王德民

（大慶油田有限責任公司，黑龍江大慶 163453）

強化采油方面的一些新進展

王德民

（大慶油田有限責任公司，黑龍江大慶 163453）

隨著油田含水的上升、采出程度的增加以及剩余可采儲量的減少，油田穩(wěn)產難度越來越大.為了保持油田更長期的高產穩(wěn)產，需要研究、發(fā)展一批新的、能夠進一步提高采收率的強化采油工藝.本文介紹了其中的一批比較重要的進展，包括：高彈性驅；無堿活性劑；同井注采工藝；開采和集輸高凝、高粘油的工藝以及適合化學驅的采油工藝.

強化采油；提高采收率；聚合物驅；活性劑驅；油水分離裝置；機械采油

0 引言

我國是世界上大規(guī)模推廣使用強化采油IOR（包括提高采收率EOR）力度最大的國家，并且在技術上有很多創(chuàng)新，尤其是在分層開發(fā)和化學驅提高采收率方面.但隨著油田含水的上升（大慶油田含水已經達到92%，我國各老油田的含水也都在90%左右）、采出程度的增加和剩余可采儲量的減少，油田穩(wěn)產難度進一步加大.為了保持油田更長時間的高產穩(wěn)產，需要研發(fā)一批新的、能夠進一步提高采收率的強化采油工藝.在此介紹其中的一些比較重要的進展.

1 高彈性驅

高彈性驅是聚合物驅的一個重大發(fā)展.常規(guī)聚合物驅的溶液濃度比較低（一般為1 000mg／L左右），驅油的主要機理是聚合物溶液的粘度可以改善流度比，從而增加驅油波及體積.但大量室內和現(xiàn)場實踐表明，聚合物驅不但可以提高波及體積，同時還可以增加驅油效率（圖1）.聚合物溶液是一種粘彈性流體，即除粘度外，它還具有彈性.由于流體的彈性性質，當流體流動并遇到殘余油時，會出現(xiàn)兩個與牛頓流體流動時不同的力，即：

（1）在毛細管中的流動近似于“活塞流”，管壁邊緣的流速比牛頓流體的流速高，并且與中部的流速相近（圖2）.因此流體流經邊緣的殘余油時，流線必然產生變形，流線產生的變形以及流速的變化比牛頓流體時大，所產生的動能力（F＝mv／t）也大；

（2）流體流經殘余油時，流線要變形.任何彈性體（包括粘彈性流體）都有一個反抗變形的性質，即在流線發(fā)生變形的地方，會產生一個和變形方向相反的力（即變形反抗力）.

圖1 殘余油飽和度、毛管數(shù)和彈性關系曲線

圖2 不同流體在毛細管中的速度分布剖面（物模結果）

由于這兩個特性，粘彈性流體流經殘余油滴時，所產生的力與牛頓流體不同（圖3）.多孔介質中有牛頓流體時，只有壓力梯度（是油滴的驅動力）和油滴變形所產生的毛管力（是油滴的滯留力）兩個力；而粘彈性流體，除上述兩個力之外，還有由于流線變形而產生的彈性力和由于流線改變方向和速度而產生的動能力，共四個力（流體與巖石的附著力決定了巖石的潤濕性，這里不討論）.由于增加了上述兩個微觀力，因此增加了殘余油的驅動力，而滯留力維持不變，所以殘余油滴更易于移動、富集.經計算，當We＝0.3時，這兩個微觀驅動力的總和比原壓力梯度驅動力（0.02MPa·m－1）大20倍左右（圖4）.由于驅動力增加了20倍，因此計算的油滴變形（圖5）和微觀可視驅油模型中的油滴變形（圖6和圖7）都比牛頓流體所產生的變形大，從而可以使油滴運移、聚集并降低殘余油飽和度（圖8）.非均質巖心驅油實驗表明采收率可以比水驅采收率提高20%OOIP（原油地質儲量）以上（圖9）.

圖3 油滴所受各種微觀力示意圖

圖4 窄油膜上的水平方向應力差

圖5 親水條件下油滴變形情況

圖6 可視巖心中的油滴驅替情況

圖7 不同濃度聚合物溶液驅油后的盲端類油濕巖心殘余油狀況（連續(xù)驅）

經過8年1 000多口井的現(xiàn)場試驗，表明高彈性驅可以提高采收率20%OOIP以上（圖10）.

圖8 高彈性巖心驅油后殘余油飽和度變化

圖9 高彈性驅提高采收率巖心結果

圖10 高彈性驅現(xiàn)場效果

由于上述好的結果，以及由于工藝相對簡單，因此大慶油田正在推廣此項工藝，成為了一種使油田進一步提高采收率的比較成熟的化學驅油工藝技術.

使用目前已經商業(yè)化的聚合物，在高彈性驅油時，總采收率提高值中驅油效率和波及體積的貢獻率各占一半左右.如果能夠研發(fā)出彈性更高的聚合物，效果會更好.這方面的研究目前基本上還是一個空白，進一步提高彈性的潛力很大.

2 無堿活性劑

三元復合驅取得了較好的現(xiàn)場提高采收率效果，但出現(xiàn)了比較嚴重的結垢和乳化問題，因此需要研制驅油體系中不需要加入堿的活性劑.為此提出了形成超低界面張力（IFT）的條件（機理），并合成了實際的產品.

若表面活性劑集中在油水界面，并且它的親油集團和親水集團分別對油和水的引力相等，在油水界面上所占據(jù)的面積也相等，就可以在無堿條件下達到超低界面張力（小于9×10－3mN·m－1）（圖11）.

根據(jù)這一個原理，設計并合成了六個系列的活性劑，都可以在無堿體系中達到超低界面張力.有些產品，除配制水外，在體系中還不需要加助劑、醇、鹽以及溶劑.

在這些產品中，甜菜堿型活性劑的性能較好，除體系中不需要另加堿、鹽、助劑、醇和溶劑外，在很低的濃度條件下（小于100ppm）和很多油田的原油都可以達到超低界面張力，并且顯示出很強的耐溫（100℃）、耐礦化度（220 000mg·L－1）和二價離子（20，000mg·L－1）的能力，這種活性劑改變親油巖石的潤濕性效果也很好.

甜菜堿型活性劑是一種“兩性”、“內鹽”活性劑，因此耐礦化度和二價離子的能力很強.其化學結構如圖（圖12）.對不同油田原油能達到很低的界面張力（表1）.

由于甜菜堿鹽是一種“兩性”活性劑，因此在巖石上的吸附性比較低（圖13）；其長期穩(wěn)定性也很好，已經超過一年（圖14）；在很低的濃度條件下（50～100ppm）就可以達到超低界面張力（圖15）；其耐溫（98℃）、耐礦化度（220，000mg·L－1）和耐二價離子（20，000mg·L－1）的能力都很好；在均質和非均質巖心上的驅油效率都比水驅高25%OOIP以上，并略高于重烷基笨磺酸鹽三元驅的驅油效率；此外，這種活性劑，除配制水以外，不需要在系統(tǒng)中加入堿、鹽、助劑、醇和溶劑.驅油系統(tǒng)比較簡單，因此生產時比較容易控制質量，使用時比較容易操作和管理.

這是一類可以用于二元驅（活性劑和聚合物）很有希望的活性劑.

圖11 親油／親水有效面積相等時活性劑在界面上的分布示意圖

圖12 甜菜堿型活性劑化學結構

表1 國外某油田油水界面張力

3 同井注采工藝

油田遲早會因為含水過高而廢棄、停產，如果油田（或油井）的經濟含水上限能夠提高1～1.5%，油藏的經濟采收率一般可以提高5～10%OOIP（圖16）；此外，很多油層的連通和動用程度差，如果在不增加井數(shù)的條件下能夠增加注水層點，可以緩解這個問題.同井注采工藝就是為了部分解決上述兩個問題而研制的.

圖13 動態(tài)吸附實驗結果

圖14 甜菜堿型表面活性劑無聚合物體系的長期穩(wěn)定性實驗結果

同井注采工藝的關鍵是必須有一個高效、可靠、廉價的井下油水和油氣分離裝置.在這方面已經取得了很大的進展，分離裝置沒有任何活動部件.若分離高度為1m，則分離效率比普通分離裝置的效率高70多倍；若分離高度為10m，則分離效率比普通分離裝置的效率高700多倍（表2、圖17、18）.

此工藝的現(xiàn)場效果比較好（圖19）.實測井底壓力表明：

（1）注入壓力在測試的三個月內不但沒有上升，反而有所下降；

（2）注入壓差比傳統(tǒng)地面注入方式低70%以上，因此可以節(jié)能80%以上.這套工藝不是一種增產措施，它是一種可以提高經濟采收率的工藝，它的適應范圍很廣，可以用于任何注水驅動（包括邊、底水驅動）的多層油藏，受原油性質、地層水性質、油藏性質和地層溫度的影響都比較小，親油油藏提高采收率的幅度會更大.因此這種工藝對提高各油田總可采儲量的潛力很大，對高含水油田的穩(wěn)產將具有重要影響.

圖15 不同濃度表面活性劑界面張力曲線

4 開采和集輸高粘、高凝油的工藝技術

世界各油田解決高凝、高粘油的開采和集輸方法

圖17 含水率95%時各種型號油水分離器停留時間與油水分離后含水率關系圖

主要是加溫（用熱水、熱油、電加熱等方式）或摻入一部分稀油，使原油變?yōu)榈驼场⒌湍鸵院笤匍_采和集輸.采用這兩種措施的成本都很高.

新發(fā)展的方法是往產出液中點滴“流動改進劑”，可以使油、水形成一種“擬乳狀液”，在原油外面形成一個“水膜”，原油不接觸管壁表面，因此在井下和地面都不會在管壁上結蠟；輸送阻力也可以大幅度下降（圖20）；輸送溫度大幅度下降，甚至可以在低于原油凝固溫度輸送（此時的油管壓力低于加溫輸送時的壓力值，說明用這種工藝輸送分散的固體原油的流動阻力不大）；“流動改進劑”同時還是一種破乳劑，在轉油站和聯(lián)合站處理采出液時的難度與加溫輸送液體的處理難度接近.

圖16 不同油水黏度比條件下的含水率與含水飽和度關系

表2 各種分離器處理效果是沉降式氣錨的倍數(shù)

圖18 油氣比60∶1時各種型號氣液分離器進液量與脫氣效率關系圖

圖19 同井注采現(xiàn)場試驗效果

目前這套工藝已經在大慶油田的819口井上使用8a，在大慶以外的油田也試驗了100多口井，有一些井的原油粘度超過20 000mPa·s，都取得了很好的效果：

（1）所有井都不需要熱洗井清蠟，并且實現(xiàn)了不加熱輸送；

（2）由于降低了阻力，輸油站的產液和產油量分別上升了8.3%和10.1%；

（3）節(jié)氣、節(jié)電效果明顯：轉油站平均減少耗電37.3%，日耗氣減少30%，噸油自耗氣下降6.74m3；

（4）經濟效益顯著：800口井的統(tǒng)計表明，這項工藝的總投入產出比為1∶72.9.這是一個很值得在開采和輸送高凝、高粘原油時推廣的工藝技術.

圖20 添加流動改進劑后液體黏度變化

5 適合化學驅的采油工藝

油田化學驅時，對采油工藝提出了很多新要求，如抽油桿偏磨、注入井增注措施效果變差、油井泵效降低以及分注工藝不能適應化學驅等問題.這些問題已經得到比較好的解決辦法.

5.1 抽油桿防偏磨工藝技術

抽油機井見聚合物以后，檢泵周期由平均700d降到平均280d.首先從理論上證明了采出液中含聚合物以后，對抽油桿會產生一個指向油管壁的“法向力”（圖21）.根據(jù)這個偏磨機理，研制成功了防偏磨的工藝技術，使平均檢泵周期上升到3a（圖22）.

圖21 抽油桿偏心度為0.59時法向應力實驗曲線

圖22 大慶采油一廠防偏磨效果曲線

目前這套工藝已經在大慶油田的一萬多口井上使用，每年可以減少作業(yè)費用2億元以上.

5.2 樹脂砂壓裂工藝

注聚井采用普通壓裂的有效期只有3～5個月.主要原因是聚合物溶液的攜砂能力很強，把井眼附近的支撐劑攜帶到油層深部，井眼附近沒有支撐劑，裂縫閉合，因此增注效果消失.為此采用了在普通支撐劑后填加樹脂砂支撐劑，這種樹脂砂在40℃溫度下就會凝固，形成一個在井眼周圍不能移動的環(huán)狀整體支撐劑（圖23）.應用樹脂砂支撐劑以后，壓裂有效期平均達到了2a左右（圖24），現(xiàn)場已經推廣使用了2 000多口井.這套工藝已經是中、低滲透注聚井的主導增注工藝技術，基本上解決了一、二類油層聚合物注入井的增注問題.

5.3 提高抽油機井的泵效問題

隨著油井采出液中聚合物濃度的增加，井下液體的粘度增加，泵效下降（圖25）.泵效下降的主要原因是井下液體粘度升高以后，氣液分離不好（在液氣分離裝置中，氣體的上升、分離速度反比于粘度），因此氣體只能大量進入泵筒使泵效下降.

為了使井下液氣分離效率提高，研究并使用了多杯等流型分離裝置，分離效率比原分離器的效率提高了700多倍（以10米長分離裝置為準）（圖26）.

圖23 注水井井筒周圍有連在一起的支撐劑示意圖

圖24 注聚井樹脂砂與石英砂壓裂K／K0平均值對比曲線

圖25 抽油機井泵效與采聚濃度關系曲線

圖26 油氣比50∶1時各種型號氣液分離器進液量與脫氣效率關系圖

這種分離了裝置已經累計下井2000多口井，下井后泵效增加了35.5%，產液量增加35.71%，產油量增加18.34%，沉沒度下降38.69%，系統(tǒng)效率增加19.58%，噸液百米耗電下降14.28%（圖27）.這種分離裝置可以適應多種型號的抽油機井和螺桿泵井.

圖27 井下高效氣液分離現(xiàn)場效果

5.4 聚合物注入井的分層注入工藝

注聚井的注入層位一般都是非均質的多油層，需要進行分注.常用的適應于注水井的分層注入工藝和工具對聚合物溶液的剪切很嚴重，不能用于注聚合物井的分注.為此研發(fā)了凹槽型低剪切配水器，在20～200m3／d排量和1.0～5.0MPa的條件下，經過配水器后，聚合物溶液的粘度損失小于4.2%，配水器可以用鋼絲更換.目前這套工藝已經在油田推廣使用800多口井，調整了吸水剖面，對應油井的采收率提高了2%OOIP左右.

強化采油近年來有了很快的發(fā)展，為油田穩(wěn)產起到了很重要的作用.但我國2009年原油的對外依存度超過了50%，并且還要增加.因此國內原油產量還必須進一步增加，大慶油田年產原油4 000萬噸穩(wěn)產還必須延長多年.為了實現(xiàn)這個艱巨的任務，需要加快強化采油工藝的研究和推廣力度，使我國和大慶的原油產量穩(wěn)定在一個更高的水平上.

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New developments in improved oil recovery／2010，34（5）：19－26

WANG De－min
（Daqing Oilfield Corp.Ltd.，Daqing，Heilongjiang163453，China）

China is the country thatimplements IOR（including EOR）on the largestscale in the world；italso has achieved many breakthroughs in the above technologies.However，with the increase in water cut（Daqing Oil Field’s water cutis already 92%，other mature fields in China have a water cutof about90%also），increased recovery ratio and decrease in recoverable reserves，itis getting more difficultto maintain the production stable.In order to maintain the production rate stable for a longer period of time，a new setof IOR technologies thatcan further increase the recovery needs to be developed.Thispaper introduces a few importantdevelopments，including“High elasticity flooding”，“Surfactants with no alkali in the system”，“Producing and injecting in the same well bore”，“Technologies to produce and transfer high viscosity，high pour pointcrude”and“Production technologies suitable for chemical flooding”.

enhanced oil recovery；improved oil recovery；polymer flooding；surfactantflooding；oil water separation；artificial lift

book=5,ebook=211

TE355

A

1000 1891（2010）05 0019 08

2010 08 25

王德民（1937－），男，教授級高級工程師，博士生導師，中國工程院院士，主要從事強化采油和提高采收率方面的研究.