金亞杰.
(大慶油田有限責任公司勘探開發(fā)研究院,黑龍江大慶 163712)
國外聚合物驅油技術研究及應用現(xiàn)狀
金亞杰.
(大慶油田有限責任公司勘探開發(fā)研究院,黑龍江大慶 163712)
化學EOR方法中,聚驅的應用一直居于首位。但高成本和低油價等因素限制了聚驅的應用,自20世紀90年代以來,除中國外,世界各國的聚驅產(chǎn)量均很少。近年來,隨著聚合物濃度和成本的降低,加上產(chǎn)量需求,對聚驅的關注逐漸升溫。為了了解國外聚驅研究進展及應用效果,本文從聚合物驅項目數(shù)量、項目成功率、儲層巖性、提高采收率等方面對以往的聚合物驅項目進行了統(tǒng)計分析。對聚合物驅項目的新舊篩選標準進行了對比分析,新篩選標準表明,在油藏溫度小于98.9 ℃、原油黏度高至5000 mPa·s、重度低至12°API、滲透率高達5500 mD、埋深2865 m的油藏中,都可以成功應用聚驅。聚驅應用現(xiàn)狀方面,重點研究了加拿大和美國的聚驅應用情況。加拿大西部聚合物驅項目數(shù)量不斷增多,成功率也越來越高,尤其是在稠油和油砂區(qū)效果顯著。美國近年來聚合物驅油項目較少,但在應用聚合物調剖方面有較大發(fā)展。此外,其他國家也有不同程度的聚驅應用。
聚合物驅;篩選標準;應用現(xiàn)狀;稠油聚驅;低礦化度聚驅
根據(jù)美國《油氣雜志》(Oil & Gas Journal)自1974年起每兩年發(fā)布一次的世界提高原油采收率(EOR)調查可以清楚地看出世界聚合物驅項目數(shù)量的變化趨勢(圖1)。值得注意的是,在1994年以前,中國和蘇聯(lián)的大部分作業(yè)者并不向“世界EOR調查”提供信息。
圖1 1978—2012年世界EOR調查中統(tǒng)計的聚合物驅項目數(shù)量Fig.1 Number of polymer flooding projects in the world EOR survey, 1978-2012
從聚合物驅項目數(shù)量的變化情況來看:
(1)20世紀70年代聚驅研究仍然呈上升態(tài)勢,并于80年代達到歷史高峰期,1986年的聚合物驅項目數(shù)量比1984年增加了67.9%。
(2)1986—1988年間,聚合物驅項目數(shù)量大幅降低,原因是1986年停掉了未能實現(xiàn)增產(chǎn)的40個聚合物驅項目。
(3)1988—1996年,聚合物驅項目數(shù)量持續(xù)減少,原因是油價降低。這一時期,聚合物驅項目因聚驅成本太高而未能實施。
(4)21世紀初,原油價格開始上漲,刺激了各公司提高采收率。值得注意的是,根據(jù)2008年的EOR調查,聚合物驅項目仍有23個(中國19個、印度1個、阿根廷1個、美國1個、加拿大1個)。由于中國的化學聚驅技術已成熟配套,工業(yè)化應用規(guī)模較大,而且中國有幾年未響應世界EOR調查的更新,因而該雜志自2010年起發(fā)布的EOR調查中已不包含中國的項目,僅收錄了2個聚合物驅項目,這兩個聚合物驅項目在2012年仍在實施。2014年的世界EOR調查中聚合物驅項目數(shù)量增加到5個(不含中國)[1]。
從聚驅應用的成敗情況看,成功率約為63%(303個項目成功,65個效果較差,113個未評估)。當然,也有些項目效果較差,其原因有技術因素、經(jīng)濟因素甚至政治因素。技術因素包括(但不僅限于):聚合物的有效性、聚合物對地層溫度和地層水礦化度及硬度的抵抗能力、聚合物段塞尺寸不夠、油藏非均質性(意想不到的大孔道)、注入能力問題,以及環(huán)境控制。聚驅的經(jīng)濟效益嚴重依賴投資、收益率、操作成本和化學劑成本,以及原油價格。65個效果較差的聚合物驅項目中有48個是在1986—1988年間實施的,一般認為項目失敗主要是當時油價驟跌導致的,低油價導致聚合物驅項目沒有經(jīng)濟效益。
從聚驅應用的油藏巖性方面來看,聚合物驅項目在不同類型的地層中均得以應用。其中,77%以上(314個項目)的聚合物驅項目是在砂巖油藏實施的,20%(82個項目)是在碳酸鹽巖油藏實施的,其他巖性地層的聚合物驅項目數(shù)量(10個項目)低于3%(注:有些項目未給出地層類型)。
從聚驅提高采收率情況來看,20世紀90年代以前美國一直是聚驅應用大國,美國于 1964 年進行了第一次聚合物驅礦場試驗,隨后在 1964—1969 年間實施了 61 個聚合物驅項目,并于1986 年達到高潮,進行中的聚合物驅項目共有183 個,其中55.7%取得了明顯的經(jīng)濟效益。除美國以外,蘇聯(lián)的奧爾良油田和阿爾蘭油田,加拿大的Horsefly Lake 油田、Rapdan油田,法國的Chaterenard 油田以及德國、阿曼等國的部分油田都進行了聚合物驅礦場試驗,原油采收率提高了 6%~17%[2]。此外,Pope測量的聚驅成功率為5%~30%[3]。朱友益等人報道了中國各種化學驅的成功,聚驅提高采收率7%~15% OOIP[4]。Mogollon和Lokhandwala引用的聚驅提高采收率系數(shù)為5%~15%[5]。整體來看,世界范圍內的聚驅提高采收率范圍值為5%~30%。
2.1 舊篩選標準及存在的問題
過去20年里,許多研究人員發(fā)表了不同的EOR技術篩選標準,匯總結果見表1[6-12]。
許多文獻中論述的聚驅篩選標準都是根據(jù)《油氣雜志》中“世界EOR調查”公布的數(shù)據(jù)進行分析后提出的。該調查中收錄了世界范圍內的481個聚合物驅項目,但其數(shù)據(jù)存在很多問題,比如項目數(shù)據(jù)異常、項目數(shù)據(jù)重復、數(shù)據(jù)前后矛盾、數(shù)據(jù)缺失等。而之前研究中并未對該調查中的數(shù)據(jù)質量進行提升。因而,之前的篩選標準還需進一步修正。
2.2 新篩選標準
Laila Dao Saleh等人對1979—2012年世界EOR調查數(shù)據(jù)進行了清理,在篩選并去除重復的、嚴重矛盾的和缺失的數(shù)據(jù)記錄后,僅剩下250條項目記錄。數(shù)據(jù)清理之后,利用圖解法和統(tǒng)計法對數(shù)據(jù)集進行顯示和歸納總結,從而得出了新的篩選標準。修正后的新篩選標準表明,在油藏溫度小于98.9℃(210℉)、原油黏度高至5000 mPa·s、重度低至12°API的油藏中,可以成功應用聚合物驅。新篩選標準見表2[13]。
表1 聚驅篩選標準匯總
表2 EOR調查數(shù)據(jù)集中聚合物驅項目的篩選標準
2.3 新舊標準對比分析
(1)新篩選標準中的最高溫度是98.9℃(210℉),而之前其他標準中的溫度均小于93.3℃(200℉)。聚驅最常用的聚合物是水解聚丙烯酰胺(HPAM),由于存在降解作用,HPAM的黏度會隨著溫度的增加而逐步降低。然而,如果聚合物伴有疏水基,那么該聚合物對溫度的抵抗力會比其他聚合物強。這是因為疏水締合作用是一個熵驅動的吸熱過程,因而高溫會促進疏水締合作用。室內實驗顯示,通過改變不同單體聚丙烯酰胺可以使聚合物保持穩(wěn)定溫度121.1℃(250℉)??傊?,新研發(fā)的聚合物比以往的聚合物更適合高溫油藏。另外,在低礦化度和低濃度二價陽離子溶液中,聚合物的黏度在高溫情況下更穩(wěn)定。
(2)聚驅可用于原油黏度達到5000 mPa·s的稠油油田。原油黏度越高,越需要黏度高的聚合物改善流度比,降解更多的原油。在3種條件下可以獲得高黏度聚合物:高分子質量聚合物(可以保持低濃度[14])、高濃度聚合物(可以保持同樣的分子質量)[15]、用低礦化度合成水制備聚合物[16-17]。增加聚合物黏度會降低注入能力,因此,如果儲層流度比低,則需要用水平井和水力壓裂井口附近地層的方法來滿足注入能力的需求[18]。
(3)聚驅已成功用于滲透率超過5500 mD的油田。近幾年的室內實驗結果表明,聚驅在高滲透率油田提高采收率的幅度更大。新篩選標準中的最低滲透率為0.6 mD。從技術角度來說,聚驅(尤其是分子質量高的聚合物)不能在滲透率低于10 mD的儲層流動,因為聚合物的分子過大不能通過孔喉通道。然而,在聚驅油田實例中有13個油田的滲透率低于10 mD,其中9個為碳酸巖鹽油田,滲透率范圍在0.6~9 mD;4個為砂巖油田,滲透率范圍在1.3~6.6 mD。
(4)聚驅適用于埋深2865 m的油藏。其他的篩選標準顯示油藏埋深超過2743 m不適合聚驅。油藏深度是必須考慮的,因為聚合物對儲層深度敏感,除非把溫度作為儲層深度的一個反映加以考慮。
(5)聚合物驅項目一般都要求分析敏感性。近年來,海上油田也開始實施聚驅,但面臨幾個挑戰(zhàn):無法獲取淡水來配備聚合物溶液、井距大、平臺空間有限、地面設施和環(huán)境需求等。這些難題要求聚合物必須在水中速溶、具有高耐鹽性,并且不污染環(huán)境。
(6)水礦化度和儲層非均質性是決定聚合物驅項目成敗的兩個重要參數(shù)。水礦化度和二價離子濃度高嚴重降低HPAM的黏度和耐熱性。此外,HPAM聚合物溶液的剪切降解在敏感性高的地層水中更嚴重。因此,大部分聚合物溶液都是用淡水或低礦化度水制備的。聚驅的主要機理是降低流度比,改善驅油效率。但是如果儲層的非均質性比較嚴重,聚合物就會過早突破。Tyler和Finley提出在低到中等程度的非均質儲層注入聚合物更成功[19]。Du和Guan認為成功的聚合物驅項目應該選擇戴克斯特拉—帕森斯?jié)B透率變異系數(shù)在0.28~0.80之間的油藏[20]。
(7)某些參數(shù)拓寬了聚驅的油藏應用范圍:用高黏度聚合物驅替高滲透率、高原油黏度的油藏,使聚驅擴展到了稠油油藏;低礦化度和低硬度地層水制備的聚合物,增強了耐高溫性,使聚驅擴展到了高溫油藏。
3.1 加拿大
近幾年,聚合物驅技術在加拿大西部的應用越來越多,成功率也越來越高,尤其是在稠油和油砂區(qū)。主要原因一是迫于產(chǎn)量需求必須從成熟水驅油田中獲取更多產(chǎn)量,二是來自世界其他油田成功化學驅的激勵。加拿大西部(主要是阿爾伯塔省和薩斯喀徹溫省)大量稠油和中質油主要是通過水驅開發(fā)的。該區(qū)239個稠油水驅油藏(原油重度為22°API或更低)的地質儲量為1327×104m3OOIP,所占面積相當于稠油總面積的22%。中質油(22~31°API)的開發(fā)更為依賴水驅,271個水驅項目,其地質儲量為897×104m3OOIP,代表了阿爾伯塔省和薩斯喀徹溫省中質油總量的32%。所有上述水驅油田都已老化。薩斯喀徹溫省研究委員會(簡稱SRC)建立了一個加拿大西部稠油和中質油水驅數(shù)據(jù)庫。研究中的176個水驅項目中,有85個項目的含水率超過95%,作業(yè)者積極尋求各種化學驅開發(fā)方式。
2011年,加拿大西部的32個聚驅產(chǎn)油量超過1.6×106m3,2012年上升至1.7×106m3。此外,2012年還批準了一些新聚合物驅項目,至少包括430口新井。這32個聚合物驅項目取得了大范圍的成功。在過去1~9年的時間里,不同聚合物驅項目的提高采收率范圍在0.5%~14%(世界范圍內的聚驅提高采收率值為5%~30%),加權平均值為1.6%[3]。當然有許多項目正在進行中,有些項目剛剛實施了1年,這些提高采收率數(shù)值僅能代表截至數(shù)據(jù)采集時的產(chǎn)量。毫無疑問的是,加拿大的聚驅實現(xiàn)了較好的增油效果,而且含水率有所下降。32個聚合物驅項目中有16個項目降低了水油比(WOR)。利用聚合物驅成功驅替了高黏原油(死油黏度最高達5000 mPa·s)和低重度原油(低至15°API)。
加拿大西部的聚合物驅項目所用的聚合物類型基本相同,除了2個特例以外,其他項目均使用的是標準的聚丙烯酰胺。其中有19個項目較詳細地闡述了聚合物類型,只用到了3種不同的聚合物,分別為:Ciba Alkoflood 1275A、 SNF Flopaam 3630S,以及SNF Flopaam 3330S。而影響加拿大西部聚驅成敗的重要因素是注入量和注入速度,還包括水平井,尤其是注入井及水質。水質是主要問題之一,許多項目的成功可歸結于很好地處理了操作問題,而非項目概念或設計問題。
加拿大最成功的聚合物驅項目是CNRL和Cenovus公司的Pelican Lake項目,目前產(chǎn)量為8400 t/d,大部分產(chǎn)量來自聚合物驅,此外還有Husky Oil公司的Tabor South項目、BlackPearl公司的Mooney項目和Murphy Oil公司的Seal項目等[21-22],參數(shù)見表3。
表3 加拿大典型聚驅油藏參數(shù)
3.2 美國
20世紀90年代以前美國一直是聚驅應用大國,自20世紀80年代美國化學驅達到高峰以后的近20多年內,化學驅在美國運用越來越少(圖2),近年來很少出現(xiàn)聚合物驅油項目,根據(jù)2014年“世界EOR調查”,美國僅有一個聚合物驅項目,即北Burbank油田。值得一提的是,該油田在20世紀80年代進行了商業(yè)聚驅,它證明化學驅方法在提高成熟盆地采收率方面可能仍然具有較大潛力。北Burbank油田于2007年再次開始在19個井網(wǎng)注聚合物。
盡管美國的化學驅應用規(guī)模在3次采油中占的比例很小,但美國能源部對提高采收率的基礎研究仍十分重視:①重點放在流體深部轉向技術上,即凝膠或沉淀型調剖上。其中新的深度調剖體系(膠態(tài)凝膠CDG)近幾年受到普遍關注,多數(shù)礦場試驗獲得成功。②加強了在高分子物理、高分子化學、流變學等學科上的研究,表面活性劑-聚合物的相互作用、吸附損失等界面化學問題一直在進行理論研究。③在化學劑合成領域開發(fā)了多種耐溫耐鹽聚合物,在表面活性劑合成方面向高效廉價、耐溫、抗鹽方向發(fā)展。④通過識別診斷和圖像系統(tǒng)研究油藏巖石性質和巖石、流體相互作用對采油過程的影響,并探討如何應用新認識提高采收率。
3.3 其他國家
目前,中國是最大的利用化學EOR項目驅油的產(chǎn)油國,世界最大的聚合物驅項目是中國大慶油田的聚合物驅。根據(jù) “世界EOR調查”,除了中國、美國和加拿大以外,在阿根廷(EI Tordillo油田)、德國(Bockstedt油田)、 委內瑞拉(Furrial油田)、印度(Jhalora油田)等多個國家在進行聚合物先導試驗項目或大規(guī)模聚合驅油項目。其他國家報道的聚合物驅項目還包括巴西的Carmopolis、Buracica及Canto do Amaro油田[23]。印度Sanand油田在全油田范圍內實施了聚驅[24]。阿曼在Marmul油田進行了聚驅先導試驗,并于約20年之后進行了大規(guī)模應用[25]。此外,巴西Voador海上油田、埃及Belayim Land、澳大利亞Pirawarth油田也宣布計劃進行聚合物驅項目。Shehata等人統(tǒng)計了除加拿大之外其他地區(qū)之前的聚合物驅項目,見表4[26]。
圖2 美國歷年化學驅項目數(shù)量變化圖Fig.2 Quantitative change of chemical flooding projects over the years in the United States
油田深度/m厚度/m含油飽和度/%滲透率/mD溫度/℃黏度/(mPa·s)聚合物濃度/ppm水礦化度/ppm段塞/pv采收率/%安哥拉Dalia—100.0~119.825.0100~600047.811.070025000—3.0~7.0俄克拉荷馬SleepyHollow—3.424.0258037.824.07507180.4808.0尼日利亞NigerDelta——39.0100~600054.416.0500~150020000—7.0阿曼Marmul292.66.130.01500046.180.0100030000.63015.0中國渤海灣579.1~731.538.126.550~48037.830.0~450.0500——3.0中國大慶1199.1100.0~119.820.0~30.050~500045.09.0~10.0500~25005000~70000.60015.0中國喇薩杏613.0~1711.1—17.0~27.0200047.2~53.38.0~10.0—5000~7000—10.0俄克拉荷馬NorthStanleyStringer883.9—18.030040.62.2100~600—0.024~0.0703.1WestSelmekCrook縣.WY2206.88.220.064762.212.320077500.1504.4TaberManivilleSouth984.5—26.0210735.058.0360~500—0.2002.0
(1)通過對以往聚合物驅項目的統(tǒng)計分析可以看出,聚驅在技術和經(jīng)濟上都是成功的,雖然在低油價和高成本等因素影響下聚合物驅項目數(shù)量在當前各項EOR項目中所占比例較少,但其應用前景廣闊。從目前聚驅相關報道看,世界范圍內的聚驅提高采收率范圍值為5%~30%。
(2)聚驅的油藏應用范圍在不斷拓寬:用高黏度聚合物驅替高滲透率、高原油黏度的油藏,使聚驅擴展到了稠油油藏;低礦化度和低硬度地層水制備的聚合物,增強了耐高溫性,使聚驅擴展到了高溫和高礦化度油藏。目前的聚驅篩選標準表明,在油藏溫度小于98.9℃、原油黏度高至5000 mPa·s、重度低至12°API、滲透率高達5500 mD、埋深2865 m的油藏中,可以成功應用聚合物驅。
(3)從聚驅應用國家來看,國外聚合物驅項目主要集中在加拿大,尤其是加拿大西部的稠油和油砂區(qū)效果顯著,過去1~9年的時間里,不同聚合物驅項目的提高采收率范圍在0.5%~14%,利用聚驅成功驅替了高黏原油(死油黏度最高達5000 mPa·s)和低重度原油(低至15°API)。美國聚合物驅油項目較少,但在應用聚合物調剖方面有較大發(fā)展。此外,印度、印尼、阿曼、阿根廷、巴西、澳大利亞、德國等國也有不同程度的聚驅應用。
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Progress in Research and Application of Polymer Flooding Technology Abroad
Jin Yajie
(ExplorationandDevelopmentResearchInstituteofDaqingOilfieldCo.,Ltd.,Daqing,Heilongjiang163712,China)
Polymer flooding has been the most applied chemical EOR method. However, the high cost of chemical additives and low oil prices limited its use, and since the 1990s oil production from polymer flooding has been negligible around the world except for China. Recently, with the advance of low concentrations and low cost of chemical additives, combined with the necessity of earning more oil from mature waterflood, polymer flooding projects are becoming increasingly popular. In order to get a better understanding of the polymer flooding progress, a statistical analysis was made on the quantity, project success ratio, reservoir lithology and enhanced recovery factor based on previous polymer flooding projects. The updated screening criteria were compared with the previously published criteria, and their differences were analyzed. The updated criteria show that a polymer flooding project can be successfully applied in a reservoir with a temperature of less than 98.9℃, an oil viscosity up to 5,000 mPa·s, gravity lower to 12 °API,permeability up to 5500mD and depth of 2865m. The application of polymer flooding abroad was investigated especially in Canada and the United States. Polymer flooding is becoming increasingly more common and more successful in western Canada,particularly for heavy oil and in the oil sands regions.The United States has less polymer flooding projects but it focus on the profile control using polymer. In addition, other countries also have different levels of polymer flooding applications.
polymer flooding; screening criteria; polymer-flooding progress; heavy oil polymer flooding; low-salinity polymer flooding
中國石油天然氣股份有限公司“十二五”重大科技專項(2011E-2501)資助。
金亞杰(1980—),工程師,2005年畢業(yè)于佳木斯大學外語學院英語專業(yè),主要從事石油情報調研工作。郵箱:jinyajie@petrochina.com.cn.
TE355
A