-三次采油基础课件

§6—3三次采油基础一、概述1．三次采油的概念(1)一次采油所谓一次采油，是指依靠油藏天然能量(原始能量)进行的采油。上世纪40年代以前，几乎所有的油气藏都是依靠天然能量进行采油，只是在天然能量基本耗尽以后，才考虑利用人工补充能量等方法进行进一步的采油。但一次采油的采收率一般较低，而且开采时间长，采油速度低，这使得它的应用受到很大限制。§6—3三次采油基础一、概述1一、概述(2)二次采油所谓二次采油，是指依靠常规补充能量的方法进行的采油。所谓常规补充能量，一般都是指注水补充能量，也包括注气(注油田伴生气等，但不包括注CO2气、注氮气)补充能量。注水采油自上世纪40年代起很快成为主流的油田开发方式，因为注水采油具有突出的优点：如水的运动粘度较高因而驱替效果好、多数油层岩石亲水其驱油效率较高、水源易于获得且成本低廉、注水也易于操作控制等。一、概述(2)二次采油2概述(3)三次采油所谓三次采油，是指经过一次采油和二次采油以后所进行的采油。它是油田在二次采油基本结束时为尽可能提高石油采收率所进行的采油。因此，三次采油又称为提高油气采收率工作。概述(3)三次采油3概述三次采油的概念兴起于上世纪70年代初出现的全球能源危机之后，由于在实际油藏(油田)的开采中，一次采油、二次采油与三次采油一般都呈连续过渡，很少在前一种采油完全终结之后才进行后一种采油的情况，而且多数三次采油都是在二次采油的基础上仍然采用以注水为主适当加入化学剂的方法，因此，近年来有逐渐淡化三次采油的提法而更多采用提高采收率这一概念的倾向。概述三次采油的概念兴起于上世纪70年代初出现的全球能源危机4概述2．三次采油面临的问题与对策三次采油一般是在注水采油基本结束的基础上进行的。在注水采油基本结束时，油田的剩余油主要存在两种基本的类型：一种是基本未动用的剩余油，它主要包括油藏平面和剖面控制不住的剩余油，这类剩余油在原注采井网条件下一般水洗不到，只有通过层系或井网的调整，才能有效地予以驱替采出；显然这类剩余油一般不在三次采油的范围。因此，三次采油所针对的目标，只能是第二种剩余油类型，即水洗程度不高、动用较差的剩余油。概述2．三次采油面临的问题与对策5概述油层水洗程度不高的原因，主要有以下三点：①油水粘度比较高，注水形成指进导致波及系数低，留下较多剩余油；②水洗油能力有限，效率不高，在岩石颗粒表面留下较多的膜状剩余油；③原油粘度太高，原油流动性差，常规开采采收率不高。上述三个方面的原因，就是三次采油所面临的问题。针对上述问题，自20世纪70年代发展起来的三次采油技术主要采取以下一些对策：概述油层水洗程度不高的原因，主要有以下三点：6概述①针对油水粘度比高、注入水波及系数低的问题，提出了增粘水驱(增大注入水粘度；如聚合物驱、泡沫溶液驱等)、混相驱(注入剂与原油混相，其驱油效率接近100％)等解决方法。②针对注入水洗油能力有限的问题，提出了活性水驱(水中加入活性剂，提高洗油能力)、碱性水驱、胶束溶液驱等解决方法。③针对原油粘度太高、常规开采采收率低的问题，提出了热力采油的方法。以上提高油气采收率的对策，就构成了三次采油的主要方法。这些方法从机理上又可以归并为化学驱、混相驱和热力采油三种基本类型。简略介绍如下。概述①针对油水粘度比高、注入水波及系数低的问题，提出了增粘7二、化学驱化学驱是一大类提高采收率方法的总称。它是在注入水中添加各种化学物质，以改善注入水的某些性质和洗油能力，达到提高驱油效率的目的。由于化学驱添加了各种化学剂从而改变了注入水的某些性质，因此也常称为改型水驱。国内外投入应用和大力发展的化学驱方法主要有：聚合物驱、活性水驱、碱性水驱、复合驱和胶束溶液驱等类型。它们的应用机理、针对的问题和实施的方法如下。二、化学驱化学驱是一大类提高采收率方法的总称。它是在注入水中8化学驱1．聚合物驱聚合物是一大类高分子物质的总称。已研究出多种用于提高原油采收率的聚合物，包括黄原胶(生物聚合物)、水解聚丙烯酰胺、丙烯酸与丙烯酰胺的共聚物、羟乙基纤维素、硬葡萄糖等。目前现场上获得实际应用的只有前三种，具有商业吸引力的只有聚丙烯酰胺与多糖生物聚合物。聚合物驱油以其成本低廉、能够大幅度提高采油速度与开采效益、注入工艺简单等多项优势而得到重视和应用。化学驱1．聚合物驱9化学驱聚合物驱始于上世纪50年代末，美国于1964年进行了第一次聚合物驱矿场试验。我国自大庆油田1972年开展小井距的聚合物驱试验以来，已先后有大庆、大港、河南、吉林、胜利等油田进行工业性试验和应用，大庆油田的聚合物驱已成为世界上最大的聚合物驱项目。化学驱聚合物驱始于上世纪50年代末，美国于1964年进行了10化学驱(1)驱油机理聚合物驱的主要机理是通过提高注入水的粘度，改善油水之间的流度比，减少水驱过程中的指进、舌进等不利影响。同时，聚合物水溶液还可以降低水的相渗透率，而对油的相渗透率保持不变，这有利于降低含水，提高注入液的驱油效果。聚合物溶液通过地层后，聚合物分子在岩石表面上适度吸附，对后继的注入水形成一种残余阻力，又可促使注入水改变流动路线。所有这些都将有利于降低含水，扩大注入液的波及体积，提高采收率。有的研究者提出，聚合物还可以提高驱油效率，这是对聚合物溶液驱油机理的新认识，目前正在做进一步的研究。化学驱(1)驱油机理11化学驱(2)现场试验情况大庆、大港、河南等油田先后进行过注聚合物的先导试验，试验结果显示，绝大多数先导试验取得了好的效果：大体上注200--500PV．mg／L的聚合物溶液，可获得每吨聚合物增产原油130--400t的效益，并提高采收率5％-19％。在大庆、大港、胜利油田的8个区块还开展了工业性扩大试验。这些试验的井距一般都大于200m，试验区面积最大为4.5km2，注采井达100口以上。所有试验都见到了好效果。化学驱(2)现场试验情况12化学驱2．活性水驱活性水是在水中加入表面活性剂配制而成，表面活性剂具有降低油水界面张力的能力，同时，活性水能够改善孔隙、喉道的润湿能力，具有较好的洗油能力，因此可应用活性水作为驱油的工作剂。化学驱2．活性水驱13化学驱配制活性水，表面活性剂浓度和用量是很关键的，通常采用两种配方：一种是大用量、低浓度的活性剂体系；另一种则是低用量、高浓度的活性剂体系。根据实验结果，在活性剂的总用量相同时，使用高浓度、低用量体系，要比低浓度、高用量体系驱油效果更好，然而，由于活性剂在岩石表面的吸附，导致活性剂因吸附而损失，这种吸附损失不仅影响驱油效果，而且在经济上亦不利，据报道，非离子表面活性剂其吸附损失很低，但这种活性剂尚未进行工业试验，有待于进一步研究。化学驱配制活性水，表面活性剂浓度和用量是很关键的，通常采用两14化学驱3．碱性水驱碱性水是在水中加入强碱(氢氧化钠或氢氧化钾)配制而成的。氢氧化钠与原油中的有机酸(例如环烷酸、沥青酸)作用，便可以就地生成表面活性剂。由此可见，碱性水驱实质上是一种在油层内合成活性剂的驱油方法。关于注碱性水的驱油机理，目前主要有以下几点认识：①使油层的润湿性由亲油转化为亲水；②乳化和捕集(俘留作用)；③俘化和携带作用；④粘滞力与毛细管压力的比值作用；⑤增溶油水界面处形成的刚性薄膜。化学驱3．碱性水驱15化学驱4．复合驱复合驱就是利用廉价的碱与原油中的活性物质反应，形成天然表面活性剂，并使之与加入的少量表面活性剂、聚合物之间产生协同效应，既可以提高驱油效率，又可扩大波及体积。因此，它能比聚合物驱更大幅度地提高采收率，又比活性驱降低成本，是具有工业化应用前景的高效驱油技术。我国从20世纪90年代开始进行室内研究和矿场先导试验，在复合驱油机理、复合驱油体系、复合驱油数值模拟，以及复合驱油注采技术等方面，均取得重大进展。化学驱4．复合驱16化学驱(1)复合驱油机理①形成超低油水界面张力；②多种化学剂间存在协同效应。在碱---聚合物体系与原油体系中，碱浓度的增加可使界面张力平衡值下降1---22倍。聚合物与表面活性剂的相互作用，对乳状液的形成和稳定有影响。碱与原油作用生成的表面活性剂和外加注入的表面活性剂的相互作用，对油水界面性质和乳化性质有明显影响。再加上聚合物可起到流度控制，改善不利的流度比，使得碱---表面活性剂---聚合物复合驱比单独碱驱、表面活性剂驱和聚合物驱都有明显的优越性。室内微观驱油实验也证明，在相同驱油条件下复合驱油效果高于单一驱油剂驱油效果，单一驱油剂仅比水驱提高采收率7.33％---20.9％，而复合驱可提高25.8％。化学驱(1)复合驱油机理17化学驱③转变润湿性并破坏油膜。驱替液中的表面活性剂和聚合物将与岩石表面作用，使岩石表面润湿性由亲油变为亲水，使油膜变得不稳定，甚至破坏油膜，从而启动残余油流动、产出。化学驱③转变润湿性并破坏油膜。18化学驱(2)复合驱矿场试验上世纪90年代以来，我国在大庆、胜利、新疆、辽河等油田开辟了7个复合驱矿场试验区，均取得较大幅度提高采收率的好效果。胜利孤东油田1982年8月开始三元复合驱矿场试验。该试验区为五点法面积井网，50m注采小井距，由4口注入井，1口采出井，8口外围平衡采油井，2口观察井组成。试验目的层是一高渗透、中高粘度、河流相沉积的疏松砂岩亲水油藏。该试验区原为水驱开发试验区，复合驱前中心井含水已达98.4％，水驱采收率54.4％，累积已注水5.1倍孔隙体积，此时油藏剩余油饱和度仅为34.2％。室内研究确定了驱油体系的配方，并分4个段塞注入。试验过程中，中心井日产油由试验前的0.3t，最高上升到14.3t，相应含水由98.4％下降到85％。在试验区已水驱枯竭的条件下，又提高采收率13.4％。化学驱(2)复合驱矿场试验19化学驱大庆油田中区西部复合驱油试验区于1994年开始试验，由4个反五点面积井网组成，油水井15口，其中注入井4口，油井9口，观察井2口，注采井距106m。复合驱前综合含水87.9％，水驱采出程度13.08％，经室内研究确定，三元复合体系分两个段塞注入，试验过程中，中心井含水由试验前87.9％最低降到48％，日产油由3t上升到21t，全部油井见到增油降水的效果，采收率比水驱提高20.2％，驱油效果比聚合物更好。化学驱大庆油田中区西部复合驱油试验区于1994年开始试验，20化学驱此外，辽河兴隆台油田兴28断块的二元复合驱试验区、新疆克拉玛依砾岩油田的三元复合驱试验区，以及大庆正在萨尔图、杏树岗地区开展的三元复合驱扩大试验区，均取得大幅度增油降水和提高采收率的好效果，现正逐步开展工业性矿场试验，进一步完善相应配套技术。化学驱此外，辽河兴隆台油田兴28断块的二元复合驱试验区、新疆21三、混相驱1．概述混相驱油法是利用注入剂与原油互溶混相，从而提高驱油效率的方法。混相是指两种液态物质均匀混溶，达到界面(相)消失的状态。研究认为，混相可以形成真正的活塞式驱动，从而大大提高驱替效率，混相驱的驱油效率很高，可以接近100％。混相驱就是基于这样的认识进行的。三、混相驱1．概述22混相驱形成混相需要一定的条件，主要有：①油藏温度要高。温度高则混相压力就可以较低，因此，深部油藏便于混相。②原油密度要低。原油密度低，其中的轻烃含量就多；就可以在较低的压力下混相。③注入剂在石油中的易溶性。易溶于原油的物质，如液化石油气、二氧化碳等，易于与石油混相；与原油性质差别较大的物质，如甲烷、氮气等，则需要较高的压力才能形成混相。混相驱形成混相需要一定的条件，主要有：23混相驱根据注入溶剂的性质和形成混相的过程不同，一般将混相驱分为四种类型：注液化石油气或丙烷段塞、注富气、注干气和注二氧化碳或氮气等。从应用上看，选择二氧化碳驱油的较多，以下介绍我国进行二氧化碳驱油的现场试验情况。混相驱根据注入溶剂的性质和形成混相的过程不同，一般将混相驱24混相驱2．CO2驱油技术C02是一种容易以三种状态(固态、液态、气态)存在的物质，其临界温度为31℃，这在大多数油田都能满足。CO2在原油中的溶解能力很高，因而容易形成混相。这些就是选择C02做注入剂的主要原因。混相驱2．CO2驱油技术25混相驱注入C02有利于驱油的因素有以下方面：①使原油膨胀；②降低原油粘度和密度；③对岩石起酸化作用；④降低注入液和原油的界面张力；⑤压力下降时可以造成溶解气驱。混相驱注入C02有利于驱油的因素有以下方面：26混相驱室内试验都证明C02是一种有效的驱油剂，并提出了许多注入方案：包括连续注C02气体、注碳酸水法、注C02气体或液体段塞、注C02气体或液体段塞后接着注水、注C02气体或液体段塞与注水交替、同时注C02气体和水，等。混相驱室内试验都证明C02是一种有效的驱油剂，并提出了许多注27混相驱CO2驱有混相与非混相的分别：混相驱以降低界面张力为主提高驱油效率；非混相驱以降低原油粘度和使原油体积膨胀为主来达到提高采收率。由于混相需要较高的压力，受地层破裂压力的限制，一些油藏可以采取压力较低的非混相驱方式进行注C02提高采收率。此外还有单井C02吞吐的开采技术：将一定量的C02注入到井底，然后关井几周让CO2渗入到油层深处，再开井生产；其采油机理主要是原油体积膨胀、粘度降低。混相驱CO2驱有混相与非混相的分别：混相驱以降低界面张力为28四、热力采油热力采油是一类基本的采油方法，它通过对油层加热，促使原油粘度大幅度降低，从而使原本不流动或流动差的原油得以采出。因此，热力采油更多地是作为首次或二次采油的基本手段加以广泛的应用，世界上几乎全部的高粘稠油都是通过热力采油方法进行开采的。热力采油用做三次采油或提高采收率的方法加以应用倒是不多的，热力采油作为三次采油方法，主要用在一些原油粘度介于稀油和热采型稠油之间的低粘度的普通稠油提高采收率上：四、热力采油热力采油是一类基本的采油方法，它通过对油层加热，29热力采油这种稠油粘度在100--500mPa．s左右，一般可以进行常规开采(冷采)，但开发效果较差，常规采收率一般不高(多在15％--20％以下)，转用热采效果显著，但由于中途转入热采，其投资和费用与新开发相差无几，但新增的采油量有限，因而成本费用限制了这种方法的应用。因此，在实际油田的三次采油或提高采收率中，热力采油方法应用并不多。因此，我们在这里主要介绍应用热力采油开采稠油这一基本方法。作为三次采油的热力采油其原理和方法与首次进行的热力采油是基本一致的。热力采油这种稠油粘度在100--500mPa．s左右，一般可30热力采油1．热采机理 原油粘度对温度的变化一般都比较敏感，原油粘度随温度变化的曲线称粘温曲线。稀油由于粘度不高，其流动性也好，因而粘度不是开采中的主要矛盾因而无须研究其粘温特性。但稠油粘度很高，在地层中很难流动或根本不能流动，因而其粘度就成为开发中的最突出最主要的矛盾。图6-3-1是我国主要稠油油田的稠油粘温曲线。从图中可以看出，其温度每上升10℃，原油粘度就会下降一半左右(比如：在30℃时粘度在20000mpa·s左右的稠油，当温度升高到90℃时，其粘度已降到200mPa·s以下，这就可以通过抽油予以有效地采出)。热力采油就是利用稠油的这一粘温特性进行开采的。热力采油1．热采机理 31图6-3-1我国主要稠油油田的原油粘---温曲线图6-3-1我国主要稠油油田的原油粘---温曲线32热力采油当然，热力采油还有补充地层能量以形成驱动、裂解重组分以降低密度与粘度等有利于采油的因素，但主要的机理是热力降粘。热力采油当然，热力采油还有补充地层能量以形成驱动、裂解重组分33热力采油2、热采对象粘度在150mPa·s以上的原油。（150--10000mPa·s为普通稠油下限，10000--50000mPa·s为特稠油，50000mPa·s以上为超稠油）热力采油2、热采对象34热力采油3．热采方法(1)热力采油种类热力采油的主流方法是注蒸汽，世界上95％以上的稠油都是采用注蒸汽的方法进行开采的。也有火烧油层方法，该方法提出很早，国内外都进行过一些现场试验，但因效果差、问题多，至今还未进入工业应用阶段。国内外也都有注热水开采中质原油(大体相当于普通稠油的下限)和高凝油的试验和工业生产区，但一是规模都比较小，二是工艺接近常规注水、比较简单；一般都不列入热力采油范围。热力采油3．热采方法35热力采油(2)注蒸汽采油蒸汽以其良好的热载体、很高的汽化潜热、来源丰富、成本低而成为热力采油的基本介质。热采一般采用湿蒸汽(干度70％—80％左右)，这样可以达到较高的性能价格比。注蒸汽采油主要采用两种方式；蒸汽吞吐与蒸汽驱。热力采油(2)注蒸汽采油36热力采油①蒸汽吞吐。蒸汽吞吐国外又称蒸汽激励或循环注蒸汽。它是将一定数量的高温高压的蒸汽注入到油层中(一般注7—15天，日注100--200t水当量的湿蒸汽)，再关井2--5天进行热交换(现场称焖井)，然后开井采油(先自喷，到基本不出时进行抽油)。一般可以生产1至几个月，到产量很低时，就结束本周期(也称轮或轮次)采油，再次进行注汽、焖井和开井采油。如此循环(见图6-3-2)。热力采油①蒸汽吞吐。蒸汽吞吐国外又称蒸汽激励或循环注蒸汽。它37热力采油热力采油38热力采油蒸汽吞吐是稠油开采中最常用的方法，早已广泛用于工业生产。其优点是一次投资少、工艺简单、开采效果好，是稠油热采的主流方法。热力采油蒸汽吞吐是稠油开采中最常用的方法，早已广泛用于工业生39热力采油②蒸汽驱。蒸汽驱是稠油注蒸汽开采的另一方式，它类似于注水采油，即在注汽井中长期连续地注入蒸汽，将地层中的原油加热并驱替到周围的采油井予以采出。有一种比较流行的观点认为：蒸汽吞吐效果虽好，但它只能作为对稠油油层的预处理方式使用，稠油开采应在吞吐2--4个周期以后就转入蒸汽驱，应该以蒸汽驱为主开采稠油。基于这一思想；我国在上世纪80年代后期(最早为新疆于1987年7月)陆续进行蒸汽驱现场试验并先后将大片吞吐生产区转为蒸汽驱开采。但蒸汽驱的实际情况很不理想：油井见蒸汽驱反应倒是很快，一般1--2个月，最快者3天；油井见反应后液量有一定增加，但含水大幅度上升，产液温度迅速上升；基本表现为汽窜动态。此后油田就处于长时期高含水低产量的生产状态(图6-3-3)。蒸汽驱效果差的原因，其实很简单：热力采油②蒸汽驱。蒸汽驱是稠油注蒸汽开采的另一方式，它类似于40图6-3-3图6-3-341热力采油a．原油粘度太高而蒸汽粘度很低，原油与蒸汽的流度比太大，必然形成汽窜；b．井距小，稠油由于流动能力差，开采井距一般75--150m，稀油注水开发井距一般300-500m；c．稠油油层孔隙度和渗透率一般很高，渗透率多在几至几十，而且经过吞吐开采以后，油层渗透率还会成几倍地增加；d．蒸汽吞吐期间经常出现井间汽窜，这就在油层中建立起了蒸汽“通道”，转入蒸汽驱后，注入蒸汽一般都会走这条“通道”。热力采油a．原油粘度太高而蒸汽粘度很低，原油与蒸汽的流度比太42热力采油4．注蒸汽采油应用情况(1)适应的地质条件①油层深度：在1000m以内效果最好，深度一般不超过1500m，个别可达1800m。太深，热损失太大，技术工艺上也难于适应。②原油粘度：在500--10000mPa·s效果最好，目前可以开采10000-50000mPa．s的稠油；再高则难度太大，效果很差；粘度太低时(比如50—200mPa·s)热采的投入产出比(与常规开采比较)并不高、不经济。热力采油4．注蒸汽采油应用情况43热力采油③油层厚度：20--50m效果较好，lOm以下效果急剧变差，厚度太大则剖面动用程度下降。④剖面上油层比较集中较好，若分散则热损失增加。⑤无边、底水最好。热力采油③油层厚度：20--50m效果较好，lOm以下效果急44热力采油(2)国内油田应用情况我国稠油主要集中在辽河、胜利、新疆及河南、内蒙等油田。自上世纪70年代末开展稠油注蒸汽开采以来，稠油年产量已达千万吨规模。1997年全国稠油产量已经达到1310×104t，其中注蒸汽开采的稠油产量为1110×104t。在这些热采产量中，绝大多数是蒸汽吞吐开采的产量，蒸汽驱仅占少数。国内油田以辽河稠油产量最高，1995年已达676×104t。其次是胜利油田：1997年达220×104t。新疆1997年稠油产量达到200×104t。河南油田1995年稠油产量为18×104t。热力采油(2)国内油田应用情况45五、其它提高采收率方法1．物理方法采油利用物理方法提高采收率的方式较多，它们多是采用声波振动的方式将地层剩余油进行剥离采出。物理方法采油通常不包含热力采油，因为热力采油已自成系列并成为稠油开采的基本方法。物理方法采油用得较多的有两类：人工地震采油和超声波采油。五、其它提高采收率方法1．物理方法采油46其它提高采收率方法(1)人工地震采油上世纪80年代初，前苏联首次研制出大功率低频可控震源机，并用于人工地震采油试验。90年代以后，我国国家地震局工程力学所与吉林油田在三个区块进行了三个周期的现场试验。1992—1993年，辽宁地震勘测院三次派人去苏考察并在曙光采油厂及科尔沁油田进行了14个周期的地震采油试验。1994年还在大港油田的孔店、港东等区块上进行过试验。其它提高采收率方法(1)人工地震采油47其它提高采收率方法人工地震采油的机理有以下几点：①机械波对地层有很强的穿透能力；②共振可以提高地层的振动效应；③振动有利于降低原油粘度；④振动可使油水重新分布，有利于原油流动；⑤振动可以改变岩石表面的润湿性；⑥振动有利于清除油层堵塞，提高油层渗透性；⑦振动可降低原油驱动压力，提高采收率；⑧振动可降低残余油饱和度。其它提高采收率方法人工地震采油的机理有以下几点：48其它提高采收率方法(2)超声波采油，早在上世纪50年代，美国和前苏联就开始了声波采油技术的研究并应用到实际采油中，取得一定成功，同时也得到较快发展。20世纪60年代，美国和前苏联都进行了进一步的研究和试验，20世纪70年代前苏联率先发展了大功率超声波油井处理装置，并取得良好效果。其它提高采收率方法(2)超声波采油，49其它提高采收率方法我国在20世纪50、60年代也进行过超声波采油技术的研究，但因材料、技术等原因停顿了一段时间。1981年，华北油田率先进行了超声波破乳、降阻的冷输试验和超声波增产试验，取得良好效果。玉门、大庆、吉林、辽河、新疆等油田也陆续开展了超声波采油的现场试验。全国已召开过三次物理方法采油的工作会议，包括对超声波采油技术进行总结。其它提高采收率方法我国在20世纪50、60年代也进行过超声波50其它提高采收率方法超声波具有频率高、不易发生衍射、加速度高、能量大、穿透力强等特点，超声波采油正是利用这些特点的一项物理采油技术。超声波采油技术主要应用在防垢、驱油、防蜡、降粘、破乳、脱水、处理油层等方面，可以使油层增产、水井增注、提高原油采收率。超声波采油对流体和地层的作用机理如下：其它提高采收率方法超声波具有频率高、不易发生衍射、加速度高51其它提高采收率方法①机械振动作用：可使堵塞物松动、达到解堵；可使喉道孔径变化有利于剩余油流出；可使岩层产生微裂缝，利于增产和增注；可使大分子断裂，降低原油粘度。②空化作用(正弦声波使流体形成充气和空泡的现象)：使流体中的空泡迅速形成和崩溃并产生激波，形成局部高温高压，利于降粘和洗油。③热作用：超声波的加热作用明显，这有利于降粘和解堵除垢。其它提高采收率方法①机械振动作用：可使堵塞物松动、达到解堵；52其它提高采收率方法2．微生物采油微生物采油是指通过引入或刺激油藏中的微生物来提高原油采收率的方法或技术，因此也称为微生物强化采油。用于提高采收率的微生物主要是原核微生物中的细菌，因此微生物采油又称细菌采油。它将筛选出的适宜于油层条件下生长繁殖的目标菌株和培养基注入油层，通过微生物就地繁殖代谢；产生酸、气体、溶剂、生物表面活性剂等，改变原油和岩石颗粒表面的物理化学性质，来达到增产和提高采收率的目的。微生物还可以降解稠油和轻质化原油、可以脱硫、可以去除重金属，还可以采出常规不流动的残余油。这些都是它受到广泛重视和应用的原因。其它提高采收率方法2．微生物采油53其它提高采收率方法微生物采油主要有单井吞吐、微生物驱油、微生物调剖(细菌进入大孔道繁殖、堵塞，降低渗透率剖面差异)和微生物清蜡等方面。我国应用微生物采油已经不少，下面介绍微生物单井吞吐和微生物驱油的两个现场试验情况。其它提高采收率方法微生物采油主要有单井吞吐、微生物驱油、微54其它提高采收率方法(1)微生物单井吞吐吉林油区与中国科学院微生物所合作筛选的48号菌株在155口井上进行过实验，有效率78％，增油3829t，平均单井增油178t，投入产出1：4.33。胜利油区筛选的80余株菌种，有的可以适应120℃高温，在40口井上进行过试验，有效率70％，增油7500t，投入产出比1：6。这方面的技术还在油田进一步试验，为油井解堵增产提供了一项有用的技术。其它提高采收率方法(1)微生物单井吞吐55其它提高采收率方法(2)微生物驱油我国进行了微生物驱油的微观驱油机理研究，在微观仿真模型上观察到原油的界面滑动聚集、界面流动、乳化启动、乳化携带和聚并运移等现象，筛选评价了菌种，大庆油区分离出38株以原油为碳源的兼性厌氧菌，物理模拟实验可以提高采收率10％--12％。大港油区选出的五十余株菌种，物理模拟实验可提高采收率；5％--9％，正在进行现场试验。胜利油区在纯梁采油厂沙一段进行了3口井的驱油试验，共注入三种菌65t，累计增油1020t，试验仍在继续进行。其它提高采收率方法(2)微生物驱油56§6—3三次采油基础一、概述1．三次采油的概念(1)一次采油所谓一次采油，是指依靠油藏天然能量(原始能量)进行的采油。上世纪40年代以前，几乎所有的油气藏都是依靠天然能量进行采油，只是在天然能量基本耗尽以后，才考虑利用人工补充能量等方法进行进一步的采油。但一次采油的采收率一般较低，而且开采时间长，采油速度低，这使得它的应用受到很大限制。§6—3三次采油基础一、概述57一、概述(2)二次采油所谓二次采油，是指依靠常规补充能量的方法进行的采油。所谓常规补充能量，一般都是指注水补充能量，也包括注气(注油田伴生气等，但不包括注CO2气、注氮气)补充能量。注水采油自上世纪40年代起很快成为主流的油田开发方式，因为注水采油具有突出的优点：如水的运动粘度较高因而驱替效果好、多数油层岩石亲水其驱油效率较高、水源易于获得且成本低廉、注水也易于操作控制等。一、概述(2)二次采油58概述(3)三次采油所谓三次采油，是指经过一次采油和二次采油以后所进行的采油。它是油田在二次采油基本结束时为尽可能提高石油采收率所进行的采油。因此，三次采油又称为提高油气采收率工作。概述(3)三次采油59概述三次采油的概念兴起于上世纪70年代初出现的全球能源危机之后，由于在实际油藏(油田)的开采中，一次采油、二次采油与三次采油一般都呈连续过渡，很少在前一种采油完全终结之后才进行后一种采油的情况，而且多数三次采油都是在二次采油的基础上仍然采用以注水为主适当加入化学剂的方法，因此，近年来有逐渐淡化三次采油的提法而更多采用提高采收率这一概念的倾向。概述三次采油的概念兴起于上世纪70年代初出现的全球能源危机60概述2．三次采油面临的问题与对策三次采油一般是在注水采油基本结束的基础上进行的。在注水采油基本结束时，油田的剩余油主要存在两种基本的类型：一种是基本未动用的剩余油，它主要包括油藏平面和剖面控制不住的剩余油，这类剩余油在原注采井网条件下一般水洗不到，只有通过层系或井网的调整，才能有效地予以驱替采出；显然这类剩余油一般不在三次采油的范围。因此，三次采油所针对的目标，只能是第二种剩余油类型，即水洗程度不高、动用较差的剩余油。概述2．三次采油面临的问题与对策61概述油层水洗程度不高的原因，主要有以下三点：①油水粘度比较高，注水形成指进导致波及系数低，留下较多剩余油；②水洗油能力有限，效率不高，在岩石颗粒表面留下较多的膜状剩余油；③原油粘度太高，原油流动性差，常规开采采收率不高。上述三个方面的原因，就是三次采油所面临的问题。针对上述问题，自20世纪70年代发展起来的三次采油技术主要采取以下一些对策：概述油层水洗程度不高的原因，主要有以下三点：62概述①针对油水粘度比高、注入水波及系数低的问题，提出了增粘水驱(增大注入水粘度；如聚合物驱、泡沫溶液驱等)、混相驱(注入剂与原油混相，其驱油效率接近100％)等解决方法。②针对注入水洗油能力有限的问题，提出了活性水驱(水中加入活性剂，提高洗油能力)、碱性水驱、胶束溶液驱等解决方法。③针对原油粘度太高、常规开采采收率低的问题，提出了热力采油的方法。以上提高油气采收率的对策，就构成了三次采油的主要方法。这些方法从机理上又可以归并为化学驱、混相驱和热力采油三种基本类型。简略介绍如下。概述①针对油水粘度比高、注入水波及系数低的问题，提出了增粘63二、化学驱化学驱是一大类提高采收率方法的总称。它是在注入水中添加各种化学物质，以改善注入水的某些性质和洗油能力，达到提高驱油效率的目的。由于化学驱添加了各种化学剂从而改变了注入水的某些性质，因此也常称为改型水驱。国内外投入应用和大力发展的化学驱方法主要有：聚合物驱、活性水驱、碱性水驱、复合驱和胶束溶液驱等类型。它们的应用机理、针对的问题和实施的方法如下。二、化学驱化学驱是一大类提高采收率方法的总称。它是在注入水中64化学驱1．聚合物驱聚合物是一大类高分子物质的总称。已研究出多种用于提高原油采收率的聚合物，包括黄原胶(生物聚合物)、水解聚丙烯酰胺、丙烯酸与丙烯酰胺的共聚物、羟乙基纤维素、硬葡萄糖等。目前现场上获得实际应用的只有前三种，具有商业吸引力的只有聚丙烯酰胺与多糖生物聚合物。聚合物驱油以其成本低廉、能够大幅度提高采油速度与开采效益、注入工艺简单等多项优势而得到重视和应用。化学驱1．聚合物驱65化学驱聚合物驱始于上世纪50年代末，美国于1964年进行了第一次聚合物驱矿场试验。我国自大庆油田1972年开展小井距的聚合物驱试验以来，已先后有大庆、大港、河南、吉林、胜利等油田进行工业性试验和应用，大庆油田的聚合物驱已成为世界上最大的聚合物驱项目。化学驱聚合物驱始于上世纪50年代末，美国于1964年进行了66化学驱(1)驱油机理聚合物驱的主要机理是通过提高注入水的粘度，改善油水之间的流度比，减少水驱过程中的指进、舌进等不利影响。同时，聚合物水溶液还可以降低水的相渗透率，而对油的相渗透率保持不变，这有利于降低含水，提高注入液的驱油效果。聚合物溶液通过地层后，聚合物分子在岩石表面上适度吸附，对后继的注入水形成一种残余阻力，又可促使注入水改变流动路线。所有这些都将有利于降低含水，扩大注入液的波及体积，提高采收率。有的研究者提出，聚合物还可以提高驱油效率，这是对聚合物溶液驱油机理的新认识，目前正在做进一步的研究。化学驱(1)驱油机理67化学驱(2)现场试验情况大庆、大港、河南等油田先后进行过注聚合物的先导试验，试验结果显示，绝大多数先导试验取得了好的效果：大体上注200--500PV．mg／L的聚合物溶液，可获得每吨聚合物增产原油130--400t的效益，并提高采收率5％-19％。在大庆、大港、胜利油田的8个区块还开展了工业性扩大试验。这些试验的井距一般都大于200m，试验区面积最大为4.5km2，注采井达100口以上。所有试验都见到了好效果。化学驱(2)现场试验情况68化学驱2．活性水驱活性水是在水中加入表面活性剂配制而成，表面活性剂具有降低油水界面张力的能力，同时，活性水能够改善孔隙、喉道的润湿能力，具有较好的洗油能力，因此可应用活性水作为驱油的工作剂。化学驱2．活性水驱69化学驱配制活性水，表面活性剂浓度和用量是很关键的，通常采用两种配方：一种是大用量、低浓度的活性剂体系；另一种则是低用量、高浓度的活性剂体系。根据实验结果，在活性剂的总用量相同时，使用高浓度、低用量体系，要比低浓度、高用量体系驱油效果更好，然而，由于活性剂在岩石表面的吸附，导致活性剂因吸附而损失，这种吸附损失不仅影响驱油效果，而且在经济上亦不利，据报道，非离子表面活性剂其吸附损失很低，但这种活性剂尚未进行工业试验，有待于进一步研究。化学驱配制活性水，表面活性剂浓度和用量是很关键的，通常采用两70化学驱3．碱性水驱碱性水是在水中加入强碱(氢氧化钠或氢氧化钾)配制而成的。氢氧化钠与原油中的有机酸(例如环烷酸、沥青酸)作用，便可以就地生成表面活性剂。由此可见，碱性水驱实质上是一种在油层内合成活性剂的驱油方法。关于注碱性水的驱油机理，目前主要有以下几点认识：①使油层的润湿性由亲油转化为亲水；②乳化和捕集(俘留作用)；③俘化和携带作用；④粘滞力与毛细管压力的比值作用；⑤增溶油水界面处形成的刚性薄膜。化学驱3．碱性水驱71化学驱4．复合驱复合驱就是利用廉价的碱与原油中的活性物质反应，形成天然表面活性剂，并使之与加入的少量表面活性剂、聚合物之间产生协同效应，既可以提高驱油效率，又可扩大波及体积。因此，它能比聚合物驱更大幅度地提高采收率，又比活性驱降低成本，是具有工业化应用前景的高效驱油技术。我国从20世纪90年代开始进行室内研究和矿场先导试验，在复合驱油机理、复合驱油体系、复合驱油数值模拟，以及复合驱油注采技术等方面，均取得重大进展。化学驱4．复合驱72化学驱(1)复合驱油机理①形成超低油水界面张力；②多种化学剂间存在协同效应。在碱---聚合物体系与原油体系中，碱浓度的增加可使界面张力平衡值下降1---22倍。聚合物与表面活性剂的相互作用，对乳状液的形成和稳定有影响。碱与原油作用生成的表面活性剂和外加注入的表面活性剂的相互作用，对油水界面性质和乳化性质有明显影响。再加上聚合物可起到流度控制，改善不利的流度比，使得碱---表面活性剂---聚合物复合驱比单独碱驱、表面活性剂驱和聚合物驱都有明显的优越性。室内微观驱油实验也证明，在相同驱油条件下复合驱油效果高于单一驱油剂驱油效果，单一驱油剂仅比水驱提高采收率7.33％---20.9％，而复合驱可提高25.8％。化学驱(1)复合驱油机理73化学驱③转变润湿性并破坏油膜。驱替液中的表面活性剂和聚合物将与岩石表面作用，使岩石表面润湿性由亲油变为亲水，使油膜变得不稳定，甚至破坏油膜，从而启动残余油流动、产出。化学驱③转变润湿性并破坏油膜。74化学驱(2)复合驱矿场试验上世纪90年代以来，我国在大庆、胜利、新疆、辽河等油田开辟了7个复合驱矿场试验区，均取得较大幅度提高采收率的好效果。胜利孤东油田1982年8月开始三元复合驱矿场试验。该试验区为五点法面积井网，50m注采小井距，由4口注入井，1口采出井，8口外围平衡采油井，2口观察井组成。试验目的层是一高渗透、中高粘度、河流相沉积的疏松砂岩亲水油藏。该试验区原为水驱开发试验区，复合驱前中心井含水已达98.4％，水驱采收率54.4％，累积已注水5.1倍孔隙体积，此时油藏剩余油饱和度仅为34.2％。室内研究确定了驱油体系的配方，并分4个段塞注入。试验过程中，中心井日产油由试验前的0.3t，最高上升到14.3t，相应含水由98.4％下降到85％。在试验区已水驱枯竭的条件下，又提高采收率13.4％。化学驱(2)复合驱矿场试验75化学驱大庆油田中区西部复合驱油试验区于1994年开始试验，由4个反五点面积井网组成，油水井15口，其中注入井4口，油井9口，观察井2口，注采井距106m。复合驱前综合含水87.9％，水驱采出程度13.08％，经室内研究确定，三元复合体系分两个段塞注入，试验过程中，中心井含水由试验前87.9％最低降到48％，日产油由3t上升到21t，全部油井见到增油降水的效果，采收率比水驱提高20.2％，驱油效果比聚合物更好。化学驱大庆油田中区西部复合驱油试验区于1994年开始试验，76化学驱此外，辽河兴隆台油田兴28断块的二元复合驱试验区、新疆克拉玛依砾岩油田的三元复合驱试验区，以及大庆正在萨尔图、杏树岗地区开展的三元复合驱扩大试验区，均取得大幅度增油降水和提高采收率的好效果，现正逐步开展工业性矿场试验，进一步完善相应配套技术。化学驱此外，辽河兴隆台油田兴28断块的二元复合驱试验区、新疆77三、混相驱1．概述混相驱油法是利用注入剂与原油互溶混相，从而提高驱油效率的方法。混相是指两种液态物质均匀混溶，达到界面(相)消失的状态。研究认为，混相可以形成真正的活塞式驱动，从而大大提高驱替效率，混相驱的驱油效率很高，可以接近100％。混相驱就是基于这样的认识进行的。三、混相驱1．概述78混相驱形成混相需要一定的条件，主要有：①油藏温度要高。温度高则混相压力就可以较低，因此，深部油藏便于混相。②原油密度要低。原油密度低，其中的轻烃含量就多；就可以在较低的压力下混相。③注入剂在石油中的易溶性。易溶于原油的物质，如液化石油气、二氧化碳等，易于与石油混相；与原油性质差别较大的物质，如甲烷、氮气等，则需要较高的压力才能形成混相。混相驱形成混相需要一定的条件，主要有：79混相驱根据注入溶剂的性质和形成混相的过程不同，一般将混相驱分为四种类型：注液化石油气或丙烷段塞、注富气、注干气和注二氧化碳或氮气等。从应用上看，选择二氧化碳驱油的较多，以下介绍我国进行二氧化碳驱油的现场试验情况。混相驱根据注入溶剂的性质和形成混相的过程不同，一般将混相驱80混相驱2．CO2驱油技术C02是一种容易以三种状态(固态、液态、气态)存在的物质，其临界温度为31℃，这在大多数油田都能满足。CO2在原油中的溶解能力很高，因而容易形成混相。这些就是选择C02做注入剂的主要原因。混相驱2．CO2驱油技术81混相驱注入C02有利于驱油的因素有以下方面：①使原油膨胀；②降低原油粘度和密度；③对岩石起酸化作用；④降低注入液和原油的界面张力；⑤压力下降时可以造成溶解气驱。混相驱注入C02有利于驱油的因素有以下方面：82混相驱室内试验都证明C02是一种有效的驱油剂，并提出了许多注入方案：包括连续注C02气体、注碳酸水法、注C02气体或液体段塞、注C02气体或液体段塞后接着注水、注C02气体或液体段塞与注水交替、同时注C02气体和水，等。混相驱室内试验都证明C02是一种有效的驱油剂，并提出了许多注83混相驱CO2驱有混相与非混相的分别：混相驱以降低界面张力为主提高驱油效率；非混相驱以降低原油粘度和使原油体积膨胀为主来达到提高采收率。由于混相需要较高的压力，受地层破裂压力的限制，一些油藏可以采取压力较低的非混相驱方式进行注C02提高采收率。此外还有单井C02吞吐的开采技术：将一定量的C02注入到井底，然后关井几周让CO2渗入到油层深处，再开井生产；其采油机理主要是原油体积膨胀、粘度降低。混相驱CO2驱有混相与非混相的分别：混相驱以降低界面张力为84四、热力采油热力采油是一类基本的采油方法，它通过对油层加热，促使原油粘度大幅度降低，从而使原本不流动或流动差的原油得以采出。因此，热力采油更多地是作为首次或二次采油的基本手段加以广泛的应用，世界上几乎全部的高粘稠油都是通过热力采油方法进行开采的。热力采油用做三次采油或提高采收率的方法加以应用倒是不多的，热力采油作为三次采油方法，主要用在一些原油粘度介于稀油和热采型稠油之间的低粘度的普通稠油提高采收率上：四、热力采油热力采油是一类基本的采油方法，它通过对油层加热，85热力采油这种稠油粘度在100--500mPa．s左右，一般可以进行常规开采(冷采)，但开发效果较差，常规采收率一般不高(多在15％--20％以下)，转用热采效果显著，但由于中途转入热采，其投资和费用与新开发相差无几，但新增的采油量有限，因而成本费用限制了这种方法的应用。因此，在实际油田的三次采油或提高采收率中，热力采油方法应用并不多。因此，我们在这里主要介绍应用热力采油开采稠油这一基本方法。作为三次采油的热力采油其原理和方法与首次进行的热力采油是基本一致的。热力采油这种稠油粘度在100--500mPa．s左右，一般可86热力采油1．热采机理 原油粘度对温度的变化一般都比较敏感，原油粘度随温度变化的曲线称粘温曲线。稀油由于粘度不高，其流动性也好，因而粘度不是开采中的主要矛盾因而无须研究其粘温特性。但稠油粘度很高，在地层中很难流动或根本不能流动，因而其粘度就成为开发中的最突出最主要的矛盾。图6-3-1是我国主要稠油油田的稠油粘温曲线。从图中可以看出，其温度每上升10℃，原油粘度就会下降一半左右(比如：在30℃时粘度在20000mpa·s左右的稠油，当温度升高到90℃时，其粘度已降到200mPa·s以下，这就可以通过抽油予以有效地采出)。热力采油就是利用稠油的这一粘温特性进行开采的。热力采油1．热采机理 87图6-3-1我国主要稠油油田的原油粘---温曲线图6-3-1我国主要稠油油田的原油粘---温曲线88热力采油当然，热力采油还有补充地层能量以形成驱动、裂解重组分以降低密度与粘度等有利于采油的因素，但主要的机理是热力降粘。热力采油当然，热力采油还有补充地层能量以形成驱动、裂解重组分89热力采油2、热采对象粘度在150mPa·s以上的原油。（150--10000mPa·s为普通稠油下限，10000--50000mPa·s为特稠油，50000mPa·s以上为超稠油）热力采油2、热采对象90热力采油3．热采方法(1)热力采油种类热力采油的主流方法是注蒸汽，世界上95％以上的稠油都是采用注蒸汽的方法进行开采的。也有火烧油层方法，该方法提出很早，国内外都进行过一些现场试验，但因效果差、问题多，至今还未进入工业应用阶段。国内外也都有注热水开采中质原油(大体相当于普通稠油的下限)和高凝油的试验和工业生产区，但一是规模都比较小，二是工艺接近常规注水、比较简单；一般都不列入热力采油范围。热力采油3．热采方法91热力采油(2)注蒸汽采油蒸汽以其良好的热载体、很高的汽化潜热、来源丰富、成本低而成为热力采油的基本介质。热采一般采用湿蒸汽(干度70％—80％左右)，这样可以达到较高的性能价格比。注蒸汽采油主要采用两种方式；蒸汽吞吐与蒸汽驱。热力采油(2)注蒸汽采油92热力采油①蒸汽吞吐。蒸汽吞吐国外又称蒸汽激励或循环注蒸汽。它是将一定数量的高温高压的蒸汽注入到油层中(一般注7—15天，日注100--200t水当量的湿蒸汽)，再关井2--5天进行热交换(现场称焖井)，然后开井采油(先自喷，到基本不出时进行抽油)。一般可以生产1至几个月，到产量很低时，就结束本周期(也称轮或轮次)采油，再次进行注汽、焖井和开井采油。如此循环(见图6-3-2)。热力采油①蒸汽吞吐。蒸汽吞吐国外又称蒸汽激励或循环注蒸汽。它93热力采油热力采油94热力采油蒸汽吞吐是稠油开采中最常用的方法，早已广泛用于工业生产。其优点是一次投资少、工艺简单、开采效果好，是稠油热采的主流方法。热力采油蒸汽吞吐是稠油开采中最常用的方法，早已广泛用于工业生95热力采油②蒸汽驱。蒸汽驱是稠油注蒸汽开采的另一方式，它类似于注水采油，即在注汽井中长期连续地注入蒸汽，将地层中的原油加热并驱替到周围的采油井予以采出。有一种比较流行的观点认为：蒸汽吞吐效果虽好，但它只能作为对稠油油层的预处理方式使用，稠油开采应在吞吐2--4个周期以后就转入蒸汽驱，应该以蒸汽驱为主开采稠油。基于这一思想；我国在上世纪80年代后期(最早为新疆于1987年7月)陆续进行蒸汽驱现场试验并先后将大片吞吐生产区转为蒸汽驱开采。但蒸汽驱的实际情况很不理想：油井见蒸汽驱反应倒是很快，一般1--2个月，最快者3天；油井见反应后液量有一定增加，但含水大幅度上升，产液温度迅速上升；基本表现为汽窜动态。此后油田就处于长时期高含水低产量的生产状态(图6-3-3)。蒸汽驱效果差的原因，其实很简单：热力采油②蒸汽驱。蒸汽驱是稠油注蒸汽开采的另一方式，它类似于96图6-3-3图6-3-397热力采油a．原油粘度太高而蒸汽粘度很低，原油与蒸汽的流度比太大，必然形成汽窜；b．井距小，稠油由于流动能力差，开采井距一般75--150m，稀油注水开发井距一般300-500m；c．稠油油层孔隙度和渗透率一般很高，渗透率多在几至几十，而且经过吞吐开采以后，油层渗透率还会成几倍地增加；d．蒸汽吞吐期间经常出现井间汽窜，这就在油层中建立起了蒸汽“通道”，转入蒸汽驱后，注入蒸汽一般都会走这条“通道”。热力采油a．原油粘度太高而蒸汽粘度很低，原油与蒸汽的流度比太98热力采油4．注蒸汽采油应用情况(1)适应的地质条件①油层深度：在1000m以内效果最好，深度一般不超过1500m，个别可达1800m。太深，热损失太大，技术工艺上也难于适应。②原油粘度：在500--10000mPa·s效果最好，目前可以开采10000-50000mPa．s的稠油；再高则难度太大，效果很差；粘度太低时(比如50—200mPa·s)热采的投入产出比(与常规开采比较)并不高、不经济。热力采油4．注蒸汽采油应用情况99热力采油③油层厚度：20--50m效果较好，lOm以下效果急剧变差，厚度太大则剖面动用程度下降。④剖面上油层比较集中较好，若分散则热损失增加。⑤无边、底水最好。热力采油③油层厚度：20--50m效果较好，lOm以下效果急100热力采油(2)国内油田应用情况我国稠油主要集中在辽河、胜利、新疆及河南、内蒙等油田。自上世纪70年代末开展稠油注蒸汽开采以来，稠油年产量已达千万吨规模。1997年全国稠油产量已经达到1310×104t，其中注蒸汽开采的稠油产量为1110×104t。在这些热采产量中，绝大多数是蒸汽吞吐开采的产量，蒸汽驱仅占少数。国内油田以辽河稠油产量最高，1995年已达676×104t。其次是胜利油田：1997年达220×104t。新疆1997年稠油产量达到200×104t。河南油田1995年稠油产量为18×104t。热力采油(2)国内油田应用情况101五、其它提高采收率方法1．物理方法采油