化学驱提高油气采收率方法综述

王佳玮，徐守余

（中国石油大学（华东）地球科学与技术学院，山东 青岛 266580）



化学驱提高油气采收率方法综述

王佳玮，徐守余

（中国石油大学（华东）地球科学与技术学院，山东 青岛 266580）

随着越来越多的油藏进入高含水开采阶段，如何提高油气采收率现已成为国内外石油行业探索研究的热点和难点。提高采收率的方法包括化学驱、气驱和热力采油等。其中，化学驱油技术具有坚实的理论基础，并已得到广泛应用。对三种常用的化学驱方法作简要介绍，并结合应用实例分析了化学驱目前面临的主要问题及未来发展趋势。

化学驱；提高采收率；稠油油藏

化学驱油技术的本质是将化学剂置于水溶液中，使注入流体的动力学特性以及与原油之间相互作用的物理化学特性得到改善，从而达到提高油气采收率的目的。在国内油藏开发中，化学驱油技术已获得广泛应用，是提高采收率的有效手段。该项技术由碱水驱、聚合物驱等方法共同推动，实际处理阶段作用十分明显。其中，表活剂驱和碱水驱提升油气采收率的机理是通过降低存在于油水界面的张力；聚合物驱则通过减小水油流度比、增大驱替介质的波及系数来实现油气采收率的提高。

1　聚合物驱油技术

1.1技术原理

传统的注水开发会产生非常明显的指进现象。这是因为在水驱过程中，水油的流度比非常大，因此无法通过水驱波及到大量原油。驱替液的波及系数一般随着黏度的上升而上升，而驱油效率随着波及系数的上升而提高。通过加入水溶性聚合物，使驱替液的黏度增大、水油的流度比减小，这就是聚合物驱油技术的作用原理。与此同时，在驱替过程中，水相的相对渗透率也会降低，其原因在于聚合物会粘着在储层岩石的表面，从而使水相流度进一步降低。

1.2存在的问题

调研相关文献可知，聚合物驱有一定的适用条件。当原油黏度＞200 mPa·s时，聚合物溶液在地面及地下的流动阻力较大，驱油效果并不理想。而我国稠油储量十分可观，如塔河油田、辽河油田等均蕴含丰富的稠油资源。对于稠油，常用的开采方法是热力采油；然而，在油层较薄（＜10 m）、埋深较大（＞1 000 m）或者存在边底水的情况下，由于热量损失过多，热采的开采效率受到很大制约。因此，为了提高稠油采收率，仍需用到非热采的聚合物驱方法。

1.3稠油聚合物驱技术

稠油黏度往往能达到上千mPa·s，因此所选择的聚合物溶液浓度必须达到一个极高的标准，方可使水油流度比得到控制。Wang与Dong等［1，2］在室内条件下，对聚合物溶液合理黏度与采收率间的关系进行了相关实验分析。研究发现，聚合物溶液的合理黏度存在最大值和最小值。如果位于合理区间内，那么随着黏度逐渐上升，必将引起石油采收率显著提高；如果位于该区间外，溶液黏度的上升并不会造成采收率出现明显变化（图1）。除此之外，通过实验对比可知，聚合物溶液的初始黏度增大时，合理黏度的最大值及最小值同样呈现增大趋势，并且在双对数图中表现为线性关系。

图1　注入浓度对采收率的影响Fig.1 Effect of injection concentration on oil recovery

Wassmuth等［3］通过油藏模拟，对黏度在300～1 600 mPa·s范围内的稠油，分别采用水驱和聚合物驱的方法进行实验。结果显示，以水驱方式添加1 PV水，采出液含水比例超过90%；但当添加了0.5 PV黏度为50 mPa·s的聚合物段塞时，采收率随之增加20%。该现象表明，在条件合理的前提下，聚合物驱与水驱的驱油效率相比较而言，前者相当于后者的两倍（图2）。

图2　注入量对采收率的影响Fig.2 Effect of injection rate on oil recovery

国内也有许多学者选择稠油油藏聚合物驱这一课题开展室内研究和矿场实验。由于我国的稠油油藏具有埋藏较深、储层压力较大等特点，造成注聚技术无法发挥出最佳效果。许家峰、程林松等［4］以稠油油藏超高分子聚合物驱为分析对象，利用物理实验模拟和油藏数值模拟，对其进行有效性评估。经分析发现，对于超高分子、中分子和一般这三类形态而言，超高分子聚合物无论黏弹性或可靠性均更具优势，能够快速清除盲端残留油，提升驱油性能。同水驱相比较，超高分子的聚合物驱对稠油采收率增幅为27.2%，有明显的提升，尤其是将整体段塞置入同段塞联合模式进行对比，效果更佳；同时，当驱替相和被驱替相黏度比达到3后，作用最为明显。

张贤松等［5］运用数模的技术，对聚合物驱作用于国内陆相沉积稠油油藏时的油藏性质进行了细致的研究，分析的主要参数有储层的非均质性以及原油的黏度等等。他通过研究发现，如果要将聚合物驱有效地作用于陆相沉积稠油油藏，其渗透率最小值必须大于500×10-3μm2，地下原油黏度有效值不可低于100 Pa·s，采取聚合物驱的时机不可于含水率达到70%后，这样便能保证增油指标合理。一方面能够防止后期水驱时地层破裂，另一方面能够明显增强水驱作用，减少注聚开发时存在的风险。只有上述油藏性质满足相应的标准，才能使聚合物驱油发挥作用。

此外还有研究表明，如果经济条件允许，同时采用聚合物驱和水平井两项技术，可以明显提高稠油油藏的采收率。基于油藏环境的特性，选取最适合的聚合物浓度以及最佳的注入参数，同时利用水平井技术增强其注入效率，这种“双管齐下”的技术模式极具市场前景。

2　碱水驱油技术

2.1技术原理

碱水驱的含义是向油层中注入碱性试剂，利用碱和原油内部有机酸发生反应得到表面活性剂，以此控制油水界面张力，让原油快速转变为乳状液。目前应用最为普遍的碱剂为氢氧化钠，其他碱剂如碳酸氢钠、碳酸钠、氢氧化铵等，也可用于碱水驱油中。

2.2应用研究

Mayer等［6］对注入油藏地层的碱剂与储层岩石及其流体间的反应进行了系统研究，包括碱与油的反应，碱与水的反应以及碱与岩石的反应这三个方面。Johnson［7］对碱水驱提高采收率的原理作了归类与说明，即水湿反转为油湿、油湿反转为水湿、乳化携带与乳化捕集四种类型。而由于水驱稠油阶段，波及系数往往偏小，乳化捕集的原理在稠油开采中的作用更为明显。

Campbell等［8］对比了Huntington Beach油田注入硅酸钠和氢氧化钠碱溶液而造成不同的剩余油采收率进行了实验分析。所有实验组的注入流体内全部添加质量分数为0.75%的氯化钠。结果显示，如果注入溶液的浓度和体积一致，无论注入方式为持续式或段塞式，硅酸钠溶液的驱油效果明显好于氢氧化钠溶液。不仅如此，所添加的氯化钠浓度会使油水间界面张力发生变化，由此可以确定最合理的氯化钠浓度值。

Scoot等［9］以Lloydminster稠油为对象，研究了氢氧化钠碱剂的性质以及其与油水界面张力变化之间的关系。如果碱剂的pH值处于9～11之间，油水的界面张力将快速减小。当氢氧化钠溶液质量分数上升时，界面张力将随之下降；若质量分数达到0.005%，界面张力不会超过1 mN/m。还有实验证明，溶液内含有氯化钠时，若想控制界面张力必须降低碱剂含量。如果盐水内氯化钠的质量分数增大至0.01%～0.1%，采收率必然上升；而浓度增大到一定程度后，采收率将不会随之出现明显的变化。

Arhuoma等［10］选取不同孔渗的岩心样本，对不同浓度的氢氧化钠溶液驱替Alberta原油的压降情况及采收率进行分析。当浓度持续升高时，注入压力快速增大，出现稳定值后开始减小。对产出液的成分研究发现，当氢氧化钠和原油内石油酸反应时，能够得到有效控制油水界面张力的表面活性剂，同时让原油乳转变成油包水型乳状液。乳状液能够封堵高渗通道，减小水相渗透率，增大注入压力，致使碱水驱替低渗孔喉内部原油，最终实现采收率的提高。

2.3存在的问题

主要问题包括两个，一是在碱水驱油过程中，碱和原油、地层水等发生反应，需要的碱剂数量较多；二是水油流度比的不合理，会造成波及系数过小，驱油效率不足。应用效果统计显示，选用碱水驱油方法后，采收率上升值仅在 6%～8%范围内，平均为2%，此外还存在结垢、黏性、指进等问题。因此，碱水驱油技术在工业领域并未普及，实际应用中常将碱剂、聚合物、表面活性剂等结合起来构成复合体系驱油。

3　表面活性剂驱油技术

3.1技术原理

在现场作业中，表面活性剂往往与碱剂搭配使用。这是因为采用碱水驱时，由于碱在多孔介质内容易出现吸附、沉积等现象，通常必须提高碱剂注入浓度。然而在高浓度条件下，碱水驱采收率并不理想。因此，为了在最佳的碱剂浓度下得到最低的表面张力，可以向碱剂内添加表面活性剂，利用混合物达到稳定驱替。

3.2应用研究

Bryan等［11］通过大量的岩心驱替实验，对一种碱-表面活性剂复合驱油体系在加拿大Alberta原油驱替中的应用进行了研究，分析了不同浓度的碱、盐含量在乳状液产生时期的不同作用。结果表明，碱-表面活性剂复合体系在驱替原油时具有最合理的碱浓度，能使油水界面张力出现最小值，实现原油的快速乳化。如果盐浓度偏大，会出现油包水型乳状液；如果偏小，会出现水包油型乳状液。由该实验可知，碱-表面活性剂这种二元复合模式，可令水驱后的实验稠油采收率提高20% 。

Dong等［12］进行了一系列乳化及界面张力测试实验，发现当碱溶液中存在一定含量的表面活性剂时，可将界面张力降低至0.01 mN/m；此外，通过相应的界面扰动便能使稠油在地层水中出现乳化现象。实验结果显示，利用碱-表面活性剂这种复合驱时，通过使水相内的原油快速乳化，可以得到微小的乳化液滴，这种乳化液液滴能够非常容易地依附在水相上并随着水相被排出。通过进行填砂管驱替实验，结果发现运用这种方法的三次采收率可达20%以上。

葛际江等［13］对碳酸钠与非离子-阴离子表面活性剂复合体系对稠油动态界面张力所造成的影响进行了分析，研究结果表明仅仅依靠碳酸钠或表面活性剂中任意一个，是没有办法达到减小界面张力这个目的；但是如果将碳酸钠与表面活性剂相结合使用后，则可实现协同增效。如果表面活性剂的质量分数大于 0.002 5%与此同时碱溶液的质量分数大于0.35%，最低界面张力可以降低到10-4 mN/m以下。不仅如此，这种二元复合体系还可确定碱浓度的阈值——界面张力出现明显减小的情况仅仅在碳酸钠的质量分数超过了0.35%时才会发生。通过进行室内驱油实验，结果表明油水动态界面张力和驱油剂-稠油体系乳化效果之间并没有确定的对应性；而乳化效果与采收率之间则存在相关关系，即乳化效果越佳，采收率越高。

4　结 论

化学驱作为提高油气采收率的一种有效手段，在过去几十年间飞速发展，现已获得广泛应用。然而，对于实践中出现的种种困难，这一技术仍面临许多挑战。面对我国丰富的稠油资源，如何利用化学驱有效地提高采收率，成为目前亟待解决的问题。已有的研究成果表明，将聚合物驱和水平井两项技术相结合，能够显著提高稠油采收率；碱-表面活性剂驱这一复合体系驱油技术具有良好的协同效应，受成本因素制约一直没有发展为商业规模，如何降低成本、提高效率是我们未来需要攻克的难题。

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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

王佳玮（1991-），女，山东东营人，硕士研究生在读，硕士学位，研究方向：油气藏开发地质。E-mail：imveramo@gmail.com。

TE 357

A

1671-0460（2016）05-0911-04

国家科技重大专项“复杂油藏剩余油分布预测研究”，项目号：2011ZX05009-003。

2016-02-04