化學驅，又稱改型水驅化學法，是指向注入水中加入化學劑，以改變驅替流體的物化性質及驅替流體與原油和岩石礦物之間的界面性質，從而有利於原油生產的一種採油方法。
化學驅主要包括聚合物驅、聚合物/表面活性劑二元複合驅、表面活性劑/聚合物/鹼三元複合驅等，所使用的藥劑為聚合物、表面活性劑、鹼以及其他輔助化學劑。
基本介紹
- 中文名：化學驅
- 外文名：chemical flooding
- 學科：石油工程
- 目的：提高採收率
- 機理：擴大波及係數和提高驅油效率
- 發展歷程：四個階段
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發展歷程
中國化學驅技術起步於20世紀60年代初，至今主要經歷了4個發展階段：
（1）20世紀60年代初期至20世紀70年代中期的探索階段。該階段以學習國外技術為主，以高濃度、小段塞化學驅理論為基礎，重點攻關黏性水驅和乳狀液驅，化學劑濃度高、成本高。該階段開展了一些井組規模的試驗，但針對中國油藏實際情況的化學驅主攻方向沒有明確。
（2）20世紀70年代中期至20世紀80年代末期的優選方向階段。認識到針對中國陸相沉積、非均質嚴重的儲層，應主要攻關低濃度、大段塞的化學驅技術。鹼水驅、聚合物驅、表面活性劑驅等進入現場試驗，通過效果對比，明確了聚合物驅為今後主攻方向。
（3）20世紀90年代初期至今的聚合物驅階段。有針對性地開展先導試驗和工業試驗，攻關形成聚合物驅配套技術，大規模工業化的聚丙烯醯胺生產、方案設計手段、三次採油成套設備製造等完全實現了國產化，技術水平和套用規模居世界領先。
（4）21世紀初期至今的複合驅攻關階段。突破了低酸值原油不適合三元複合驅的理論束縛，實現了表面活性劑的自主生產，形成了配套工藝技術系列，在國際上率先成功實現工業化。
化學驅機理
二次採油主要是利用向油層注入水的方法進行驅油。由於油層的非均質及水油的粘度差, 使注入水前緣不規則, 地層中有些部位沒有受到水的波及; 另外在水波及的區域, 油並沒有全部被驅走, 使一些油殘留在孔隙中。因此, 要提高原油的採收率主要從擴大波及係數和提高驅油效率這兩個方面著手。
1 . 擴大波及係數
驅油劑在油藏中波及到的孔隙體積波及係數Ev 可以分解為縱向波及係數和平面波及係數的乘積:
Ev = Ea × Ei
式中:
Ea———平面波及係數, 即驅油劑波及到的面積與注入井和生產井控制的含油麵積之比;
Ei ———縱向波及係數, 即驅油劑在垂向上波及的厚度與油層總厚度之比。
影響波及係數的因素主要有:
① 油層非均質性, 油層的非均質性可以分為垂直剖面上、平面上的非均質性。前兩種統稱為巨觀非均質性即油層岩石巨觀物性參數( 孔、滲)的非均質性;
②儲層中驅替相與被驅替相之間流動的差異, 流體在多孔介質中的流動能力可以表示為:
λ=k1/ηi
式中:
λ———流體的流度;
k1———流體的有效滲透率, 10-3μm2;
ηi———流體的粘度,(mPa·s )。
在縱向上聚合物溶液仍然首先進入滲透性最好的高滲透層, 並沿阻力相對較小的大孔道滲流。但由於一方面聚合物在孔壁上的吸附, 使有效可流動半徑減小; 另一方面聚合物溶液粘度大, 具有較大的摩擦阻力, 造成滲流阻力增加, 迫使注入的聚合物溶液進入中低滲透層和由高滲透層向相鄰的中低滲透層波及, 從而改善縱向波及係數, 增加了吸水厚度, 最終提高原油採收率。
2.提高驅油效率
驅油劑在油層孔隙中驅出的原油體積分數( 驅油效率) Ed 可以由下式表示:
式中:
So———油層孔隙中目前平均含油飽和度;
Soi———油層孔隙中原始含油飽和度。
驅油效率與原油在岩石孔隙中的分布狀態有關。原油在岩石孔隙中通常與束縛水共存, 因此, 孔隙中存在油-水、油-岩石、水-岩石的複雜界面現象, 在水驅過程中便出現毛細管滯留現象, 使滯留的原油以油滴、油塊、油膜的形式分布於孔喉、孔壁。鹼與表面活性劑聯合作用改變了相滲特性而使洗油效率增加。鹼與表面活性劑改變相對滲透率曲線有以下3 種基本機理: 降低界面張力、增溶油作用、改變潤濕性。其中降低界面張力是低濃度表面活性劑和鹼聯合作用增油的主要機理。界面張力的降低提高採收率通過增加毛細管束來實現。
分類
根據注入化學劑的不同, 化學驅可分為聚合物驅、表面活性劑驅、鹼驅以及由它們組合起來的二元、三元複合驅。
1 . 聚合物驅
聚合物驅實際上是一種把水溶性聚合物加到注入水中, 以增加注入水的粘度、改善流度比的方法。目前, 廣泛使用的聚合物可以分為兩種: 一種是人工合成的化學產品———部分水解聚丙烯醯胺; 另一種是微生物發酵產品———黃胞膠。部分水解聚丙烯醯胺不僅可以增加水的粘度, 還可以通過降低地層對水的滲透率而改變水的流動路線, 對油的滲透率則可以保持相對不變, 聚合物溶液通過後仍可保持對水的殘餘阻力, 是理想的改善流度比、擴大波及體積的方法。
聚合物驅以擴大波及體積為主, 因此它更適用於非均質性較嚴重的油藏。聚合物驅不能降低殘餘油飽和度, 因此其剩餘的可流動油飽和度應大於10%。如果一個油藏適於聚合物驅, 應在生產水油比比較低時就開始注入, 這樣在經濟上更為合算。使用聚合物的分子量與油藏滲透率密切相關, 滲透率愈高, 可使用更高分子量的聚合物而不堵塞地層, 從而其用量可以大大降低。
2 . 表面活性劑驅
套用表面活性劑提高採收率方法可分為活性水驅、乳狀液驅、泡沫驅、膠束驅和低界面張力驅, 主要是通過降低界面張力、潤濕反轉、乳化作用、增溶、聚並形成油帶等作用, 提高洗油效率。該方法適用於相對均質性的砂岩油藏, 泥質含量要低於10% , 油的粘度最好小於40 mPa·s , 以利於流度控制。
目前看來, 表面活性劑驅還是一個成本比較高的方法, 如何選擇有高的驅油效率和流度控制, 同儲層有較好的配伍性、低的吸附損失、來源廣和低成本的配方是個關鍵性問題。
3 . 鹼驅
對於原油中含有較多有機酸的油層可以注入濃度為0 . 05% ～4% 的NaOH、Na2CO3 或Na4SiO4 等鹼性水溶液, 在油層內和這些有機酸就地生成表面活性劑的方法稱為鹼驅。單純鹼驅的驅油機理十分複雜, 可由降低油水界面張力, 產生潤濕性反轉、乳化捕集、乳化夾帶、自髮乳化和聚並以及硬膜溶解等機理使地層孔隙中捕集處於分散狀態的油滴或油膜啟動、形成可以連續流動的富油帶而被采出。
鹼驅是一種提出最早( 1917 年) , 試驗最早(1930 年) , 化學劑最便宜, 操作最簡單的一種方法, 但其驅油機理最複雜, 限制也多。首先, 配製鹼溶液用水中的Ca2+ 、Mg2+ ,可引起注入系統和注入井近井地帶結垢; 鹼與地層礦物反應產生可溶性矽酸鹽和鋁酸鹽,可在油井產出時與其他方向來水中的Ca2+ 、Mg2+ 反應, 引起油井近井地帶和生產系統結垢; 其次, 鹼驅的產出液為原油與水的乳狀液, 油水分離的難度大; 最為重要的是由於流度控制差, 很易沿高滲透層“ 指進” 而起不到驅油的作用。因此礦場試驗的規模和範圍較小, 一般需要與聚合物等流度控制劑一起使用。
4 . 複合驅
複合驅是指兩種或兩種以上的驅油成分組合起來的驅油方法。驅油成分是指化學驅中的主劑( 聚合物、鹼、表面活性劑) , 它們可按不同的方式組成各種複合驅, 如稠化鹼驅( 鹼+ 聚合物)、稠化表面活性劑驅( 表面活性劑+ 聚合物)、鹼強化表面活性劑驅或表面活性劑強化鹼驅( 鹼+ 表面活性劑)、ASP 三元複合驅(鹼+表面活性劑+ 聚合物)。複合驅通常比單一驅油方法有更高的採收率, 主要是由於複合驅中的聚合物、表面活性劑和鹼之間有協同效應, 它們在其中起著各自的作用。
(1)聚合物的作用是:
①改善了表面活性劑和鹼溶液對油的流度比;
② 對驅油介質的稠化, 可減小表面活性劑和鹼的擴散速度, 從而減小它們的損耗;
③可與鈣、鎂離子反應,保護了表面活性劑, 使它不易形成低表面活性的鈣、鎂鹽;
④提高了鹼和表面活性劑所形成的水包油乳狀液的穩定性, 使波及係數和洗油能力有較大提高。
(2)表面活性劑的作用是:
①可以降低聚合物溶液與油的界面張力, 提高洗油能力;
②可使油乳化, 提高驅油介質的粘度;
③若表面活性劑與聚合物形成絡合結構, 可提高聚合物的增粘能力;
④可補充鹼與石油酸反應產生表面活性劑的不足。
(3)鹼的作用是:
①可提高聚合物的稠化能力;
②與石油酸反應產生表面活性劑, 可將油乳化, 提高驅油介質粘度;
③與石油酸反應產生的表面活性劑與合成的表面活性劑有協同效應;
④可與鈣、鎂離子反應或與粘土進行離子交換, 起到犧牲劑的作用, 保護了聚合物和表面活性劑;
⑤可提高砂岩表面的負電性, 減少砂岩表面對聚合物和表面活性劑的吸附量。
工作程式
化學驅油技術是一項比較大的系統工程, 涉及高分子化學、油田化學、地質、油藏等多個學科, 比注水開發要複雜的多, 並且投資高, 風險大, 必須協調好各個系統或環節,否則可能導致整個工作的失敗。為了使這項工作能夠順利地開展, 並達到增加採收率的預期目標, 需要將各個環節有機地聯繫起來, 成為一個整體, 其研究程式見圖。右圖給出了化學試驗研究程式框圖。從圖中所列研究內容可見化學驅油試驗研究主要集中在:
①化學劑溶液性質如基本物化性能和套用性能的評價, 如流變性、穩定性、界面張力、乳化性能等;
②化學劑在多孔介質中的性質, 如吸附、分子量與地層配伍性、流變性、阻力係數、不可及孔隙體積等;
③驅油試驗及試驗方案, 確定用量、非均質影響等。它的主要目的是篩選出適合油藏條件的化學劑產品, 研究驅油體系在多孔介質中的流變性, 並對注入參數進行初步優選。
化學驅項目成敗的關鍵在於油田的地質條件和水驅開發狀況, 因此礦場實施一般要歷經3 個階段, 即先導試驗、擴大試驗和工業推廣套用。先導試驗的目的主要是驗證實際化學驅油技術的可行性, 一般選取油藏和水驅開發有代表性的區塊, 面積小, 井組少, 以便在較短的時間內見到驅替效果。通常利用油藏工程方法研究、現場直接檢測等方法對含水率變化、產油量變化、注采壓力變化、採收率提高幅度、化學劑利用率等進行評價。擴大試驗的目的主要證實技術的經濟可行性和推廣套用的可能性, 一般面積較大, 井組多, 以便取得工業推廣套用的經驗。通常要考慮財務淨現值、財務內部收益率、投資回收期等指標以及合理的注采井網井距、注采層系組合、注入量、影響因素等方面。在先導試驗和擴大試驗取得成功之後, 即可進行大規模的工業推廣套用。
在實際工作中, 如果嚴格按上述研究程式, 堅持科學論證、預測和試驗, 就可減少盲目性和風險性。各個研究程式在運行過程中, 可依據具體情況加快實施節奏, 或簡化某些程式, 或使相鄰研究程式交叉進行, 但不應省掉任何程式, 即按照“ 節奏可以加快, 程式不可超越” 的原則, 加快研究。
化學驅發展現狀
三次採油技術的發展與一次採油或二次採油的明顯不同之處就是其適應的範圍有限,不同的地質特點是選擇提高採收率方法的基礎, 另外, 驅油劑的發展、原油價格、相關學科的進步、國家政策都會影響其發展方向和規模。化學驅的發展尤其受到這種制約, 至今主要發展了聚合物驅和複合驅。
1、 聚合物驅工業化套用效果顯著
大規模的聚合物驅工業化套用，使該技術成為中、高滲油藏開發中、後期的主體技術。目前聚合物驅套用對象正在拓展，由高滲透油層拓展至中滲透油層、砂岩油藏拓展至礫岩油藏、常溫油藏拓展至高溫高鹽油藏；聚合物類型也正在拓展，由高分子量拓展至超高分子量、中低分子量，低黏拓展至中黏、高黏，線性拓展至支化、梳形、星形、樹枝狀，親水性拓展至兩親性；聚合物配製用水也由清水拓展至污水。在常規聚合物驅技術基礎上，通過持續攻關，形成了以高濃度黏彈聚合物驅、大慶油田二類油層聚合物驅、新疆油田礫岩聚合物驅為代表的成熟工業化技術。
2、 三元複合驅實現工業化套用
經過多年技術攻關和工業化試驗，三元複合驅技術基本配套，形成了表面活性劑工業化生產、驅油機理、注采工藝、采出液處理地面工程等系列技術體系。2015年工業化套用產量突破300×104t，三元複合驅正逐漸成為中、高滲油藏的中、後期開發戰略接替技術。
3、二元複合驅試驗取得重要進展 目前二元複合驅在表面活性劑合成、配方研製、評價方法等方面取得了重要進展。勝利油田孤東七區、遼河油田錦16塊、新疆油田七中區等二元驅重大開發試驗效果顯著：孤東七區提高採收率16%，含水率由試驗前的98.3%最低下降到60.4%；錦16塊階段提高採收率11.7%，預計提高採收率約18%；七中區階段提高採收率12.2%，含水率由試驗前的95%最低下降到47.5%，預計提高採收率約18%。二元複合驅不僅環境相對友好，而且能夠大幅度提高採收率，是中、高滲油藏提高採收率的主要攻關方向。
發展方向
中國中、高滲老油田以陸相沉積為主、非均質嚴重，擴大波及體積是大幅度提高採收率的基礎，聚合物驅仍具備較大發展空間。通過完善配套技術，進一步降低聚合物驅成本、提升礦場效益將是聚合物驅研究的重點。 歷經數十年的注水開發，主力油層普遍水洗程度高，剩餘可動含油飽和度較低，剩餘油賦存狀態複雜，以油膜殘留態為主。複合驅油體系不僅有較高的視黏度，而且有超低的界面張力，以驅替劑的協同效應為基礎，與聚合物驅相比，在擴大波及體積的基礎上，能夠進一步提高洗油效率。此外，目前開展了大量的聚合物驅後進一步提高採收率技術研究，但是礦場效果普遍不理想，尚未明確潛力技術方向。
聚合物驅後油藏非均質程度普遍加深，對後續深度開發改善油藏非均質性提出很大挑戰。另外地下殘存的聚合物以吸附形態滯留於岩石和原油表層，阻礙了聚合物驅後的驅油劑與原油表層的接觸。一部分聚合物阻塞於低滲區域的喉道連線埠，端面效應也會導致存在“二次波及的難題”。 由於無鹼複合驅尚在攻關階段，近期應以弱鹼複合驅為工業化套用的方向。隨著表面活性劑進一步提高性能和降低成本，在去除鹼後，可以將節省下來的鹼成本用於增大表面活性劑濃度，實現微乳液膠束驅替。在表面活性劑類型的選擇上，以石油磺酸鹽為優，其原材料來自於石油產品，具備“注油增油”的理念，是一種廣譜、大宗、大眾化的主表面活性劑，其原料來源可控、同宗同源、相似相溶，是化學驅今後大規模工業化推廣的基礎。
