現狀

傳統的熱采、氣驅、化學驅提高采收率技術在技術、操作、經濟性等各個層面面臨著巨大的挑戰，限制了提高采收率技術的規模推廣應用。近年來，圍繞新材料、新領域、新方法等方面涌現出了一些提高采收率新技術，獲得了較高的關注度，其涵蓋內容如圖1所示。

圖1 提高采收率新技術涵蓋內容Fig.1 Scope of new technologies for EOR

2.1 提高采收率新材料

常規的化學驅油劑主要包括聚合物、堿、表面活性劑。其中，聚合物驅技術應用最為廣泛，在中國得到了規模化應用，提高采收率幅度一般在10%以上。目前現場使用的聚合物材料主要有合成聚合物和生物聚合物2 種。其中，合成聚合物以部分水解聚丙烯酰胺（HPAM）為主，主要是通過丙烯酸和丙烯酰胺共聚，或者通過聚丙烯酰胺部分水解產生。由于其良好的水溶性和較低的成本，且流度控制能力較好，在現場得到了廣泛應用。為了提高聚合物的耐溫抗鹽性，研發了系列聚丙烯酰胺派生的聚合物產品。也有研究者研發了一些功能理想的聚合物，但是在現場未進行測試。最常用的生物聚合物是黃原膠，其具有較弱的剪切敏感性，比HPAM與鹽水的兼容性更好，但其增黏性較差。綜合來說，由于驅油用聚合物的性質主要取決于水動力學體積，其與聚合物的構型剛度和相對分子質量有關。目前對于驅油用聚合物的研發主要專注于合成聚合物，即通過2 種或3 種功能聚合物共聚，產生具有理想分子結構的功能型聚合物，從而改善聚合物的驅油性能［3-13］。除了上述有機新材料外，一些無機的驅油體系也受到了一定的關注。早期，基于異丙基和甲基醇的水段塞驅替展現出了較好的驅油特性。后續研究結果表明，提高采收率程度與其在油水中的溶解分配系數有關。近年來，研究發現二甲醚具有理想的油水溶解分配性能，其既能溶于油，也能溶于水，通過水溶液攜帶二甲醚進入油藏，二甲醚溶解進入原油并使其膨脹，從而提高原油采收率［14-15］。

據預計，納米技術將是匹敵甚至超越數字技術的革命性技術，在未來具有廣闊應用前景。目前，基于納米材料的提高采收率技術方向主要包括以下幾個方面：①納米流體提高采收率技術，即沒有任何化學劑或熱流體添加的納米懸浮液驅替技術。納米顆粒的載體主要包括氧化鋯、石墨烯、親水性硅、Janus 顆粒、氧化鎂、氧化鈦、氧化鋁、氧化鐵、氧化鋅等，其通過改善潤濕性、降低界面張力、分離壓力效應，以及其他的協同機理，能夠提高原油采收率。②納米輔助熱采提高采收率技術，即基于鎳、鐵、鈷等金屬納米催化劑被廣泛用于輔助稠油熱降黏過程，利用其較大的比表面來加速水熱解反應過程，實現稠油原位降黏開發。③納米輔助化學驅提高采收率技術，即將納米材料添加到化學劑中，增強化學劑穩定性，從而改善化學驅效果。目前納米顆粒輔助聚合物驅技術是將納米SiO2與聚合物間發生離子偶極反應、物理交聯等作用，減少聚合物吸附，提高抗剪切稀釋能力，增加聚合物黏度，提高熱、化學、機械穩定性。④納米輔助乳液驅提高采收率技術，即均勻的納米顆粒會在油水界面處產生緊湊的、排列有序的單層結構，使得乳狀液在高溫條件下穩定性良好。同時，納米顆粒能夠產生原位乳化，增加微乳液黏度，從而提高采收率。⑤納米顆粒輔助氣驅提高采收率技術，即納米顆粒會聚集在油水界面處，使得泡沫尺寸變小，乳狀液粒徑變細，有效提升CO2泡沫和乳狀液體系的穩定性，改善CO2驅波及效率［16-23］。

2.2 提高采收率新領域

殘余油區是指在一次、二次采油時無法實現經濟開采的那部分含油層段，通常位于油田主產層（MPZ）油水界面以下非飽和油帶或主產層之外的區域。由于殘余油區含油飽和度相對較低，在以往的開采過程中，一直不作為生產目標層進行開發，但隨著二氧化碳氣驅強化采油（CO2-EOR）技術的不斷發展，目前在美國已經對部分殘余油區實現了經濟有效開采，展現出良好的開發前景。目前殘余油區的主要開發技術是CO2混相驅提高采收率技術。下一步需要結合殘余油區的選擇性完井以及與主力層同步開發，進行CO2驅，使得兩者之間有相對一致的壓力分布，從而限制CO2的竄流和損失，提高CO2使用效率，最終殘余油區與主力層的采收率均有提高，開采效果要遠好于單獨開發殘余油區［24-26］。

與陸上油田化學驅技術不同，海上油田化學驅技術規模化應用非常少，大都處于先導試驗階段。其主要制約因素是海上油田通常井距大，化學劑注入量管理非常關鍵。另外，化學劑的長期有效性也存在較大的挑戰。再者，由于海上平臺空間的局限性，化學劑的運輸、存儲和混配等都存在較大的困難。海水對化學劑性能的影響，以及產出液油水分離問題，都是化學驅技術應用的關鍵所在。目前，聚合物驅、三元復合驅、膠態分散凝膠驅、智能水驅等技術在部分海上油田進行了先導試驗。盡管目前海上油田化學驅項目需求越來越強烈，但是海水硬度太高，二價陽離子含量也高，導致存在堿劑結垢、溶解性差等問題，表面活性劑吸附性強，聚合物不易生物降解，使得化學復合驅難以有效實施。另外，表面活性劑和聚合物等運輸、溶解和注入需要較大的場地，產出液容易乳化，導致海上油田化學驅存在系列問題。為了適應海上油田苛刻的油藏條件，在降低物流和主要成本的條件下，提出抑制劑—表面活性劑復合驅技術，該技術實施過程中不需要大的場地，不會產生明顯的結垢現象，預計提高采收率幅度在5%以上，可適用于海上低黏油藏［27-31］。

近年來，非常規致密頁巖油藏開發成為熱點。然而，該類油藏自然遞減快，采收率低，亟待大幅度提高采收率。由于基質滲透率極低，天然裂縫發育，常規提高采收率技術有效性差。目前，北美地區開展了系列的致密頁巖油藏注CO2、表面活性劑、天然氣等提高采收率方法研究，但僅處于室內實驗、數值模擬和先導試驗階段。從化學驅的角度分析，表面活性劑是最具前景的致密頁巖油藏提高采收率技術，其具有良好的注入性，能夠改善巖石潤濕性，促進水滲吸作用，從而提高致密頁巖油藏采收率。聚合物和堿劑由于注入性問題，會導致致密頁巖油藏堵塞，技術適應性差；從改善水驅角度分析，低礦化度水驅被認為是致密頁巖油藏潛在的提高采收率有效技術。由于低礦化度水的注入，使得巖石表面的擴散雙電層膨脹，同時發生多種離子交換作用，從而使巖石潤濕性改善；從混相氣驅的角度分析，目前進行較多的是CO2和烴類氣驅。CO2由于具有良好的溶解膨脹、擴散萃取作用，而且混相壓力較低，在致密頁巖油藏提高采收率中進行了廣泛嘗試［32-36］。

2.3 提高采收率新方法

隨著面臨的對象越來越復雜，單一的提高采收率技術難以起到良好的效果，技術復合化趨勢越來越明顯。復合化趨勢主要體現在多種傳統提高采收率方法復合，以及提高采收率技術與井網井型復合2 種。其中，多種傳統提高采收率方法復合驅技術即利用不同單一提高采收率技術的優勢，形成協同驅油效果。最為典型的技術是ASP 三元復合驅、AP/SP 二元復合驅技術。在實際操作過程中，堿劑濃度過低，復合驅油體系的相行為性能差。另外，AP二元驅過程中會產生黏度非常高的宏觀乳狀液，導致產生壓力梯度較大和相態滯留問題。此外，ASP 三元復合體系配方在水溶液中長期穩定性較差。這些問題使得復合驅技術現場應用受到一定的限制。最近，將一種低濃度、低成本的輕質共溶劑與堿-聚合物二元體系混合，形成一種新型的ACP 三元復合驅油體系。該體系能夠形成低黏的微乳液，并能有效改善體系的相態行為，適用范圍更廣。相比于ASP 三元復合驅技術，ACP 三元復合驅技術更具應用前景［37-39］。

近年來，由于油價低迷，低成本物理法采油技術受到大家的關注。該技術具有對油層無傷害、工藝簡單、操作方便、成本低廉等優勢，具有較大的發展潛力。常規的物理采油方法主要包括振動、聲波、脈沖、電磁波、水射流等技術，在現場取得了較好的效果。最近提出了一種基于聲波的聲化提高采收率技術，即通過地面設備和井下設備結合的聲化技術。地面設備包括一套升級的超聲波發生器和井下溫度壓力信息處理裝置。超聲波發生器能夠與井下超聲波工具匹配，并能根據電壓和電流自動調節參數，從而實現工作效率最優化。井下設備主要包括一套模具、一套注入化學劑的系統、一套采集地球物理信息的探頭。在實際操作過程中，需要根據連續處理的數據實時調節運行參數，從而選擇合理的處理模式［40-43］。

水驅作為最為經濟有效的技術，獲得了廣泛的應用。自1997 年TANG 等提出低礦化度水驅理念以來［44］，低礦化度水驅提高采收率技術日益受到關注。主要是通過注入定制式離子組成的水或低礦化度水，來改變油藏潤濕性，提高原油采收率。其特點是不需要添加昂貴的化學劑，具有環境友好的特點，注入水的離子組成與巖石礦物有關。這種方法在砂巖油藏和碳酸鹽巖油藏中均有效，但要求巖石初始潤濕性不能為完全水濕，否則低礦化度水驅技術潛力就不會起到太大作用。從巖石化學角度來說，碳酸鹽巖油藏巖石表面普遍帶正電，pH 值偏堿性；砂巖油藏巖石表面普遍帶負電，pH值偏酸性。巖石礦物差異性較大，導致初始潤濕性和潤濕性改變存在較大的差異。從地層水化學性角度來說，需要打破原來油水與巖石的化學平衡，剝離巖石表面的原油，砂巖和碳酸鹽巖所要求的智能水離子組成不同。從原油角度分析，極性羧酸、有機堿基團附著在巖石表面，會影響油藏潤濕性。最近，SAADAT等提出一種低礦化度水驅與表面活性劑復合的提高采收率新技術，主要是利用低礦化度水驅使得巖石表面原油變得不穩定，以及表面活性劑形成低的界面張力，來阻止可動油滯留的協同機理。室內實驗結果表明，復合驅方法較單一的低礦化度水驅或表面活性劑驅效果均要好，具有較好的應用前景［45-47］。

3 提高采收率技術發展趨勢及挑戰

隨著勘探開發的逐步深入，老油田進一步提高采收率和新發現低品位儲量的有效動用相關技術需求愈發強烈。如何適應高溫、高鹽、高含水、高黏、高壓等苛刻油藏條件，形成低成本、綠色低碳、革命性突破的提高采收率新技術，是未來技術發展的方向。

無論是提高采收率新材料、新領域，還是新方法，均面臨著低成本與效益開發的挑戰。特別是在長期油價低迷的情況下，提高采收率新技術的研發應用與工程技術存在著競爭生存關系。如何降本增效，形成成本優勢與效率兼顧的提高采收率新技術是首要解決的問題。基于傳統水驅的低成本改善水驅提高采收率技術，能夠在不增加較大投入的情況下，有效提高采收率。目前，基于轉流場的水驅立體開發技術、低礦化度水驅技術、定制式水驅技術、物理法增強水驅開發技術等，通過物理化學增效機理的應用，來改善儲層物性及巖石潤濕性，有效增加驅油效率，適度擴大波及效率，從而進一步提高水驅采收率。從另一個角度來說，工程管理理念與實踐是提高采收率技術最大化降低成本和提升效率的關鍵所在。在老區水驅開發基礎上，應當更加注重油藏、井筒、地面工程一體化，從油氣田開發的全流程環節，來挖潛、提升效率。另外，在新開發油藏過程中，需要摒棄傳統的一次采油、二次采油和三次采油的觀念，將提高采收率理念貫穿到油氣田開發的全過程，構建全生命周期的提高采收率技術管理流程，從系統優化和決策角度最大化提高油藏采收率。

環境和發展是當今人類社會面臨的兩大主題，環境保護是可持續發展的基石，也是提高采收率未來發展趨勢。世界各大石油公司對于綠色低碳型提高采收率技術均給予了高度關注。對于新型驅油劑或體系的研發，越來越向環保型的綠色材料轉移。例如生物型聚合物、生物表面活性劑等，由于其與環境具有極好的兼容性，在具備無毒無害特性時，將具有良好的應用前景。另外，微生物驅油技術作為一項古老的新興提高采收率技術，一直處于探索之中。如何激發或利用油藏中的本源微生物，讓其成為可控、高效、定制式提高采收率技術，尚需要進一步攻關。再者，將微生物技術與其他提高采收率技術復合，充分發揮多種技術的復合協同效應，是未來技術發展的方向。除此之外，高碳技術的低碳化處理也是發展趨勢之一。充分利用CO2驅油技術優勢，開展CO2驅油與埋存技術攻關，形成新一代CO2驅提高采收率技術，在高效采油的同時，實現CO2的規模化埋存，是油氣行業低碳化發展的重要技術方向。

傳統的提高采收率技術均存在一定的適用油藏條件，化學驅技術在高溫高鹽油藏和海上油田的應用，氣驅技術在致密頁巖油氣藏中的探索，稠油熱采后的接替技術，提高采收率技術發展面臨的對象日益復雜。如何突破傳統提高采收率技術的局限，形成革命性的提高采收率新技術，是未來油氣田開發的內在需求。突破傳統提高采收率技術的應用禁區，在充分刻畫油藏地質特征后，基于大數據和人工智能等方法，對目標油藏提高采收率技術的適應性進行精準識別與判斷，提出“2+3”提高采收率新技術、新型智能井+提高采收率復合技術、三次采油后進一步提高采收率技術，以及未知變革性提高采收率技術，為油藏最大化提高采收率提供技術支撐。

4 結論

提高采收率技術應用主要位于美國、加拿大和中國3個國家，技術類型以熱采、氣驅和化學驅技術為主。提高采收率新材料方面除了傳統的功能性聚合物外，二甲醚、功能性納米材料等有機、無機小分子化合物逐步受到關注；提高采收率新領域方面逐步拓展到殘余油區CO2混相驅、海上油田化學驅、非常規致密頁巖油藏注氣或化學驅等；提高采收率新方法方面更加注重不同技術的組合，發展出了堿-乳液-聚合物復合驅、超聲波與聲化技術耦合、低礦化度水驅與表面活性劑驅復合等新興提高采收率方式。未來提高采收率技術需要摒棄原有三次采油界限，將提高采收率理念貫穿到油田開發的全生命周期中，以低成本、綠色低碳、革命性突破為指導，探索出新一代高效、低成本、環保型的提高采收率新技術。