普通稠油化學(xué)驅(qū)及機理研究進展

李錦超

(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452)

稠油資源十分豐富，主要分布在加拿大、美國、委內(nèi)瑞拉和中國。隨著經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，對石油的消耗逐年增加，成功開采稠油資源變得愈發(fā)重要。

對于普通稠油，一次采油后主要采用注水和蒸汽熱采開發(fā)，由于水驅(qū)水油流度比高，導(dǎo)致波及系數(shù)較低，一般只能采出5%～10%OIIP的原油［1］;熱采方法中最成功的是蒸汽吞吐和蒸汽輔助重力驅(qū)油技術(shù)。熱采開發(fā)的主要原理是降低稠油黏度提高其流度，此類技術(shù)對厚油層和沒有底水時非常有效。當(dāng)油層太薄(小于10 m)和埋藏太深(大于1 000 m)，或存在底水時，熱量損失嚴(yán)重，制約熱采技術(shù)的應(yīng)用;因此，需要非熱采方法提高普通稠油采收率。國內(nèi)外研究表明，化學(xué)驅(qū)是一種重要的接替手段。

化學(xué)驅(qū)技術(shù)包括堿驅(qū)、聚合物驅(qū)和表面活性劑驅(qū)，此技術(shù)已成功應(yīng)用于常規(guī)原油開采。堿驅(qū)和表面活性劑驅(qū)通過降低油水界面張力提高洗油效率，聚合物驅(qū)則通過降低水油流度比提高波及系數(shù)［2－3］。近年來，國內(nèi)外對普通稠油化學(xué)驅(qū)進行了大量研究，本文詳細(xì)綜述了普通稠油化學(xué)驅(qū)及機理研究現(xiàn)狀。

1 稠油化學(xué)驅(qū)技術(shù)

1.1 堿驅(qū)技術(shù)

堿驅(qū)礦場試驗主要集中在20世紀(jì)，由于堿驅(qū)機理復(fù)雜，限制因素較多，制約其工業(yè)化推廣。堿驅(qū)是向油藏中注入能與原油中石油酸發(fā)生反應(yīng)的堿性物質(zhì)，生成表面活性劑，從而達到降低界面張力和形成乳狀液的目的。最常用的堿是NaOH，其他包括碳酸鈉、硅酸鈉、磷酸鈉、氫氧化銨和碳酸銨等。影響堿驅(qū)效果的因素很多，如堿的類型、濃度、注采參數(shù)、溫度等。因此，國內(nèi)外石油工作者對此進行了大量研究。

Mayer等［4－6］通過研究表明，堿與油藏巖石和流體存在3種反應(yīng)，堿－油反應(yīng)、堿－水反應(yīng)和堿－巖石反應(yīng)。堿驅(qū)提高采收率有4個不同機理:乳化攜帶、乳化捕集、水濕反轉(zhuǎn)為油濕、油濕反轉(zhuǎn)為水濕。因為水驅(qū)稠油時波及系數(shù)一般很小，乳化捕集機理對稠油開采尤其有效。

Almalik 等［7］利用 Safaniya 原油研究了NaOH，KOH，Na3PO4·12H2O堿劑對采收率的影響。并分別測量了其pH、黏度和界面張力，通過填砂管驅(qū)替實驗研究發(fā)現(xiàn)，注入4 PV 1.0%NaOH時，累積采收率最高，這是由于NaOH的pH最高，降低界面張力的能力最強。Jennings等［8］通過實驗發(fā)現(xiàn)堿水界面張力降至小于0.01 mN/m才能提高采收率。通過可視化驅(qū)替研究發(fā)現(xiàn)注入堿可提高水驅(qū)的波及系數(shù)，段塞注入和連續(xù)注入最終采收率基本相同，其有別于Farouq Ali等［9］發(fā)現(xiàn)的結(jié)果，他們發(fā)現(xiàn)連續(xù)注入時采收率可在水驅(qū)基礎(chǔ)上增加32%～62%，而段塞式注入時僅增加5%。

Campbell等［10－11］考察了用鹽水配制硅酸鈉和NaOH對Huntington Beach和W ilmington原油采收率的影響，對比研究發(fā)現(xiàn)，在相同濃度下，加入硅酸鈉的采收率在連續(xù)注入和段塞注入2種方式下均高于加入NaOH，且連續(xù)注入的采收率均大于段塞式注入。

Ding 等［12］研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合堿 (NaBO2/Na2CO3)在一定鹽濃度范圍內(nèi)，隨著鹽濃度增加，提高采收率效果增加，在1.0%鹽濃度下驅(qū)替效果最好。

Chiwetelu等［13］利用一種稠油分別在 25，65℃進行室內(nèi)填砂管堿驅(qū)實驗。溶液均使用蒸餾水配制，結(jié)果顯示，25℃的提高采收率高于65℃。認(rèn)為溫度升高時界面張力增大造成采收率降低。

宋建平等［14－15］提出稠油可在常溫下乳化開采，選擇Na2CO3為注入堿劑，當(dāng)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%時，界面張力降至10－2數(shù)量級。原油在常溫下能發(fā)生乳化。通過加入適量NaCl可降低稠油乳化所需的堿濃度。

美國在上世紀(jì)中后期進行了60余次的堿驅(qū)礦場試驗，提高采收率在2%OOIP，并存在堿對地層溶蝕使其變得更不均質(zhì)，地層和產(chǎn)出系統(tǒng)結(jié)垢和產(chǎn)出液乳化難處理等問題。因此，堿驅(qū)并沒有大規(guī)模推廣應(yīng)用。弱堿、潛在堿、有機堿和緩沖堿是未來堿驅(qū)用劑的發(fā)展趨勢［16－18］。

1.2 堿/表面活性劑驅(qū)技術(shù)

堿驅(qū)時，在其低濃度下能獲得較低的界面張力，但由于吸附或沉淀等堿耗因素，需注入高濃度堿。因此，加入合適濃度的表面活性劑既可降低堿劑濃度又可提高驅(qū)替效率［19－20］。

Bryan 等［21－24］對黏度(23 ℃)為 11 000，15 000 mPa·s的稠油進行堿/表面活性劑驅(qū)實驗。研究結(jié)果表明，形成的乳狀液類型與水的鹽度有關(guān)。質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%陰離子表面活性劑烷基磺酸鈉和0.5%Na2CO3的混合物可形成超低界面張力和穩(wěn)定的乳狀液，大量相態(tài)實驗表明，當(dāng)用去離子水配制化學(xué)劑配方時，將會形成O/W乳狀液。而當(dāng)水相中含2%的NaCl時，將會形成黏度高的W/O乳狀液。通過巖心驅(qū)替實驗得到的三次采收率超過20%IOIP。認(rèn)為油滴的乳化捕集是提高原油采收率的主導(dǎo)機理。

Liu 等［25－27］通過研究黏度(22 ℃)為1 800 mPa·s稠油的乳化和界面性質(zhì)，篩選出0.15%Na2CO3+50 mg/L表面活性劑，兩者協(xié)同作用下使原油與鹽水間界面張力急劇下降，易形成O/W型乳狀液。利用此配方選取加拿大西北稠油進行填砂管驅(qū)替試驗，結(jié)果表明，水驅(qū)后注入0.5 PV 0.3%Na2CO3，0.3%NaOH 和300 mg/L 表面活性劑體系可提高約24%OOIP。

國內(nèi)遼河油田研究院［28－29］針對遼河油田普通稠油，篩選出抗鹽性能較好的表面活性劑與Na2CO3復(fù)配，可使油水界面張力降至超低狀態(tài)且具有長期穩(wěn)定性，驅(qū)替實驗表明可提高采收率17.31%。

中國石油大學(xué)(華東)葛際江等［30－32］研究發(fā)現(xiàn)，單一Na2CO3或表面活性劑與勝利油田普通稠油均不能形成超低界面張力，而當(dāng)兩者復(fù)配時，協(xié)同效應(yīng)明顯，最低界面張力可達10－4mN/m以下。驅(qū)油劑－稠油乳化能力與界面張力沒有一致性，驅(qū)油劑－稠油界面張力與采收率沒有規(guī)律性，乳化能力與采收率具有很好的對應(yīng)關(guān)系，即乳化能力好的驅(qū)油體系驅(qū)油效率高。

1.3 聚合物驅(qū)技術(shù)

聚合物驅(qū)研究始于美國，在70年代應(yīng)用到現(xiàn)場，采收率可提高至9%。其提高采收率的主要機理是降低水油流度比，提高波及系數(shù)。國內(nèi)聚合物驅(qū)技術(shù)相繼在大慶、勝利、渤海油田等得到應(yīng)用，配套技術(shù)也得到了較快發(fā)展。

聚合物驅(qū)技術(shù)已較為成熟的應(yīng)用到開采普通原油。上世紀(jì)末美國學(xué)者研究聚合物驅(qū)現(xiàn)場應(yīng)用時聚合物驅(qū)適用于油藏原油黏度最大為126 mPa·s，對較高黏度油藏具有不確定性。隨著聚合物性能及調(diào)剖等技術(shù)的發(fā)展，勝利油田已成功將聚合物驅(qū)應(yīng)用于原油黏度為500～1 000 mPa·s油藏［33－34］。

Wang 等［35－36］研究黏度為 430～5 500 mPa·s的稠油聚合物驅(qū)時聚合物溶液的有效黏度與采收率的關(guān)系，并進行了28個填砂管驅(qū)替實驗，結(jié)果表明，只有當(dāng)聚合物有效黏度在一定范圍內(nèi)采收率才能迅速增加。

張賢松等［37］利用數(shù)值模擬研究了影響我國稠油油藏聚合物驅(qū)的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，主要包括儲層特性、原油黏度、注入時間等，結(jié)果表明，油藏滲透率應(yīng)大于500×10－3μm2，地層原油黏度低于100 mPa·s，含水小于70%聚合物驅(qū)效果較好。

聚合物驅(qū)對提高稠油采收率前景較樂觀，但其也存在不利因素。我國大部分油田由于強注強采導(dǎo)致大孔道、變異系數(shù)增大，致使聚合物驅(qū)易竄，開發(fā)效率較低。因此，聚合物驅(qū)前進行合理的調(diào)剖堵水非常重要。另外，聚合物黏度較高，驅(qū)替時不能超過水驅(qū)時的初始壓力梯度，否則，會破壞巖石結(jié)構(gòu)［38－40］。

2 稠油化學(xué)驅(qū)機理研究進展

2.1 水包油型(O/W型)乳狀液

水包油型乳狀液的形成可能是稠油化學(xué)驅(qū)的機理之一。原油進入水相形成的乳狀液比原油流動性好，O/W型乳狀液提高采收率機理是:一是乳狀液被水相攜帶一起流動，即乳化攜帶機理;二是乳化液滴堵塞巖石孔隙提高波及系數(shù)，即乳化捕集。

Jennings等［8］利用二維巖心驅(qū)替實驗研究了乳化攜帶和乳化捕集的作用效果。研究發(fā)現(xiàn)注入點附近基本沒有剩余油，巖心很干凈。但在驅(qū)替區(qū)域內(nèi)水驅(qū)和堿驅(qū)的殘余油飽和度基本相同。因此，他認(rèn)為油滴的乳化捕集提高波及系數(shù)是化學(xué)驅(qū)提高稠油采收率的主要機理。

Liu等［26］研究發(fā)現(xiàn)稠油驅(qū)替的主要機理是乳化攜帶。合適的堿劑和表面活性劑復(fù)配后易乳化黏度為650～18 000 mPa·s的稠油，使稠油變成低黏度的O/W乳狀液。

2.2 油包水型(W/O型)乳狀液

有人提出W/O型乳狀液可能是提高采收率的主要機理之一。此類乳狀液黏度大于原油的，可改善流度比和改善波及系數(shù)。

Dranchuk 等［5］采用黏度為 940 mPa· s的Lloydminster稠油進行堿驅(qū)研究發(fā)現(xiàn)，由于堿的加入在產(chǎn)出液中含W/O型乳狀液，促使驅(qū)替更加穩(wěn)定。加入堿可使巖石更加親油性，且?guī)r心兩端壓降隨著乳狀液形成而增加。

Dong等［41］進行稠油堿驅(qū)微觀驅(qū)油研究，注入的堿水進入殘余油相，在油流通道中出現(xiàn)許多不連續(xù)的水滴，從而形成了黏度比原油大許多的W/O型乳狀液。因此，提出降低水油流度比和抑制注入流體的指進是提高采收率的主要機理。同時看到油與孔壁接觸改變潤濕性形成油濕。

Bryan 等［21－22］認(rèn)為提高稠油采收率主要是由于乳狀液形成，可通過控制鹽濃度，使得同一體系即可能形成W/O乳狀液也可能形成O/W乳狀液。任何一種乳狀液均能提高稠油采收率。且機理相同，即乳狀液堵塞巖心中預(yù)先形成的水流通道，使液流發(fā)生轉(zhuǎn)向。

提高稠油采收率的機理包括:由于堵塞孔隙提高波及系數(shù);通過增加或降低乳狀液的黏度改善流度比。截止目前，對于哪個機理對提高稠油采收率最重要，國內(nèi)外專家學(xué)者沒有統(tǒng)一認(rèn)識，有待進一步深入研究。

3 稠油化學(xué)驅(qū)存在問題

3.1 產(chǎn)出液處理

化學(xué)驅(qū)對提高稠油采收率非常有效，但由于產(chǎn)出液乳化嚴(yán)重且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，嚴(yán)重制約著稠油的開發(fā)。因此，如何經(jīng)濟有效的分離是處理產(chǎn)出液的關(guān)鍵，尤其是高pH的乳狀液。

Dong［42］研究了在低 CO2壓力下高 pH乳狀液的處理，CO2是酸性氣體，通過降低液相pH，減少油滴表明靜電荷，降低液滴間排斥勢能。破壞瀝青質(zhì)和表面活性物質(zhì)構(gòu)成的界面膜，使油滴絮凝，聚并。

3.2 聚合物驅(qū)后接替技術(shù)

聚合物驅(qū)后仍有大量殘余油滯留在地層，針對聚合物驅(qū)后如何提高采收率，國內(nèi)外學(xué)者進行了大量研究和探索。王其偉等［43］通過室內(nèi)驅(qū)替實驗表明，泡沫驅(qū)的良好調(diào)剖封堵能力，對于聚合物驅(qū)未能波及的低滲透層具有很好的驅(qū)油能力，是聚合物驅(qū)后一種很好的接替技術(shù)。劉明軼等［44］在勝利油田研究了聚合物驅(qū)后3種增產(chǎn)接替技術(shù)，分別是深部調(diào)剖技術(shù)、高效洗油技術(shù)、聚合物絮凝再利用技術(shù)。實驗結(jié)果表明，上述技術(shù)在聚合物驅(qū)后可有效提高采收率。

4 結(jié)語

普通稠油水驅(qū)采收率低，又不能利用熱采進行經(jīng)濟有效的開發(fā)，化學(xué)驅(qū)是一種很好的提高稠油采收率的非熱力采油技術(shù)，聚合物驅(qū)是稠油水驅(qū)后很有潛力的采油技術(shù)，同時，要考慮利用何種技術(shù)進行接替聚合物驅(qū)，進一步提高稠油采收率。稠油堿驅(qū)和堿/表面活性劑驅(qū)提高采收率機理較復(fù)雜，目前主要還是停留在室內(nèi)試驗研究階段，距離現(xiàn)場大規(guī)模應(yīng)用還有大量問題亟需解決。

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