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1、提高采收率技术与方法,石油大学（华东） 张艳玉,通常油田在经过了一次和二次采油后，仍有占地质储量约三分之二的原油留在地层中。近年来的勘探工作表明新增的石油储量十分有限，发现大型油田的可能性正在逐年降低。在此情况下，为了最大程度地开发利用现有的资源，人们发展了多种三次采油技术以提高石油的采收率。 传统上将一次和二次采油之后的原油开采方法称为”三次采油” ，但是由于有些技术（如 CO2驱）既可用于二次也可用于三次采油方法，而有的技术则对于二次采油比对三采更为有效，因此后来一般将这些技术统称为“强化采油技术”（Enhanced Oil Recovery，简称 EOR），或称提高采收率技术。 提高或改
2、善采收率（EOR或IOR）研究是油气田开发永恒的主题之一。 自20世纪以来，人们一直致力于提高采收率的探索和研究工作，发展到目前常用的提高采收率方法可以分为三大类，即热力采油、化学驱和注气混相非混相驱。,常用的EOR方法可以分为三大类： 热力采油 化学驱 注气混相非混相驱， 此外，还有一些其他的方法如微生物采油等。 即我们常说的： “三气”N2（烟道气）驱、 CO2 驱、烃类气体多次接触混相驱（蒸发气驱、凝析气驱）和一次接触混相驱； “三水”胶束聚合物、碱表面活性剂聚合物驱、聚合物驱 或凝胶处理； “三热力”火烧油层、蒸汽或热水驱、地面坑道采矿。,从原理上来看，这些方法的主要驱油机理有三点 （
3、1）通过两相传质以达到混相； （2）降低界面张力； （3）改变原油或驱替剂的粘度。 对于某种方法来说，可能存在多种机理同时发生作用，如对于注气混相驱技术，在达到混相的同时界面张力也降低到零。,非混相驱 注气驱 混相驱 一次接触混相 多次接触混相 蒸发气驱混相 凝析气驱混相,一、注气驱发展现状 二、注气提高采收率机理 三、注气过程中有关物理化学现象及影响因素 四、注气驱物理模拟技术 五、注气驱数值模拟技术 六、注气提高采收率技术,注气提高采收率技术与方法,一、注气驱发展现状,注气驱始于二十世纪50年代。 蒸发混相驱：始于1950年，美国Texas（德克萨斯州）Block31油田，被世界公认为世界
4、第一个高压蒸发混相驱，至今仍在进行。 凝析气驱：水平状油藏，始于1953年。 垂直重力稳定驱油藏，始于1965年 。 一次接触混相驱：始于1950年。 CO2驱：始于1950年 。初次工业性试验始于1960年，但失败了。 一系列先导试验始于1970年。,目前在国外，注气已成为除热采之外发展较快的提高采收率的方法。 将1992年与1990年的数据作比较，近几年采用热采的数量基本稳定，采用化学驱的数量下降了 44.0，而注气数量则增加 36（其中烃和非烃混相驱增加5l%）。 迄今为止，有3的世界原油产量由注气提高采收率（EOR）获得，而加拿大的EOR增产则为原油总产量的20，美国的EOR增产为10
5、。1994年美国、加拿大提高采收率项目见表l。 1986年后，由于国际油价下滑，在美国实施的提高采收率项目明显减少，1986年为512项，而CO2 驱为38项，而1994年则仅为226项。1992年前烃类非混相驱一直稳定在242项，1994年为15项。1986年CO2为38项，而1994年却增加到54项，仅有CO2项目在该年度增加了42。1994年初与1986年相比，CO2项目增加的产量提高了6倍。,表1美国、加拿大1984年提高采收率项目和原油产量,以CO2溶剂为主导，而在加拿大则主要使用烃类溶剂，其主要原因是：在加拿大，烃类气体来源广泛、方便且便宜，制备烃类溶剂所需的气体和液态烃可从油田附
6、近的气田或管道中得到；同时，由其它途径（如发电厂）得到的CO2十分昂贵，由于CO2气田远离油田，需花费大量的资金去解决开采、处理和注入设备等方面的问题。,我国注气提高采收率技术发展简状,在我国东部主要产油区，天然气气源供不应求，发现的CO2气源较少，目前还没有充裕的气源用来注气，再加上该地区油田原油含蜡多，粘度和密度都比较高，注气后由于不利的流度比、气窜和重力差异比较严重，波及系数不高，难以产生混相，所以，在该地区注气混相驱和非混相驱一直未能很好地开展起来。 尽管如此，注非烃气体混相和非混相驱的研究和现场先导试验一直没有停止过。CO2驱在我国60年代初就受到重视。 1963年首先在大庆油田将此
7、作为提高采收率的方法进行研究， 1965年该油田专门开辟了小井距提高采收率试验区，对此进行了先导性试验，提高采收率10左右。,1969年3月1970年6月大庆油田又在小井距试验区葡Il2 层注入CO2进行轻质油段塞提高采收率矿场试验，结果比水驱提高采收率8。但是，现场效果不如室内实验结果理想，大概有二个方面的原因：一是注入量比较小（仅为孔隙体积的2.6），没有达到设计要求用量；二是注入剂粘度低，导致平面上波及系数低，影响了采收率的提高。 到70年代，由于受CO2气源的限制，注气的研究基本都停止了，只有胜利油田在室内还进行了一些最低混相压力的测定和混相机理研究。 后来，在苏北黄桥、吉林万金塔、大
8、港等地区相继发现了一些天然CO2气源，为此，自1985年开始，气体混相驱和非混相驱工作又重新开展起来。,中原、大庆、华北等油田开展了试验，其中：大庆油田与法国合作，利用大庆炼油厂加氢车间的尾气，在萨南油田进行了CO2非混相驱矿场试验，并还在北一区断东和北二区东部开展了两个矿场试验，实行水气交替注入；华北油田与法国合作，在雁翎油田开展注N2非混相驱矿场试验；中原油田也与加拿大合作，进行了注烃或CO2 混相驱可行性研究。1994年以后，吉林油田利用万金塔CO2气田的液态CO2 开展了CO2 吞吐和CO2泡沫压裂等工艺措施，到1998年为止，并对144口井实施了CO2吞吐实验，平均1吨CO2 产3.
9、3t原油，共对119口井开展了CO2泡沫压裂，平均1吨CO2增油8.6t。 1996年江苏富民油田对48口井开展了CO2吞吐试验，累计增油1500t，目前试验的7口井由于见效显著，又开展了驱替试验。,我国西部油田的情况与东部大不相同。例如，塔里木油田和吐哈油田的原油密度小，粘度低，大多数属挥发油，或弱挥发油，或凝析油，即使是黑油，其油质也比较轻，并且埋藏深、储层物性差，这种情况为注气湿相驱提供了十分有利的地质条件。西部的天然气资源非常丰富，那里人口稀少，地域广阔，煤资源丰富，工业基础薄弱，天然气需求量少，为注气提供了必要的气源保证。因此，注气混相驱在我国的西部地区将有很好的发展前景。 目前吐哈
10、葡北油田注气混相驱设计已正式实施两年多，这是我国第一个油田规模的二次采油水气交替注烃混相驱实践，不仅对吐哈油田，乃至对西部油田，甚至对全国的油田开发都有重要的指导意义。从目前的情况来看，该油田已获得了很好的注气效果，能保持油层压力在混相压力以上。,另外，大港大张坨凝析气田和塔西南柯克亚凝析气田注气的成功，实现了我国用注气开发凝析气田零的突破；塔里木油田牙哈凝析气田高压干气回注的成功，不仅为富含凝析油的凝析气田保持压力开发提供了宝贵的经验，也打破了注气的神秘感，为注气提高原油采收率开辟了新的途径。,二、注气提高采收率机理,1.注气的相态 （1）用三角相图表示三组分相态 通常油藏流体是复杂的多组分
11、混合物，表示其相态的一种近似方法是三角（或称三元）相图（图11）。,（2）用拟三角相图表示多组分的相态 为了表示多组分油藏流体，可把流体组分划分成三种拟组分，并在三角相图上近似地表示出来，称“拟三元相图”。一种常用的划分方法将其分为：挥发拟组分（N2十CH4）； 中间拟组分（C2C6）；相对不挥发组分（C7+）。,图1 三组分三元相图,2.混相原理 根据不同注入气体与原油系统的特性，混相驱分为：一次接触混相驱、多次接触混相驱。多次接触混相驱替又可细分为凝析气驱（富气驱）和蒸发气驱（贫气驱）两种方式。,图2 溶剂段塞的一次接触混相,（1）一次接触混相驱 达到混相驱替最简单和最直接的方法是注入按任
12、何比例都能与原油完全混合的溶剂，以便使所有的混合物为单相。中等分子量烃，如丙烷、丁烷或液化天然气是常用来进行一次接触混相驱的注入溶剂。 图2为一次接触混相的相态要求。液化天然气溶剂用拟组分 C2 -C6代表。所有的液化天然气和原油的混合物，在这一图上全都位于单相区。为在溶剂与原油之间达到一次接触混相，驱替压力必须位于p一X图临界凝析压力之上，因为溶剂一原油混合物在这一压力之上为单相。,液化天然气是与油藏流体发生初接触混相的溶剂，如果连续注入它，费用显然太高。现场中采用的替代办法是，交替注入一定体积的成本较低的液化天然气溶剂和溶剂段塞。采用混相驱方案后，溶剂混相驱替油藏原油，驱动气混相驱替溶剂，
13、最后推动小的溶剂段塞通过油藏。 对于一次接触混相驱来说，中间分子量的烃注入溶剂将从沥青基原油中沉淀出一些沥青质，并且这种趋势会随着烃溶剂分子量的增加而减弱。严重的沥青质沉淀可降低渗透率，并影响井的注人能力和产能，甚至在生产井中引起堵塞。,（2）多次接触混相 注入气体后，油藏原油与注入气之间就地出现组分传质作用，形成一个驱替相过渡带，其流体组成由原油组成变化过渡为注入流体的组成。这种原油与注入流体在流动过程中重复接触并靠组分就地传质作用达到混相的过程，称作多次接触混相或动态混相。 在多级接触混相驱中，需用到两个概念，即向前接触和向后接触。向前接触是指平衡的气相与新鲜的原油相接触，通过蒸发或抽提作
14、用进行相间传质；而向后接触是指平衡液相与新鲜注入气之间不断进行的相间传质。这两种驱替在不同地点发生。向前接触发生在前缘，而向后接触发生在后缘。 根据传质方式的不同，多次接触混相分为凝析气驱（富气驱）和蒸发气驱（贫气驱）。,（a）凝析气驱混相 富烃气富含C2-C6的中间组分，它不能与油藏原油发生初接触混相，但在适当的压力下可与油藏原油达到凝析气驱动态混相，即注入的富气与油藏原油多次接触，并发生多次凝析作用，富气中的中间组分不断凝析到油藏原油中，使原油逐渐加富，直至与注入气混相。,图3 凝析气驱混相,油藏原油与富气起初并不混相，但当富气初接触油藏原油后，由于富气中的中间组分溶于原油中，原油加富，油
15、藏流体组成变为M1，其相应的平衡气液分别为G1、L1；随后，再注入富气推动可移动的平衡气体G1向前进入油藏，留下平衡液体L1供注入气接触，并发生混合，在这一位置上形成一新的混合物M2 ，其平衡气液为G2 、L2；继续注入富气，重复上述过程，井眼附近液相组成以相同方式逐渐沿泡点曲线改变，直至临界点，气液达到平衡，油气不存在相界，完全达到混相。,图3说明了富气凝析气驱混相的机理，图中示出油藏原油及注入富气(B)的组成。 显然，注富气混相驱是多次接触混相过程，通过注入富气中的中间组分不断凝析到原油中，原油逐渐变富，在注入气的后端与原油性质达到相同，从而实现混相。通常必须注入相当多的富气才能使混相前缘
16、的混相得以保持，一般采用的富气段塞为1020的孔隙体积。,(b)蒸发气驱混相 达到动态混相驱替的另一机理是，依靠就地蒸发（汽化）作用，让中间分子量烃从油藏原油蒸发并进入注入气。这种达到混相的方法称作蒸发气驱混相。 用天然气、二氧化碳、烟道气或氮气作为注入气是可以达到混相的。 当油藏原油含有较多中间烃时，通过注入气与原油多次接触，能蒸发或抽提油藏原油中的烃一使注入气富化，实现蒸发气驱动态混相。 天然气、烟道气和氮气主要用以抽提C2C5。 CO2也能达到动态混相，主要用于抽提更大分子量的烃，即C2C30。 图4说明了富气蒸发气驱混相的机理。,图4 蒸发气驱混相,油藏原油A含有较多的中间分子量烃，并且它的组成位于通过临界点的极限系线的延长段上。注入初期，注入气体和油藏原油是不混相的，注入气体由井眼向外非源相地驱替原油，并在气前缘的后面留下一些未驱替走的原油。此时，注入气体和初次接触后未驱替走的原油的总组成为M1，油藏中平衡的液、气相组成为
