張冬玉 姜婷 王秋語 蓋瑜 (中國石化集團勝利油田分公司地質(zhì)科學研究院)

提高采收率技術的應用及其發(fā)展趨勢

張冬玉 姜婷 王秋語 蓋瑜 (中國石化集團勝利油田分公司地質(zhì)科學研究院)

隨著油氣儲量發(fā)現(xiàn)難度的加大,油氣采收率已備受世界各國的關注,提高采收率技術發(fā)展迅速。本文介紹了世界范圍內(nèi)熱采、氣驅(qū)、化學驅(qū)和微生物驅(qū)等提高采收率技術的應用情況,分析總結了提高采收率技術的發(fā)展趨勢:提高采收率技術將向集成化和高科技方向發(fā)展;化學輔助提高采收率技術將成為今后一個時期的主流技術;現(xiàn)代科學技術和工藝技術的進步將繼續(xù)引領提高采收率技術的變革與發(fā)展。

提高采收率 原油產(chǎn)量 熱采氣驅(qū) 化學驅(qū) 微生物驅(qū) 集成技術 發(fā)展趨勢

據(jù)美國《油氣雜志》公布的統(tǒng)計,2008年世界石油剩余探明儲量為1 838.32×108t,天然氣剩余探明可采儲量為175.16×1012m3,石油和天然氣產(chǎn)量分別為36.18×108t和2.94×1012m3[1]。據(jù)估算,如果目前所有油田的采收率提高1%,就相當于增加全世界2～3年的石油消費量。這在石油資源日益短缺,需求量不斷增加的情況下,極大地激發(fā)了提高采收率 (EOR)技術的研究和應用,為EOR技術提供了發(fā)展機遇。

1 世界EOR技術產(chǎn)量概況

按照目前世界公認的分類,EOR技術分為:化學驅(qū)、氣驅(qū)、熱力驅(qū)和微生物驅(qū)。2008年世界EOR項目數(shù)是361個,總產(chǎn)量為9 097×104t/a (表1),約占世界石油總產(chǎn)量的2%[2]。從表1可以看出,熱采和氣驅(qū)采油在EOR產(chǎn)量結構中占很大比例。其中,蒸汽項目142個,產(chǎn)量5 967.3× 104t/a,約占世界 EOR總產(chǎn)量的65.6%;烴混相/非混相項目38個,產(chǎn)量1 356.1×104t/a,約占EOR總產(chǎn)量的14.9%;CO2混相/非混相項目124個 (大部分為CO2混相驅(qū)),產(chǎn)量1 371×104t/a,約占EOR總產(chǎn)量的14.2%。

據(jù)George J.S.的觀點,世界范圍內(nèi)的 EOR產(chǎn)量高峰很可能在全球石油總產(chǎn)量開始遞減30～35年之后出現(xiàn),或者在本世紀60年代出現(xiàn)[3]。

表1 2008年世界EOR項目數(shù)及產(chǎn)油量

2 EOR技術應用進展

2.1 熱采

熱采的產(chǎn)量從1982年到現(xiàn)在一直位居EOR產(chǎn)量榜首,其中蒸汽驅(qū)仍然是開發(fā)稠油最廣泛使用的技術。近年來,水平井注蒸汽以及添加各種助劑使蒸汽驅(qū)技術有了較大的發(fā)展。2006年,美國在San Ardo等油田進行了蒸汽添加丙烷的試驗,產(chǎn)量增加了30%。此外,蒸汽驅(qū)的應用范圍也不斷擴大,已成為稀油油藏水驅(qū)后的一項具有發(fā)展?jié)摿Φ腅OR技術[4-5]。

針對超稠油 (瀝青、油砂),加拿大發(fā)展了水平井蒸汽輔助重力泄油 (SAGD)技術,并在此基礎上開發(fā)了多種強化SAGD技術,如多泄油通道SAGD、膨脹溶劑-SAGD等,由此引發(fā)了世界范圍內(nèi)超稠油開發(fā)技術的飛躍。部分強化SAGD技術已經(jīng)進行了先導試驗并取得了較好的效果,如快速SAGD方法,是常規(guī)SAGD與蒸汽吞吐技術的集成技術,能使產(chǎn)能提高35%,已在加拿大的冷湖油田實施[6]。

火燒油層技術由于工藝問題一直發(fā)展緩慢,但近年來由此發(fā)展起來的注空氣EOR技術有了較大突破。根據(jù)驅(qū)油效率和油藏氧化強度,注空氣技術分為高溫氧化非混相驅(qū)、低溫氧化非混相驅(qū)、高溫氧化混相驅(qū)和低溫氧化混相驅(qū)4種類型[7]。后2種被稱為高壓注空氣技術,已用于稀油油藏的開發(fā)。

2.2 氣驅(qū)

氣驅(qū)包括混相、部分混相或非混相的富氣驅(qū)、干氣驅(qū)、CO2驅(qū)、氮氣驅(qū)和煙道氣驅(qū)等,其中CO2混相驅(qū)是美國繼蒸汽驅(qū)之后的第二大EOR技術。針對CO2注入量不夠、黏性指進、混相差等問題,美國能源部資助研發(fā)了新一代集成CO2驅(qū)技術,通過增加注入量、改進驅(qū)替方式和布井方案、增加注氣黏度等多套技術方案解決上述問題。該技術可將美國許多油田的采收率從目前的33%提高到60%以上。美國已在加利福尼亞等6個地區(qū)進行試驗,預計可使全美國的原油可采儲量增加1 600×108bbl[8](1 bbl=0.159 m3)。

烴混相驅(qū)項目主要集中在加拿大和北海地區(qū)[9-10]。加拿大阿爾伯塔的混相驅(qū)平均采收率可達到59%;北海地區(qū)已形成了水氣交替注入、烴混相、水氣同時交替注入、泡沫輔助水氣交替注入等4個技術系列,其平均采收率達到45%。

N2驅(qū)在美國和加拿大發(fā)展迅速。由于所需的混相壓力較高,一般用于較深和溫度較高的油藏。試驗表明,當注入N2達到1.198 PV時,采收率可達到48.2%以上[11]。目前美國N2驅(qū)項目已達到5個。

2.3 化學驅(qū)

化學驅(qū)包括堿驅(qū)、表面活性劑驅(qū)、聚合物驅(qū)和復合驅(qū)。近年來,高油價刺激化學驅(qū)再度升溫,美國、加拿大、印度、巴西、阿根廷、德國和印度尼西亞均有新的化學驅(qū)項目。僅2008年計劃實施的化學驅(qū)項目就有13個,其中8個是交聯(lián)聚合物驅(qū), 5個是復合驅(qū)。

針對黏土含量高、原油酸值較低、單獨用堿水驅(qū)無法獲得較高產(chǎn)油量的油田,美國懷俄明州Cambridge Minnelus油田實施了堿-表面活性劑-聚合物三元復合驅(qū),在經(jīng)濟和技術上都獲得了成功。該油田1993年開始復合驅(qū),注入劑組分為1.25% Na2CO3、0.1%磺酸鹽和1 475 mg/L的聚合物, 1996年注入聚合物后續(xù)溶液,2000年后續(xù)水驅(qū)。注入順序為先注入0.307 PV的復合驅(qū)溶液,隨后注入0.297 PV聚合物后續(xù)溶液,最后水驅(qū)到經(jīng)濟極限。復合驅(qū)使該油田采收率達到52%,每桶原油的生產(chǎn)成本為2.42美元[12]。

我國提高采收率的主導技術是聚合物驅(qū),已在大慶、勝利等大油田工業(yè)性推廣。在此基礎上,開展了二元復合驅(qū)和三元復合驅(qū)先導試驗,部分技術已達到國際先進水平。大慶油田從1993年開始至今已先后開展了5個三元復合驅(qū)礦場試驗,其中4個已經(jīng)完成,取得了良好的效果,比水驅(qū)提高采收率20%以上。勝利油田二元復合驅(qū)已取得重大進展。

2.4 微生物驅(qū)

微生物驅(qū)具有適用范圍廣、工藝簡單、不傷害油層等優(yōu)點,是一項具有發(fā)展前景的 EOR技術。自20世紀90年代以來,全球已有100多個油田開展了微生物驅(qū)先導試驗。國內(nèi)外微生物驅(qū)試驗顯示,其提高采收率幅度為13%～65%不等,但大規(guī)?，F(xiàn)場應用的甚少。馬來西亞石油公司在博科爾油田的微生物驅(qū)仍處于世界領先地位[13]。

微生物驅(qū)技術引發(fā)了生物表面活性劑驅(qū)和生物聚合物驅(qū)的發(fā)展,加拿大、英國、德國等國家先后進行了研究與應用。典型的生物表面活性劑如海藻糖脂等容易溶解在地層水和注入水中,在油水界面上具有較高的表面活性,且在固體表面上吸附量少,驅(qū)油能力強。研究表明,生物表面活性劑的驅(qū)油效率是化學合成表面活性劑的3.5～8倍,而其生產(chǎn)成本僅為化學合成表面活性劑的30%。黃胞膠是生物聚合物驅(qū)中最常用的一種。在英國和德國等國家,黃胞膠的用量幾乎與聚丙烯酰胺相當[14]。

3 EOR技術發(fā)展趨勢

3.1 EOR技術向著多元集成化方向發(fā)展

為了彌補單項EOR技術的局限性,采用多種EOR技術機理發(fā)揮集成效應是EOR技術的發(fā)展方向之一。如加拿大冷湖油田實施的蒸汽與輕烴混合驅(qū)技術,其油汽比 (OSR)比單注蒸汽的OSR高33%[15];土耳其在Bati Raman稠油油田實施了熱采和溶劑萃取技術相結合的熱CO2驅(qū),試驗表明,熱CO2驅(qū)比相同油藏條件的常規(guī)CO2驅(qū)的原油采收率高3%[16]。

水平井技術、井間成像技術和計算機技術等促進了集成EOR技術的發(fā)展。一種全新理念的“智能化集成開發(fā)技術”已成為提高老油田采收率的標志性技術。該技術集成了油藏動態(tài)表征技術、儲層建模技術、分支水平井技術、智能井技術和超前注水等多項技術,在世界第一大油田——沙特阿拉伯的加瓦爾油田應用獲得成功。該油田開發(fā)近60年,開始面臨減產(chǎn)和含水上升的困擾。沙特阿美石油公司在油田南部Haradh油區(qū)3個地質(zhì)儲層條件和產(chǎn)能相同的區(qū)塊進行大規(guī)模的開發(fā)對比試驗。Ⅰ區(qū)沿用常規(guī)直井開發(fā),Ⅱ區(qū)用常規(guī)水平井開發(fā),Ⅲ區(qū)全部采用MRC井,并采用了智能化集成開發(fā)技術。Ⅲ區(qū)在投產(chǎn)21個月后,日產(chǎn)油量為30×104bbl,單井產(chǎn)量是Ⅰ區(qū)的3.3倍,生產(chǎn)成本則比Ⅰ、Ⅱ區(qū)下降?3。Ⅲ區(qū)的成功開發(fā)證實了智能化集成開發(fā)技術的巨大優(yōu)勢[17]。

已開采70多年的美國第三大油田——威明頓油田是以稠油開發(fā)為主的油田。開發(fā)后期面臨著地面下沉、產(chǎn)量快速遞減和含硫含砂等問題。美國國家能源技術實驗室、Tidelands石油公司和斯坦福大學等聯(lián)合開發(fā)了先進的油藏動態(tài)表征技術與熱采集成技術,包括先進的三維油藏模型、新型堿-蒸汽驅(qū)技術、脫硫技術、新型蒸汽發(fā)生器和蒸汽驅(qū)動態(tài)自動監(jiān)測技術等。先導試驗證實,該技術可使威明頓油田的可采儲量增加5.25×108bbl,全美國的探明可采儲量也因此提高了2.5%[18]。

3.2 化學輔助EOR技術將成為主流技術

各種EOR方法都或多或少地與化學技術有聯(lián)系?；瘜W輔助EOR技術將成為EOR的主流技術。其應用主要體現(xiàn)在以下幾個方面:

(1)針對水驅(qū)、蒸汽驅(qū)、氣驅(qū)等 EOR中的不利流度比,借助化學發(fā)泡作用發(fā)展了蒸汽泡沫驅(qū)、CO2泡沫驅(qū)和N2泡沫驅(qū)等技術。泡沫增加了驅(qū)替液的黏度,改善了流動剖面,同時也提高了驅(qū)油效率。熱采中蒸汽泡沫的現(xiàn)場應用表明,蒸汽泡沫可使蒸汽的流度在注入井附近下降至原來的1/60～1/20,比蒸汽驅(qū)提高采收率5～20個百分點[19]。

(2)表面活性劑在各種 EOR技術中廣泛使用。表面活性劑可降低油水界面張力至10-3mN· m-1,使毛管數(shù)增加3～4個數(shù)量級,從而大大提高了驅(qū)油效率[20]。

(3)針對儲層非均質(zhì)性發(fā)展了聚合物調(diào)驅(qū)技術。目前,弱凝膠、膠態(tài)分散凝膠 (CDG)、體膨顆粒、柔性顆粒等深部調(diào)驅(qū)技術已開始大量使用[21]。如國內(nèi)外廣泛使用的交聯(lián)聚合物弱凝膠調(diào)驅(qū)技術在現(xiàn)場應用中均取得了很好的增產(chǎn)效果。

3.3 EOR技術與高新技術的結合越來越緊密

高科技為EOR技術提供了發(fā)展機遇,賦予了EOR新的技術內(nèi)涵。高新技術促使EOR技術向著精細化、集成化、實時化、智能化方向發(fā)展。近年來興起的油藏最大接觸位移技術 (MRC)和數(shù)字油田技術大大拓展了EOR技術的發(fā)展空間。

MRC技術是集井眼軌跡設計、鉆井液設計、側鉆方式、完井方式和采油工藝于一體的新技術。MRC技術在挖掘復雜地質(zhì)體油藏的剩余油方面具有獨特的技術優(yōu)勢,如河道砂頂部剩余油、三角洲前緣相砂體剩余油、復雜斷塊油藏剩余油、多層砂巖油藏剩余油等。2002年,沙特阿拉伯國家石油公司為了開采Shaybah油田剩余油,設計了3口多分支井。投產(chǎn)后,產(chǎn)量是1 km水平井的5倍,開發(fā)成本下降了80%[22]。

數(shù)字油田概念一出現(xiàn),便得到了世界石油界的廣泛關注。數(shù)字油田技術是一套連接地面與井下、油氣開發(fā)全過程控制的一個閉環(huán)信息采集、雙向傳輸和處理系統(tǒng),它能夠伴隨作業(yè)過程實時指導開發(fā)方案的執(zhí)行和相關技術的應用。相關研究表明,數(shù)字油田技術能大幅度降低石油生產(chǎn)成本,油田平均采收率可從現(xiàn)在的30%提高到50%以上。巴西最大的陸上油田Carmopolis油田已開始了數(shù)字油田技術的先導試驗[23]。

3.4 工藝技術進步繼續(xù)引領EOR技術的變革

各種EOR技術的發(fā)展均與工藝技術的進步密切相關,如蒸汽驅(qū)、CO2驅(qū)等技術的發(fā)展均來源于相應的工藝技術的進步。從近年EOR技術的發(fā)展看,工藝技術的發(fā)展仍將引領EOR技術的變革。

在稠油開發(fā)領域,多年來,許多國家一直探索和研究井下蒸汽發(fā)生器。最近,由Precision Combustion公司研制的催化燃燒蒸汽發(fā)生器和 EDSG公司研制的電熱井下蒸汽發(fā)生器已獲得了技術上的成功。其中,EDSG公司研制的電熱井下蒸汽發(fā)生器使用碳電極產(chǎn)生等離子控制電弧,使水蒸發(fā)為蒸汽。目前,該技術正處于商業(yè)化應用前的試驗階段,一旦成熟,將對世界稠油開發(fā)產(chǎn)生重大影響。

高含水油田的經(jīng)濟開采一直是EOR研究的重點,井下油水分離技術將為高含水油藏采收率的提高打開一個新的局面。目前,已開發(fā)了一種井下油水分離決策樹,開展了針對油藏評估、選井可行性的技術研究。相關研究表明,該技術在油田高含水開發(fā)后期仍可將采收率提高至少3個百分點。

4 結論與認識

EOR技術突破了傳統(tǒng)的 EOR技術范疇,物理、化學和工藝等方面的技術發(fā)展賦予了EOR技術新的內(nèi)涵,在EOR中發(fā)揮了重要作用。

化學輔助作用使各種EOR技術的效果大大增加,應借助我國在化學驅(qū)領域的技術優(yōu)勢發(fā)展化學輔助EOR技術。

高新技術為EOR提供了技術發(fā)展空間,EOR技術正向著精細化、集成化、實時化、智能化方向發(fā)展。

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