1、石油大学继续教育学院冀东油田开发新技术高级培训班 讲义提 高 石 油 采 收 率 技 术岳 湘 安2001.4.71一、概述（一）提高原油采收率的意义作为一种重要的能源和化工原料，世界范围内对石油的需求仍将持续增长。尤其在我国，一方面国民经济发展对石油需求量的增长速度比以往任何时候都大；另一方面，我国的各主力油田均已进入高含水或特高含水开采期，开采难度增大，产量递减幅度加大，而且后备储量严重不足，石油的供求矛盾日益突出。据预测，按目前的开采水平，到 2005 年我国进口原油将高达 108 吨/年（1 亿） 。这将对我国国民经济发展造成极其严重的影响。缓解石油供求之间日益突出的矛盾有两条有效的途
2、径：一是寻找新的原油地质储量；二是提高现有地质储量中的可采储量，即提高采收率。寻找新的油田、补充后备储量是原油增产和稳产最直接、最有效的途径。多年以来，各油田在开发过程中也不断加大勘探力度，找到新的储量。但是，石油是一种不可再生资源，它的总地质储量是一定的，而且我国陆上石油资源的勘探程度已经很高，新增地质储量的难度越来越大，潜力越来越少。近年来，几个大油田新增地质储量多数都是丰度很低、油层物性差、开采难度大的油藏。在有限的原油地质储量中，其可采储量是一个变量。它随着开采技术的发展而增加，而且其潜力一般很大。石油是一种流体矿藏，具有独特的开采方式。在各种矿物中，石油的采收率是比较低的。在目前技术
3、水平下，石油的采收率平均约在 30%60% 之间。在非均质油藏中，水驱采收率一般只有 30%40% 。也就是说，水驱只能开采出地质储量的一小部分，还有大部分原油残留在地下。如何将油藏中的原油尽可能的、经济有效地开采出来，是一个极有吸引力的问题，也是世界性的难题。从长远来看，只要这个世界需要石油，人们必将越来越多地将注意力集中到提高采收率上。实际上，与勘探新油田不同，提高采收率问题自油田发现到开采结束，自始至终地贯穿于整个开发全过程。可以说，提高采收率是油田开采永恒的主题。 （这种说法一点也不过分） 。近几年，我国已成为纯石油进口国，预计到 2005 年将进口 1 亿吨年。国民经济急需石油，大庆
4、是我国最大的油田，按现已探明的地质储量计算，采收率每提高一个百分点，就可增油 5000 万吨。这对国民经济的发展具有极其重要的意义。提高采收率是一个综合性很强的学科领域。它的综合性表现为两方面：高新技术的高度集成。不是一个单项技术而是一套集成技术，注入、采出、集输学科领域的高度综合。涉及各个学科。这种学科交叉、互渗，有助于产生新的理论突破，并孕育着新的学科生长点。而且，提高采收率的原理对于促进相关学科的发展，为这些学科提供发展空间具有很重要的意义。2目前，国内外研究与应用的提高采收率方法很多。由于驱替截介质不同，其具体的驱油机理各不相同，适应条件和驱油效果都不同。但所有驱油方法都基于一些具有共
5、性的原理。（二）提高采收率方法及其分类从油田开采阶段上划分，通常将利用油层所具有的天然能量，如溶解气、气顶等，将原油采至地面的方法（能量衰竭法）称之为一次采油。在天然能量枯竭后用人工补充油藏能量的开采方法，如注水、注气，称之为二次采油。但是这种开采方式的分类很容易引起混乱。例如，在我国和前苏联一些油田曾采用早期注水保持压力的开采方法，很难说这究竟是一次采油还是二次采油。在稠油油田往往是一投入开发就进行热力采油，很难按上面的原则将其归类。另一种是按技术特点分类：将传统的注水、注气以外的，不是以保持和补充油藏能量为目的，而是以改变和控制油藏及油藏流体物理化学性质为目的的所有开采方法统称为强化采油（
6、EOREnhanced Oil Recovery） 。目前，EOR 这一术语已获得普遍的认可，并已成为提高采收率的同义词。现有的主要 EOR 方法可分成如下几大类：（1）化学驱；（2）气驱；（3）热力采油。在这里，我们重点讨论化学驱。化学驱方法及技术比较：几乎所有化学驱方法都具有高盐敏性，即对矿化度非常敏感，所以一般对驱油体系的矿化度都有限制。由于化学体系在油层中运移时，易于发生吸附、滞留，甚至絮凝、沉降，影响化学剂的注入。如何保持足够的注入能力，是一个长期研究的课题。减少化学剂在油藏中的损失（吸附、滞留） ，是直接影响化学驱效果的关键问题。驱替方法 驱油机理 典型采收率（%）聚合物驱改善流度
7、比提高波及效率提高微观驱油效率510碱驱改善岩石润湿性降低油水界面张力通过乳化改善流度比5活性剂驱 降低油水界面张力增大毛管数 510胶束聚合物驱 降低毛管数 15碱聚合物驱 5ASP 复合驱 协同效应 15203泡沫驱泡沫调剖效果气体上浮运移、溶解气驱510烟 道 气 驱氮 气 驱 干 气 （ 或 贫 气 ） 驱富 气 混 相 或 非 混 相 驱液 化 石 油 气 混 相 驱轻 烃 驱混 相 或 非 混 相 驱气 驱 2CO电 磁 波 加 热电 加 热火 烧 油 层 蒸 汽 驱蒸 汽 吞 吐注 蒸 汽热 力 采 油另外，微生物提高采收率技术也日益受到了广泛的重视，加速研究。但由于许多技术方面
8、的问题，其工业化应用还有待时日。利用物理场激励油层、提高采收率，是一类新的技术思路，属于油气田开发的前言研究领域。这类物理方法提高采收率的机理还不十分清楚，须深化研究。可以与化学驱相互补充，对那些不适用化学驱的油藏是一类很有价值和前景的方法。（三）国外提高采收率技术发展现状提高采收率技术的应用不仅受技术水平发展的制约，更大程度受油价的制约。近年来，由于油价下跌，多数国家的 EOR 技术应用呈下降趋势，但对于 EOR 的研究却从未停止。据“油气杂志” （Oil and Gas）第十三次独家的两年一次的 EOR 调查，1996 年初世界提高采收率项目和稠油项目的石油产量估计约为 220 万桶天，约
9、占世界石油总产量的 3.6%。其中，美国72.4 万桶天，占 32.9%；加拿大 51.5 万桶天，占 23.4%；中国 16.6 万桶天，占 7.6%；前苏联地区 20.0 万桶天，占 9.1%，其他国家 59.3 万桶天，占 27.0%。热力采油是目前世界上应用最广泛、最主要的 EOR 方法，其产量约为 130 万桶天，占 EOR总产量的 59%。1. 美国 EOR 技术应用状况美国的 EOR 项目数自 1986 年以来持续下降，而 EOR 产量在 1992 年调查时居最高，达 760907桶天。4美国 1996 年统计的 700000 桶的 EOR 产量中，约有 60%是热力采油的产量。
10、其余产量的大部分是注气（轻烃、CO 2 和氮气） 。CO 2 驱在美国，CO 2 混相驱的产量与项目数都在持续增加，其原因是： Colorado 和新墨西哥拥有巨大的 CO2 资源，其供应条件已得到改善，已建成 3 条 CO2 输气管线。目前 CO2 日供应能力已达 10亿立方英尺；油藏模拟能力提高，改善油藏管理、降低成本，不仅大型项目效益好，而且小型项目的效益也很可观。据估计，CO 2 驱每桶油的成本已从 1985 年的 18.2 美元降至 10.25 美元。美国中南部的 Wasson San Anros 油田的 Willard 区 CO2 驱、CO 2 混相驱，十采收率比水驱提高了 12.
11、2%，总采收率达 53.1%。1996 年有 60 个矿场进行 CO2 混相驱，年总产油已达 855104 吨。气驱： CO2 混相驱 CO2 非混相驱 N2 驱 轻烃驱 热力采油化学驱 胶束聚合物 聚合物驱 碱驱 表面活性剂驱，只在 1990 年实施过 1 个项目，产油 20 桶天。这些统计资料表明，近年来，美国化学驱的项目数和产量急剧下降。这主要是由于经济效益的制约。由此也必然影响到其技术研究的进展。3. 俄罗斯和独联体 EOR 技术应用状况俄罗斯和独联体在 122 个油田的 237 个区块上实施过 EOR 方法 热力采油前苏联实施热采的主要地区是美国气驱产量与项目数前苏联 EOR 产量与
12、项目数美国 EOR 产量与项目数5哈萨克。累计产油量到 1992 年已达 4080 万吨。其中近一半是靠蒸汽驱采出的（2030 万吨） 。注热水产油 1690 万吨，火烧油层产油 360 万吨。 化学驱化学驱的主要实施地区是鞑靼斯坦、西西伯利亚、伏尔加乌拉尔。到 1992 年已累计产原油3920 万吨，其中主要是靠聚合物驱采出的。也做过一些活性剂驱的矿场试验，但由于设备陈旧、管理不善、活性剂成本高，大多数试验经济效益不好。 气驱到 1992 年底，独联体采用天然气和水气交替注入，累计采油量达 670 万吨。主要是在西西伯利亚实施。前苏联进行的 CO2 驱试验不多，唯一的一次试验，由于管线膨胀和
13、造成污染等问题而终止。俄罗斯和独联体油田有巨大的难采储量，水驱后残留在油层数千亿桶石油，具有巨大的 EOR 潜力。2000 年，应用 EOR 技术增产的原油可达 3.26.4 万 m3天左右。到 2010 年可达 12.720.7 万m3天。（四）我国提高采收率技术发展状况我国的提高采收率技术研究与应用虽然比西方国家起步晚一些，但发展很快。大庆油田自 1964 年开始采收率的研究，经过近 40 年的努力，已经在聚合物驱、表面活性剂驱、CO2 非混相驱、天然气驱和复合驱方面取得了长足的进展。尤其是聚合物驱技术 、三元复合驱技术等化学驱技术的研究与应用的发展更为迅速。我国化学驱技术的迅猛发展的动力
14、来源于国民经济对原油的需求和提高采收率的巨大潜力。1. 我国提高原油采收率潜力（ 1）与国外典型油田条件的对比原苏联：注水开发的杜玛兹油田，原油地下粘度 2.5mPas，含水 82.9 时已采出地质储量的 49.3%，方案设计采收率为 59%。美国：东得克萨斯油田水驱，原油地下粘度为 0.93 mPas，含水 80%时已采出地质储量的50%，方案设计采收率可高达 80%。我国：油田主要分布在陆相沉积盆地，油层物性变化和砂体分布均比海相沉积复杂，泥质含量高，油藏非均质性远高于主要为海相沉积的国外油田。而且陆相盆地生油母质为陆生生物，原油含蜡高、粘度高。这样的陆相沉积环境和生油条件，加大了我国油田
15、开发的难度。我国依靠科技的力量，6发展了一系列注水开发的配套技术，十使注入水不断扩大波及体积，延长了油田的稳产期。应该说我国注水开发技术和稳产指标，已达到或超过国外同类油田水驱开发的先进水平。尽管如此，由于油层物性差，非均质性严重，原油物性差（粘度高、含蜡高） ，我国油田的水驱平均采收率只有 34.2%，一些油田只有 20%25%，远低于国外海相沉积油田的水驱采收率水平。大庆油田，陆相沉积、油藏非均质变异系数 0.7 左右，原油地下粘度为 9 mPas（是美国东德克萨斯油田原油粘度高 10 倍之多！） ，综合含水 82%，仅采出地质储量的 30.1%，最初预测最终水驱采收率仅为 34.8%，经
16、过多年的工作，不断改善水驱开发效果，大庆油田预测水驱采收率也仅可提高到40%左右，仍然远远低于国外海相沉积大油田的水驱采收率。胜利油田，陆相沉积，原油地下粘度：上第三系馆陶组油层 6090 mPas，下第三系沙河街组油层 1020 mPas。现含水已达 89.8%，仅采出地质储量的 21.1%。预测水驱采收率也只有27.7%。我国油田总水驱采收率水平较低，主要反映在两个方面： 由于油层的非均质性，水驱波及系数低； 驱油效率低。这两点决定了我国油田采用以扩大波及体积和提高驱油效率为目标的 EOR 方法具有很大潜力。（ 2）采收率潜力分析大庆油田 13 口井水淹层密闭取心资料表明，以正韵律厚层砂岩
17、为主的喇嘛甸、莎北、莎中地区，注入水在平面上沿条带状突进，垂向上厚层底部水淹严重在注水倍数为 1 时水洗厚度仅为69%，其中强水洗厚度也只有 26.5%，水洗段平均驱油效率 47%。大庆中区西部已注水开发 30 余年，在聚合物驱前，钻井取心资料表明：萨 1-3 层水淹厚度仅33.7%，葡 1-4 曾水淹厚度仅 28.4%，采出程度只有 20%。胜利油田的胜坨油田，河流三角洲沉积，为高渗高粘油田。1994 年取心资料表明，在已注水开发近 30 年，注水倍数已达 1.11.44,综合含水已高达 92%95% 的情况下，水洗和强水洗厚度仅为油层厚度的 54.6%，平均驱油效率也仅为 41.6%47.
18、1%。我国对 25 个主力油田资料进行研究表明：平均水驱波及系数最终可达 0.623，驱油效率为0.531，据此预测全国陆上油田水驱采收率仅达 34.2%。这意味着水驱之后我国还有近百亿吨探明地质储量残留在地下，有待新的提高采收率技术开采。这就是我国提高采收率的巨大资源潜力。1988 年应用美国能源部提高采收率潜力模型，对我国 13 个油区 173 个油田、近千个区块、总计74108 吨地质储量进行了三次采油潜力分析，其结果表明：我国陆上油田适合聚合物驱的共有759.7108t 地质储量，平均提高采收率 8.7%，可增加可采储量 5.19108t。适合表面活性剂和复合驱的地质储量有 60108
19、t，平均提高采收率 18.8%，可增加可采储量 11.3108t。实际上，经过近 30 个矿场试验和推广应用表明，聚合物驱可提高采收率 10%，复合驱先导试验可提高采收率 1520%。这些数字充分显示出我国提高采收率具有很大的潜力。2. 我国的提高采收率技术发展总体状况（ 1）总体概况我国的提高采收率研究起始于 60 年代初，其发展高峰是 80 年代初。1979 年，原石油工业部将提高采收率（三次采油）列为我国油田开发十大科学技术之一。开始着手进行 EOR 技术调研，组织国际合作，引进先进技术，就此揭开我国 EOR 技术高速发展的序幕。从经济和产量角度综合考虑，化学驱是我国油田开发提高采收率技
20、术的最佳选择：我国近年来原油产量约为 1.4108t，全国陆上油田含水已高达 82%，进入了高含水期开采阶段。每年年产量综合递减 800 多万吨。仅仅是为了稳产，每年就需增加近 8108t 地质储量。目前我国陆上油田新区勘探难度越来越大，单纯靠新区增加可采储量已无法满足需要。另一方面，我国老油田还剩余近百万吨储量无法依靠二次采油开采出来。大庆油田对其外围新区未动用的低渗透新油田和老油田每采 100104t 原油所需总费用进行了对比：老区继续水驱加密阱网总费用 4.22 亿元；老区聚合物驱 3.93 亿元；外围新区 8.3 亿元。这说明，在老区提高采收率所投入的经费是较低的。以北一区中块为例，作
21、了开发指标的经济评估（按 EOR8 年有效期计）对比：平均单井日产油，t 提高采收率注水量吨油产液量吨油继续水驱加密井网 4.1 3 16.5 9.2聚合物驱 20.7 12 5.8 6.6复合驱 34.5 20 2.8 2.7这表明，大庆老区用 EOR 方法是经济有效的，不仅可以大幅度增加可采储量，还可以大幅度减少注水量和产液量。1982 年，在对国外五个主要石油生产国十余种 EOR 方法综合分析的基础上，对我国 23 个主力油田进行了 EOR 方法粗选。1984 年开始与日、美、英、法等国在大港、大庆、玉门等油田进行聚合物驱，表面活性济驱油技术合作。由于我国探明气源不足，油田混相压力较高，
22、不具备广泛实施混相驱的条件，确定了化学驱油作为我国 EOR 技术的主攻方向，并以首先聚合物驱作为重点。 “七五” （19861990） 、 “八五”8（19911995） 、 “九五” （19962000）连续将 EOR 技术研究列为国家重点科技攻关项目。（ 2）聚合物驱技术发展仅用了十年左右的时间，在“八五末期，就基本掌握了聚合物驱油技术，完善配套了十大技术，即：注水后期油藏精细描述技术；聚合物筛选及评价技术；合理井网井距优化技术；聚合物驱数值模拟技术；注入井完井、分注和测试技术；聚合物驱防窜技术；聚合物配制、注入工艺和注入设备国产化；采出液处理及应用技术；高温聚合物驱油技术；聚合物驱方案设
23、计和矿场实施应用技术。规模与效果采收率：聚合物驱先导性试验、工业性矿场试验、工业化应用均取得了在水驱基础上提高采收率 10%以上的好效果。大港油田：西四区聚合物驱先导性井组试验在“七五期间最早取得明显增油降水效果，井组含水由 90.5%下降到 67%，日产油由 48.6t 上升到 88.4t ，采收率提高了 10.4%；注 1t 聚合物干粉增油达 400t。注聚前后对比：高渗透层吸水强度由 15m3/m 下降到 10m3/m，低渗透层吸水强度由 1m3/m 下降到 7m3/m。表明：有效地扩大了注水波及体积。大庆油田：中区西部聚合物先导性井组试验。该区注水开发近 30 年。聚合物驱后在葡 1-
24、4 单层试验井组全区综合含水由 95.2%降到 79.4%，日产油由 37t 上升到 149t，平均注 1t 聚合物干粉增油 241t，中心井比水驱提高采收率 14%。在葡 1-4 和萨 1-3 双层开采试验井组，全区综合含水由 94.7%降到 84.4%，日产油由 86t 上升到 211t，平均每注 1t 聚合物干粉增油 209t，中心井比水驱提高采收率 11.6%。北一区断面葡 1-4 层工业性矿场试验。试验区面积达 3.13km2。地质储量 632104t，注采井数达 61 口，全区含水由 90.7%下降至 73.9%，日产油由 651t 上升到 1356t,试验未结束时提高采收率已达
25、13.62%，比聚合物干粉增加原油 130t。大庆油田从 1996 年开始聚合物驱工业化推广应用。目前已有 15 个区块实施聚合物驱，已成为大庆油田开发的重要技术。例如：大庆采油一厂聚驱工业区块已达 5 个，年产油保持在 300104t，占全厂总产油量的近 1/4。96 年开始注聚的三个区块目前聚合物用量已达 577.21mg/L PV，综合含水已回升到 87%，目前9已达提高采收率 10%。大庆采油三厂目前，聚合物驱工业应用区块已达 5 个，年产量占全场总产量的 29%左右。北二西东、西两个区块分别于 95 年 12 月。96 年 8 月投入聚合物驱开采，面积 15.35km2，地质储量 2
26、818104t，总井数 222 口（其中注入井 98 口，采出井 124 口） 。截止到 2000 年底，累计注入聚合物干粉 25125t，聚合物溶液 2540.55104 m2。累计增油 186.87104 t，1 t 聚合物增油 74 t。阶段才采出程度为 17.04%，较数模高 3.9%。河南双河油田，油层温度 72，发展了一套高温聚合物驱技术，矿场先导性试验已提高采收率8.6%，预计试验完成后可提高采收率 10.4%。“八五”末，全国已进行聚合物驱油矿场试验 19 个。并在 6 个大油区 25 个油田、区块开始推广应用，建成 168104 t 原油生产能力。“九五”开始，已将聚合物增产
27、原油列入我国陆上原油生产计划，现已达到年增产原油700104 t。预计整个“九五”期间增产原油 1500104 t。1997 年全国投入聚合物驱工业化应用的油田面积达 101.3 km2，动用地质储量 2.21108 t，年注入聚合物干粉 2.37104 t。聚合物驱年增产原油达 303104 t。我国已成为聚合物驱规模最大、增产效果最好的国家。（ 3）复合驱油技术我国从“七五”开始表面活性剂驱油技术的研究。在此基础上，于“八五”开展了复合驱油技术的研究。由于复合驱油技术远比聚合物驱复杂得多，难度更大、风险更大。所以“八五”期间的研究工作是由基础开始的。开展了 5 个不同油区、不同类型复合驱油
28、先导性矿场试验。首次于 1993 年在胜利油区孤东油田小井距试验区取得成功：在水驱才采出程度已达到 54%（属油田枯竭）条件下，又提高采收率13.4%，使其总采收率达到 67%。大庆油田：在原油10 8t 基本无酸值的条件下，中区西部先导性试验区、杏五区先导试验驱试验结果，6 口水驱最终采收率提高 20%，比聚合物驱提高采收率高出已一倍左右。新疆克拉玛依砾（l）岩油田二中区小井距先导试验区：在含水 99%的条件下，中心井产量增长了 12 倍，含水下降到 83%。辽河油区兴隆台油田兴 28 区块具有气顶边水小断块油田已注水枯竭的情况下，采用碱聚合物二元复合驱，中心井日产油由 0.9 t 上升到 9.7 t。我国以化学驱油技术为代表的 EOR 技术发展迅速，已成为我国陆上主力油田持续发展的重大战
