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稠油开采的化学方法

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开采 化学 方法
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    收 稿 日 期 :2002 - 05 - 213 中 油 辽 河 石 油 勘 探 局   辽 宁   盘 锦   124010稠 油 开 采 的 化 学 方 法 等 著   徐 雅 莉 3 ,邸 秀 莲   编 译摘 要 :由 于 多 种 原 因 (如 地 层 厚 度 小 于 10 ,加 拿 大 萨 斯 喀 彻 温 省 和 阿 尔 伯 达 省 的 许 多 流动 性 稠 油 油 藏 不 适 合 使 用 注 汽 等 热 采 方 法 。 开 采 这 种 油 藏 可 以 使 用 非 热 采 方 法 ,其 中 化 学 驱是 重 要 的 方 法 。 本 文 介 绍 了 实 验 室 化 学 驱 技 术 的 最 新 成 果 ,同 时 论 述 了 其 局 限 性 以 及 改 进 措施 。 在 化 学 方 法 中 ,碱 驱 和 表 面 活 性 剂 驱 油 技 术 比 较 重 要 ,部 分 原 因 是 它 们 所 使 用 的 化 学 剂 较便 宜 ,并 且 可 以 借 鉴 的 室 内 研 究 和 现 场 经 验 较 多 。 这 里 讨 论 的 实 验 室 研 究 包 括 两 个 罗 伊 得 敏斯 特 稠 油 油 田 的 表 面 活 性 剂 驱 和 蒸 汽 吞 吐 ,其 采 收 率 可 达 33 %。 其 它 开 采 方 法 包 括 使 用 两 种表 面 活 性 剂 的 周 期 激 励 法 ,原 油 采 收 率 为 12 % ,尽 管 采 收 率 较 低 ,但 在 特 殊 情 况 下 ,这 种 方 法的 成 本 较 低 。前   言加 拿 大 萨 斯 喀 彻 温 省 和 阿 尔 伯 达 省 的 多 数 稠 油在 油 藏 条 件 下 是 流 动 的 ,尽 管 其 采 收 率 较 低 (多 数 情况 下 为 5 %~ 10 %) ,但 是 一 次 采 油 和 水 驱 经 济 可 行 。此 外 ,由 于 地 层 厚 度 小 ( 萨 斯 喀 彻 温 地 区 85 %的 原 油存 在 于 厚 度 小 于 5 层 中 ) ,因 此 井 距 要 大 ,这 就使 热 采 ,尤 其 是 蒸 汽 驱 失 去 了 吸 引 力 。 非 热 采 方 法 ,如 化 学 开 采 和 非 混 相 二 氧 化 碳 水 气 交 替 )驱 工艺 ,尽 管 其 采 收 率 低 ,在 这 些 油 藏 中 仍 较 为 适 用 。本 文 主 要 论 述 的 是 更 有 远 景 的 非 热 力 化 学 驱方 法 ,有 选 择 地 介 绍 了 实 验 室 和 油 田 现 场 效 果 及 其约 束 条 件 。1   开 采 原 理采 油 所 涉 及 的 两 个 重 要 概 念 是 流 度 比 M 和 毛细 管 数 流 度 比 M 通 常 定 义 为 驱 替 液 的 流 度λ λ K/μ ,式 中 K 为 有 效 渗 透 率 ,μ 为 粘 度 )与 被 驱 替 液 (本 文 假 定 为 原 油 )的 流 度 λ 。 如果 M > 1 ,驱 替 液 将 流 经 大 部 分 被 驱 替 液 ,致 使 驱替 无 效 。 因 此 ,流 度 比 影 响 驱 油 效 率 ,即 孔 隙 内 的微 观 驱 油 效 率 。 当 M > 1 时 ,驱 替 液 会 穿 过 残 余 油滴 ,称 为 粘 性 指 进 。 为 使 驱 替 效 率 达 到 最 高 , M 应该 ≤ 1 ,此 时 为 “ 有 利 ” 流 度 比 。 如 果 M > 1 ,在 没 有粘 性 指 进 的 情 况 下 ,则 意 味 着 需 要 注 入 更 多 的 流体 ,以 使 孔 隙 中 的 剩 余 油 饱 和 度 达 到 一 定 值 。通 过 增 加 驱 替 液 粘 度 (如 在 水 中 添 加 一 种 合 适的 聚 合 物 )或 降 低 被 驱 替 液 的 粘 度 (如 加 热 原 油 或在 原 油 中 加 溶 剂 )可 以 使 M 值 变 小 ,有 效 渗 透 率 或相 对 渗 透 率 也 能 改 变 ,但 是 其 程 序 很 复 杂 ,而 且 效果 不 可 靠 。与 驱 替 效 率 相 似 ,随 着 流 度 比 的 增 加 ,横 向 或纵 向 波 及 系 数 会 降 低 。 换 句 话 说 ,如 果 驱 替 液 比 原油 更 加 易 于 流 动 ,那 么 从 宏 观 上 讲 驱 替 是 无 效 的 。毛 细 管 数 μ v/σ ,其 中 :μ 为 被 驱 替 的 流 体粘 度 ,s ; v 为 达 西 速 度 ,m/ s ;σ 为 被 驱 替 液 和驱 替 液 之 间 的 界 面 张 力 ,m。 剩 余 油 饱 和 度 是毛 细 管 数 的 函 数 。 很 显 然 ,通 过 降 低 原 油 粘 度 或 增加 压 力 梯 度 ,更 重 要 的 是 降 低 界 面 张 力 ,可 以 增 加毛 细 管 数 ,从 而 降 低 剩 余 油 饱 和 度 。 只 有 当 界 面 张力 非 常 低 ,达 到 10 - 2 m 时 ,才 会 出 现 显 著 降 低的 情 况 。 一 般 情 况 下 ,界 面 张 力 降 低 千 分 之 一 才 会见 到 显 著 的 采 油 效 果 。 这 在 实 验 室 条 件 下 是 可 行的 ,但 在 油 田 条 件 下 是 困 难 的 。 表 面 活 性 剂 是 降 低油 水 界 面 张 力 的 一 种 实 用 方 法 ,它 能 够 与 矿 物 相 互作 用 并 被 吸 附 。 一 种 合 适 的 溶 剂 能 降 低 原 油 粘 度 ,但 成 本 会 很 高 。2   稠 油 开 采 存 在 的 问 题由 于 稠 油 粘 度 高 ,即 使 相 对 渗 透 率 接 近 于 1 ,其流 动 性 也 较 低 。 因 此 ,对 任 何 一 种 流 体 驱 替 工 艺 来第 10 卷 第 2 期2003 年 4 月                            特 种 油 气 藏il                          003讲 ,其 流 度 比 都 是 不 利 的 。 使 用 化 学 剂 (假 设 岩 石 基质 中 损 失 为 最 小 )的 好 处 有 两 点 :首 先 ,不 论 驱 油 效果 如 何 ,都 能 够 降 低 油 水 界 面 张 力 ,从 而 降 低 剩 余 油饱 和 度 ;其 次 ,界 面 张 力 低 有 利 于 乳 状 液 的 形 成 ,乳状 液 (通 常 为 宏 观 乳 状 液 )能 够 通 过 夹 杂 和 夹 带 油 滴降 低 驱 替 液 的 流 动 性 ,从 而 使 流 度 比 趋 于 有 利 。211   稠 油 开 采 的 非 热 力 化 学 方 法化 学 开 采 方 法 包 括 使 用 聚 合 物 和 表 面 活 性 剂来 提 高 流 度 比 和 毛 细 管 数 。聚 合 物 驱 是 指 向 用 于 驱 油 的 水 中 添 加 少 量 的可 溶 于 水 的 高 分 子 量 聚 合 物 以 提 高 水 的 视 粘 度 ,从而 降 低 流 度 比 。 由 于 稠 油 粘 度 高 ,出 于 对 成 本 和 机械 方 面 的 注 入 压 力 的 考 虑 ,对 所 使 用 的 聚 合 物 浓 度有 一 定 限 制 。 因 此 ,聚 合 物 对 粘 度 在 数 百 厘 泊 以 上的 稠 油 作 用 不 大 。表 面 活 性 剂 驱 是 指 通 过 注 入 合 适 的 表 面 活 性剂 驱 油 (该 方 法 能 够 降 低 油 水 界 面 张 力 ,并 少 量 吸附 于 岩 石 基 质 ) 。 其 效 果 是 降 低 界 面 张 力 及 剩 余 油饱 和 度 。 原 地 形 成 乳 状 液 也 有 助 于 提 高 有 效 流 度比 。 使 用 表 面 活 性 剂 的 主 要 问 题 是 在 岩 石 基 质 中的 损 耗 ,该 现 象 是 由 于 多 种 机 理 所 造 成 的 。 其 关 键因 素 是 单 位 采 油 量 ( 消 耗 的 表 面 活 性 剂 。碱 驱 是 一 项 非 常 复 杂 的 工 艺 ,其 目 的 是 通 过 注入 的 碱 与 原 油 中 的 酸 性 成 分 发 生 反 应 ,在 原 地 形 成一 种 表 面 活 性 剂 。 也 就 是 说 ,比 使 用 原 本 很 复 杂 的表 面 活 性 剂 驱 还 要 多 一 个 步 骤 。 此 外 ,可 能 还 会 有一 部 分 碱 由 于 与 粘 土 矿 物 发 生 反 应 而 被 消 耗 掉 。其 它 化 学 驱 方 法 以 综 合 上 述 方 法 为 基 础 ,方 案更 为 复 杂 。 有 些 方 法 ,如 胶 束 驱 和 碱 - 表 面 活 性 剂- 聚 合 物 ( ,是 不 能 应 用 于 稠 油 的 。非 混 相 二 氧 化 碳 气 交 替 ) 驱 是 一 种 有前 途 的 开 采 方 法 ,适 用 于 粘 度 范 围 为 500~ 5 000s 的 原 油 。 他 的 合 作 者 在 许 多 论文 中 讨 论 过 这 个 问 题 。3   现 场 试 验 及 室 内 实 验311   现 场 试 验 论 了 113 个 油 田应 用 非 热 力 方 法 开 采 稠 油 的 油 田 试 验 结 果 ,包 括15 项 碱 水 驱 、 54 项 聚 合 物 驱 、 25 项 二 氧 化 碳 驱 试 验和 其 它 19 项 驱 油 法 试 验 。 图 1 概 括 了 这 些 试 验 的结 果 ,最 多 使 采 收 率 提 高 约 10 %。 由 于 成 本 高 和与 岩 石 基 质 反 应 的 原 因 ,只 有 极 少 数 化 学 驱 方 法 具有 经 济 性 。图 1   不 同 驱 油 方 法 的 采 收 率 增 加 情 况312   室 内 实 验实 验 是 在 直 径 为 5 高 61 填 砂 模 型 中完 成 的 ,使 用 的 是 从 相 关 油 藏 中 采 来 的 砂 岩 。 所 使用 的 多 孔 介 质 和 流 体 特 性 见 表 1。 界 面 张 力 不 能降 低 到 使 剩 余 油 饱 和 度 明 显 降 低 的 程 度 ,但 能 够 起到 乳 化 作 用 。表 1   孔 隙 介 质 和 流 体 的 性 质原 油 水 表 面 活 性 剂 孔 隙 介 质 Φ / % K/μ 油 粘 度 / 来 水 5/ 307 岩 42 7~ 10 2 045 理 水 5/ 9 岩 37 5~ 14 5 890 验 的 目 的 是 确 定 不 同 原 始 条 件 下 、 以不 同 驱 替 方 法 (包 括 热 水 驱 ) 进 行 表 面 活 性 剂 注 入的 原 油 采 收 率 。 验 的 目 的 是 观 察 表 面 活 性剂 吞 吐 (周 期 性 注 入 - 浸 泡 - 采 油 ) 的 采 油 动 态 。在 这 些 实 验 中 ,向 多 孔 介 质 的 一 端 注 入 预 定 量 的 表面 活 性 剂 ,在 另 一 端 采 集 流 体 。 按 设 计 经 过 一 段 浸泡 时 间 (即 注 入 与 采 出 之 间 的 焖 井 期 间 )后 ,将 产 出流 体 回 注 到 填 砂 模 型 中 ,并 从 注 入 端 产 液 。 少 数 实59第 2 期                                 徐 雅 莉 等 :稠 油 开 采 的 化 学 方 法验 进 行 了 两 个 周 期 。4   实 验 结 果411   油 表 面 活 性 剂 驱 实 验 结 果实 验 结 果 表 明 ,热 水 驱 (50 ℃ ) 比 冷 水 驱 更 有效 ,它 是 在 降 粘 的 基 础 上 进 行 的 。 表 面 活 性 剂 驱 的冷 采 采 收 率 为 3912 % ,仅 比 冷 水 驱 的 3418 %高 出一 点 。 经 比 较 发 现 ,增 产 出 现 在 驱 油 后 期 。 其 他 表面 活 性 剂 驱 也 表 现 出 相 似 的 特 征 。 表 面 活 性 剂 - 油水 界 面 处 体 现 为 乳 化 作 用 和 流 度 比 与 毛 细 管 数 增 加 。使 用 表 面 活 性 剂 热 采 采 收 率 为 5215 %。 产 量 的 增 加应 归 因 于 前 面 提 过 的 诸 因 素 综 合 作 用 的 结 果 。为 了 掌 握 水 驱 之 后 进 行 表 面 活 性 剂 驱 的 效 果 ,共 做 了 两 次 实 验 。 冷 水 驱 后 进 行 表 面 活 性 剂 驱 仅增 油 7 % ,这 是 由 于 注 入 的 表 面 活 性 剂 被 地 层 水 大量 稀 释 所 致 。在 上 面 的 实 验 中 ,先 注 入 冷 表 面 活 性 剂 ,然 后注 入 热 表 面 活 性 剂 ,增 产 量 增 加 到 2112 % ,表 明 该阶 段 原 油 分 相 流 动 与 冷 采 相 比 有 明 显 增 强 。为 了 观 察 在 冷 水 驱 和 热 水 驱 之 后 注 入 表 面 活性 剂 的 驱 替 效 果 ,进 行 了 两 次 实 验 。 就 剩 余 油 而言 ,采 收 率 分 别 为 3311 %和 1012 %。 由 于 热 水 驱之 后 的 剩 余 油 比 冷 水 驱 要 少 ,因 此 认 为 数 量 不 大 的增 产 量 来 自 后 者 。总 体 来 说 ,在 原 始 含 油 饱 和 度 状 态 下 ,相 当 于束 缚 水 饱 和 ,冷 表 面 活 性 剂 驱 比 冷 水 驱 更 有 效 。 然而 ,如 果 已 经 进 行 过 冷 水 驱 ,那 么 采 用 热 表 面 活 性剂 驱 则 优 于 冷 表 面 活 性 剂 驱 。412   表 面 活 性 剂 吞 吐 实 验 结 果 粘 度 在 实 验 温 度 (25 ℃ ) 下 为 5 890s。 实 验 中 向 填 砂 柱 的 一 端 注 入 了 预 定 数 量 的表 面 活 性 剂 ,然 后 中 断 注 入 ,使 填 砂 柱 处 于 浸 泡 之中 ,之 后 ,从 另 一 端 产 出 的 流 体 被 回 注 到 该 端 ,并 从原 注 入 端 产 液 。 如 果 需 要 ,可 重 复 此 周 期 。 该 工 艺中 的 主 要 变 量 是 注 入 速 率 (保 持 8123 m/ d) 、 表 面 活性 剂 质 量 浓 度 (1 000 和 2 000 L) 以 及 浸 泡 时 间(1~ 7 d)共 完 成 8 组 实 验 ,并 对 实 验 结 果 进 行 了 选择 性 的 讨 论 。 对 单 周 期 来 说 ,最 高 采 收 率 为 水 驱 剩余 油 的 811 % ,双 周 期 为 1212 %。实 验 3 是 在 一 个 2 000 L 的 0128 面活 性 剂 段 塞 之 后 又 跟 随 一 个 1 000 L 的 0128 。 其 目 的 是 将 浓 度 高 的 段 塞 驱 动 到 多 孔 介 质的 更 远 处 ,以 促 进 乳 化 作 用 。 每 个 段 塞 的 浸 泡 时 间为 1 d。 其 采 收 率 低 (水 驱 剩 余 油 饱 和 度 的 111 %)表 明 这 种 方 法 是 无 效 的 。实 验 4 是 注 入 了 1 000 L 的 015 面 活性 剂 段 塞 , 其 浸 泡 时 间 为 7 d , 原 油 采 收 率 为8112 %。实 验 1 为 一 个 双 周 期 浸 泡 实 验 ,使 用 了 两 个 质量 浓 度 为 1 000 L 的 015 塞 。 第 一 周 期 产液 含 油 量 仅 为 1 %左 右 ,第 二 周 期 提 高 到 2 %左 右 。总 采 收 率 为 218 %。单 位 产 油 量 所 消 耗 的 表 面 活 性 剂 数 量 是 一 个重 要 的 工 艺 有 效 性 参 数 ,以 单 位 ,其 计 算公 式 如 下 :表 明 活 性 剂 耗 量 = 01035 053 × ρ × )式 中 :ρ 为 表 面 活 性 剂 质 量 浓 度 ,L ; 以 孔隙 体 积 数 为 单 位 测 量 的 注 入 段 塞 体 积 , 采收 率 , % ; 塞 注 入 时 的 原 油 饱 和 度 , %。根 据 公 式 (1) ,表 面 活 性 剂 的 消 耗 量 应 为 20~100   化 学 方 法 的 局 限 性化 学 驱 方 法 受 成 本 和 在 油 藏 中 流 动 的 限 制 。表 面 活 性 剂 的 成 本 差 别 很 大 ,价 格 为 1110~ 4140美 元 / 并 呈 逐 渐 下 降 趋 势 。从 油 藏 流 动 的 角 度 来 看 ,由 于 吸 附 作 用 和 与 矿物 反 应 所 造 成 的 表 面 活 性 剂 损 失 是 非 常 令 人 担 心的 问 题 。 损 失 量 会 随 着 粘 土 含 量 的 增 加 而 增 加 。在 注 入 速 度 低 并 且 在 油 田 中 影 响 面 积 大 的 情 况 下 ,表 面 活 性 剂 的 重 力 分 异 作 用 也 是 一 个 重 要 因 素 。表 面 活 性 剂 与 水 混 合 ,尤 其 是 在 水 驱 之 后 采 用 该 工艺 ,会 使 其 稀 释 ,致 使 表 面 活 性 剂 驱 无 效 。 在 环 保方 面 ,注 入 化 学 剂 以 及 产 液 中 含 有 这 些 化 学 剂 也 会导 致 成 本 升 高 。6   可 能 的 改 进 措 施在 进 行 任 何 现 场 试 验 之 前 ,都 要 将 表 面 活 性 剂在 岩 石 中 的 损 失 作 为 全 部 相 关 变 量 的 函 数 进 行 精细 研 究 。 在 化 学 驱 中 ,选 择 表 面 活 性 剂 是 至 关 重 要 的一 步 。 如 果 损 失 量 很 高 ,可 以 注 入 一 种 牺 牲 剂 (如 木质 素 磺 酸 盐 )作 为 前 置 液 。 这 样 做 会 增 加 成 本 ,并 且69                         特 种 油 气 藏                                       第 10 卷两 种 流 体 的 重 力 分 异 不 同 也 会 降 低 工 艺 效 果 。应 当 谨 慎 地 看 待 实 验 室 结 果 ,因 为 它 们 通 常 是与 油 田 实 际 不 成 比 例 的 ,而 且 实 验 中 也 没 有 体 现 油藏 非 均 质 性 的 影 响 。 由 于 有 些 机 理 没 有 体 现 在 公式 中 ,因 此 化 学 驱 的 数 值 模 拟 结 果 也 不 可 靠 。化 学 方 法 对 于 薄 层 中 的 可 流 动 稠 油 仍 具 有 吸引 力 ,因 为 它 们 不 受 时 间 约 束 并 可 以 使 用 相 对 大 的井 距 。 总 结 以 前 的 经 验 ,将 有 助 于 我 们 研 究 出 成 功的 油 田 化 学 驱 方 法 。7   结   论(1) 室 内 实 验 表 明 ,表 面 活 性 剂 驱 的 产 量 比 水驱 高 许 多 。(2) 对 于 油 ,在 原 始 含 油 饱 和 度 状 态下 ,冷 表 面 活 性 剂 驱 优 于 冷 水 驱 (46 %与 35 %) ;在水 驱 之 后 ,热 表 面 活 性 剂 驱 优 于 冷 表 面 活 性 剂 驱(增 产 21 %与 7 %) 。(3) 水 驱 之 后 进 行 表 面 活 性 剂 吞 吐 仅 增 油 几个 百 分 点 : 单 周 期 最 高 采 收 率 为 811 % ,最 低 为0144 %。(4) 第 1 周 期 开 采 量 大 约 是 第 2 周 期 的 2 倍 。(5) 表 面 活 性 剂 消 耗 量 会 很 大 ,大 约 为 20~100 辑   方   斌贝(上 接 第 81 页 ) 应 加 大 缓 蚀 剂 的 用 量 ,以 防 止 对 井下 管 串 的 腐 蚀 。根 据 所 研 制 的 自 生 热 压 裂 液 配 方 ,结 合 软 件 预测 的 温 度 环 境 ,室 内 配 制 压 裂 液 并 进 行 压 裂 液 性 能评 价 实 验 ,测 试 其 溶 胀 性 、 剪 切 稳 定 性 、 热 稳 定 性 、流 变 性 、 破 胶 性 、 与 地 层 水 的 配 伍 性 等 各 项 性 能 ,检验 其 是 否 满 足 现 场 施 工 要 求 。6   施 工 工 艺 简 介如 图 1 所 示 ,在 现 场 或 配 液 站 ,按 软 件 预 测 的浓 度 分 别 将 生 热 剂 制 成 水 溶 液 ,图 1   地 面 泵 液 方 法 简 图1   of 把 添 加 剂 按 配 方 浓 度 溶 于 水 溶 液 中 ,形 成 原 胶液 1 和 原 胶 液 2。 同 时 ,按 配 方 要 求 配 置 胶 联 液 。由 于 催 化 剂 的 作 用 下 混 合 后 即发 生 反 应 ,因 此 在 地 面 配 液 时 要 将 其 完 全 分 开 ,配制 好 后 要 分 装 在 不 同 的 容 器 中 。 施 工 开 始 时 , 进 入 井 筒 后 才 混 合 并 发 生 反 应 。而 催 化 剂 按 设 计 要 求 的 浓 度 在 地 面 只 需 加 入 到 其中 任 意 一 种 原 胶 液 中 即 可 。7   结   论(1) 通 过 调 整 生 热 剂 浓 度 可 以 控 制 自 生 热 压裂 中 的 自 生 热 量 ;通 过 调 整 催 化 剂 种 类 、 浓 度 、 环 境温 度 可 以 控 制 自 生 热 压 裂 液 的 反 应 速 度 。(2) 施 工 设 计 时 ,首 先 利 用 温 度 场 预 测 软 件 来选 择 合 适 的 生 热 剂 用 量 ,以 达 到 压 裂 液 进 入 井 底 后温 度 高 于 析 蜡 温 度 。(3) 自 生 热 压 裂 施 工 工 艺 简 单 ,操 作 可 行 性高 ;并 且 油 井 在 采 用 自 生 热 压 裂 后 可 以 迅 速 投 产 ,不 会 出 现 压 裂 效 果 滞 后 的 现 象 ,能 够 提 高 压 裂 效果 。(4) 自 生 热 压 裂 技 术 尤 其 适 用 于 原 始 地 层 温度 较 低 、 生 产 层 位 较 浅 、 目 前 地 层 压 力 较 低 、 地 层 返排 能 力 较 弱 的 高 凝 油 油 藏 。参 考 文 献 :[1 ] in C]1 19851[2 ] of a C]11984 :423~ 4281[3 ] 吴 安 明 ,陈 茂 涛 1 应 动 力 学 及 其 在 油田 的 应 用 研 究 [J ]1 石 油 钻 采 工 艺 ,1995 ,17 (5) 1编 辑   刘 兆 芝79第 2 期                                 徐 雅 莉 等 :稠 油 开 采 的 化 学 方 法
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