化学驱

原油生产的采油方法

化学驱，又称改型水驱化学法，是指向注入水中加入化学剂，以改变驱替流体的物化性质及驱替流体与原油和岩石矿物之间的界面性质，从而有利于原油生产的一种采油方法。

发展历程

中国化学驱技术起步于20世纪60年代初，至今主要经历了4个发展阶段：

（1）20世纪60年代初期至20世纪70年代中期的探索阶段。该阶段以学习国外技术为主，以高浓度、小段塞化学驱理论为基础，重点攻关黏性水驱和乳状液驱，化学剂浓度高、成本高。该阶段开展了一些井组规模的试验，但针对中国油藏实际情况的化学驱主攻方向没有明确。

（2）20世纪70年代中期至20世纪80年代末期的优选方向阶段。认识到针对中国陆相沉积、非均质严重的储层，应主要攻关低浓度、大段塞的化学驱技术。碱水驱、聚合物驱、表面活性剂驱等进入现场试验，通过效果对比，明确了聚合物驱为今后主攻方向。

（3）20世纪90年代初期至今的聚合物驱阶段。有针对性地开展先导试验和工业试验，攻关形成聚合物驱配套技术，大规模工业化的聚丙烯酰胺生产、方案设计手段、三次采油成套设备制造等完全实现了国产化，技术水平和应用规模居世界领先。

（4）21世纪初期至今的复合驱攻关阶段。突破了低酸值原油不适合三元复合驱的理论束缚，实现了表面活性剂的自主生产，形成了配套工艺技术系列，在国际上率先成功实现工业化。

化学驱机理

二次采油主要是利用向油层注入水的方法进行驱油。由于油层的非均质及水油的粘度差, 使注入水前缘不规则, 地层中有些部位没有受到水的波及; 另外在水波及的区域, 油并没有全部被驱走, 使一些油残留在孔隙中。因此, 要提高原油的采收率主要从扩大波及系数和提高驱油效率这两个方面着手。

1 . 扩大波及系数

驱油剂在油藏中波及到的孔隙体积波及系数Ev 可以分解为纵向波及系数和平面波及系数的乘积:

Ev = Ea × Ei

式中:

Ea———平面波及系数, 即驱油剂波及到的面积与注入井和生产井控制的含油面积之比;

Ei ———纵向波及系数, 即驱油剂在垂向上波及的厚度与油层总厚度之比。

影响波及系数的因素主要有:

① 油层非均质性, 油层的非均质性可以分为垂直剖面上、平面上的非均质性。前两种统称为宏观非均质性即油层岩石宏观物性参数( 孔、渗)的非均质性;

②储层中驱替相与被驱替相之间流动的差异, 流体在多孔介质中的流动能力可以表示为:

λ=k1/ηi

式中:

λ———流体的流度;

k1———流体的有效渗透率, 10-3μm2;

ηi———流体的粘度,(mPa·s )。

在纵向上聚合物溶液仍然首先进入渗透性最好的高渗透层, 并沿阻力相对较小的大孔道渗流。但由于一方面聚合物在孔壁上的吸附, 使有效可流动半径减小; 另一方面聚合物溶液粘度大, 具有较大的摩擦阻力, 造成渗流阻力增加, 迫使注入的聚合物溶液进入中低渗透层和由高渗透层向相邻的中低渗透层波及, 从而改善纵向波及系数, 增加了吸水厚度, 最终提高原油采收率。

2.提高驱油效率

驱油剂在油层孔隙中驱出的原油体积分数( 驱油效率) Ed 可以由下式表示:

式中:

So———油层孔隙中平均含油饱和度;

Soi———油层孔隙中原始含油饱和度。

驱油效率与原油在岩石孔隙中的分布状态有关。原油在岩石孔隙中通常与束缚水共存, 因此, 孔隙中存在油-水、油-岩石、水-岩石的复杂界面现象, 在水驱过程中便出现毛细管滞留现象, 使滞留的原油以油滴、油块、油膜的形式分布于孔喉、孔壁。碱与表面活性剂联合作用改变了相渗特性而使洗油效率增加。碱与表面活性剂改变相对渗透率曲线有以下3 种基本机理: 降低界面张力、增溶油作用、改变润湿性。其中降低界面张力是低浓度表面活性剂和碱联合作用增油的主要机理。界面张力的降低提高采收率通过增加毛细管束来实现。

分类

根据注入化学剂的不同, 化学驱可分为聚合物驱、表面活性剂驱、碱驱以及由它们组合起来的二元、三元复合驱。

1 . 聚合物驱

聚合物驱实际上是一种把水溶性聚合物加到注入水中, 以增加注入水的粘度、改善流度比的方法。广泛使用的聚合物可以分为两种: 一种是人工合成的化学产品———部分水解聚丙烯酰胺; 另一种是微生物发酵产品———黄胞胶。部分水解聚丙烯酰胺不仅可以增加水的粘度, 还可以通过降低地层对水的渗透率而改变水的流动路线, 对油的渗透率则可以保持相对不变, 聚合物溶液通过后仍可保持对水的残余阻力, 是理想的改善流度比、扩大波及体积的方法。

聚合物驱以扩大波及体积为主, 因此它更适用于非均质性较严重的油藏。聚合物驱不能降低残余油饱和度, 因此其剩余的可流动油饱和度应大于10%。如果一个油藏适于聚合物驱, 应在生产水油比比较低时就开始注入, 这样在经济上更为合算。使用聚合物的分子量与油藏渗透率密切相关, 渗透率愈高, 可使用更高分子量的聚合物而不堵塞地层, 从而其用量可以大大降低。

2 . 表面活性剂驱

应用表面活性剂提高采收率方法可分为活性水驱、乳状液驱、泡沫驱、胶束驱和低界面张力驱, 主要是通过降低界面张力、润湿反转、乳化作用、增溶、聚并形成油带等作用, 提高洗油效率。该方法适用于相对均质性的砂岩油藏, 泥质含量要低于10% , 油的粘度最好小于40 mPa·s , 以利于流度控制。

表面活性剂驱还是一个成本比较高的方法, 如何选择有高的驱油效率和流度控制, 同储层有较好的配伍性、低的吸附损失、来源广和低成本的配方是个关键性问题。

3 . 碱驱

对于原油中含有较多有机酸的油层可以注入浓度为0 . 05% ～4% 的NaOH、Na2CO3 或Na4SiO4 等碱性水溶液, 在油层内和这些有机酸就地生成表面活性剂的方法称为碱驱。单纯碱驱的驱油机理十分复杂, 可由降低油水界面张力, 产生润湿性反转、乳化捕集、乳化夹带、自发乳化和聚并以及硬膜溶解等机理使地层孔隙中捕集处于分散状态的油滴或油膜启动、形成可以连续流动的富油带而被采出。

碱驱是一种提出最早( 1917 年) , 试验最早(1930 年) , 化学剂最便宜, 操作最简单的一种方法, 但其驱油机理最复杂, 限制也多。首先, 配制碱溶液用水中的Ca2+ 、Mg2+ ,可引起注入系统和注入井近井地带结垢; 碱与地层矿物反应产生可溶性硅酸盐和铝酸盐,可在油井产出时与其他方向来水中的Ca2+ 、Mg2+ 反应, 引起油井近井地带和生产系统结垢; 其次, 碱驱的产出液为原油与水的乳状液, 油水分离的难度大; 最为重要的是由于流度控制差, 很易沿高渗透层“ 指进” 而起不到驱油的作用。因此矿场试验的规模和范围较小, 一般需要与聚合物等流度控制剂一起使用。

4 . 复合驱

复合驱是指两种或两种以上的驱油成分组合起来的驱油方法。驱油成分是指化学驱中的主剂( 聚合物、碱、表面活性剂) , 它们可按不同的方式组成各种复合驱, 如稠化碱驱( 碱+ 聚合物)、稠化表面活性剂驱( 表面活性剂+ 聚合物)、碱强化表面活性剂驱或表面活性剂强化碱驱( 碱+ 表面活性剂)、ASP 三元复合驱(碱+表面活性剂+ 聚合物)。复合驱通常比单一驱油方法有更高的采收率, 主要是由于复合驱中的聚合物、表面活性剂和碱之间有协同效应, 它们在其中起着各自的作用。

(1)聚合物的作用是:

①改善了表面活性剂和碱溶液对油的流度比;

② 对驱油介质的稠化, 可减小表面活性剂和碱的扩散速度, 从而减小它们的损耗;

③可与钙、镁离子反应,保护了表面活性剂, 使它不易形成低表面活性的钙、镁盐;

④提高了碱和表面活性剂所形成的水包油乳状液的稳定性, 使波及系数和洗油能力有较大提高。

(2)表面活性剂的作用是:

①可以降低聚合物溶液与油的界面张力, 提高洗油能力;

②可使油乳化, 提高驱油介质的粘度;

③若表面活性剂与聚合物形成络合结构, 可提高聚合物的增粘能力;

④可补充碱与石油酸反应产生表面活性剂的不足。

(3)碱的作用是:

①可提高聚合物的稠化能力;

②与石油酸反应产生表面活性剂, 可将油乳化, 提高驱油介质粘度;

③与石油酸反应产生的表面活性剂与合成的表面活性剂有协同效应;

④可与钙、镁离子反应或与粘土进行离子交换, 起到牺牲剂的作用, 保护了聚合物和表面活性剂;

⑤可提高砂岩表面的负电性, 减少砂岩表面对聚合物和表面活性剂的吸附量。

工作程序

化学驱油技术是一项比较大的系统工程, 涉及高分子化学、油田化学、地质、油藏等多个学科, 比注水开发要复杂的多, 并且投资高, 风险大, 必须协调好各个系统或环节,否则可能导致整个工作的失败。为了使这项工作能够顺利地开展, 并达到增加采收率的预期目标, 需要将各个环节有机地联系起来, 成为一个整体, 其研究程序见图。如图1所示，给出了化学试验研究程序框图。从图中所列研究内容可见化学驱油试验研究主要集中在:

①化学剂溶液性质如基本物化性能和应用性能的评价, 如流变性、稳定性、界面张力、乳化性能等;

②化学剂在多孔介质中的性质, 如吸附、分子量与地层配伍性、流变性、阻力系数、不可及孔隙体积等;

③驱油试验及试验方案, 确定用量、非均质影响等。它的主要目的是筛选出适合油藏条件的化学剂产品, 研究驱油体系在多孔介质中的流变性, 并对注入参数进行初步优选。

化学驱项目成败的关键在于油田的地质条件和水驱开发状况, 因此矿场实施一般要历经3 个阶段, 即先导试验、扩大试验和工业推广应用。先导试验的目的主要是验证实际化学驱油技术的可行性, 一般选取油藏和水驱开发有代表性的区块, 面积小, 井组少, 以便在较短的时间内见到驱替效果。通常利用油藏工程方法研究、现场直接检测等方法对含水率变化、产油量变化、注采压力变化、采收率提高幅度、化学剂利用率等进行评价。扩大试验的目的主要证实技术的经济可行性和推广应用的可能性, 一般面积较大, 井组多, 以便取得工业推广应用的经验。通常要考虑财务净现值、财务内部收益率、投资回收期等指标以及合理的注采井网井距、注采层系组合、注入量、影响因素等方面。在先导试验和扩大试验取得成功之后, 即可进行大规模的工业推广应用。

在实际工作中, 如果严格按上述研究程序, 坚持科学论证、预测和试验, 就可减少盲目性和风险性。各个研究程序在运行过程中, 可依据具体情况加快实施节奏, 或简化某些程序, 或使相邻研究程序交叉进行, 但不应省掉任何程序, 即按照“ 节奏可以加快, 程序不可超越” 的原则, 加快研究。

化学驱发展现状

三次采油技术的发展与一次采油或二次采油的明显不同之处就是其适应的范围有限,不同的地质特点是选择提高采收率方法的基础, 另外, 驱油剂的发展、原油价格、相关学科的进步、国家政策都会影响其发展方向和规模。化学驱的发展尤其受到这种制约, 至今主要发展了聚合物驱和复合驱。

1、聚合物驱工业化应用效果显著

大规模的聚合物驱工业化应用，使该技术成为中、高渗油藏开发中、后期的主体技术。聚合物驱应用对象正在拓展，由高渗透油层拓展至中渗透油层、砂岩油藏拓展至砾岩油藏、常温油藏拓展至高温高盐油藏；聚合物类型也正在拓展，由高分子量拓展至超高分子量、中低分子量，低黏拓展至中黏、高黏，线性拓展至支化、梳形、星形、树枝状，亲水性拓展至两亲性；聚合物配制用水也由清水拓展至污水。在常规聚合物驱技术基础上，通过持续攻关，形成了以高浓度黏弹聚合物驱、大庆油田二类油层聚合物驱、新疆油田砾岩聚合物驱为代表的成熟工业化技术。

2、三元复合驱实现工业化应用

经过多年技术攻关和工业化试验，三元复合驱技术基本配套，形成了表面活性剂工业化生产、驱油机理、注采工艺、采出液处理地面工程等系列技术体系。2015年工业化应用产量突破300×104t，三元复合驱正逐渐成为中、高渗油藏的中、后期开发战略接替技术。

3、二元复合驱试验取得重要进展二元复合驱在表面活性剂合成、配方研制、评价方法等方面取得了重要进展。胜利油田孤东七区、辽河油田锦16块、新疆油田七中区等二元驱重大开发试验效果显著：孤东七区提高采收率16%，含水率由试验前的98.3%最低下降到60.4%；锦16块阶段提高采收率11.7%，预计提高采收率约18%；七中区阶段提高采收率12.2%，含水率由试验前的95%最低下降到47.5%，预计提高采收率约18%。二元复合驱不仅环境相对友好，而且能够大幅度提高采收率，是中、高渗油藏提高采收率的主要攻关方向。

发展方向

中国中、高渗老油田以陆相沉积为主、非均质严重，扩大波及体积是大幅度提高采收率的基础，聚合物驱仍具备较大发展空间。通过完善配套技术，进一步降低聚合物驱成本、提升矿场效益将是聚合物驱研究的重点。历经数十年的注水开发，主力油层普遍水洗程度高，剩余可动含油饱和度较低，剩余油赋存状态复杂，以油膜残留态为主。复合驱油体系不仅有较高的视黏度，而且有超低的界面张力，以驱替剂的协同效应为基础，与聚合物驱相比，在扩大波及体积的基础上，能够进一步提高洗油效率。此外，开展了大量的聚合物驱后进一步提高采收率技术研究，但是矿场效果普遍不理想，尚未明确潜力技术方向。

聚合物驱后油藏非均质程度普遍加深，对后续深度开发改善油藏非均质性提出很大挑战。另外地下残存的聚合物以吸附形态滞留于岩石和原油表层，阻碍了聚合物驱后的驱油剂与原油表层的接触。一部分聚合物阻塞于低渗区域的喉道端口，端面效应也会导致存在“二次波及的难题”。由于无碱复合驱尚在攻关阶段，近期应以弱碱复合驱为工业化应用的方向。随着表面活性剂进一步提高性能和降低成本，在去除碱后，可以将节省下来的碱成本用于增大表面活性剂浓度，实现微乳液胶束驱替。在表面活性剂类型的选择上，以石油磺酸盐为优，其原材料来自于石油产品，具备“注油增油”的理念，是一种广谱、大宗、大众化的主表面活性剂，其原料来源可控、同宗同源、相似相溶，是化学驱今后大规模工业化推广的基础。

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