水氣交替提高采收率技術進展

潘佳瑩，閆 健，佀彬凡，孫曉東，王 立，朱文杰

1.西安石油大學石油工程學院，陜西 西安 710065； 2.長慶油田分公司第十二采油廠，甘肅 慶陽 745000

水氣交替（WAG）注入技術是一種利用水和氣體交替注入油藏，提高油藏采收率的技術，其原理是結合水驅和氣驅的優點，通過控制流度比和改善宏觀驅油效率，提高油藏的可動用程度和驅替效率。WAG 注入技術自1957 年首次由Mobil在加拿大阿爾伯塔省的一個砂巖油藏中應用以來，已經在世界各地的許多油田得到了廣泛的推廣和實施，取得了顯著的效果［1］。WAG 注入技術具有降低注入成本、減少環境污染和提高油氣利用率等優勢，是一種經濟有效地提高油藏采收率的技術。

WAG 注入技術是一種復雜的多相流動過程，需要綜合運用理論分析、實驗研究、數值模擬和現場試驗等方法進行深入的研究和探索。

本文在總結歸納WAG 注入技術的發展歷程和現狀的基礎上，分析比較WAG注入技術的不同方案和參數，評價WAG 注入技術的性能和效果，指出水氣交替注入技術存在的問題并提出改進措施，對WAG注入技術的發展方向和研究重點進行展望，以期為WAG技術的進一步研究和應用提供參考。

1 水氣交替類型與驅油機制

經過多年的發展，結合現場油藏實際情況，基于不同特征的油藏以及彌補傳統水氣交替驅的缺點，水氣交替技術已經演變出多個類型。水氣交替技術根據注入方式的不同分為WAG注入、水氣同時（SWAG）注入和混合水氣交替（HWAG）注入。在WAG注入中，根據注入流體類型及氣體混相狀態的不同，最常見的劃分為水氣交替混相驅和水氣交替非混相驅。目前水氣交替注入的氣體主要包括CO2、蒸汽、烴類氣體和N2等，注入的液體主要包括水、低礦化度水、聚合物、表面活性劑、乳化劑和納米顆粒等。水氣交替技術的分類如圖1所示。

圖1 水氣交替技術的分類

1.1 按照注入方式分類

文獻［2］記載：1963 年， Seeligson Field 油田應用了同時注入水和壓縮氣體的技術，雖然這個過程沒有明顯的周期性，但在文獻中通常被歸類為水氣交替注入的一種類型。該技術的實施過程分為兩個階段，第一階段是同時注入水和濃縮氣體，第二階段轉為注入水和干燥氣體。與單純注水相比，同時注入水和濃縮氣體可以顯著提高原油產量和采收率。在第一階段結束時，采收率約增加了5%；在第二階段結束時，采收率約增加了10%。

1998 年，水氣交替技術開始在大慶油田薩爾圖區塊應用，取得了顯著的效果，提高了原油產量和采收率，降低了水氣比和采出成本。截至2016年，該區塊共實施水氣交替技術的井數達到了1 170 口，累計注入天然氣約1.5 億m3，累計增產原油約1.2 萬t，平均增產率在10%以上［3-5］。

WAG 注入和SWAG 注入是利用水和氣體的交替或同時注入來改善油藏的驅油效率［6］。它們的作用機制有一些相似之處，都是利用水和氣體的不同流動特性來實現油藏的三維驅替，水可以抑制氣體的竄流，氣體可以降低原油的黏度，從而提高原油的驅替效率。如果氣體是混相的，還可以降低或消除油氣間的界面張力，實現微觀上的混相驅油。

WAG 注入的優點是不僅可以減少氣體注入量、節約資源成本，而且可以調節水氣比、注入量及注入周期等參數，優化設計方案；其缺點是需要更多的井筒空間，增加了操作復雜度，還可能使滲透率級差更大，在某種程度上降低了驅替效率［2，7-8］。SWAG 注入的優點是可以提高注入效率，減少注入壓力，加快油氣突破時間，提高原油產量；其缺點是需要更多的設備和管道，增加了投資成本，而且可能產出更多的水，增加處理費用［7］。

1.2 按照流體類型分類

1.2.1 水和蒸汽交替（WASP）注入

水和蒸汽交替（WASP）注入是一種提高熱油藏開采效率的方法，具有降低蒸汽的需求量、增加油氣產量、延長油田壽命等優點。WASP 注入可以在高溫高鹽的條件下保持穩定，提高油水相對滲透率，減少水的流失［9］。Bautista 等［10］在West Coalinga 油田的一個蒸汽驅動項目中應用WASP注入技術，結果發現，與傳統的蒸汽驅相比，WASP 注入可以節省約40%的蒸汽成本，提高約20%的累積產油量。WASP 注入技術曾在West Coalinga 油田進行了試點應用，以此解決蒸汽注入過程中的蒸汽突破問題，結果發現WASP 注入技術可以改善儲層的置換效果［11］。在WASP 注入技術中，蒸汽是可凝結的，而在傳統的WAG 注入過程中，氣相通常是不可凝結的。更重要的是，蒸汽還攜帶熱能，可以更好地降低原油的黏度，從而提高油的產量，減小流度比。

1.2.2 納米顆粒和氣體交替（NWAG）注入

在伊朗Ahwaz 油田中使用SiO2納米顆粒和N2交替注入的方法，以提高碳酸鹽巖油藏的采收率［12］，結果表明，SiO2納米顆粒可以改善油藏的潤濕性，降低油水界面張力，增加毛細管數，提高微觀驅替效率。Cao 等［13］建立數值模擬模型研究鋁酸鈉納米顆粒和CO2交替注入的方法，該方法可提高重質油油藏的采收率［14］。NWAG 注入可以增加注入水的黏度，降低氣體相的流動性，改善流體的驅替平衡，有效抑制氣體在孔隙中的運移，從而提高驅油效率。

1.2.3 泡沫輔助WAG（FAWAG）注入

泡沫輔助WAG 注入技術最早由Bond 和Holbrook 于1958 年提出［15］。泡沫在增油過程中的主要作用是降低氣相的流動性，從而提高采油效率并延緩突破時間［16-17］。Ghaseminezhad 等［18］比較了純水注入、WAG 注入以及同時注入CO2和不同濃度的表面活性劑溶液的效果后發現，在二次采油中，泡沫輔助WAG注入的油產量明顯高于其他注入方案。影響泡沫輔助WAG 注入效果的因素還包括泡沫強度、泡沫穩定性以及表面活性劑的吸附能力［19］。其中，泡沫強度對氣液流度比影響較大，泡沫強度越高，流度比越低［20］。泡沫穩定性是指泡沫在注入過程中保持其形態和性能的能力，它決定了泡沫在儲層中的傳播范圍和持續時間，泡沫穩定性越高，其對氣液流動的控制能力越強。表面活性劑的吸附決定了表面活性劑在儲層中的分布和回收，表面活性劑的吸附性越低，則其利用率越高，可降低經濟和環境成本［21］。

泡沫輔助WAG注入雖然具有諸多優勢，但是泡沫輔助WAG注入的效果受到表面活性劑類型、濃度、礦化度、溫度、壓力、氣水比、流速、儲層巖石類型、孔隙結構和含油飽和度等因素的影響。同時，泡沫輔助WAG 注入的機制和模型還不完善，缺乏可靠的預測工具和標準。此外，泡沫輔助WAG 注入的實驗和現場數據還不充分，缺乏驗證其可行性和經濟性的證據。

1.2.4 聚合物交替氣體（PAG）注入

為了克服早期氣體突破和重力分層的問題，對WAG 注入過程進行的另一種改進是聚合物交替氣體（polymer-WAG 或PAG）注入［22］。位于渤海灣的隨州36-1 油田在聚合物驅后采用PAG 注入技術，在分析油藏中剩余油的含量和分布基礎上，設計和優化PAG 注入的方案。通過正交設計，從16個預測方案中得到了PAG 注入的最優參數，分別是氣體注入量為0.3 PV，注入速率為0.03 PV/a，氣液比為1∶2，交替周期為30 d。結果顯示，與聚合物驅相比，PAG 可以提高約5%的采收率［23］。

Li 等［24］以美國北伯班克油田的TR78 區塊作為研究對象，比較了PAG 注入、WAG 注入和連續注氣（CGI）的性能，并優化了PAG 注入過程中的聚合物濃度和注入周期后發現：與WAG 注入相比，PAG 注入使采收率從7.3%提高到21.6%。由此證實了在高度非均質的油藏中，使用PAG 注入技術對提高采收率有較好的效果。

Abbas 等［25］利用數值模擬軟件STARS-CMG建立了一個均質高滲透率油藏模型，采用單井注入單井采出（P-I）的驅替方式，比較了水驅、CO2驅、WAG、聚合物驅和PAG 等提高采收率（EOR）方法的可能性和效果，結果發現，與水驅相比，CO2驅、WAG、聚合物驅和PAG分別可以提高采收率3%、6.8%、15%和19.6%。可見，PAG 的優勢主要體現在減少氣體竄流、改善驅油效率，并且還有利于CO2在油藏中的封存，減少溫室氣體排放。

1.3 按照混相狀態分類

按混相狀態分類可以把水氣交替技術分為水氣交替混相驅和水氣交替非混相驅。當注入的氣體與儲層原油近乎或完全混相時，這種技術效率更高。與非混相的注入相比，混相或近乎混相的注入通常具有更高的采收率［26］。

混相驅是指注入的氣體與原油能夠形成單相或準單相的混合物，從而降低油的黏度和流動度比，提高油的流動性和驅替效率。混相驅需要使油藏壓力高于最小混相壓力（MMP），實現混相狀態，其主要應用于陸上油田的密集井網，也有少數應用于海上油田的稀疏井網［8］。

非混相驅是指注入的氣體與原油不能形成單相或準單相的混合物，而是以兩相或三相的形式存在。非混相驅適用于氣源匱乏或油藏性質不利于實施重力穩定氣驅的情況，主要用于改善驅替前緣穩定性和提高波及效率［27］。

2 WAG注入技術的影響因素

2.1 水的礦化度

Sauerer 等［28］通過實測10 種不同原油和4 種不同礦化度水的油水界面張力，分析不同離子對油水界面張力的影響，結果發現，隨著地層水礦化度的增加，油水界面張力先降低后升高，形成了一個最低值。這是因為地層水中的離子與原油中的表面活性物質發生相互作用，導致界面張力的變化。礦化度越低，油水界面張力越小，油水相滲能力越強。

Ghorbani 等［29］研究低礦化度水驅對儲層潤濕性的影響，并分析低礦化度水與合成油接觸后的相行為后發現，低礦化度水驅并沒有改變合成油的組成，并且礦化度越低，巖石表面電荷越小，潤濕性越接近中性或親油性，更有利于降低殘余油飽和度。

Rostami 等［30］利用高壓高溫毛細管黏度計測量不同礦化度水與原油接觸后的黏度變化后發現，低礦化度水驅能夠降低原油的黏度，從而提高原油的可動性，低礦化度水驅能夠釋放出更多的表面活性物質，從而改變原油的流變性質，而且礦化度越低，氣體在水中的溶解度越高。

2.2 滯后效應

滯后效應是指在水氣交替注入過程中，油、水和氣的相對滲透率和毛細管壓力隨著飽和度的變化而發生滯后的現象，其主要原因是油、水和氣之間的相互作用，如黏彈性、表面活性和溶解度等。

滯后效應影響水氣交替注入的機制主要有以下方面［31-33］：

1） 降低油的相對滲透率，從而降低油的流動性和采收率；

2） 增加水和氣的相對滲透率，導致水和氣的竄流，降低溶劑利用率；

3） 影響最佳WAG 注入比的確定和WAG 注入驅替的優化設計；

4） 控制油、水和氣的分布和流動方向，降低縱向和水平驅替效率；

5） 影響油、水和氣的相平衡和相行為，從而影響油的溶解度、膨脹度和黏度等物性；

6） 改變油、氣、水的相界面張力，從而改變毛細管壓力和滲透率的關系。

2.3 油藏非均質性

Khan 等［32］用2D 和3D 扇區模型進行高分辨率組分模擬，采用調整過的狀態方程（EoS）描述流體性質，比較均質油藏和非均質油藏中水氣交替驅油的性能，結果發現，與均質油藏相比，非均質油藏在進行水氣交替注入時見效更快，但期望最終采收率（EUR）更低，氣體突破更早，氣油比（GOR）和含水率（WCT）更高；在小井距下，均質油藏中的氣體指進和重力分層效應小于非均質油藏，但在大井距下則相反。在非均質油藏中，高滲透率儲層顯示出明顯的氣體超越，導致縱向驅油效率差。

孟凡坤等［34］基于Buckley-Leverett 方程，建立了考慮滲透率非均質性和相對滲透率非線性的低滲透油藏CO2水氣交替注入數學模型，通過數值模擬分析不同的滲透率非均質性系數、相對滲透率指數和水氣比對CO2水氣交替注入能力的影響，結果發現，滲透率非均質性和相對滲透率非線性對CO2水氣交替注入能力有顯著影響，且存在最佳水氣比使得CO2水氣交替注入能力達到最大。

2.4 潤濕性

潤濕性是控制多孔介質中流體流動和分布的主要因素之一，儲層的潤濕性會影響到關鍵的變量。

儲層潤濕性決定了油水界面的接觸角和表面張力，使其可以影響毛細管壓力的大小和分布［35］。儲層潤濕性可以改變油水相的相對滲透率曲線的形狀和位置，從而改變油水相的流動能力和流動比例。當儲層是強親水性時，水作為潤濕相會占據小孔隙并覆蓋所有巖石表面，油作為非潤濕相會位于大孔隙的中心。當儲層是強親油性時，油水的位置和分布會發生反轉。當儲層是混合潤濕性時，大孔隙中存在連續的親油孔道，可以使水驅后的殘余油飽和度降低［36-37］。儲層潤濕性通過影響油水相的界面張力和黏滯力，可以改變油水相的流動穩定性和彌散系數［38］。儲層潤濕性還會改變油水相的微觀分布方式，從而影響油水相的有效流動區域和滲流路徑［39］。在WAG注入中，潤濕性條件還會影響到采收率、注入效率、最佳WAG比例和三相相對滲透率等方面［40］。

Hachem 等［41］以硅烷改變巖石潤濕性的方法，減少水氣交替過程中水注入時遇到的氣體阻塞，提高注入能力，通過測量接觸角和進行離心試驗，結果發現，硅烷處理可以有效地使砂巖和石灰巖表面更加疏水；同時在砂巖和石灰巖巖心中進行了核心驅替實驗，結果表明，經過硅烷處理，在水氣交替循環后，水相相對滲透率分別提高了45%和65%。

2.5 WAG比例

Khan 等［42］開發了一個用于計算不同WAG 比例、黏度重力比和流度比下的非均質油藏的分析模型，研究發現：WAG 比例越小，采收率越高；在低WAG比例和低水平滲透率非均質性下，油藏傾角的增加和縱向滲透率各向異性會提高縱向驅油效率。但是該模型忽視了潤濕性對WAG 效率的影響，潤濕性在很多情況中被認為是影響WAG性能的主要因素，特別是在高WAG 比例條件下［43］，因為在高WAG 比例下采出的油量較少。在水濕油藏中，這種效應尤其嚴重，高WAG 比例條件下獲得的采收率最小；而在混濕和油濕介質中，WAG 比例對驅油效率影響較小，可以獲得較高的采收率［44］。

Christie 等［45］通過不同的黏性-重力比來模擬不同的WAG 比例條件對WAG 注入效果的影響，結果發現，WAG 比例對采收率有顯著的影響，而且存在一個最優的WAG比例，可以使采收率達到最大，即當WAG 比值為0.5 時，采收率最高；而當WAG比為0或1時，采收率最低。

Kootiani 等［46］發現，WAG 比例和流量對驅替效率有顯著影響，且存在一個最佳WAG 比例，使得驅替效率達到最大，當流量為0.5 mL/min 時，最佳的WAG 比值為0.5；當流量為1 mL/min時，最佳的WAG 比值為0.67。這是因為流量會影響油相和氣相的飽和度分布，所以最佳的WAG比值與流量有關。但是，他們只研究了一定范圍內的WAG比例和流量，沒有探索其他可能的組合和優化方案，所以該結論只能體現一定的普遍性和實用性。

3 挑戰與對策

不論是在油田現場，還是在實驗室內進行水氣交替提高采收率研究總是伴隨著挑戰與問題。在一般情況下，水氣交替技術面臨的挑戰和采取的對策包括以下方面。

3.1 氣體提前突破

氣體提前突破是指在注入氣體驅油過程中，注入的氣體在到達生產井之前就突破了巖心，導致驅油效率降低，成本增加［47］。氣體提前突破可以分為毛細管突破和機械突破兩類。

毛細管突破是由于毛細管效應引起的氣體突破，當注入的氣體壓力超過了巖心中的毛細管壓力時，氣體就會從裂縫或孔隙中進入飽和水的巖心，形成連續的氣相通道［48-49］。該現象主要發生在低滲透巖心中。

機械突破是指由于巖心的物理變化引起的氣體突破，當注入的氣體壓力超過了巖心的強度時，氣體就會導致巖心發生裂縫或塌陷，形成新的氣相通道［48，50］。該現象主要發生在高滲透巖心中。

在Brage 油田中，應用WAG 技術3 個月后，發生氣體突破現象，觀察到了驅替效率降低［51］，這主要是因為生產井和注入井之間存在薄而高滲的儲層。Erivwo 等［52］在Ogini 油田研究不同的WAG 注入方案和參數對提前突破的影響，最終得到改善措施的建議，如調整WAG的比例、周期、順序等參數；添加聚合物、泡沫等化學劑；注入低鹽度水或低滲透率水；在WAG 過程中使用智能完井控水（AICD）技術。

3.2 設備問題的挑戰

應用WAG 注入技術時需要使用一些特殊的設備和儀器，如氣體壓縮機、水泵、流量計、壓力計、溫度計、混合器和分配器等，這些設備和儀器在WAG注入過程中可能會遇到一些挑戰：①設備的選擇和配置；②氣體泄漏、腐蝕、結垢、堵塞和水合物等；③設備技術限制。

在Snorre 油田，由于腐蝕導致的管道環空泄漏對壓縮機的維護造成了高昂的運行成本［53］。在Cornea 油田，當WAG 比例為1∶1 時，原油產量最高。然而，由于壓縮機的限制，無法獲得最佳的WAG 比例［54］。在Al-Shaheen油田，存在壓縮機的可靠性問題［55］。在Gullfaks 油田，初估原油采收率能增加8%～10%，然而，在WAG 注入過程中，WAG 比例卻發生了變化，主要是受到了壓縮機容量的限制［56］。因此，在WAG注入中氣體壓縮機建議措施有以下方面：①氣體壓縮機需要根據油藏的最小混溶壓力（MMP）和注入速率來確定壓縮比和功率；②氣體壓縮機需要考慮氣體的成分、溫度、濕度和雜質等因素；③氣體壓縮機需要定期進行檢查、維護和更換。

在Statfjord 油田，由于CO2與水反應產生了酸性溶液，使油管出現了嚴重的腐蝕和裂縫［6］。CO2和水的混合物的pH越低、溫度越高、流速越快，越容易腐蝕設備［57］。改善腐蝕的措施包括［58-59］：①使用耐腐蝕性高的金屬材料，或者在設備表面涂上防腐層。②添加一些緩蝕劑，如氨、胺和硫酸鹽等，以抑制金屬和CO2的反應。③控制CO2的壓力和溫度，以降低CO2的活性和腐蝕速率。

在Minas 油田應用N2WAG 注入技術時發現，油管出現了塑性變形和應力松弛，這主要是由于高溫高壓下的N2引起了油管的熱膨脹［33］。在Zakum 油田應用CO2WAG 注入技術時發現，油管出現了裂縫和泄漏，主要原因是CO2與水和鹽反應產生了碳酸鹽結晶［60］。為了預防或減少這類問題，需要選擇合適的油管材料，如耐腐蝕合金（CRA），或者在油管內壁涂上防垢劑。此外，還需要定期檢測和維護油管的完整性以及控制注入氣體的壓力和溫度［61］。

3.3 瀝青質的沉積

瀝青質沉積會降低儲層的滲透率和孔隙度，還會降低井筒的滲透率和流動能力，甚至會改變儲層潤濕性及原油物性，大大影響WAG注入的驅油效率和注入能力［62-63］。

2006 年，Khanifar 等［64］對阿布扎比一處油田使用氣體、水和WAG 注入方案進行生產，以PVT實驗和高壓過濾器來評估不同壓力和溫度下的瀝青質沉積量，結果發現，在WAG 注入過程中會有顯著的瀝青質沉積。Cho 等［65］使用組分模擬方法研究瀝青沉積對CO2-LPG WAG 注入的影響后發現，LPG的加入加速了瀝青沉積，降低了氣體的流動性。Ahmadi 等［66］對不同的WAG 注入方案進行了研究，具體包括水、熱水、N2、CO2、伴生氣和4 種WAG（CO2/水、N2/水、伴生氣/水和伴生氣/熱水），以尋找最有效的方法，結果發現，伴生氣與水交替沉積的瀝青質最少。

WAG 注入中改善瀝青質沉積的措施有以下方面［66-67］：

1）優化注入的壓力和溫度，避免超過瀝青質沉積的臨界點，從而減少瀝青質的析出和沉積；

2）優化注入的周期、比例和速率，以適應不同的儲層條件和流體性質，從而控制瀝青質的溶解度和流動性；

3）使用表面活性劑等防止或溶解瀝青質沉積，從而保持儲層和井筒的滲流能力。

4 結論與建議

1）各種WAG 注入技術的礦場應用和實驗研究均表明，WAG 注入技術具有很好的提高采收率的性能，是一項成熟的提高采收率的技術。因此，可以通過開發不同的WAG種類來改變液相、氣相和操作條件來進一步提高采收率。

2）潤濕性和注入水礦化度是影響WAG 效果的重要因素，礦化度越低，油水界面張力越小，巖石表面電荷越小，氣體在水中的溶解度也越高。潤濕性會影響油水界面的接觸角和表面張力、毛細管壓力的大小和分布、油水相的相對滲透率曲線、流動能力和流動比例、流動穩定性和彌散系數、微觀分布方式和滲流路徑等。

3）在WAG 中，一般認為WAG 比例為1∶1 時采收率最高，但潤濕性和注入速率等因素也會對最佳WAG比例產生影響。

4）WAG 注入技術面臨的挑戰包括氣體提前突破、設備問題和瀝青質的沉積，可通過調整WAG 比例、控制氣體的壓力和溫度、選材和維護設備以及使用表面活性劑等方法來改善。

5）WAG 的研究需要評估不同類型油藏的可行性并進行優化，同時在數值模擬方面需要更深入的研究，包括考慮相對滲透率滯后、三相流動、混溶性和組分變化等因素，還可以發展機器學習方案設計和智能管理WAG 過程、改進氣體壓縮機、混合膠凝物處理、降低黏度的WAG（VRWAG）和聚合物添加劑等相關技術。