大慶油田化學驅提高采收率研究進展

王成旗，李一慧，張金山，劉 慶

（東北石油大學，黑龍江 大慶 163318）

石油是我國重要的能源和化工基礎原料，在我國的經(jīng)濟發(fā)展中有著至關重要的地位。而近代以來，我國的一些大型油田，如大慶油田、勝利油田、大港油田等都已進入開采末期，油田產(chǎn)量都有不同程度的衰減，且開采成本及難度越來越大。因此，控制油田含水率，穩(wěn)定國內原油產(chǎn)量，提高采收率，并對油田進行經(jīng)濟合理的開發(fā)和利用，對于國內經(jīng)濟以及石油工業(yè)的雙向發(fā)展具有至關重要的作用。化學驅技術在處理這個難題中占有重要的位置，化學驅中又以聚合物驅技術最為成熟有效。目前，我國已經(jīng)成為世界上使用聚合物驅油技術規(guī)模最大，油田增產(chǎn)效果最好的國家，聚合物驅技術是我國石油工業(yè)持續(xù)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要技術保障。

1 化學驅技術國內外研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

石油開采分為3個階段：衰竭開采，注水開采，還有就是注各種化學劑的化學驅開采階段。在1964年時，Sandiford首次發(fā)表了關于化學驅技術實驗研究，該研究表明，由于少量的部分水解聚丙烯酰胺（HPAM）的加入，水驅用水的流動性大大降低。在過去的40年里Chauveteau、Chu、Gao and Towler1[1]也發(fā)表了許多支持和推廣這一思想的論文。國內外研究人員對聚合物驅的機理進行了廣泛的研究，為聚合物驅的現(xiàn)場規(guī)模化應用奠定了堅實的基礎。此外，許多油田規(guī)模的聚合物驅采油項目已投入生產(chǎn)。然而，除中國外，很少有關于這些項目的大規(guī)模成功的報告。在本世紀初，由于石油價格在國際市場下跌，導致許多公司停止了對化學驅研究的投資，一些試驗試點被迫暫停。許多主要產(chǎn)油國放慢了對化學驅提高采收率的研究。

1.2 國內研究現(xiàn)狀

大慶油田是我國最大的油田，是化學驅特別是聚合物驅的典型代表。大慶油田自1996年起開始工業(yè)規(guī)模應用聚合物驅技術來提高采收率。此后，大慶油田聚合物驅采收率迅速提高[2]，聚合物驅石油年產(chǎn)量已超過1000萬t。化學驅技術已成為大慶油田成功穩(wěn)產(chǎn)的關鍵技術。然而在國內因為經(jīng)濟的快速發(fā)展需要大量的能源來支撐，改變對進口石油能源的依賴是當務之急。因此，提高油田產(chǎn)量是十分必要的。我國大部分油田都是水驅開發(fā)，由于儲層的非均質性和高粘度使得大慶油田水驅采收率相對較低[3]，多數(shù)油田的含水均在80%以上。對于在大慶油田開展提高采收率的研究已經(jīng)進行了二十多年。目前，在化學驅方面取得了顯著進展。聚合物驅油研究主要集中在聚合物PAM驅油效率、數(shù)值模擬、現(xiàn)場工程設計和預測技術等方面。根據(jù)大慶油田的實際情況，研制了一種適用于高溫80℃、高鹽濃度17萬ppm條件下的生物高分子黃原膠驅油劑。目前，已成功應用于注水井調剖，正在進行驅油先導試驗。在表面活性劑驅油的研究中，成功地實現(xiàn)了微乳液驅油的理論和技術，并將膠束驅油用于先導驅油。近年來，堿性聚合物（AP）和表面活性劑-堿性聚合物（SAP）驅油技術得到了發(fā)展。這些新化學品的試驗已經(jīng)成功進行，即在廢棄的開發(fā)試驗區(qū)中進行試驗，取得了明顯提高采收率和明顯降低含水率的效果[5]。同時，開發(fā)了無前置液化學驅油技術，對粘土含量高的油藏進行化學注入管理。化學驅油劑的開發(fā)和生產(chǎn)，使以較低的成本驅替油藏成為可能。現(xiàn)在可生產(chǎn)不同類型的油田化學試劑，如聚丙烯酰胺、黃原膠、石油磺酸鈉等。

2 油田化學驅技術應用研究進展

大慶油田是我國最大的油田，也是世界上為數(shù)不多的特大型陸相砂巖油田之一。大慶油田在20多年的聚合物驅實踐中，開發(fā)出了一套涵蓋儲層、生產(chǎn)、設施工程、采出液處理等全套技術[7]。聚合物驅已逐漸成為大慶油田穩(wěn)定產(chǎn)能的重要技術手段。自1989年以來，大慶油田已成功進行了13次現(xiàn)場試驗。截至2019年底，全國共實施了127個化學驅項目，年產(chǎn)油1600萬t，累積增油量1400萬t。大慶油田聚合物驅產(chǎn)量已達1×109t·a-1。各聚驅區(qū)均取得了較好的效果，含水率明顯下降，原油產(chǎn)量大幅度提高，采收率顯著提高。幾乎每個地區(qū)的含水率都下降了20%以上，一個地區(qū)甚至達到35%。與水驅相比，采收率提高10%以上，與高濃度聚合物驅相比，采收率更高。

通過研究評價，大慶油田適合聚合物驅。首先，大慶油田為陸相河流三角洲沉積[4]，以向上變細、多層段、多韻律為主，滲透率變化系數(shù)在0.635～0.71之間，處于聚合物驅提高采收率的最大范圍（0.72）[5]。其次，大慶油田地層水礦化度較低，約為7000mg·L-1，有利于聚合物溶液保持較高的粘度，對于降低油水流動比非常好。第三，由于油藏埋藏淺、溫度低，儲層中聚合物不會發(fā)生熱氧化降解；第四，聚合物驅油效果與原油粘度密切相關，原油粘度過高或過低都會影響驅油效果，在相同的地質條件下，有一個最佳的粘度范圍。大慶原油粘度約為9mPa·s，處于聚合物驅的最佳范圍[6]。

聚合物驅與水驅相比，在提高體積波及系數(shù)和波及效率基礎上，可顯著提高采收率。現(xiàn)場試驗表明，隨著濃度和注入量的增加，采收率提高。通過聚合物驅，大慶油田主力油層的采收率有所提高已達到50%以上。與其它油田相比提高了10%～15%。大慶油田是世界上最大的聚合物驅油田，目前已取得了很大的進展。

截至2019年底，大慶油田聚合物驅動用地質儲量9.86億t，注入井9983口，采出井11168口。本文介紹了該油田的儲層條件、中試、溶液采注、生產(chǎn)工藝及采出液處理技術。

由于儲層地質條件復雜，儲層中小體積碎屑巖分布廣泛，我國大部分油田的開發(fā)受到天然注水的限制。相反，注水驅油方法在這些領域得到了廣泛的應用。

實驗室研究始于20世紀60年代，研究大慶油田提高采收率（EOR）工藝的潛力。對于聚合物驅技術，從1972年開始采用單注小井距聚合物驅。上世紀80年代末，大慶中部的一個試點項目擴大到具有較大井距的多井網(wǎng)。

中試結果表明，聚合物驅是提高大慶油田平面波及系數(shù)和垂向波及系數(shù)的最有效方法之一，也是控制流動性最有效的方法之一。因此，從1996年開始，大慶實施了世界上最大的聚合物驅。聚合物驅可使油田最終采收率達到50%以上，提高采收率10%～12%。截至2019年，大慶油田聚合物驅油年產(chǎn)量超過1000萬t（約7300萬桶，持續(xù)13年）。近年來，工業(yè)應用已擴展到二級低滲透地層[8]。

3 化學驅技術應用研究所得成果

經(jīng)過近20年的研究，大慶油田已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗，包括油藏工程、采油機理、溶液性質、物理和數(shù)值模擬以及聚合物驅技術的有效預測方法。在實驗室研究的基礎上，在多個不同油藏類型的油田進行了中試，在工程設計、地面施工、測試分析方法等方面積累了豐富的工業(yè)實踐經(jīng)驗，鉆井動態(tài)控制方法與示蹤劑注入技術。由于半工業(yè)試驗結果為聚合物驅方法提供了肯定的答案，自1993年至今，該方法在我國油田已工業(yè)化。

3.1 油田初步試驗

表1總結了聚合物驅方法在不同類型油田的應用試驗結果。

表1 聚合物驅初步試驗基礎數(shù)據(jù)Tab.1 Basic data of preliminary test of polymer flooding

表1結果表明，聚合物溶液能明顯提高這些油田的試采原油含水率，從而降低這些非均質地質油藏的含水率。儲層水礦化程度低，儲層溫度不高，保證了該聚合物能有效地提高儲層油水溶液的粘度。通常，注入量為350×10-6～380×10-6。

在孔隙體積聚合物溶液中，每噸注入聚合物可獲得150～200t的增產(chǎn)效益，OOIP在4%～14%范圍內可提高采收率。

3.2 化學驅技術應用具體實例

在這些項目中，大慶油田把注采井的距離擴大到平均200m以上，每個項目涉及的面積都比上一個項目大，一個項目的面積甚至超過3km2，有60多口注采井。在每個項目中，注入井或生產(chǎn)井中使用的水通過適當?shù)奶幚砑夹g進行脫礦。注聚的效果是降低含水率，提高波及效率。中試的成功使我們能夠利用這種聚合物驅方法實施半工業(yè)和工業(yè)提高采收率項目。

表2總結了大慶油田一些執(zhí)行的項目。

表2 半工業(yè)和工業(yè)項目的基礎數(shù)據(jù)Tab.2 Basic data of semi industrial and industrial projects

在這些項目的所有生產(chǎn)井都觀察到了降低含水率和提高產(chǎn)量的效果。如大慶TP項目，1993年1月注入60×10-6孔容聚合物溶液后，產(chǎn)油量增加，一直維持到1994年8月，該油藏含水率由90.7%下降到80.1%，日產(chǎn)油1200t，其中，采用這種聚合物驅方法可回收原油408t。目前，在我國油田，聚合物驅油技術已經(jīng)實現(xiàn)了全面產(chǎn)業(yè)化，取得了很好的效果。

為了有足夠的聚合物供應，在不久的將來，一個每年30000t的聚丙烯酰胺化工廠將建成。預計本次聚合物驅油效果良好。

表面活性劑-聚合物驅油方法在我國油田過去和現(xiàn)在的中試中取得的積極成果證明了它的成功。然而，由于膠束增溶作用對表面活性劑的消耗率較高，這種表面活性劑-聚合物復合驅方法在實際應用中并不經(jīng)濟可行。為了克服這一高消耗的缺點，結合表面活性劑、聚合物和堿性溶液3種驅油方法的優(yōu)點，開發(fā)了高粘度原油的堿-表面活性劑-聚合物AS-P復合驅油方法和堿-聚合物A-P復合驅油方法酸值，以及含天然有機酸原油的表面活性劑-堿-聚合物復合驅方法。這些采油劑具有粘度大、表面活性強等特點，能夠提高流動比和驅油效率，有效地降低油水界面的界面張力[9]。這些復合驅方法的采油效率至少是聚合物驅方法的一倍。同時，這些采油劑還可以與原油表面的有機酸結合，形成局部的表面活性反應物，當這些反應物與注入劑中的表面活性劑分子再次相遇時，會產(chǎn)生配位作用，從而使原油表面的有機酸與表面活性劑分子發(fā)生反應，降低界面張力的效果明顯。這些試劑中的堿性化合物也能抑制注入化學品的保留損失。因此，在與表面活性劑-聚合物復合驅方法驅油效率相同的情況下，這些A-SP、A-P和S-A-P復合驅方法可使表面活性劑用量減少10倍以上[10]，并降低表面活性劑的投資成本。

在中國，我們已經(jīng)有了生產(chǎn)這些高表面活性劑的化工廠。這些表面活性劑的反應物資源價格低廉，在我國很容易得到。這些表面活性劑能同時活化酸性油和非酸性油的表面性質，并能在較寬的濃度范圍內形成超低的界面張力。

表3給出了目前我國油田采用這些組合驅油方法的中試結果。

表3 復合驅試點基礎數(shù)據(jù)Tab.3 Basic data of composite flooding pilot

在注入化學段塞之前，該油田的試驗井屬于經(jīng)濟受限的高開發(fā)井，這些井的含水率在98%以上，水驅法獲得的采油效率約為OOIP的54.4%，但注入A-S-P組合段塞之后，這些井的含水率顯著降低，原油產(chǎn)量增加。該項提高采收率技術提高原油采收率約為OOIP的13.4%。

為了解決大慶部分油藏粘土含量高的問題，我們開發(fā)了一種無前置液化學驅油技術，通過加入聚電解質來減少表面活性劑在儲層巖石表面的吸附量。利用這項技術，在玉門油田[11]進行的中試結果具有重要意義。因此，針對大慶油田的特點，采用不同的化學藥劑組合，成功地開發(fā)出了多種注水方法，為大慶油田提高采收率提供了很好的前景。

4 結論

（1）大慶油田由于地質條件的非均質性，采用傳統(tǒng)的注水開發(fā)技術，采油效率較低。聚合物驅與水驅相比，在提高體積波及系數(shù)和波及效率基礎上，可顯著提高采收率。

（2）大慶油田化學注入的工業(yè)實踐表明，聚合物驅方法可以成功地應用于可變儲層。多種化學驅油技術的中試和工業(yè)注入取得了重大進展，這些組合方法在提高采收率方面都具有很大的潛力。