《提高采收率》之原理

提高采收率原理施雷庭西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室主要内容1绪论2提高采收率方法及原理概述3聚合物驱及其相关技术4表面活性剂驱油5碱水驱6复合驱(二元、三元驱、泡沫复合驱等)7气体混相驱(天然气、二氧化碳、氮气、液化气驱等)8热力采油(热水、蒸汽驱、蒸汽吞吐、火烧油层)9微生物采油(微生物调剖、堵水、微生物驱油、降解原油)10其它提高采收率方法射频法采油(RadioFrequencyRecovery)超声波法采油(Ultra-SonicRecovery)振动采油(VibratingRecovery)磁法采油(MagneticRecovery)1绪论原油采收率是采出地下原油原始储量的百分数，即采出原油量与地下原油原始储量之比。在经济条件允许的前提下追求更高的原油采收率，既是油田开发工作的核心，又是对不可再生资源的保护、合理利用、实现社会可持续发展的需要。1绪论采油方法回顾“一次采油”，主要是利用油藏本身的天然能量来采出一部分原油。其采油机理是：随着油藏压力的下降，液体的体积膨胀和岩石压缩作用把油藏流体驱入井筒。当油藏压力降低到原油的饱和压力以下时，气体释放和膨胀又能采出一部分原油。有些油藏带有气顶，气顶膨胀和重力排驱也能促使原油流入生产井。一些油藏与含水层相连，它能提供活跃的或部分活跃的水驱。含水层的水侵既能驱替油藏孔隙中的原油，又能弥补由于原油开采造成的压力下降。对于不同的油藏，一次采油的采收率相差极大，这取决于开采机理和各种机理的组合、油藏类型、岩石性质、原油性质。一次采油的采收率一般为5%～20%。1绪论采油方法回顾在一次采油后一定时间内注入流体的采油方法通常被称为“二次采油”。一次采油和注水或非混相注气的二次采油的最终采收率通常为原始地质储量的20%～40%。在二次采油达经济极限时，向地层中注入流体、能量，将引起物理化学变化的方法通常被称为“三次采油（TertiaryRecovery）”。包括聚合物驱、各种化学驱（活性水驱、微乳液驱、碱性水驱）及复合化学驱、气体混相驱（不是以保压为目的的注气）。在任何时期，向地层中注入流体、能量，以提高产量或采收率为目的开采方法常被称为“强化采油（EnhancedOilRecovery-EOR）”。包括三次采油中的所有方法和热力采油法。1绪论常规注水、注气等二次采油技术所不能开采的那部分原油构成了三次采油或强化采油的目标油量，它包括所谓的“剩余油”和“残余油”。由于波及系数低，注入流体尚未波及到的区域所剩余下的原油被称为“剩余油”，如低渗透夹层内和水绕流带中的剩余油；钻井未钻到的透镜体中的原油，局部不渗透遮挡处的原油等，其特点是宏观上连续分布。在注入水波及区内或孔道内已扫过区域内残留的、未被驱走的原油被称为“残余油”，其特点是分布不连续。1绪论1绪论EOR方法提高采收率提高波及效率类提高洗油效率类降低原油粘度类聚合物驱泡沫驱复合化学驱微生物采油活性水驱微乳液驱碱水驱复合化学驱气体混相驱微生物采油热采气体混相驱与非混相驱微生物采油提高采收率聚合物驱表面活性剂驱碱水驱复合化学驱蒸汽吞吐蒸汽驱火烧油层一次接触混相驱蒸发式多级接触混相驱凝析式多级接触混相驱高压天然气（干气）驱富气驱CO2驱烟道气驱按作用机理分按注入气种类分化学驱气体混相驱热采微生物采油（a）按提高采收率机理分类（b）按注入工作剂类型分类1绪论到目前为止，比较成熟的提高采收率技术有蒸汽吞吐、蒸汽驱、聚合物驱、气体混相与非混相驱等技术。1绪论水驱或非混相注气驱一次采油和二次采油的最终采收率通常为原始地质储量的20～40%。非混相驱油和水是互不相溶的。如果把油水倒入一个容器中并放置一段时间，就会形成两个截然不同液相，而且具有明显的分界面。因此可以说油水是不混相的。同样，尽管天然气在原油中具有一定的溶解度，但原油和天然气也是不混相的。这种溶解度大小取决于压力大小，一旦超过某溶解度的极限后，就会形成被一个界面隔开的气相和液相。1绪论非混相注气驱或水驱所能达到的最终采收率主要取决于以下两个因素：1、注入流体的体积波及效率；2、注入流体在波及岩石内的驱替效率。InjectionProduction高渗透层低渗透层由于油藏中存在着渗透率的层间差异、粘性指进、重力分异和不完全的面积波及效率，所以油藏体积波及系数一般小于100%。OilBearingInjectionWater1绪论在常规水驱油中所发现的达西速度、原油粘度、油水界面张力范围内，残余油饱和度对毛管数并不敏感。由图可知，为了使水驱残余油饱和度有明显的降低，可以：大幅度增加驱替流体粘度；大幅度提高驱替速度；大幅度降低油水界面张力。油水界面张力（IFT）对残余油饱和度的影响Log(Nc=μv/σ)Sor1绪论化学驱和气体混相驱的主要目的就是为了降低还消除驱替相与被驱替相之间的界面张力，从而提高驱油效率。2提高采收率方法及原理概述化学驱聚合物驱表面活性剂驱碱水驱复合化学驱气体混相驱烃混相驱、CO2混相驱、惰性气体混相驱泡沫驱热力采油蒸汽吞吐蒸汽驱就地燃烧微生物采油(MEOR)2提高采收率方法及原理概述化学驱凡是向注入水中加入化学剂，以改变驱替流体性质、驱替流体与原油之间的界面性质，从而有利于原油生产的所有方法都属于化学驱范畴。通常包括：聚合物驱、表面活性剂驱（胶束/聚合物驱、微乳液驱）、碱水驱和复合化学驱。聚合物驱聚合物驱实际上是一种把水溶性聚合物加到注入水中以增加水相粘度、改善流度比、稳定驱替前沿的方法，因此又称为稠化水驱。聚合物驱以提高波及系数为主，因此它更加适用于非均质的中质或较重质的油藏。当聚合物驱与交联聚合物调剖技术相结合时，也可以用于那些具有高渗透率通道或微小裂缝的油藏。2提高采收率方法及原理概述化学驱表面活性剂驱表面活性剂提高采收率的主要原理是利用驱替流体与被驱替原油体系之间具有低界面张力IFT（interfacialtension）的特性，提高驱油效率。应用表面活性剂提高采收率可分为活性水驱、乳状液驱、胶束驱和低界面张力驱。目前在国外的化学驱中，研究和应用的最为广泛的是胶束/聚合物驱；最热门研究——双子表活剂。从技术上讲，表面活性剂驱最适合三次采油，是注水开发的合理继续，基本上不受含水率的限制，可获得很高的水驱残余油采收率。但由于表面活性剂的价格昂贵，投资高，风险大，因而其使用范围受到很大限制。2提高采收率方法及原理概述化学驱碱水驱对于原油中含有较多有机酸的油层可以注入浓度为0.05%～4%的NaOH、Na2CO3等碱性水溶液，与原油中的石油酸反应就地产生表面活性物质，从而降低油水界面张力，提高驱油效率；对原油产生乳化作用，降低注入水流度，改善流度比；改变岩石的润湿性，从而增加原油的流动性。采油机理十分复杂，可由降低油水界面张力，产生润湿性反转、乳化、乳化夹带、自发乳化和聚并以及硬膜溶解等机理采出残余油。复合化学驱单一的聚合物驱、碱水驱、表面活性剂驱各自有其优缺点，将它们联合使用，在功能上互相弥补，以达到最佳驱油效果，这就是各种形式的复合化学驱。2提高采收率方法及原理概述气体混相驱气体混相驱是向油藏中注入一种气体作为原油的驱替剂，希望能够消除与原油之间的界面张力，提高驱油效率，在确保一定的波及效率前提下，大幅度提高原油采收率。所谓混相就是指两种流体可以完全相互溶解。它与非混相驱的区别就在于两相之间的界面张力为零，因而不存在明显的界面，也不存在毛管压力，从而大大提高原油采收率。按混相方式的不同，混相驱可分为“一次接触混相”和“多次接触混相”或“动态混相”。泡沫驱该方法是利用泡沫在孔隙介质中的贾敏效应，增加驱替相的流动阻力，以便稳定驱替前沿和提高波及体积，从而提高原油采收率。微泡沫体系，三元复合驱+气体，既可提高波及体系又可提高驱油效率，同时可扩大非均质油藏应用范围。2提高采收率方法及原理概述热力采油热力采油是最有效、最有前途的提高采收率方法之一，它立足于利用热量来稀释和蒸发油层中的原油以驱动所形成的产物。该方法可以分为热物理学（注热载体）和热化学（火烧油层、液相氧化作用等）两类方法。微生物采油微生物提高采收率（MicrobialEnhancedOilRecovery）是指利用微生物及其代谢产物增加石油产量的一种石油开采技术。该技术是将经过筛选和评价的微生物与培养基注入地下油层，通过微生物就地繁殖和代谢，产生酸、气体、溶剂、生物表面活性剂和生物聚合物，改变岩石孔道和油藏原油的物理化学性质，提高原油产量和增加油藏原油采收率。利用了聚合物驱和表面活性剂驱油机理提高采收率。3聚合物驱及其相关技术3聚合物驱及其相关技术流度控制用聚合物聚合物驱油机理聚合物溶液性质聚合物在多孔介质中流动特性聚合物驱室内评价与设计吸水剖面调整技术聚合物及聚合物驱新技术、新进展3聚合物驱及其相关技术聚合物驱（PolymerFlooding）是指通过在注入水中加入少量水溶性高分子量的聚合物，增加水相粘度，同时降低水相渗透率，改善流度比，提高原油采收率的方法。聚合物驱只是在原来水驱的基础上添加了聚合物，因此它又称改性水驱（ModifiedWaterFlooding）。聚合物驱的机理是所有提高采收率方法中最简单的一种，即降低水相流度，改善流度比，提高波及系数。一般来说，当油藏的非均质性较大和/或水驱流度比较高时，聚合物驱可以取得明显的经济效果。3聚合物驱及其相关技术聚合物驱发展历程聚合物驱始于20世纪50年代末和60年代初。美国于1964年进行了第一次聚合物驱矿场试验，随后在1964~1969年间，进行了61个聚合物驱项目。从70年代到1985年，共进行了183个聚合物驱项目，且一般都取得了明显的经济效益。在中国，聚合物驱得到了充分的发展。自1972年在大庆油田开展小井距的聚合物驱试验以来，特别在“八五”、“九五”期间，在聚合物驱室内研究、数值模拟技术、注入工艺以及动态监测技术等方面进行了大量的研究和试验，为聚合物驱在中国进入工业化应用阶段奠定了基础。目前，聚合物驱在中国的大庆、胜利等油田已进入工业化应用阶段。1997年累计注入聚合物干粉23700t，工业应用面积达101.3km2，全国聚合物驱年增产原油达303万t。中国大庆油田的聚合物驱已成为世界上最大的聚合物驱项目。到2000年中国聚合物驱年增产原油将达500~700万t。3聚合物驱及其相关技术流度控制用聚合物流度控制用的聚合物有两大类：天然聚合物和人工合成聚合物。天然聚合物是从自然界的植物及其种子主要通过微生物发酵而得到，如纤维素、生物聚合物黄胞胶等。人工合成聚合物是用化学原料经工厂生产而合成的，如目前大量使用的聚丙烯酰胺（Polyacrylamide简称PAM），部分水解的聚丙烯酰胺（HydrolyzedPartiallyPolyacrylamide简称HPAM）等。3聚合物驱及其相关技术流度控制用聚合物HPAM和黄原胶均难以满足高温、高含盐油藏的需要，严重制约着聚合物驱油技术与聚合物复合驱油技术的推广应用。研制耐温抗盐抗剪切的高性能/价格比的聚合物驱油剂已成为迫切需要解决的世界性难题。HPAM与黄原胶化学性能改进耐温抗盐合成聚合物的研究具有耐温抗盐结构单元的丙烯酰胺共聚物分子间具有特殊相互作用的聚合物驱油剂水溶性疏水缔合聚合物两性离子聚合物分子复合型聚合物驱油剂3聚合物驱及其相关技术流度控制用聚合物聚丙烯酰胺和疏水缔合聚合物分子结构对比疏水缔合聚合物部分水解聚丙烯酰胺缔合结构3聚合物驱及其相关技术聚合物驱油机理聚合物注入油层后，将会产生两方面的重要作用一是增加水相粘度；二是因聚合物的滞留引起油层渗透率下降；上述两项作用的共同结果导致油层中聚合物驱的流度明显降低。聚合物注入油层后，将产生两项基本作用机理一方面是控制水淹层段中水相流度，改善水油流度比，提高水淹层段的层内波及效率；另一方面是降低高渗透率的水淹层段中流体总流度，缩小高、低渗透率层段间水线推进速度差，调整吸水剖面，提高层间波及系数。3聚合物驱及其相关技术聚合物驱油机理聚合物的流度控制作用VDVf=M=Kw/μwKo/μo要使M降低，可以通过降低渗透率和提高驱替相的粘度来实现聚合物就可以达到该目的。vDvf3聚合物驱及其相关技术聚合物驱油机理聚合物的调剖作用dV/dy油滴受力12PolymerOil

水驱注入聚合物后续水驱水流通道新流线3聚合物驱及其相关技术聚合物驱油机理聚合物的调剖作用理论与实践已经证明，对于适合于聚合物驱的油藏，只要聚合物溶液性能达到要求，则可将其水驱后的采收率再提高10-20%。聚合物驱技术已经在大庆油田的主力油藏进入工业化应用阶段，其采收率比水驱提高12%。3聚合物驱及其相关技术聚合物溶液性质聚合物的溶解分散溶胀溶解良溶剂：使聚合物分子舒展开的溶剂非良溶剂：使聚合物分子卷曲的溶剂溶剂性质直接影响聚合物分子的溶解，当然也影响聚合物分子在其中的状态，从而影响聚合物溶液的粘度。3聚合物驱及其相关技术聚合物溶液性质聚合物溶液的粘度聚合物溶液的粘度概念粘度是流体流动时分子间内摩擦力的度量，单位为mPa.s，定性的说是物质粘稠的程度。3聚合物驱及其相关技术聚合物溶液性质聚合物溶液的特性粘数聚合物浓度趋进于零时，对比粘度的极限值。特性粘数用来表示聚合物分子对粘度的贡献。式中:ηs：溶剂粘度，mPa.s;ηr：相对粘度，ηr=η/

ηr,无因次;η：极低剪切速度下测得的聚合物溶液的粘度，mPa.s;ηr：对比粘度，dl/g(浓度的倒数);[η]：聚合物特性粘数，dl/g，表示单位聚合物分子在溶液中所占流体力学体积的相对大小，也是度量聚合物尺寸的重要参数.3聚合物驱及其相关技术聚合物溶液性质影响聚合物溶液粘度的因素聚合物分子量和结构:分子量越高，线团体积越大，粘度越大；结构不同粘度不一；溶剂:良溶剂中，分子伸展，分子内摩擦力增大，粘度增大；盐和盐类型:盐是一个很重要的因素，PHPAM和盐类型非常敏感。盐浓度越高，溶液拈度越小，且二价阳离子较一价阳离子的影响大得多。3聚合物驱及其相关技术聚合物溶液性质影响聚合物溶液粘度的因素聚合物浓度溶液浓度高，粘度大（见下图），浓度高的溶液对剪切速度的依赖性越大.CP=500mg/lCP=25mg/l浓度与粘度的关系CP=0mg/l表观粘度3聚合物驱及其相关技术聚合物溶液性质影响聚合物溶液粘度的因素水解度水解度越高，羧钠基(-COO)多，基团间斥力大，分子更舒展，无规线团体积，粘度大。聚合物的降解降解：高分子聚合物受外界因素的影响，C-C链断裂而使溶液粘度降低的现象。机械降解

在高流量区(阀门，低渗层)因强烈的剪切和拉伸，使大分子降解；化学降解

细菌、氧、光照等作用、生物聚合物因发酵失去增粘作用；高温降解

温度升高，粘度下降（PHPAM的适宜的温度≤70℃）。3聚合物驱及其相关技术聚合物溶液性质聚合物溶液的流变性流变性的基本概念流变性：流体在外力场的作用下，发生流动和变形的特性。粘滞性：流体流动时具有抵抗剪切变形的性质。应力：形变后，企图把形变恢复的内部力.应变：形变量与原尺寸之比.剪切流动及其流变曲线流体在剪切力作用下，发生剪切流动。切应力和切变速率是表征流变体系流变性质的两个基本参数.切应力：单位液层面积上施加的力；切速率：流速在与流动垂直方向上的变化速率。FAvydvydy在剪切力作用下，根据粘度的变化将流体分为流体牛顿流体非牛顿流体纯粘性流体粘弹性流体流变性与剪切时间有关流变性与剪切时间无关触变触变性流体震凝性流体宾汉体幂律流体假塑性流体胀流性流体流变曲线bacd剪切应力剪切速率a:牛顿流体，b:塑性流体，c、d：幂律流体，n＜1，假塑性流体n＞1，胀流性流体a区：初始牛顿区

b区：假塑性流动区

c区：第二牛顿区

d区：胀流性流动区abcdn=1n<1n=1n>1切应力切速率综合流动曲线3聚合物驱及其相关技术聚合物溶液性质聚合物溶液的流变性聚合物溶液常用的流变模型幂律模型Ellis模型Carreau模型幂律模型（Power-Law）描述假塑性和胀流性流体剪切应力剪切速率稠度系数幂律指数Power-Law流变特征图Ellis模型1/2为=0/2时所对应的剪切应力Ellis流变特征图log[(0/）-1]=(a-1)log(/1/2）斜率=a-1Carreau模型-零剪切粘度-极限剪切粘度(n-1)-Power-Law区直线的斜率斜率—溶液流变性从第一牛顿区向剪切变稀区Power-Law转变的时间常数,为第一牛顿区与Poweer-Law区直线交点所对应的剪切速率的倒数。Carreau流变特征图Log()0斜率=(n-1)3聚合物驱及其相关技术聚合物溶液在孔隙介质中的流变性聚合物溶液的有效粘度聚合物溶液在孔隙介质中的粘弹性影响孔隙介质中流变性的因素筛网系数聚合物在孔隙介质中的有效粘度幂律流体在胶结多孔介质中流动的剪切速率聚合物溶液的粘弹性问题提出：粘性水驱时，相同条件下，HPAM的驱油效果优于别的增粘剂；HPAM溶液几乎不能降低界面张力，但发现它可以提高微观驱油效率。与聚合物的粘弹性有关油油分别用HPAM溶液和甘油驱替，效果大不相同粘弹性的表现回流现象与流出胀大现象流动压力随流速的变化趁势——聚合物溶液的粘弹性冲洗渗透率随流速的变化趁势——滞留聚合物分子的粘弹性表观粘度剪切速率牛顿流体假塑性流体聚合物溶液的粘弹性表现流体在孔隙介质中的流动压差流速粘弹性流体牛顿流体纯假塑性流体滞留聚合物分子的粘弹性表现水在孔隙介质中的流动（线性渗流速度条件下）压差流速纯孔隙介质滞留有聚合物分子的孔隙介质影响孔隙介质中流变性的因素聚合物的分子类型和结构溶液矿化度孔隙介质的渗透率筛网系数筛网系数=溶液流过隔板的时间t溶剂流过隔板的时间ts筛网粘度计聚合物溶液在孔隙介质中的流动特征吸附滞留不可入孔隙体积阻力系数残余阻力系数吸附静态吸附：岩石颗粒静置于溶液中，吸附达到平衡；动态吸附：聚合物溶液通过孔隙介质时发生的吸附。吸附模型溶液浓度C(mg/L)Langmuir吸附等温关系吸附量W（μg/g岩石)吸附量一般几十～几百微克。滞留机械滞留：由于聚合物分子的等效球直径大于孔喉直径而造成的聚合物分子滞留。水力滞留：由于流速的大小和方向改变所引起的聚合物分子滞留。不可入孔隙体积（IPV）岩石中所有直径小于聚合物分子流体力学等价球直径的孔隙。IPV为聚合物分子不可入孔隙的体积占岩石孔隙体积(PV)的百分比。 IPV范围1-30%，取决于聚合物和孔隙介质；不可入孔隙对聚合物分子不可入，但小分子（如水）是可入的；IPV的存在使得驱油过程中聚合物分子推进速度比水分子速度快，因而在出口端提前突破。弥散概念C=C0C=0C0t=0t1t2t∞分子扩散互溶驱替理论的应用——双段塞浓度剖面法测定聚合物的IPV和RPV注入PV数1.100.780.5HPAM在油层岩心中的不可入孔隙体积和滞留量的测定出口端相对浓度C/C0阻力系数RF、FR描述聚合物溶液降低流度的能力FR的测定原理残余阻力系数RRF、FRR描述聚合物分子降低渗透率的能力冲洗渗透率FRR的测定原理3聚合物驱及其相关技术聚合物驱现场应用技术聚合物驱工作流程图EOR聚合物评价聚合物溶液的注入性聚合物驱的油藏工程研究聚合物驱的注入设备及工艺技术聚合物驱油效果评价方法聚合物驱工作流程图EOR聚合物评价聚合物常规性能评价EOR专用性能评价有效含量分子量水解度不溶物含量单体含量溶解速度过滤因子增粘性耐温、耐盐、抗剪切能力筛网系数阻力系数、残余阻力系数注入性吸附量（静、动）不可入孔隙体积聚合物驱的油藏工程研究层系划分井网、井距的选择注入时机的选择段塞结构研究注入速度的确定层系划分对于单油层，聚合物驱对层内的调剖作用突出。主要表现在：油井产出水的矿化度发生明显变化，而且增产的油量随注水井的变异系数（变化范围在0．52～0．84之间时）的增加而增加。当油层较多，层间渗透率差异很大时，聚合物驱就难以发挥其调剖的优势，这是当前多层注聚合物驱不如单层效果好的原因之一。注聚合物驱的层系划分以l～3个小层，其厚度在10m左右，用注水井同位素吸水剖面计算的变异系数小于0.85以内，做为聚合物驱的开采层系是适宜的。数值模拟研究表明，在油层物性和流体性质及注入聚合物段塞浓度一定的条件下，聚合物驱增加采收率的幅度与油层厚度有关，当厚度超过10m后，其增加采收率的幅度将明显变小。井网、井距的选择注入压力聚合物稳定性即注水时达到配注要求时的注入压力与油层破裂压力之间的余量，因为注水井改为注聚合物溶液后，随井距的增大，聚合物段塞注入过程中注入压力随之增大。受油层的渗透率与油层温度及地层水矿化度等方面的制约。根据统计，油井见到注水效果的时间与注采井距平方呈正比，与注采井间油层平均渗透率呈反比，并有较好的相关关系。聚合物驱注入时机的选择根据国外从1964年到1981年期间所进行的185个现场试验，其中有29个试验提供了聚合物驱有参考价值资料：在接近一次采油未期便开始的16个试验中，有12个获得成功；在二次采油阶段期间开始的7个试验中，只有一个获得成功；在三次采油阶段（即注水结束后）开始的6个试验中，仅有一个试验勉强有效。聚合物驱注入时机的选择注聚合物时的水油比越低，聚合物的利用率越高。段塞结构研究前缘段塞主力段塞流度保护段塞聚合物注入速度聚合物溶液通过多孔介质时会被剪切降解，使其粘度或筛网因子下降，其下降程度和多孔介质的渗透率及流速有关。在渗透率一定的条件下，孔隙流速越大，剪切降解愈严重；在孔隙流速一定的条件下，渗透率越大，剪切降解愈小；流速对降解的影响是聚合物分子由拉伸形变逐渐发展