提高采收率技術(shù)的應(yīng)用及其發(fā)展趨勢(shì)

張冬玉 姜婷 王秋語(yǔ) 蓋瑜 (中國(guó)石化集團(tuán)勝利油田分公司地質(zhì)科學(xué)研究院)

提高采收率技術(shù)的應(yīng)用及其發(fā)展趨勢(shì)

張冬玉 姜婷 王秋語(yǔ) 蓋瑜 (中國(guó)石化集團(tuán)勝利油田分公司地質(zhì)科學(xué)研究院)

隨著油氣儲(chǔ)量發(fā)現(xiàn)難度的加大,油氣采收率已備受世界各國(guó)的關(guān)注,提高采收率技術(shù)發(fā)展迅速。本文介紹了世界范圍內(nèi)熱采、氣驅(qū)、化學(xué)驅(qū)和微生物驅(qū)等提高采收率技術(shù)的應(yīng)用情況,分析總結(jié)了提高采收率技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì):提高采收率技術(shù)將向集成化和高科技方向發(fā)展;化學(xué)輔助提高采收率技術(shù)將成為今后一個(gè)時(shí)期的主流技術(shù);現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和工藝技術(shù)的進(jìn)步將繼續(xù)引領(lǐng)提高采收率技術(shù)的變革與發(fā)展。

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

據(jù)美國(guó)《油氣雜志》公布的統(tǒng)計(jì),2008年世界石油剩余探明儲(chǔ)量為1 838.32×108t,天然氣剩余探明可采儲(chǔ)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(dāng)于增加全世界2～3年的石油消費(fèi)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(shù)的研究和應(yīng)用,為EOR技術(shù)提供了發(fā)展機(jī)遇。

1 世界EOR技術(shù)產(chǎn)量概況

按照目前世界公認(rèn)的分類,EOR技術(shù)分為:化學(xué)驅(qū)、氣驅(qū)、熱力驅(qū)和微生物驅(qū)。2008年世界EOR項(xiàng)目數(shù)是361個(gè),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(jié)構(gòu)中占很大比例。其中,蒸汽項(xiàng)目142個(gè),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(xiàng)目38個(gè),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(xiàng)目124個(gè) (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(diǎn),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(kāi)始遞減30～35年之后出現(xiàn),或者在本世紀(jì)60年代出現(xiàn)[3]。

表1 2008年世界EOR項(xiàng)目數(shù)及產(chǎn)油量

2 EOR技術(shù)應(yīng)用進(jìn)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(kāi)發(fā)稠油最廣泛使用的技術(shù)。近年來(lái),水平井注蒸汽以及添加各種助劑使蒸汽驅(qū)技術(shù)有了較大的發(fā)展。2006年,美國(guó)在San Ardo等油田進(jìn)行了蒸汽添加丙烷的試驗(yàn),產(chǎn)量增加了30%。此外,蒸汽驅(qū)的應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)大,已成為稀油油藏水驅(qū)后的一項(xiàng)具有發(fā)展?jié)摿Φ腅OR技術(shù)[4-5]。

針對(duì)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(shù),并在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了多種強(qiáng)化SAGD技術(shù),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(kāi)發(fā)技術(shù)的飛躍。部分強(qiáng)化SAGD技術(shù)已經(jīng)進(jìn)行了先導(dǎo)試驗(yàn)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(shù)的集成技術(shù),能使產(chǎn)能提高35%,已在加拿大的冷湖油田實(shí)施[6]。

火燒油層技術(shù)由于工藝問(wèn)題一直發(fā)展緩慢,但近年來(lái)由此發(fā)展起來(lái)的注空氣EOR技術(shù)有了較大突破。根據(jù)驅(qū)油效率和油藏氧化強(qiáng)度,注空氣技術(shù)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(shù),已用于稀油油藏的開(kāi)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?dú)怛?qū)和煙道氣驅(qū)等,其中CO2混相驅(qū)是美國(guó)繼蒸汽驅(qū)之后的第二大EOR技術(shù)。針對(duì)CO2注入量不夠、黏性指進(jìn)、混相差等問(wèn)題,美國(guó)能源部資助研發(fā)了新一代集成CO2驅(qū)技術(shù),通過(guò)增加注入量、改進(jìn)驅(qū)替方式和布井方案、增加注氣黏度等多套技術(shù)方案解決上述問(wèn)題。該技術(shù)可將美國(guó)許多油田的采收率從目前的33%提高到60%以上。美國(guó)已在加利福尼亞等6個(gè)地區(qū)進(jìn)行試驗(yàn),預(yù)計(jì)可使全美國(guó)的原油可采儲(chǔ)量增加1 600×108bbl[8](1 bbl=0.159 m3)。

烴混相驅(qū)項(xiàng)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(dá)到59%;北海地區(qū)已形成了水氣交替注入、烴混相、水氣同時(shí)交替注入、泡沫輔助水氣交替注入等4個(gè)技術(shù)系列,其平均采收率達(dá)到45%。

N2驅(qū)在美國(guó)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(yàn)表明,當(dāng)注入N2達(dá)到1.198 PV時(shí),采收率可達(dá)到48.2%以上[11]。目前美國(guó)N2驅(qū)項(xiàng)目已達(dá)到5個(gè)。

2.3 化學(xué)驅(qū)

化學(xué)驅(qū)包括堿驅(qū)、表面活性劑驅(qū)、聚合物驅(qū)和復(fù)合驅(qū)。近年來(lái),高油價(jià)刺激化學(xué)驅(qū)再度升溫,美國(guó)、加拿大、印度、巴西、阿根廷、德國(guó)和印度尼西亞均有新的化學(xué)驅(qū)項(xiàng)目。僅2008年計(jì)劃實(shí)施的化學(xué)驅(qū)項(xiàng)目就有13個(gè),其中8個(gè)是交聯(lián)聚合物驅(qū), 5個(gè)是復(fù)合驅(qū)。

針對(duì)黏土含量高、原油酸值較低、單獨(dú)用堿水驅(qū)無(wú)法獲得較高產(chǎn)油量的油田,美國(guó)懷俄明州Cambridge Minnelus油田實(shí)施了堿-表面活性劑-聚合物三元復(fù)合驅(qū),在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上都獲得了成功。該油田1993年開(kāi)始復(fù)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?yàn)橄茸⑷?.307 PV的復(fù)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(jì)極限。復(fù)合驅(qū)使該油田采收率達(dá)到52%,每桶原油的生產(chǎn)成本為2.42美元[12]。

我國(guó)提高采收率的主導(dǎo)技術(shù)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(chǔ)上,開(kāi)展了二元復(fù)合驅(qū)和三元復(fù)合驅(qū)先導(dǎo)試驗(yàn),部分技術(shù)已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。大慶油田從1993年開(kāi)始至今已先后開(kāi)展了5個(gè)三元復(fù)合驅(qū)礦場(chǎng)試驗(yàn),其中4個(gè)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(fù)合驅(qū)已取得重大進(jìn)展。

2.4 微生物驅(qū)

微生物驅(qū)具有適用范圍廣、工藝簡(jiǎn)單、不傷害油層等優(yōu)點(diǎn),是一項(xiàng)具有發(fā)展前景的 EOR技術(shù)。自20世紀(jì)90年代以來(lái),全球已有100多個(gè)油田開(kāi)展了微生物驅(qū)先導(dǎo)試驗(yàn)。國(guó)內(nèi)外微生物驅(qū)試驗(yàn)顯示,其提高采收率幅度為13%～65%不等,但大規(guī)模現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的甚少。馬來(lái)西亞石油公司在博科爾油田的微生物驅(qū)仍處于世界領(lǐng)先地位[13]。

微生物驅(qū)技術(shù)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(guó)、德國(guó)等國(guó)家先后進(jìn)行了研究與應(yīng)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(qiáng)。研究表明,生物表面活性劑的驅(qū)油效率是化學(xué)合成表面活性劑的3.5～8倍,而其生產(chǎn)成本僅為化學(xué)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(guó)和德國(guó)等國(guó)家,黃胞膠的用量幾乎與聚丙烯酰胺相當(dāng)[14]。

3 EOR技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

3.1 EOR技術(shù)向著多元集成化方向發(fā)展

為了彌補(bǔ)單項(xiàng)EOR技術(shù)的局限性,采用多種EOR技術(shù)機(jī)理發(fā)揮集成效應(yīng)是EOR技術(shù)的發(fā)展方向之一。如加拿大冷湖油田實(shí)施的蒸汽與輕烴混合驅(qū)技術(shù),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(shí)施了熱采和溶劑萃取技術(shù)相結(jié)合的熱CO2驅(qū),試驗(yàn)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(shù)、井間成像技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等促進(jìn)了集成EOR技術(shù)的發(fā)展。一種全新理念的“智能化集成開(kāi)發(fā)技術(shù)”已成為提高老油田采收率的標(biāo)志性技術(shù)。該技術(shù)集成了油藏動(dòng)態(tài)表征技術(shù)、儲(chǔ)層建模技術(shù)、分支水平井技術(shù)、智能井技術(shù)和超前注水等多項(xiàng)技術(shù),在世界第一大油田——沙特阿拉伯的加瓦爾油田應(yīng)用獲得成功。該油田開(kāi)發(fā)近60年,開(kāi)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(gè)地質(zhì)儲(chǔ)層條件和產(chǎn)能相同的區(qū)塊進(jìn)行大規(guī)模的開(kāi)發(fā)對(duì)比試驗(yàn)。Ⅰ區(qū)沿用常規(guī)直井開(kāi)發(fā),Ⅱ區(qū)用常規(guī)水平井開(kāi)發(fā),Ⅲ區(qū)全部采用MRC井,并采用了智能化集成開(kāi)發(fā)技術(shù)。Ⅲ區(qū)在投產(chǎn)21個(gè)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(kāi)發(fā)證實(shí)了智能化集成開(kāi)發(fā)技術(shù)的巨大優(yōu)勢(shì)[17]。

已開(kāi)采70多年的美國(guó)第三大油田——威明頓油田是以稠油開(kāi)發(fā)為主的油田。開(kāi)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(wèn)題。美國(guó)國(guó)家能源技術(shù)實(shí)驗(yàn)室、Tidelands石油公司和斯坦福大學(xué)等聯(lián)合開(kāi)發(fā)了先進(jìn)的油藏動(dòng)態(tài)表征技術(shù)與熱采集成技術(shù),包括先進(jìn)的三維油藏模型、新型堿-蒸汽驅(qū)技術(shù)、脫硫技術(shù)、新型蒸汽發(fā)生器和蒸汽驅(qū)動(dòng)態(tài)自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)等。先導(dǎo)試驗(yàn)證實(shí),該技術(shù)可使威明頓油田的可采儲(chǔ)量增加5.25×108bbl,全美國(guó)的探明可采儲(chǔ)量也因此提高了2.5%[18]。

3.2 化學(xué)輔助EOR技術(shù)將成為主流技術(shù)

各種EOR方法都或多或少地與化學(xué)技術(shù)有聯(lián)系。化學(xué)輔助EOR技術(shù)將成為EOR的主流技術(shù)。其應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

(1)針對(duì)水驅(qū)、蒸汽驅(qū)、氣驅(qū)等 EOR中的不利流度比,借助化學(xué)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(shù)。泡沫增加了驅(qū)替液的黏度,改善了流動(dòng)剖面,同時(shí)也提高了驅(qū)油效率。熱采中蒸汽泡沫的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)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(lái)的1/60～1/20,比蒸汽驅(qū)提高采收率5～20個(gè)百分點(diǎn)[19]。

(2)表面活性劑在各種 EOR技術(shù)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(gè)數(shù)量級(jí),從而大大提高了驅(qū)油效率[20]。

(3)針對(duì)儲(chǔ)層非均質(zhì)性發(fā)展了聚合物調(diào)驅(qū)技術(shù)。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(shù)已開(kāi)始大量使用[21]。如國(guó)內(nèi)外廣泛使用的交聯(lián)聚合物弱凝膠調(diào)驅(qū)技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中均取得了很好的增產(chǎn)效果。

3.3 EOR技術(shù)與高新技術(shù)的結(jié)合越來(lái)越緊密

高科技為EOR技術(shù)提供了發(fā)展機(jī)遇,賦予了EOR新的技術(shù)內(nèi)涵。高新技術(shù)促使EOR技術(shù)向著精細(xì)化、集成化、實(shí)時(shí)化、智能化方向發(fā)展。近年來(lái)興起的油藏最大接觸位移技術(shù) (MRC)和數(shù)字油田技術(shù)大大拓展了EOR技術(shù)的發(fā)展空間。

MRC技術(shù)是集井眼軌跡設(shè)計(jì)、鉆井液設(shè)計(jì)、側(cè)鉆方式、完井方式和采油工藝于一體的新技術(shù)。MRC技術(shù)在挖掘復(fù)雜地質(zhì)體油藏的剩余油方面具有獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì),如河道砂頂部剩余油、三角洲前緣相砂體剩余油、復(fù)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(guó)家石油公司為了開(kāi)采Shaybah油田剩余油,設(shè)計(jì)了3口多分支井。投產(chǎn)后,產(chǎn)量是1 km水平井的5倍,開(kāi)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(guān)注。數(shù)字油田技術(shù)是一套連接地面與井下、油氣開(kāi)發(fā)全過(guò)程控制的一個(gè)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(guò)程實(shí)時(shí)指導(dǎo)開(kāi)發(fā)方案的執(zhí)行和相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用。相關(guān)研究表明,數(shù)字油田技術(shù)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(kāi)始了數(shù)字油田技術(shù)的先導(dǎo)試驗(yàn)[23]。

3.4 工藝技術(shù)進(jìn)步繼續(xù)引領(lǐng)EOR技術(shù)的變革

各種EOR技術(shù)的發(fā)展均與工藝技術(shù)的進(jìn)步密切相關(guān),如蒸汽驅(qū)、CO2驅(qū)等技術(shù)的發(fā)展均來(lái)源于相應(yīng)的工藝技術(shù)的進(jìn)步。從近年EOR技術(shù)的發(fā)展看,工藝技術(shù)的發(fā)展仍將引領(lǐng)EOR技術(shù)的變革。

在稠油開(kāi)發(fā)領(lǐng)域,多年來(lái),許多國(guó)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(shù)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(shù)正處于商業(yè)化應(yīng)用前的試驗(yàn)階段,一旦成熟,將對(duì)世界稠油開(kāi)發(fā)產(chǎn)生重大影響。

高含水油田的經(jīng)濟(jì)開(kāi)采一直是EOR研究的重點(diǎn),井下油水分離技術(shù)將為高含水油藏采收率的提高打開(kāi)一個(gè)新的局面。目前,已開(kāi)發(fā)了一種井下油水分離決策樹(shù),開(kāi)展了針對(duì)油藏評(píng)估、選井可行性的技術(shù)研究。相關(guān)研究表明,該技術(shù)在油田高含水開(kāi)發(fā)后期仍可將采收率提高至少3個(gè)百分點(diǎn)。

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

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

化學(xué)輔助作用使各種EOR技術(shù)的效果大大增加,應(yīng)借助我國(guó)在化學(xué)驅(qū)領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢(shì)發(fā)展化學(xué)輔助EOR技術(shù)。

高新技術(shù)為EOR提供了技術(shù)發(fā)展空間,EOR技術(shù)正向著精細(xì)化、集成化、實(shí)時(shí)化、智能化方向發(fā)展。

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2009-10-18)