提高采收率技术的应用及其发展趋势

张冬玉 姜婷 王秋语 盖瑜 (中国石化集团胜利油田分公司地质科学研究院)

提高采收率技术的应用及其发展趋势

张冬玉 姜婷 王秋语 盖瑜 (中国石化集团胜利油田分公司地质科学研究院)

随着油气储量发现难度的加大,油气采收率已备受世界各国的关注,提高采收率技术发展迅速。本文介绍了世界范围内热采、气驱、化学驱和微生物驱等提高采收率技术的应用情况,分析总结了提高采收率技术的发展趋势:提高采收率技术将向集成化和高科技方向发展;化学辅助提高采收率技术将成为今后一个时期的主流技术;现代科学技术和工艺技术的进步将继续引领提高采收率技术的变革与发展。

提高采收率 原油产量 热采气驱 化学驱 微生物驱 集成技术 发展趋势

据美国《油气杂志》公布的统计,2008年世界石油剩余探明储量为1 838.32×108t,天然气剩余探明可采储量为175.16×1012m3,石油和天然气产量分别为36.18×108t和2.94×1012m3[1]。据估算,如果目前所有油田的采收率提高1%,就相当于增加全世界2～3年的石油消费量。这在石油资源日益短缺,需求量不断增加的情况下,极大地激发了提高采收率 (EOR)技术的研究和应用,为EOR技术提供了发展机遇。

1 世界EOR技术产量概况

按照目前世界公认的分类,EOR技术分为:化学驱、气驱、热力驱和微生物驱。2008年世界EOR项目数是361个,总产量为9 097×104t/a (表1),约占世界石油总产量的2%[2]。从表1可以看出,热采和气驱采油在EOR产量结构中占很大比例。其中,蒸汽项目142个,产量5 967.3× 104t/a,约占世界 EOR总产量的65.6%;烃混相/非混相项目38个,产量1 356.1×104t/a,约占EOR总产量的14.9%;CO2混相/非混相项目124个 (大部分为CO2混相驱),产量1 371×104t/a,约占EOR总产量的14.2%。

据George J.S.的观点,世界范围内的 EOR产量高峰很可能在全球石油总产量开始递减30～35年之后出现,或者在本世纪60年代出现[3]。

表1 2008年世界EOR项目数及产油量

2 EOR技术应用进展

2.1 热采

热采的产量从1982年到现在一直位居EOR产量榜首,其中蒸汽驱仍然是开发稠油最广泛使用的技术。近年来,水平井注蒸汽以及添加各种助剂使蒸汽驱技术有了较大的发展。2006年,美国在San Ardo等油田进行了蒸汽添加丙烷的试验,产量增加了30%。此外,蒸汽驱的应用范围也不断扩大,已成为稀油油藏水驱后的一项具有发展潜力的EOR技术[4-5]。

针对超稠油 (沥青、油砂),加拿大发展了水平井蒸汽辅助重力泄油 (SAGD)技术,并在此基础上开发了多种强化SAGD技术,如多泄油通道SAGD、膨胀溶剂-SAGD等,由此引发了世界范围内超稠油开发技术的飞跃。部分强化SAGD技术已经进行了先导试验并取得了较好的效果,如快速SAGD方法,是常规SAGD与蒸汽吞吐技术的集成技术,能使产能提高35%,已在加拿大的冷湖油田实施[6]。

火烧油层技术由于工艺问题一直发展缓慢,但近年来由此发展起来的注空气EOR技术有了较大突破。根据驱油效率和油藏氧化强度,注空气技术分为高温氧化非混相驱、低温氧化非混相驱、高温氧化混相驱和低温氧化混相驱4种类型[7]。后2种被称为高压注空气技术,已用于稀油油藏的开发。

2.2 气驱

气驱包括混相、部分混相或非混相的富气驱、干气驱、CO2驱、氮气驱和烟道气驱等,其中CO2混相驱是美国继蒸汽驱之后的第二大EOR技术。针对CO2注入量不够、黏性指进、混相差等问题,美国能源部资助研发了新一代集成CO2驱技术,通过增加注入量、改进驱替方式和布井方案、增加注气黏度等多套技术方案解决上述问题。该技术可将美国许多油田的采收率从目前的33%提高到60%以上。美国已在加利福尼亚等6个地区进行试验,预计可使全美国的原油可采储量增加1 600×108bbl[8](1 bbl=0.159 m3)。

烃混相驱项目主要集中在加拿大和北海地区[9-10]。加拿大阿尔伯塔的混相驱平均采收率可达到59%;北海地区已形成了水气交替注入、烃混相、水气同时交替注入、泡沫辅助水气交替注入等4个技术系列,其平均采收率达到45%。

N2驱在美国和加拿大发展迅速。由于所需的混相压力较高,一般用于较深和温度较高的油藏。试验表明,当注入N2达到1.198 PV时,采收率可达到48.2%以上[11]。目前美国N2驱项目已达到5个。

2.3 化学驱

化学驱包括碱驱、表面活性剂驱、聚合物驱和复合驱。近年来,高油价刺激化学驱再度升温,美国、加拿大、印度、巴西、阿根廷、德国和印度尼西亚均有新的化学驱项目。仅2008年计划实施的化学驱项目就有13个,其中8个是交联聚合物驱, 5个是复合驱。

针对黏土含量高、原油酸值较低、单独用碱水驱无法获得较高产油量的油田,美国怀俄明州Cambridge Minnelus油田实施了碱-表面活性剂-聚合物三元复合驱,在经济和技术上都获得了成功。该油田1993年开始复合驱,注入剂组分为1.25% Na2CO3、0.1%磺酸盐和1 475 mg/L的聚合物, 1996年注入聚合物后续溶液,2000年后续水驱。注入顺序为先注入0.307 PV的复合驱溶液,随后注入0.297 PV聚合物后续溶液,最后水驱到经济极限。复合驱使该油田采收率达到52%,每桶原油的生产成本为2.42美元[12]。

我国提高采收率的主导技术是聚合物驱,已在大庆、胜利等大油田工业性推广。在此基础上,开展了二元复合驱和三元复合驱先导试验,部分技术已达到国际先进水平。大庆油田从1993年开始至今已先后开展了5个三元复合驱矿场试验,其中4个已经完成,取得了良好的效果,比水驱提高采收率20%以上。胜利油田二元复合驱已取得重大进展。

2.4 微生物驱

微生物驱具有适用范围广、工艺简单、不伤害油层等优点,是一项具有发展前景的 EOR技术。自20世纪90年代以来,全球已有100多个油田开展了微生物驱先导试验。国内外微生物驱试验显示,其提高采收率幅度为13%～65%不等,但大规模现场应用的甚少。马来西亚石油公司在博科尔油田的微生物驱仍处于世界领先地位[13]。

微生物驱技术引发了生物表面活性剂驱和生物聚合物驱的发展,加拿大、英国、德国等国家先后进行了研究与应用。典型的生物表面活性剂如海藻糖脂等容易溶解在地层水和注入水中,在油水界面上具有较高的表面活性,且在固体表面上吸附量少,驱油能力强。研究表明,生物表面活性剂的驱油效率是化学合成表面活性剂的3.5～8倍,而其生产成本仅为化学合成表面活性剂的30%。黄胞胶是生物聚合物驱中最常用的一种。在英国和德国等国家,黄胞胶的用量几乎与聚丙烯酰胺相当[14]。

3 EOR技术发展趋势

3.1 EOR技术向着多元集成化方向发展

为了弥补单项EOR技术的局限性,采用多种EOR技术机理发挥集成效应是EOR技术的发展方向之一。如加拿大冷湖油田实施的蒸汽与轻烃混合驱技术,其油汽比 (OSR)比单注蒸汽的OSR高33%[15];土耳其在Bati Raman稠油油田实施了热采和溶剂萃取技术相结合的热CO2驱,试验表明,热CO2驱比相同油藏条件的常规CO2驱的原油采收率高3%[16]。

水平井技术、井间成像技术和计算机技术等促进了集成EOR技术的发展。一种全新理念的“智能化集成开发技术”已成为提高老油田采收率的标志性技术。该技术集成了油藏动态表征技术、储层建模技术、分支水平井技术、智能井技术和超前注水等多项技术,在世界第一大油田——沙特阿拉伯的加瓦尔油田应用获得成功。该油田开发近60年,开始面临减产和含水上升的困扰。沙特阿美石油公司在油田南部Haradh油区3个地质储层条件和产能相同的区块进行大规模的开发对比试验。Ⅰ区沿用常规直井开发,Ⅱ区用常规水平井开发,Ⅲ区全部采用MRC井,并采用了智能化集成开发技术。Ⅲ区在投产21个月后,日产油量为30×104bbl,单井产量是Ⅰ区的3.3倍,生产成本则比Ⅰ、Ⅱ区下降⅟3。Ⅲ区的成功开发证实了智能化集成开发技术的巨大优势[17]。

已开采70多年的美国第三大油田——威明顿油田是以稠油开发为主的油田。开发后期面临着地面下沉、产量快速递减和含硫含砂等问题。美国国家能源技术实验室、Tidelands石油公司和斯坦福大学等联合开发了先进的油藏动态表征技术与热采集成技术,包括先进的三维油藏模型、新型碱-蒸汽驱技术、脱硫技术、新型蒸汽发生器和蒸汽驱动态自动监测技术等。先导试验证实,该技术可使威明顿油田的可采储量增加5.25×108bbl,全美国的探明可采储量也因此提高了2.5%[18]。

3.2 化学辅助EOR技术将成为主流技术

各种EOR方法都或多或少地与化学技术有联系。化学辅助EOR技术将成为EOR的主流技术。其应用主要体现在以下几个方面:

(1)针对水驱、蒸汽驱、气驱等 EOR中的不利流度比,借助化学发泡作用发展了蒸汽泡沫驱、CO2泡沫驱和N2泡沫驱等技术。泡沫增加了驱替液的黏度,改善了流动剖面,同时也提高了驱油效率。热采中蒸汽泡沫的现场应用表明,蒸汽泡沫可使蒸汽的流度在注入井附近下降至原来的1/60～1/20,比蒸汽驱提高采收率5～20个百分点[19]。

(2)表面活性剂在各种 EOR技术中广泛使用。表面活性剂可降低油水界面张力至10-3mN· m-1,使毛管数增加3～4个数量级,从而大大提高了驱油效率[20]。

(3)针对储层非均质性发展了聚合物调驱技术。目前,弱凝胶、胶态分散凝胶 (CDG)、体膨颗粒、柔性颗粒等深部调驱技术已开始大量使用[21]。如国内外广泛使用的交联聚合物弱凝胶调驱技术在现场应用中均取得了很好的增产效果。

3.3 EOR技术与高新技术的结合越来越紧密

高科技为EOR技术提供了发展机遇,赋予了EOR新的技术内涵。高新技术促使EOR技术向着精细化、集成化、实时化、智能化方向发展。近年来兴起的油藏最大接触位移技术 (MRC)和数字油田技术大大拓展了EOR技术的发展空间。

MRC技术是集井眼轨迹设计、钻井液设计、侧钻方式、完井方式和采油工艺于一体的新技术。MRC技术在挖掘复杂地质体油藏的剩余油方面具有独特的技术优势,如河道砂顶部剩余油、三角洲前缘相砂体剩余油、复杂断块油藏剩余油、多层砂岩油藏剩余油等。2002年,沙特阿拉伯国家石油公司为了开采Shaybah油田剩余油,设计了3口多分支井。投产后,产量是1 km水平井的5倍,开发成本下降了80%[22]。

数字油田概念一出现,便得到了世界石油界的广泛关注。数字油田技术是一套连接地面与井下、油气开发全过程控制的一个闭环信息采集、双向传输和处理系统,它能够伴随作业过程实时指导开发方案的执行和相关技术的应用。相关研究表明,数字油田技术能大幅度降低石油生产成本,油田平均采收率可从现在的30%提高到50%以上。巴西最大的陆上油田Carmopolis油田已开始了数字油田技术的先导试验[23]。

3.4 工艺技术进步继续引领EOR技术的变革

各种EOR技术的发展均与工艺技术的进步密切相关,如蒸汽驱、CO2驱等技术的发展均来源于相应的工艺技术的进步。从近年EOR技术的发展看,工艺技术的发展仍将引领EOR技术的变革。

在稠油开发领域,多年来,许多国家一直探索和研究井下蒸汽发生器。最近,由Precision Combustion公司研制的催化燃烧蒸汽发生器和 EDSG公司研制的电热井下蒸汽发生器已获得了技术上的成功。其中,EDSG公司研制的电热井下蒸汽发生器使用碳电极产生等离子控制电弧,使水蒸发为蒸汽。目前,该技术正处于商业化应用前的试验阶段,一旦成熟,将对世界稠油开发产生重大影响。

高含水油田的经济开采一直是EOR研究的重点,井下油水分离技术将为高含水油藏采收率的提高打开一个新的局面。目前,已开发了一种井下油水分离决策树,开展了针对油藏评估、选井可行性的技术研究。相关研究表明,该技术在油田高含水开发后期仍可将采收率提高至少3个百分点。

4 结论与认识

EOR技术突破了传统的 EOR技术范畴,物理、化学和工艺等方面的技术发展赋予了EOR技术新的内涵,在EOR中发挥了重要作用。

化学辅助作用使各种EOR技术的效果大大增加,应借助我国在化学驱领域的技术优势发展化学辅助EOR技术。

高新技术为EOR提供了技术发展空间,EOR技术正向着精细化、集成化、实时化、智能化方向发展。

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2009-10-18)