三次采油的原理、方法和在油田中的应用资料解读12132.pdf

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1、西北大学地质学系研究生综述性课程成绩单 学生姓名 高春云 类 别 博士 专 业 油气田地质与开发 年 级 2014 课程名称 现代油藏工程 任课教师 孙卫 学 时 36 学 分 2 课程成绩（百分制）教师评语：任课教师签名：年 月 日 教师注意事项：1、课程总成绩应基本符合正态分布；2、若有两种（及以上）方式进行综合考核，需明确各部分所占比例；3、评语中应指出该份作业的特点与不足。三次采油在油田中的应用、方法和进展 石油作为一种重要的不可再生化工能源，对国家经济和国家安全都有重要的作用，在国家发展中占有举足轻重的地位。然而，随着勘探技术的发展和工作的深入，继续发现大的油气田越来越困难，因此，提

2、高采收率成为油气发展永恒的主题。20 世纪 40 年代以前,油田开发主要是依靠天然能量消耗开采,一般采收率仅 5%-10%,我们称为一次采油。它反映了早期的油田开发技术水平较低,使 90%左右的探明石油储量留在地下被废弃。随着渗流理论的发展,达西定律应用于油田开发。人们认识到油井产量与压力梯度呈正比关系,一次采油采收率低的主要因素是油层能量的衰竭,从而提出了人工注水(气),保持油层压力的二次采油方法,使油采收率提高到30%-40%。这是至今世界上各油田的主要开发方式,是油田开发技术上的一次大飞跃。但二次采油仍有 60%-70%的油剩留地下。为此,国内外石油工作者进行了大量研究工作,逐步认识到制

3、约二次采油采收率提高的原因,从而提出了三次采油新方法。1.提高采收率原理 在油田开发过程中,通常称利用油藏天然能量开采的采油方式为一次采油。而在一次采油后,通过注水或非混相注气提高油层压力并驱替油层中原油的驱油方式称为二次采油。三次采油是针对剩余油而进行的，指油田在利用天然能量进行开采和传统的用人工增补能量(注水、注气)之后,利用物理的、化学的、生物的新技术进行尾矿采油的开发方式。这种驱油方式主要是通过注化学物质、注蒸汽、注气(混相)或微生物等,从而改变驱替相和油水界面性质或原油物理性质。采收率地质储量最终累计采油量，最终累计采油量一般以油田含水量在 98%以上为止。与采收率有关的两个参数是波

4、及系数 EV和洗油效率 ED。EV是指被工作剂驱过的体积与油藏体积之比。ED是指从波及区中洗出的油的体积与原始含有体积之比。二者与采收率的关系是DVEE。各种提高采收率的原理都可由这两个参数来分析。影 响 采 收 率 的 主 要 因 素 主 要 是 储 层 非 均 质 性 和 流 度 比。流 度 比OOk驱动液驱动液驱动液kMO，其中流度k。M 越小，EV越大，油水前缘越规则，越大。大量实践和理论研究证明,油层十分复杂,具有非均质性,油、水、气多相流体在油层多孔介质中的渗流过程十分复杂。不仅注入水(气)不可能活塞式驱油,不可能波及到全油层,而且在多相渗流过程中,受粘度差、毛细管力、粘滞力、界面

5、张力等的影响,各相流量将随驱油过程中各相饱和度的变化而变化。只有进一步扩大注入水(气)波及体积,提高驱油效率,才能大幅度提高采收率。由此,人们在非均质性的油层提出了多种三次采油方法,一种是旨在提高注入水粘度、降低油水粘度差、提高注入水波及体积的聚合物驱;第二种是旨在降低界面张力、提高注入水驱油效率的表面活性剂驱、碱驱、混相驱;第三种是 80 年代后期发展起来的既可扩大波及体积又可提高驱油效率的复合驱。三次采油远不同于二次采油。二次采油是依靠人工补充油层能量的物理作用提高采收率,而三次采油方法是在注水保持油层压力基础上,又依靠注入大量新的驱油剂,改变流体粘度、组分和相态,具有物理化学的双重作用,

6、不仅进一步扩大了注入水波及范围,而且使分散的、束缚在毛细管中的残余油重新聚集而被采出。因此,三次采油要求更精细地掌握分散原油在地下油层中的分布;研究新的驱油剂与十分复杂的岩石矿物、流体的物理-化学作用;探索并掌握非牛顿流体多相渗流的基本规律。从而正确合理地进行油田开发部署井网、井距、层系划分、注采关系、注采工艺、动态监测、相应的地面集输系统和净化处理等。总之,一整套技术都将随着三次采油技术的应用而发生变化。油田开发要建立在更广泛的多学科综合应用基础上,从宏观和微观上更深化对地下流体渗流的认识,深化对油田的认识。三次采油将把油田开发带入一个更高技术水平的新阶段。2.三次采油的基本概念、类型及驱油

7、机理 2.1 三次采油的基本概念和类型 三次采油是指油田在利用天然能量进行开采和传统的用人工增补能量(注水、注气)之后,利用物理的、化学的、生物的新技术进行尾矿采油的开发方式。这种驱油方式主要是通过注化学物质、注蒸汽、注气(混相)或微生物等,从而改变驱替相和油水界面性质或原油物理性质。目前世界上已形成三次采油的四大技术系列,即化学驱、气驱、热力驱和微生物采油。其中化学驱包括聚合物驱、表面活性剂驱、碱水驱及其复配的三元复合驱等;气驱包括混相或部分混相的 CO2驱、氮气驱、天然气驱和烟道气驱等;热力驱包括蒸汽驱、蒸汽吞吐、热水驱和火烧油层等;微生物采油包括微生物调剖或微生物驱油等。2.2 三次采油

8、驱油机理 2.2.1 化学驱油（1）碱驱 碱水驱是把碱类物质，如氢氧化钠、硅酸钠、碳酸钠、碳酸氢钠、氢氧化按加入水中注入地层，通过碱与原油中的酸性组分就地生成表面活性剂，降低界面张力、乳化原油、溶解油水界面上的刚性界面膜、改变岩石润湿性等机理，降低残余油，从而达到提高采收率的目的。碱水驱适合于原油酸值较高、粘土含量较低的油藏，但由于碱能与岩石发生反应，损耗碱的同时也破坏地层，而且对酸值低的原油，碱的作用很小，所以碱驱很快就被淘汰了。（2）聚合物驱 聚合物驱油是一种流度控制技术，是通过在注入水中加入一定量的高相对分子质量的聚丙烯酞胺或生物聚合物黄胞胶，增加注入水的粘度，改善油水流度比，提高驱替相

9、的波及体积，同时，由于聚合物溶液属于非牛顿流体，具有一定的粘弹性，提高了微观驱油效率，从而获得较高的采收率。在聚合物驱中，聚合物浓度一般为 3001500mg/L，段塞尺寸为 0.20.6孔隙体积。聚合物驱可提高采收率 5%一 15%。国外的研究者一般是否定聚合物驱油的，主要原因是认为聚合物驱只能扩大波及体积，不能提高驱油效率，因此总的采收率提高值较低。美国20 世纪 70-80年代在现场实施了很多聚合物驱油试验，但平均采收率只提高 4.9%，经济效益差。我们认为波及体积和驱油效率都可以提高。大规模实施聚合物驱后，平均采收率提高值为12%左右，地面注采工艺和设备运行正常、可靠，经济效益很好。产

10、生这个反差的重要原因是大庆在粘弹性流体力学和渗流力学方面有所发展，有些部分还有突破，带动了整个工艺技术和方法的发展，大规模推广后取得了很好的效果。（3）表面活性剂驱 表面活性剂驱是将表面活性剂（通常是石油磺酸盐)加入到注入水中，通过降低油水界面张力提高驱油效率的一种三次采油方法。根据加入表面活性剂量以及在地下形成的体系性质，表面活性剂驱可分为活性水驱和胶束驱。在活性水驱中，加入的表面活性剂量较小，油水界面张力下降的幅度不是很大，通过活性水的润湿孔喉、降低界面张力以及乳化原油机理，降低残余油饱和度。由于表而活性剂在岩石表面的吸附，使其损失加大，驱油效果变差。因此活性水驱的成本相应增大。胶束驱又称

11、微乳液驱，是指将表面活性剂、醇类助剂以及电解质加入注入水中，在地下形成胶束溶液驱替原油的三次采油方法。其表面活性剂用量较大，由于胶束溶液具有增溶油的特性，它与油层原油接触后，可形成混相带，油水界面消失，大幅度地提高采收率。通常胶束驱与聚合物驱联合使用，即在胶束段塞后紧接着一个聚合物段塞，以保护胶束段塞不被后续注入水所破坏。胶束聚合物段塞驱具有很高的驱油效率和波及效率，但注入化学剂成本限制了该方法的应用。（4）碱一表面活性剂一聚合物三元复合驱 三元复合驱油是通过在注入水中加入一定量的表面活性剂、碱和高相对分子量的聚合物.大幅度降低油水界面张力，增加注入水的粘度，从而降低油水流度比，扩大油层宏观和

12、微观波及体积，进一步驱替水驱残余油，大幅度降低剩余油饱和度，提高驱油效率和原油采收率。界面张力越低，降低剩余油饱和度的幅度越大，提高驱油效率和采收率的幅度就越大 由于三元复合体系能够使油水界面张力降低至 以下，可以获得很高的驱油效率，其中聚合物可以增加体系的黏度，提高波及系数，因此三元复合驱可以获得较高的原油采收率。室内物理模拟结果认为，三元复合驱可提高水驱采收率的20%。但是三元复合驱的化学剂成本较高。（5）泡沫复合驱 泡沫复合驱技术是在三元复合驱和泡沫驱基础上发展起来的，该技术充分结合了两者的技术优势。与三元复合驱相比，泡沫复合体系具有较大的视粘度，能够更有效地降低水油流度比，同时由于泡沫

13、具有油敏性，遇到油易被破坏，因此具有更强的调剖作用，进一步提高了体系的波及效率，使注入体系更多的进入剩余油较多的中低渗透层;同时该体系具有三元复合驱的驱油特点，可以与被驱替原油形成超低界面张力，提高驱油效率，进而更大幅度地提高原油采收率。室内实验结果表明泡沫复合驱可比水驱提高采收率 30%左右。该技术是一项极具发展前景的三次采油新技术，目前正处于研究试验阶段。2.2.2热力驱三次采油技术 热力采油包括注蒸汽(蒸汽吞吐和蒸汽驱两种工艺)、火烧油层和热化学采油。注蒸汽和火烧油层都是利用热量加热油层和油层中的流体，降低原油粘度来达到减小油层流动阻力的目的。所不同的是蒸汽是在地面上的蒸汽发生器(又称热

14、采锅炉)中产生，通过地面管道和油井注入油层，而火烧油层热量则是在含油岩层内部产生，因而也称为就地加热或燃烧过程。这是按产生热量的方式或地点而区分的。如果按注采工艺区分，可把热采分为热驱(thermal drive)和热力激励或增产(thermal stimulation)两类。所谓热驱，是将热流体连续地注入一口井或几口井驱替原油，从其它井产油。维持热流体注入所需的压力会加快原油的流动，也增大油藏中的驱动力，因此，热驱不仅由温度升高而降低流动阻力，而且为增加流量供给动力，消耗热量多，但能获得较高的最终采收率。注蒸汽的热驱称为蒸汽驱，注空气火烧油层的热驱称为火驱。热力激励或增产只是加热井筒附近的油

15、层。一旦这部分油层内原油流动阻力降低，较远处油层内的驱动力，如重力驱、溶解气驱和天然水驱，就能引起该井产油速度的增加。注蒸汽的热力激励称为蒸汽吞吐(steam huff puff),蒸汽浸泡(steam soak)或循环注蒸汽(cyclic steam injection)。注空气火烧油层用作油井激励的增产措施很少采用，有时作为一种特殊的方法使用，因而没给予专门的名称。热化学是在采油技术中，注入亚硝酸钠和硝酸氨，使其在地层中产生化学反应，一方面产生气体形成气驱，一方面反应时产生大量热达到热驱效果。（1）蒸汽驱(热水驱)蒸汽驱是指将蒸汽从注入井注入到油层，蒸汽将稠油变稀并推向生产井的一种热采方法

16、(如图 1)。蒸汽驱提高原油采收率的机理有原油的粘度降低、受热膨胀、蒸汽蒸馏、汽驱以及相对渗透率和润湿性改变等。在地层中注入的蒸汽干度达到零时，蒸汽驱变为热水驱。蒸汽驱中最大的问题是蒸汽超覆和提前突破。由于蒸汽与原油的密度差、垂向渗透率非均质性以及平面非均质性导致蒸汽沿油层上部窜进和沿高渗透带提前在生产井中突破，导致波及体积较小，降低了蒸汽驱稠油采收率。因此，在蒸汽驱中流度控制技术已变得越来越重要。尽管人们已采用了蒸汽泡沫技术，但效果并不是很好。此外，蒸汽发生器排放污染、结垢、热效率不高也是蒸汽驱所遇到的问题。尽管如此，蒸汽驱已成为最有吸引力的三次采油方法，也是已进入工业化应用阶段的三次采油方

17、法。蒸汽驱的采收率可达 50%一 60%。图 1 蒸汽驱油示意图（2）火烧油层 火烧油层是通过注入空气(或氧气)与地层原油接触，采用人工井底点火或油层自发点火后，燃烧油层中部分重质原油，产生的热量和燃烧产物用以降低原油粘度、膨胀原油体积、驱动地层原油从而达到提高采收率的目的。火烧油层与蒸汽驱的最大区别在于火烧油层是在油层内产生热量，而不是象蒸汽驱那样在地面产生热量。火烧油层的机理非常复杂，除了蒸汽驱的机理外，还包括原油就地热裂解和烃类混相驱等。与注蒸汽不尽相似，火烧油层很少用作激励增产措施，极大多数情况用于驱替，因此火烧油层亦称为火驱(fireflood)。图 2 火烧油层驱油示意图 火烧油层

18、大致可分为干式向前燃烧法(dry forward combustion，简称“干烧法”)、湿式向前燃烧法(wet forward combustion，简称“湿式燃烧法”)和反向燃烧法(reverse combustion)三种方法。前二种方法中，空气(或其它含氧气体)流动方向与燃烧前缘移动方向相同，故称为正向燃烧法(如图 2);第三种方法空气流向与燃烧前缘移动方向恰好相反，故称为反向燃烧法。2.2.3气驱三次采油技术 气驱采油技术主要是混相驱或者部分混相驱，这在美国得到广泛应用，比我国聚合物采油规模要大得多。气体混相驱的目的是利用注入气体能与原油达到混相的特性，使注入流体与原油之间的界面消失

19、，即界面张力降低至零，从而驱替出油藏的残余油。气体混相驱按混相机理可分为一次接触混相驱和多次接触混相驱。按注入气体类型可分为烃类气体混相驱(如 LPG段塞驱、富气驱、贫气驱)和非烃类气体混相驱(如 CO2 驱、N2 和烟道气等)。2.2.4微生物驱三次采油技术 微生物提高采收率是指利用微生物及其代谢产物增加石油产量的一种石油开采技术。该技术是将经过筛选和评价的微生物与培养基注入地下油层，通过微生物就地繁殖和代谢，产生酸、气体、溶剂、生物表面活性剂和生物聚合物，改变岩石孔道和油藏原油的物理化学性质，提高原油产量和增加油藏原油采收率。微生物采油技术又分为外源微生物采油技术和本源微生物采油技术。所谓

20、外源微生物表油技术，是将地面培养的微生物菌种与营养物一起注入地层，菌种在油藏内繁殖，生长企生大量代谢物如酸、低分子量溶剂、表面活性剂物质、气体、生物聚合物等，改善原油、油水界面性质和驱油效率提高油田采收率。与外源微生物采油技术不同的是，本源微生物采油技术是根据油层内微生物种类、数量和生长特性，研制相应的激活剂激活那些对提高石油采收率有利的微生物，从而产生大量的代谢产物，增加产油量。3 试验及推广规模 3.1 推广规模 当前三次采油技术发展迅猛，聚合物驱油已成为东部油田实现技术接替稳产的重要手段。大庆油田已在北二区、北一中块、北东块等 6 个大区，开展注聚面积达250km时，地质储量1.2810

21、 t 以上。1997年三次采油年产油量已接近4500 10，占大庆油田总产量的 8.8%。平均吨聚合物增油 120t。全油田适合聚合物驱的储量达27.8 810t，前景十分广阔。胜利油田 1997年已投注 8 个化学驱试验项目。目前孤岛中一区聚合物驱、西区聚合物驱、孤东八区聚合物驱及西区复合驱已开始实施，其它项目正在编制实施方案。化学驱面积 30.70 2km，地质储量48149 10 t，注入井数 284口，生产井数 486口，预测提高采收率 8.7%，增加可采储量 t。1997年三次采油年产量达4100 10t 以上。大港油田“九五”期间拟在港西二区断块，三区一、三、四断块，五区一断块和羊

22、三木三断块 Ng 上开展注聚工作，注聚面积达11.82km 时，地质储量43362 10t，注入井81 口，生产井155口，预计提高采收率8%左右，增加可采储量4269 10t。新疆克拉玛依油田 1998年将在七东 1 区开辟一个 12km 时以上复合驱工业试验区，预计提高采收率 8%，增加可采储量412 10t 以上。1990-1993年,吉林油田先后在近 40 口油井进行了“微生物井下发酵”提高采收率的试验,选出菌种为厌氧菌种,选择试验井的宗旨为过渡带地区的稠油井。利用微生物降解原油,改善原油的流动性;微生物在地层中发酵生成表面活性剂可降低油水界面张力,提高驱替效率等特性,选择中、高含水层

23、能起到降水增油的效果。施工的 35 口油井,平均注入含菌 5%-6%的水溶液约 3003m,累计增油数千吨。从试验井取样分析结果看,原油粘度降低,含蜡量降低,有利于重油的流动。3.2 室内实验研究呈多元化 各油田较注重各种提高采收率技术的储备研究和技术的多元化超前研究，主要开展的三次采油室内研究项目有以下几个方面:（1)三元复合体系驱油研究。目前各油田在这方面的研究重点是选择驱油效果好，价格低廉的表面活性剂，或者在表面活性剂的复配上进行了一些研究工作。以降低三元复合驱体系中的活性剂成本。大庆油田对于三元复合体系中色谱分离效应的研究已引起了重视，并在这方面开展了工作，提出了减少色谱分离的有效方法

24、。该项研究可为大井距配方的选择提供依据。（2)微生物驱油试验研究。我国主要油田都开展了微生物采油和微生物驱技术的室内研究工作，主要研究内容有:采用以烃类为唯一碳源的选择性培养基可在自然环境中筛选、培养采油微生物菌种;在油、水环境，油藏温度下，提供适当的培养基来促使微生物生长繁殖;用微生物来进一步提高油藏采收率;用微生物疏通油、水渗流通道，降低油水井的注人压力;微生物驱油提高采收率的主要机理;研究筛选乳化原油，降低油水界而魂为及厦油粘度的菌种。目前大港油田、胜利油田、克拉玛依油田已开展了微生物驱先导试验工作。（3)凝胶体系地层深部流体转向技术研究 凝胶体系地层深部流体转向技术属于调节层间或层内矛

25、盾，增加波及系数的一种提高采收率的方法。大港、胜利及大庆油田都开展了该项研究，特别是胜利油田已在孤东七区、三区、西四区等区块开展了交联聚合物驱油试验，见到了明显的效果。参考文献：1张小波蒸汽-二氧化碳-助剂吞吐开采技术研究J石油学报 2006.3:27-2 2李建江，赵玲莉三次采油技术的发展J油气田地面工程 2004.6:18-2 3 WANG DEMIN,CHENG JIECHENGSummary of ASP Pilots in Daqing Oilfield CSPE 57288 4郭万奎,程杰成,廖广志大庆油田三次采油技术研究现状及发展方向J大庆石油地质开发 2002.6:12-3 5

26、张景存大庆油田聚合物驱油矿场试验动态反应特点J油田化学,1993,10(1)6Li Jianjiang etc The Development Of Tertiary Oil Recovery Technology 7冈秦麟论我国的三次采油技术J油气采收率技术 2003.5:5-4 8谈士海微生物采油增产机理及应用J油气井测试 2003.2:17-3 9冯庆贵等应用微观透明模型研究微生物驱油机理M油田化学,2001.3 10王志鹏中原油田三次采油技术发展方向和潜力分析J西部探矿工程 2003.10:9-5 11沈平平,俞稼镛大幅度提高原油采收率的基础研究M 北京:石油工业出版社,2001 12

27、杨普华提高采收率研究的现状及近期发展方向J油气采收率技术,1999,6:4-1 13陈铁龙三次采油概论M 地质出版社，2000.11 14华建海，李干佐三次采油技术的发展现状及展望J化工科技市场，2000.7:17-20.15计秉玉对大庆油田进一步开展三次采油技术研究工作的几点意见J大庆石油地质与开发，2003.12:60-63.16黄学我国石油企业三次采油技术预见理论及应用J2006.9 读书的好处 1、行万里路，读万卷书。2、书山有路勤为径，学海无涯苦作舟。3、读书破万卷，下笔如有神。4、我所学到的任何有价值的知识都是由自学中得来的。达尔文 5、少壮不努力，老大徒悲伤。6、黑发不知勤学早，

28、白首方悔读书迟。颜真卿 7、宝剑锋从磨砺出，梅花香自苦寒来。8、读书要三到：心到、眼到、口到 9、玉不琢、不成器，人不学、不知义。10、一日无书，百事荒废。陈寿 11、书是人类进步的阶梯。12、一日不读口生，一日不写手生。13、我扑在书上，就像饥饿的人扑在面包上。高尔基 14、书到用时方恨少、事非经过不知难。陆游 15、读一本好书，就如同和一个高尚的人在交谈歌德 16、读一切好书，就是和许多高尚的人谈话。笛卡儿 17、学习永远不晚。高尔基 18、少而好学，如日出之阳；壮而好学，如日中之光；志而好学，如炳烛之光。刘向 19、学而不思则惘，思而不学则殆。孔子 20、读书给人以快乐、给人以光彩、给人以才干。培根