三元復(fù)合體系驅(qū)油技術(shù)研究及應(yīng)用進(jìn)展

呂秀鳳

(大慶職業(yè)學(xué)院石油工程系，黑龍江大慶163255)

三元復(fù)合體系驅(qū)油技術(shù)研究及應(yīng)用進(jìn)展

呂秀鳳

(大慶職業(yè)學(xué)院石油工程系，黑龍江大慶163255)

三元復(fù)合體系驅(qū)油技術(shù)，簡稱三元復(fù)合驅(qū)，是指在注入水中加入低濃度的表面活性劑、堿和聚合物進(jìn)行驅(qū)油的一種提高石油采收率方法，是20世紀(jì)80年代初國外出現(xiàn)的化學(xué)采油新動向。該技術(shù)在我國發(fā)展得很快，目前已走在世界前列。重點(diǎn)闡述了該項技術(shù)的室內(nèi)研究情況，并結(jié)合大慶油田三元復(fù)合驅(qū)礦場試驗情況對其應(yīng)用效果進(jìn)行分析，針對目前所存在的典型問題提出了今后研究探索的方向。

三元復(fù)合驅(qū);采收率;化學(xué)采油

1 三元復(fù)合驅(qū)室內(nèi)研究

1.1 物理模擬研究。

1.1.1 機(jī)理研究。

石油采收率是油藏累計產(chǎn)油量與油藏原始地質(zhì)儲量比值的百分?jǐn)?shù)。該比值的大小取決于注入流體在油藏中的波及系數(shù)和驅(qū)油效率。

式中

ER—石油采收率;N原始—油藏原始地質(zhì)儲量; N累計采出—油藏累計產(chǎn)油量;EV—波及系數(shù);ED—驅(qū)油效率。

由上式可知，影響采收率大小的主要因素是波及系數(shù)和驅(qū)油效率。因此，要想提高采收率就需要提高波及系數(shù)或(和)驅(qū)油效率。

1.1.1.1 體系中的聚合物能提高波及系數(shù)。［1］

三元體系中的聚合物，具有增粘作用，可以改善油水流度比，使水驅(qū)前緣均勻推進(jìn)，從而提高了波及系數(shù)，其中，流度比的計算公式如下:

式中MPo——聚合物溶液驅(qū)油時的總流度比;

λP——聚合物溶液的流度;

λt——油水混合帶總流度;

Kro——油的相對滲透率;

Krw——水的相對滲透率;

Krp——聚合物溶液的相對滲透率;

μP——聚合物溶液的粘度;

μo——油的粘度;

μw——水的粘度。

水油流度比降低后，既提高了平面波及效率，克服了注入水的“指進(jìn)”現(xiàn)象，又提高了垂向波及效率，增加了吸水厚度，如圖1。這是體系中聚合物最重要的作用。

圖1 水驅(qū)后剩余油經(jīng)三元復(fù)合驅(qū)后波及系數(shù)明顯提高

1.1.1.2 體系中堿和表面活性劑的協(xié)同作用能提高驅(qū)油效率。［1］

油層中水驅(qū)后的殘余油是提高采收率的主要目標(biāo)。這些殘余油能否被驅(qū)替出來，取決于毛管數(shù)的大小。毛管數(shù)是指粘滯力與局部毛管力的比值，用Nvc來表示。

式中:v——滲濾速度，m/s;

σ——界面張力，mN/m;

μ——流體粘度，mPa·s;

K——地層滲透率，μm2;

Δp——驅(qū)動壓差，MPa;

L——油滴長度，m。

通常用毛管減飽和度曲線(簡稱CDC曲線，Capillary __Desaturation Curves)來分析濕相和非濕相殘余飽和度的大

小。CDC曲線反映了不同毛管數(shù)Nvc與濕相、非濕相殘余飽和度的關(guān)系，如圖2所示。

圖2 典型的毛管減飽和度曲線

在實際油田中大多數(shù)的水驅(qū)是在低的毛管數(shù)范圍，即處于10－7～10－5，是CDC曲線的平緩段上。從圖中可以看出，只有毛管數(shù)(即改變σ、ΔP、K等)增加，殘余油才可能流動。為了降低殘余油飽和度，需要在水驅(qū)的Nvc值上使其再增高100—10000倍。在生產(chǎn)實際中，增加滲透率K和驅(qū)動壓差ΔP很難使毛管數(shù)達(dá)到相應(yīng)的倍數(shù)，唯一可行的方法是降低注入液和原油的界面張力。

體系中的堿可以和原油中的有機(jī)酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成表面活性劑。而表面活性劑的作用就是能大幅度地降低油水之間以及油與巖石之間的界面張力(＜10－3mN/m)，從而使毛管數(shù)增加2～4個數(shù)量級，使水驅(qū)不動的殘余油得以啟動，并在向前推進(jìn)過程中形成油墻，油墻的形成和擴(kuò)大加大了油相的分流量，促進(jìn)了油相滲流，從而提高了驅(qū)油效率。

另外，廉價堿的加入可以使體系中表面活性劑的濃度降低，但靠它和堿的協(xié)同作用仍舊可合物濃度對三元復(fù)合體系粘度大小起決定性作用。

三元體系和原油之間的界面張力包括平衡界面張力和瞬間界面張力，它們都可以作為衡量驅(qū)油體系優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)。難于驅(qū)替的簇狀、膜狀殘余油驅(qū)油在低平衡界面張力下可以被三元液有效地剝蝕(圖3)，大幅度降低最低動態(tài)界面張力，較容易地被采出。

圖3 三元復(fù)合驅(qū)降低界面張力驅(qū)替膜狀殘余油

復(fù)合驅(qū)體系乳化性能有利于提高驅(qū)油效率。［2－4］不同乳化程度體系的驅(qū)油實驗表明，［4］隨著乳化能力的增加，原油易于分散成小油滴、形成可連續(xù)流動的富油帶而被采出(圖4)，驅(qū)油效率提高，可提高采收率5%～10%。

圖4 三元復(fù)合驅(qū)乳化、攜帶作用

1.1.2 復(fù)合驅(qū)體系配方綜合評價優(yōu)選技術(shù)研究。

要想使三元復(fù)合驅(qū)技術(shù)的應(yīng)用更加合理而有效，體系配方是非常關(guān)鍵的。據(jù)文獻(xiàn)［5］可知，大慶油田目前已形成了三元復(fù)合驅(qū)體系配方綜合評價優(yōu)選技術(shù)，并且制定和完善了復(fù)合體系的評價指標(biāo)及評價方法。［5］

1.1.3 采出液處理方法研究。

室內(nèi)實驗及礦場試驗結(jié)果表明，三元采出液出現(xiàn)了乳化現(xiàn)象。乳狀液的穩(wěn)定性取決于乳狀液油水界面性質(zhì)和界面膜強(qiáng)度。界面膜強(qiáng)度越大，乳狀液的穩(wěn)定性就越好，破乳難度也就越大。所以，破乳的關(guān)鍵是如何破壞界面膜。一種有效的破乳方法是通過加入破乳劑來改變界面性質(zhì)，進(jìn)而達(dá)到破壞界面膜的目的。

1.1.4 結(jié)垢機(jī)理研究。

由于三元復(fù)合驅(qū)體系的復(fù)雜性，使得在注采系統(tǒng)中都出現(xiàn)了不同程度的結(jié)構(gòu)現(xiàn)象，這是制約三元復(fù)合驅(qū)工業(yè)推廣的速度的主要因素。所以針對于三元復(fù)合驅(qū)的結(jié)垢機(jī)理及除垢、防垢方法的研究也很多。［1］

1.2 數(shù)值模擬研究。

數(shù)值模擬研究主要集中在油層適應(yīng)性研究及注入時機(jī)研究上。［14］

1.2.1 油層非均質(zhì)性。

油層非均質(zhì)嚴(yán)重程度可以用滲透率變異系數(shù)來表示，其定義式為

Kσ——占累積樣品數(shù)84.1%處的滲透率。

Vk數(shù)值越小，油層越均勻;數(shù)值越大，表示油層越不均勻，非均質(zhì)性嚴(yán)重。

為了正確和準(zhǔn)確得到油層非均質(zhì)性對復(fù)合驅(qū)驅(qū)油效果的影響，可以利用數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行計算和分析。其結(jié)果如圖5所示，其中圖中所標(biāo)識的黏度為復(fù)合體系的黏度。

圖5 油層滲透率變異系數(shù)和體系黏度對復(fù)合驅(qū)驅(qū)油效果的影響

從圖中可以看出:

(1)Vk越小，驅(qū)油效果越好;

(2)復(fù)合體系黏度越高，所適應(yīng)的Vk的范圍越大;

(3)Vk在0.5～0.8范圍內(nèi)時，復(fù)合體系黏度對驅(qū)油效果的影響最敏感、采收率變化幅度最大;

(4)在兩個極端條件下，即Vk＜0.2或Vk＞0.85時，復(fù)合體系的黏度對驅(qū)油效果作用不明顯。

1.2.2 油層沉積韻律。

圖6 油層韻律對水驅(qū)和復(fù)合驅(qū)驅(qū)油效果的影響

圖6給出了復(fù)合體系注入段塞為0.30PV以及后續(xù)聚合物保護(hù)段塞為0.15PV在油層平均滲透率為1000mD、Vk=0.65時，油層韻律對水驅(qū)采收率、復(fù)合驅(qū)采收率以及最終采收率結(jié)果的影響。

從圖中可以看出:

(1)正韻律(或復(fù)合正韻律)的水驅(qū)效果比反韻律(或復(fù)合反韻律)的差，但復(fù)合驅(qū)的提高采收率效果正好相反，但水驅(qū)效果好的最終采收率高;

(2)多段多韻律的油層，水驅(qū)效果幾乎沒有差別，但復(fù)合驅(qū)提高采收率的幅度，上反下正的效果要好些，這使得這種韻律的最終采收率也會略高一些。

1.2.3 合理井網(wǎng)。

數(shù)值模擬研究結(jié)果表明，對于水驅(qū)來說，在油層條件、復(fù)合體系、注入量以及注采速度相同的條件下，井網(wǎng)類型對水驅(qū)采收率的影響不大。水驅(qū)效果最差的是七點(diǎn)法井網(wǎng)，水驅(qū)采收率只有39.12%OOIP;水驅(qū)效果最好的是五點(diǎn)法井網(wǎng)，水驅(qū)采出程度為41.12%OOIP。兩者相差2.0個百分點(diǎn)，對于復(fù)合驅(qū)來說，水驅(qū)效果好的復(fù)合驅(qū)效果也好，但最終采出程度差值增大，相差3.66個百分點(diǎn)，這說明復(fù)合驅(qū)的驅(qū)油效果對井網(wǎng)的敏感程度比水驅(qū)的大。直列井網(wǎng)、七點(diǎn)法井網(wǎng)和反九點(diǎn)法井網(wǎng)的驅(qū)油效果相對要差一些。

1.2.4 注入時機(jī)。

數(shù)值模擬研究結(jié)果表明(如表1)，在含水0～95%的范圍內(nèi)，實施復(fù)合驅(qū)時的含水率越高，最終采出程度也越高，但上升的幅度非常小。例如，在油田投入初期就實施復(fù)合驅(qū)(含水率為0)，則最終采出程度為58.69%，而在含水95%時實施復(fù)合驅(qū)，最終采出程度為59.634%，相差僅0.748個百分點(diǎn)。復(fù)合驅(qū)比水驅(qū)提高的采收率值卻隨著含水的增高而略有降低。

表1 不同注入時機(jī)對復(fù)合驅(qū)驅(qū)油效果的影響

2 三元復(fù)合驅(qū)在大慶油田的應(yīng)用效果分析［5－6］

大慶油田自1988年開始開展三元復(fù)合驅(qū)技術(shù)研究，在大量室內(nèi)研究的基礎(chǔ)上，于1993年進(jìn)入現(xiàn)場試驗，先后完成了先導(dǎo)性礦場試驗、擴(kuò)大性礦場試驗、工業(yè)性礦場試驗，均取得了較好的試驗效果。

2.1 引進(jìn)國外表面活性劑三元復(fù)合驅(qū)先導(dǎo)性礦場試驗。

1993～1997年，大慶油田引進(jìn)美國生產(chǎn)的B－100和ORS－41兩種表面活性劑，先后在5個油層性質(zhì)不同的試驗區(qū)，開展了不同井網(wǎng)、井距的三元復(fù)合驅(qū)先導(dǎo)性礦場試驗，其基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及提高采收率效果如表2。從表中數(shù)據(jù)可以看出，三元復(fù)合驅(qū)增油效果明顯，可以比水驅(qū)提高采收率20%以上。

表2 引進(jìn)國外表面活性劑試驗區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及效果表

2.2 國產(chǎn)表面活性劑三元復(fù)合驅(qū)礦場試驗。

1998年，大慶油田應(yīng)用自己研制出的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的烷基苯磺酸鹽表面活性劑，開展了世界上第一個三元復(fù)合驅(qū)工業(yè)性試驗，驗證了三元復(fù)合驅(qū)在大井距多井組多油層條件下的驅(qū)油效果。這不但解決了進(jìn)口表面活性劑價格昂貴的問題，還為大慶油田三元復(fù)合驅(qū)技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用提供了依據(jù)。2005年分別在采油一廠北一區(qū)斷東和采油二廠南五區(qū)開展了工業(yè)性礦場試驗，通過試驗總結(jié)了強(qiáng)堿三元復(fù)合驅(qū)在一類油層和二類油層中的開采規(guī)律，完善了復(fù)合驅(qū)的配套技術(shù)研究，為強(qiáng)堿三元復(fù)合驅(qū)得推廣提供了依據(jù)。

2.3 國產(chǎn)表面活性劑強(qiáng)堿三元復(fù)合驅(qū)工業(yè)化推廣應(yīng)用。

在強(qiáng)堿三元復(fù)合驅(qū)工業(yè)性試驗取得成功的基礎(chǔ)上，大慶油田2007年在采油四廠杏一～二區(qū)東部II塊開展了三元復(fù)合驅(qū)工業(yè)化推廣區(qū)。2008年分別在采油六廠南六區(qū)和采油四廠杏六區(qū)東部I塊開展了三元復(fù)合驅(qū)工業(yè)化推廣，2009年在采油四廠杏六區(qū)東部II塊開展了三元復(fù)合驅(qū)工業(yè)化推廣。

2009年以后，大慶油田三次采油區(qū)塊沒有再安排聚合物驅(qū)，而是全面安排三元復(fù)合驅(qū)，在“十二五”期間，三次采油的產(chǎn)量仍將保持在1000萬噸以上。2012年初，大慶油田決定在3～5年的時間內(nèi)，實現(xiàn)三元復(fù)合驅(qū)的工業(yè)化應(yīng)用。

3 三元復(fù)合驅(qū)技術(shù)所面臨的問題及探索研究方向

3.1 存在問題。

三元復(fù)合驅(qū)技術(shù)雖然能大幅度地提高采收率，并逐步開始工業(yè)性推廣應(yīng)用，但仍存在著一些問題需要進(jìn)一步研究解決。

3.1.1 化學(xué)劑用量大。

三元復(fù)合驅(qū)過程中，由于體系中的表面活性劑在距注入系統(tǒng)約20%井距內(nèi)的損失量約達(dá)80%，所以在大于20%井距后，驅(qū)替體系已不能保持超低界面張力，在到達(dá)采出端時，表面活性劑吸附損失程度達(dá)到最大值;［7］其次是聚合物在近井地帶的粘度下降幅度較大，華北油田射孔孔眼粘度損失可達(dá)到40%以上，勝利油田粘度在到達(dá)監(jiān)測井時可損失60%以上，大慶油田粘度損失在距注入井30m處則高達(dá)70%。［8］無論是表面活性劑的吸附損失，還是聚合物的粘度損失，都會加大化學(xué)劑的用量。

3.1.2 結(jié)垢問題嚴(yán)重。

結(jié)垢問題是三元復(fù)合驅(qū)技術(shù)發(fā)展應(yīng)用的一大難題。在注入系統(tǒng)，堿與二氧化碳的不完全反應(yīng)產(chǎn)物與污水中的陽離子結(jié)合，在泵閥、注入泵、靜混器等處結(jié)垢，這會使注入壓力升高，增加能耗;在采出系統(tǒng)，堿可能會與油藏中的一些巖石礦物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使采出液的組成變得復(fù)雜，導(dǎo)致井筒運(yùn)行條件變差，會出現(xiàn)抽油桿滯后、卡泵等現(xiàn)象，造成抽油機(jī)井檢泵周期縮短，嚴(yán)重影響機(jī)采井的生產(chǎn)時率。

3.1.3 采出液破乳、處理困難。

在應(yīng)用三元復(fù)合驅(qū)時，體系中的各種化學(xué)劑不可避免地會在采出液中出現(xiàn)，堿、聚合物、表面活性劑含量升高，會使采出液粘度增加，從而懸浮固體顆粒的能力增加，再加之表面活性劑所帶來的低界面張力，使得這種懸浮液具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。而且這種污水在上浮或下沉?xí)r受到的阻力也會很大，致使傳統(tǒng)的隔油池、沉降設(shè)備處理效率下降，過濾裝置的堵塞幾率增加。從而使采出液的破乳、處理難度加大。

3.2 探索方向。

3.2.1 等流度注入，進(jìn)一步提高采收率。

聚能等流度驅(qū)油方法［9］，是針對于非均質(zhì)油層在驅(qū)替過程中所出現(xiàn)的“竄流”現(xiàn)象，通過個性化地設(shè)計多輪次多段塞組合的注入方式，來進(jìn)一步提高采收率的方法。在注入三元液時，可以采取多輪次多段塞組合的注入方式，即通過改變體系中化學(xué)劑粘度的方式，來實現(xiàn)等流度驅(qū)替，從而在擴(kuò)大波及體積的同時，進(jìn)一步提高驅(qū)油效率，使采收率有更大幅度的提高。

3.2.2 研究高效的表面活性劑，降低化學(xué)劑用量。

從活性劑的結(jié)構(gòu)、性能分析入手進(jìn)行分子設(shè)計，從而研制界面活性更為高效、對油藏的適應(yīng)性更為寬泛的表面活性劑，在不影響驅(qū)油效果的情況下，減少化學(xué)劑用量，為復(fù)合驅(qū)的工業(yè)化應(yīng)用提供物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)保證。

3.2.3 耐高溫、耐鹽聚合物的研制。

由于三元液中目前所用的聚合物不能應(yīng)用于高溫、高鹽的油層，這使得三元復(fù)合驅(qū)的大面積工業(yè)化應(yīng)用再次受到限制。另外，三元復(fù)合驅(qū)的應(yīng)用對象可能是二、三類油層，因此，需要研制耐溫耐鹽的新型聚合物。

3.2.4 合理解決結(jié)垢、破乳等問題。

對于三元復(fù)合驅(qū)所暴露出來的結(jié)垢嚴(yán)重、采出液破乳處理困難等問題，國內(nèi)外的學(xué)者做了很多有益的研究和探索。如應(yīng)用智能提撈抽油機(jī)很好地解決了卡泵、桿斷等問題，其研究理念很值得借鑒，可以利用類似的理念去解決注入端結(jié)垢及破乳等問題。

［1］李華斌，陳中華.界面張力特征對三元復(fù)合驅(qū)油效率影響的實驗研究［J］.石油學(xué)報，2007，27(5):96－98.

［2］葛際江，王東方，張貴才，等.稠油驅(qū)油體系乳化能力和界面張力對驅(qū)油效果的影響［J］.石油學(xué)報(石油加工)，2009，25(5):690－695.

［3］王克亮，廖廣志，楊振宇，等.三元復(fù)合和聚合物驅(qū)油液粘度對驅(qū)油效果影響實驗研究［J］.油田化學(xué)，2001，18 (4):354－357.

［4］王克亮，等.三元復(fù)合體系的乳化性能對驅(qū)油效果

的影響研究［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2012，12(10):2428－2431.

［5］王鳳蘭，等.大慶油田三元復(fù)合驅(qū)技術(shù)進(jìn)展［J］.大慶石油地質(zhì)與開發(fā)，2009，28(5):154－162.

［6］楊振宇，陳廣宇.國內(nèi)外復(fù)合驅(qū)技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向［J］.大慶石油地質(zhì)與開發(fā)，2004，23.

［7］唐琳.強(qiáng)堿三元復(fù)合驅(qū)注入系統(tǒng)結(jié)垢行為研究［D］.大慶:東北石油大學(xué)，2012.

［8］高清河.強(qiáng)堿三元復(fù)合驅(qū)成垢及化學(xué)控制技術(shù)研究［D］.大慶:東北石油大學(xué)，2013.

［9］韓修廷，劉春天，等.聚能等流度高效驅(qū)油新方法研究［J］.石油學(xué)報，2008，29(3):418－422.

Research and Application of ASP Flooding Technology

Lv Xiufeng
(Daqing Vocational College，Daqing，Heilongjiang 163255，China)

The alkaline－surfactant－polymer combination flooding technology，is referred to as ASP flooding technology.It is a kind of enhanced oil recovery method appearing in the early 1980s，with low concentration of surface active agent，alkali and polymer in the injected water.The technology developed rapidly in China，and has been at the forefront of the world.This paper describes the indoor research of the technology，and analyzes the application effect in Daqing Oilfield ASP flooding pilot test，and proposed the future research direction for typical problems that currently exist in.

ASP flooding technology;oil recovery;chemical flooding

TE357.46

A

1672－6758(2015)08－0043－5

(責(zé)任編輯:鄭英玲)

呂秀鳳，碩士，副教授，大慶職業(yè)學(xué)院石油工程系。研究方向:油藏工程、提高石油采收率。

Class No.:TE357.46 Document Mark:A