基于專利分析的提高油氣采收率技術發(fā)展趨勢

郭小哲，江彩云，王晶，方月月

(中國石油大學(北京)石油工程學院，北京102249)

提高采收率技術通常指強化采收率( EOR) 和改善采收率( IOR)的技術，即通過物理、化學、生物等方法，來降低油氣流動阻力、增加其流動力以開采出更多油氣技術。可概括為水驅、化學驅、熱力驅、氣驅、微生物驅和物理法提高采收率等6個方面[1～5]。

隨著低滲、稠油、高含水、復雜斷塊等難開發(fā)儲層的比例越來越大，以及頁巖氣、致密油、天然氣水合物、深層等非常規(guī)儲層快速開發(fā)與利用，水平井開采技術、壓裂和完井工程成為了傳統(tǒng)提高采收率技術外的新成員。水平井擴大了與油藏的接觸面積，特別是對薄層、儲層孔滲物性較差、稠油等儲層來講，滲流面積的大幅增加意味著原油流動阻力降低，可實現(xiàn)工業(yè)規(guī)模的高效開發(fā)；此外，對非均質嚴重的高含水油藏，針對剩余油集中區(qū)域和層位，水平井開采也具有較好效果[6～8]；壓裂溝通了井與儲層內(nèi)部的連接通道，加大了流體在儲層中的滲透性，降低了滲流阻力，對于許多非常規(guī)儲層的開發(fā)，壓裂可謂是有效開發(fā)的唯一手段，體積壓裂、工廠化壓裂、重復壓裂等逐漸成為提高采收率的首選[9～12]；完井是連通儲層和井的橋梁，是鉆井和采油的交接口，層位的連通選擇及施工質量的保證是后續(xù)開采的關鍵，小井眼完井、智能完井、水平井完井、完井儲層保護等關系著油井壽命，完井工程與地質油藏在諸多石油公司處于同等重要位置，是提高采收率重要保障[13～15]。

為了更多手段的探析提高采收率技術的發(fā)展趨勢，也為了體現(xiàn)它的外延，應用公認度較高的專利分析方法，選擇湯森路透(Thomson Reuters)的專利數(shù)據(jù)庫，進行專利地圖分析和技術體系歸納，研究專利變化歷程，從專利施引量及競爭主體分析專項技術的特征，由此更進一步認識提高采收率的技術形勢和發(fā)展趨勢。

1 技術體系

圖1 提高油氣采收率技術專利地圖

為了研究提高油氣采收率的技術分類，在檢索詞中沒有設置諸如水驅、氣驅、化學驅等專項技術，只在湯森路透專利數(shù)據(jù)庫的H01子集下，檢索詞設計為： eor OR ior OR enhanc*(improve*) recover*( oil or reservoir)(其中“*”代表該詞的后綴)。形成專利聚類地圖如圖1所示。

經(jīng)檢索共得到2519個專利條目，再經(jīng)過篩選后最終得到提高油氣采收率技術條目共計2304個，由專利地圖的聚類可分為30個區(qū)，再通過歸納合并劃分為16項關鍵技術，如表1所示。

由圖1和表1可知，化學驅所占比例最大，達到45%，其中中國的專利最多，也是中國專利在專利地圖中最為集中的技術領域，占到化學驅的25%；其次為氣驅和微生物驅；水驅和蒸汽驅所占比例并不突出，甚至低于水平井和油藏動態(tài)分析與監(jiān)測；除了傳統(tǒng)意義上的提高油氣采收率技術外，水平井開采技術、壓裂、完井工程、地層熱處理、人工舉升等更為寬泛的技術也體現(xiàn)出來，這也突出了油氣開采包括油藏工程在內(nèi)的多學科協(xié)同一體化、地下井筒一體化、壓采一體化等系統(tǒng)工程特征。

表1 提高油氣采收率技術分類及其專利統(tǒng)計

為了更進一步說明提高油氣采收率技術的外延，利用中國學術期刊網(wǎng)進行期刊檢索，研究目前中國關注的油氣儲層對象及提高油氣采收率的發(fā)展形勢，結果如圖2和圖3所示。

由圖2可知，目前中國在低滲、稠油、頁巖氣、致密及煤層氣五類儲層方面的研究，于2000年后快速增長，難開采及非常規(guī)資源接替儲層成為主要研究對象，尤其更具潛力的致密、頁巖氣和地熱更豐富了油氣資源的類型，由此帶來的提高油氣采收率技術的變化如圖3所示，壓裂、水平井的增速較快，傳統(tǒng)化學驅處于一個平衡的位置，由此，也體現(xiàn)出資源多樣性的技術多樣化發(fā)展。

圖2 中國研究油氣儲層對象分類對比圖 圖3 中國研究提高油氣采收率分類對比圖

2 發(fā)展階段

圖4 油氣提高采收率技術專利走勢圖

把專利數(shù)按年統(tǒng)計，得到其走勢圖如圖4所示。

由圖4可見，發(fā)展歷程分為兩個階段：第1階段位于1962～1996年之間，其主要研究對象為常規(guī)儲層，包括常規(guī)儲層開采中前期的水驅和氣驅、稠油熱采及復雜斷塊儲層的滾動開發(fā)等；第2個階段位于1996年～現(xiàn)在，以難開采低品位儲層為主要對象，包括常規(guī)儲層中后期高含水油藏的化學驅、稠油熱采中的水平井和火燒油層、低滲超低滲儲層水平井和注氣、致密儲層和頁巖儲層的水平井體積壓裂等，多項技術的協(xié)同作業(yè)、系統(tǒng)一體化施工成為油氣提高采收率技術的特點，比如：氣驅和化學驅結合的泡沫復合驅、納米顆粒和化學驅結合的微乳液驅、水平井和熱采結合的SAGD(蒸汽輔助重力泄油)、水平井和體積壓裂結合的壓采一體化等。

3 專項技術分析

結合我國油氣發(fā)展形勢，選擇聚合物驅、氣驅、水平井、地層熱處理、完井工程等5個專項技術進行分析，聚合物驅是我國高含水油藏提高采收率的制高點技術，引領世界潮流；氣驅是針對低滲和致密儲層CO2驅的，具有巨大發(fā)展?jié)摿?；水平井應用是非常?guī)儲層及常規(guī)儲層中后期高效開發(fā)的重要手段，尤其是結合大型壓裂的油氣技術大變革；地層熱處理及完井工程在我國相對重視不夠，隨著儲層品質越來越差，儲層到井的近井及孔眼的瓶頸地帶的改善與優(yōu)化顯得更加重要。

3.1 聚合物驅

如圖5，聚合物驅專利的起點是1972年三井化學公司的“一種高分子量丙烯酰胺型的聚合物制造方法”(JP03568270B2)，隨后聚合物驅逐漸發(fā)展起來。1980年到2002年之間，每年會有2～4個新增專利，之后從2007年又較快發(fā)展起來。從整體趨勢來看，專利發(fā)展大約20年為一個周期，目前正處在從2007年開始的周期頂部平穩(wěn)期，發(fā)展熱度不高。

如圖6，對聚合物驅技術最有影響的專利是1995年陶氏化學公司的“一種改性致密星形聚合物”(US4857599A )，其次是1988年哈里伯頓公司的“聚合物驅提高原油采收率的方法和體系”(US4439334A)和2008年菲利普斯公司的“用于改善地層滲透率的部分交聯(lián)聚合物”(US3981363A)。

圖5 聚合物驅專利走勢圖 圖6 聚合物驅專利施引量走勢圖

3.2 氣驅

如圖7，氣驅專利的起點是1971年殼牌公司的“天然氣回注地層驅油的提高采收率方法”(GB2484238B)；隨后該項技術不斷發(fā)展，1971～1991年為第1個迅速發(fā)展周期，其中1987年達到高峰；2000年開始第2個快速發(fā)展時期，在2012年達到高峰；從整體趨勢來看，氣驅技術是近幾年提高采收率方向的熱點技術，CO2驅油技術尤其突出，發(fā)展迅速，目前處在以20年為1周期的第2發(fā)展階段的末期或者第3發(fā)展階段的初期，并且第3階段處于向上趨勢。

如圖8，施引量最多的氣驅技術專利是大陸石油公司在2014年申請的“煤質隔夾層原位氣化后天然氣驅油提高采收率方法”(US3809159A)，在近期研究中具有較強突破性。此外，殼牌公司在2002年申請的“利用氣驅進行煤的升級與開采”和德士古在1986年的“CO2采油中的氣體提純及二次注入方法”也是非常具有指導性的技術。

圖7 氣驅專利走勢圖 圖8 氣驅專利施引量走勢圖

3.3 水平井提高采收率

如圖9，水平井提高采收率技術專利始于1975年韃靼石油股份有限公司的“鉆水平井的油田開發(fā)方法”(RU2528310C1)，1985～2003年專利較少，沒有突破，之后開始迅猛增長。該技術開始階段發(fā)展比較緩慢，周期性不太明顯。初期的高成本使得發(fā)展停滯。隨著成本大幅度降低，稠油、致密氣、致密油以及頁巖氣熱度高，水平井提高采收率技術迅猛發(fā)展。近年來不斷出現(xiàn)新專利，成為當前的熱點技術之一。隨著非常規(guī)油氣藏和稠油油藏的不斷開采，水平井提高采收率技術將繼續(xù)發(fā)展。按20年周期來看，目前處于第2周期的中后期，結合油氣發(fā)展形勢，第2周期和第3周期都將是旺盛期。

由圖10，水平井提高采收率專利施引量最大、亦即最具影響力的是2008年德士古公司申請的“一種水平井提高稠油采收率的方法”(US5826655A)；此外阿爾伯塔油砂公司2010年的“稠油的蒸汽輔助重力泄油工藝”(US6257334B1)、YU等人2012年的“創(chuàng)造高滲透性網(wǎng)的提高采收率的方法”(US6012520A)、KSN能源公司2004年的“現(xiàn)場射頻輔助重力泄油的方法及設備”(US7441597B2)也非常具有指導性。由此可見水平井在稠油提高采收率方面應用較廣泛且已經(jīng)成熟，對非常規(guī)油氣藏的開發(fā)具有指導性的意義。

圖9 水平井專利走勢圖 圖10 水平井專利施引量走勢圖

3.4 地層熱處理

如圖11，地層熱處理專利的起點是1970年LARICINA 能源公司的“利用地層熱能量輔助驅油的方法”(CA2645703E)，10年后有類似技術出現(xiàn)，如此經(jīng)歷了平淡的1980～2000年第1個發(fā)展周期；2000年開始第2個快速發(fā)展時期，在2012年達到高峰；從整體趨勢來看，對地層熱處理技術的研究不多，基本都集中在稠油開采，對日益需求加熱處理的致密油氣、頁巖油氣、可燃冰及地熱等非常規(guī)資源是很好的借鑒。

如圖12，對地層熱處理技術最有影響力的是2002年Carbotek公司申請的“深井井下加熱提高原油采收率方法及裝置”(US4694907A)，相比其他專利技術而言，影響力非常大，是該方向最具突破性的一項技術；此外殼牌公司1980年的“地下地層平行加熱系統(tǒng)”(US8042610B2)和派克馬文1984年的“井內(nèi)換熱法提高流動性差的地下流體回收率方法”(US4896725A)也是非常具有指導性的技術。

圖11 地層熱處理專利走勢圖 圖12 地層熱處理專利施引量走勢圖

3.5 完井工程提高采收率

如圖13，完井工程提高采收率始于1980年哈里伯頓公司的“鉆完井過程中井壁穩(wěn)定性的實時監(jiān)測技術”(AU2001275239A8)，1980～2000年是第1個發(fā)展周期，在1991年達到第1個高峰；2000開始第2個周期快速發(fā)展時期，在2014年達到高峰；完井工程提高采收率專利數(shù)較少，但隨著多學科協(xié)同的需求及多工程一體化的優(yōu)勢體現(xiàn)，完井工程提高采收率越來越被重視，預計第3個周期將更強發(fā)展。

如圖14，完井工程提高采收率最具影響力的專利是1994年哈里伯頓公司的“溶解有機濾餅的方法”(US4809783A)，它是該方向最具突破性的一項技術，此外2010年沃爾默等申請的“用于鉆完井和壓裂的油井處理液”(US6509301B1)和2007年哈里伯頓公司的“含有季胺的黏土穩(wěn)定劑提高采收率方法”影響力也很大，較早的有斯倫貝謝公司1986年申請的“近井酸化或壓裂時分別注入聚合物和表面活性劑段塞的提高采收率方法”(US6828280B2)也具有代表性。

圖13 完井工程專利走勢圖 圖14 完井工程專利施引量走勢圖

4 競爭格局

由圖1，中國公司核心領域在化學驅和微生物驅，水處理及地層熱處理也相對較多；殼牌公司主要集中在氣驅，尤其是CO2驅，部分涉及復合驅；哈里伯頓、貝克休斯、斯倫貝謝主要技術服務公司更多關注完井工程和壓裂；埃克森公司在蒸汽驅和化學驅方面較為集中；油藏動態(tài)分析與監(jiān)測、人工舉升方面各公司都有關注。

五項技術的專利權人的統(tǒng)計情況如表2所示。

表2 提高油氣采收率分技術主要專利權人比例

從表2五項技術的專利權人分布看，基本與大形勢相符，較為不同的是中國石油在水平井、中海油在地層熱處理兩個方面具有較多的關注，水平井提高采收率方面德士古更積極。

5 技術發(fā)展趨勢

圖15 趨勢發(fā)展預測圖

對提高油氣采收率技術專利年變化做趨勢線，預測到2032年，按照30年大周期變化趨勢預測，1996～2026年為第2周期，頂峰位于2014～2020年，之后會處于緩慢下降趨勢，結合油氣剩余可采儲層的特征，下降幅度會較小，之后會繼續(xù)上升，并以強勢進入第3周期。在單項方面，提高采收率技術分支越來越多，以補充地層能量、提高洗油效率、擴大波及系數(shù)等為主的傳統(tǒng)方法，擴展到增大滲流面積、疏通滲流通道、保障有效生產(chǎn)壓差等新方法，例如水平井、體積壓裂、人工舉升等，技術的發(fā)展方向上體現(xiàn)了新設備和新材料的制造與應用、信息數(shù)字和人工智能的結合、革命性質的創(chuàng)新突破的思考等。結合專利技術發(fā)展特征及我國油氣開發(fā)面臨形勢[16～19]，總結5項分支技術的發(fā)展趨勢。①聚合物驅：高效新型或改性聚合物的研制，智能型聚合物的研究，聚合物驅后進一步提高采收率技術，聚合物驅與其他諸如氣驅、熱驅、納米采油等相結合，聚合物驅在多種油氣儲層(如斷塊、低滲、頁巖和致密)中的應用；②氣驅：CO2驅在非常規(guī)儲層提高采收率中的應用，CO2驅中的氣體提純及二次利用，其他氣體驅(空氣、氮氣等)的應用；③水平井：與地層接觸更全面，如階梯式水平井、多分支水平井、小井眼水平井、體積壓裂水平井，選擇性多段區(qū)別完井、生產(chǎn)、堵水等，水平井與直井等的復雜布井；④地層熱處理：熱化學反應加熱地層，電、電脈沖、電磁波、聲波等物理加熱地層，其他地層的熱能量利用，井下熱反應器的研制；⑤完井工程：結構復雜的水平井完井，近井的高效酸洗或者小型壓裂，智能完井等。

6 結論

1)隨著可采資源的多樣性、突破式發(fā)展，油氣提高采收率技術新增分支逐漸增多，學科界限弱化，交叉或者滲透研發(fā)成為趨勢，一體化更具優(yōu)勢。

2)目前，油氣提高采收率處在第二大周期的中后期，繼之而來的后期窄幅下降，及第三周期較強的上升趨勢，體現(xiàn)了油氣提高采收率的越來越重要戰(zhàn)略地位。

3)油氣提高采收率技術向著智能、信息、大數(shù)據(jù)、環(huán)保等方向發(fā)展，化學方法驅油會減弱，以擴大滲流通道、降低滲流阻力為主的物理法驅油大大增強，相應的設備、工具、工藝及地下施工監(jiān)測預測等將更加突出。

本文是中國石油大學(北京)研究生教改項目“《油氣藏經(jīng)營管理》實踐教學方案設計”產(chǎn)出論文。