热－化学技术提高稠油采收率研究进展

赵修太，白英睿，韩树柏，汪小平

(1.中国石油大学(华东)，山东 青岛 266580;2.中油辽河油田公司，辽宁 盘锦 124013)

热－化学技术提高稠油采收率研究进展

赵修太1，白英睿1，韩树柏2，汪小平2

(1.中国石油大学(华东)，山东 青岛 266580;2.中油辽河油田公司，辽宁 盘锦 124013)

在稠油开采过程中，热力采油法一直是提高稠油采收率的主要方式。针对稠油油藏水驱采收率低及部分油层(如部分薄层、深层、热敏层等)不适宜于热采的特点，在稀油化学驱技术的基础上发展了稠油化学驱技术。近年来研究发现，将稠油热采和稠油化学驱技术相结合使用，可大大提高稠油采收率。在调研大量相关文献的基础上，综述了稠油化学驱以及稠油热(蒸汽)－化学复合采油技术的研究进展，分析了其提高稠油采收率的作用机理和存在的问题，认为热－化学水平井复合采油技术是今后稠油开采的一项重要技术。

稠油;化学驱;蒸汽;热－化学复合驱;提高采收率

引言

目前全球已探明的稠油资源储量超过3 000× 108t，因此稠油开采在整个世界的原油生产中占有十分重要的位置［1］。世界上稠油资源较丰富的国家包括加拿大、俄罗斯、委内瑞拉、美国等，中国的稠油储量也较大，主要分布在辽河、塔河、克拉玛依等油田［2］。与稀油相比，稠油的黏度高、密度大，开采时流动阻力大，使用开采稀油的方式 (如水驱等)开采稠油时的驱替效率和波及系数均较低。由于稠油具有很强的温敏性，温度升高时黏度下降很快，因此，热力采油法是稠油开采的主要方式。常用的热力采油法包括蒸汽吞吐、蒸汽驱、火烧油层、SAGD等。针对稠油热采方式对部分薄层、深层、热敏层不适用的情况［3］，近年来国内外诸多学者研究了稠油化学驱技术以及稠油热－化学复合驱技术，取得了很好的室内效果，但目前矿场应用的实例并不太多。本文详细综述了稠油化学驱、稠油热 (蒸汽) －化学复合开采技术在应用和机理方面的研究进展，分析了目前存在的问题，并认为热－化学水平井复合采油技术是今后稠油开采的一项重要技术。

1 稠油化学驱技术

稠油热采方法的开采原理主要是通过加热以降低稠油的黏度，从而提高其流动能力。在油层较厚、埋藏较浅以及没有边底水时热采技术效果明显，然而当油层太薄(＜10 m)、埋藏太深(＞1 000 m)或存在边底水的情况下，热量损失成为制约热采技术的主要因素［3］。在这种情况下，就需要采用非热采的方法来进一步提高普通稠油油藏采收率，包括聚合物驱、碱驱、表面活性剂驱等技术。

1.1 稠油聚合物驱技术

1.1.1 技术原理及研究应用

稠油水驱过程中，由于水油流度比很大，会产生严重的指进现象，导致大量的原油无法波及到，聚合物驱提高采收率机理就是通过增加驱替液的黏度从而达到提高波及系数的目的。向水中加入水溶性聚合物后溶液的黏度增加，使得水油流度比减小，同时由于聚合物能够吸附到油藏岩石表面，导致水相的相对渗透率降低，因而使得水相的流度进一步降低。因此理论上聚合物驱用于稠油开采是一项可行的技术。

Wassmuth等人结合加拿大Saskatchewan及Alberta地区稠油油藏(黏度为600～1 000 mPa·s)的特点，通过室内实验、油藏模拟及现场试验研究了聚合物驱技术的应用效果［4］。水驱时注入1PV水后，采出液含水率达到90%，此后注入0.5 PV黏度为50 mPa·s的聚合物段塞后采收率提高20%。分别考察将聚合物驱技术与垂直井及水平井技术相结合后对注聚效果和采收率的影响，结果表明，聚合物驱技术与水平井开采相结合可达到更理想的效果。

Green等［5］研究了聚合物驱对加拿大Alberta地区不同黏度(280～1 600 mPa·s)稠油的开采效果，并对聚驱稠油的机理进行了简要分析。实验结果表明，尽管聚合物在岩心中会被吸附和滞留，但仍可提高水驱后采收率16%～28%，此外，他们还通过建立模型对不同注入方式聚驱稠油的经济效益进行了分析，以此来优选聚合物的注入量和注入方式。王敬［6］等从经济学观点出发，基于“完全”增量法建立了常规稠油油藏聚合物驱评价指标模型，并结合油藏数值模拟技术对聚合物驱注入参数及适应性进行了优化设计，认为普通稠油进行聚合物驱时，只要选择合适的注入时机及聚合物浓度等参数，就可以取得较好的经济效果。

1.1.2 存在的问题

由于稠油的黏度一般都有几千毫帕秒，所以通常需要较高浓度的聚合物溶液才能达到有利的水油流度比，这就增加了聚合物的注入难度和驱油剂的成本。因此，目前的技术和经济因素限制了聚合物驱在稠油油藏中的实际应用。

1.2 稠油碱驱技术

1.2.1 技术原理及研究应用

碱驱就是向油藏中注入碱性物质，通过碱与原油中的有机酸发生反应，就地生成表面活性剂，从而达到降低界面张力和使原油形成乳状液的目的。最常用的碱是氢氧化钠，其他碱包括碳酸钠、硅酸钠、磷酸钠、氢氧化铵和碳酸铵等［7］。

Campbell等［8］通过实验考察了硅酸钠和氢氧化钠对Huntington Beach油田残余油采收率的影响，每组实验中均向注入流体中加入了质量分数为0.75%的NaCl。结果发现，在相同的注入浓度和注入体积下，不管是采用连续注入还是段塞式注入方式，硅酸钠溶液的采收率总要高于氢氧化钠溶液，且段塞式注入时的采收率均低于连续注入方式。此外，向溶液中加入盐(NaCl)的浓度将会影响油水间界面张力，其存在一个最佳盐浓度值。

Harry Surkalo［9］认为，碱驱提高原油采收率的根本原因是碱可与原油中的有机酸发生反应生成表面活性剂，从而可大大降低油水界面张力(IFT)，因此，碱剂浓度和原油的组成对于碱驱成功与否至关重要，需要通过大量的室内和现场试验来确定最佳碱浓度。他通过研究还得出，碱与表面活性剂、聚合物等复配使用会取得更好的效果。

Arhuoma等［10］使用不同孔隙度和渗透率的岩心，研究了不同浓度的NaOH溶液驱替Alberta原油(25℃时黏度为1 020 mPa·s，酸值为1.07 mg (KOH)/g(原油))时的压降变化及采收率。研究发现，随着NaOH浓度的增加，注入压力先增加，当增大到一定值之后就会下降。结合产出液的形态及组成分析可知，这是由于NaOH与原油中的石油酸反应生成可降低油水界面张力的表面活性剂，并使原油乳化为油包水型乳状液，乳状液的形成堵塞了高渗通道，降低了水相渗透率，提高了注入压力，迫使碱水驱替低渗孔喉中的原油，从而提高了采收率。实验还确定了特定条件下的最佳碱浓度(本文为质量分数0.6% 的NaOH)及最大采收率［9］，当超过最佳碱浓度后，采收率增幅变平缓。

1.2.2 存在的问题

虽然碱的成本较低，但由于碱驱时碱会与原油、地层水、地层岩石等反应，造成碱耗量较大，而碱水驱不利的水油流度比会引起低的波及系数和驱油效率，以及地层和注采系统结垢、腐蚀等不利因素的影响，因此单独的碱水驱并未进行工业化推广应用，现场一般将碱与表面活性剂或聚合物复配使用。

1.3 稠油碱－表面活性剂驱技术

碱驱能够提高原油采收率的主要机理是碱可与原油中的石油酸反应生成可降低界面张力和可使原油乳化的表面活性剂，但其存在碱耗大、易结垢等问题;表面活性驱的主要机理是表面活性剂可大幅降低油水界面张力，也有利于乳状液的形成，但其在地层中的损耗量(主要是吸附)也较大，且单独使用时需要大剂量注入，注入液的费用高［11］。因此，可将2种物质混合注入，利用其协同效应来提高总体开发效果。

针对加拿大西部地区的稠油(1 000～10 000 mPa·s)油藏水驱采收率低 (5% ～10%)，且由于油层厚度小、热损失较大，不适宜热采的情况，Q Liu等［12］筛选出了适于5种稠油开采的碱－表面活性剂体系的配方。在进行岩心流动实验时发现，选择最佳配方浓度注入后，体系溶液可使油水界面张力降低至10－1mN/m以下，原油可被乳化在水中形成水包油型乳状液并被水携带出来。5种稠油的驱替实验结果显示，碱－表面活性剂复合驱油体系可提高水驱后采收率20%～30%。

Bryan等［13－15］通过一系列岩心驱替实验研究了1种碱－表面活性剂复合驱油体系对加拿大Alberta原油(黏度1 000 mPa·s，22℃)的驱替效果，考察了不同浓度的碱以及盐含量等对驱替过程中乳状液形成的影响。实验结果表明，碱－表面活性剂体系驱替原油时均存在一个最佳碱浓度，在此浓度下油水界面张力达到最低，原油易乳化;当盐浓度较高时易形成油包水型乳状液，当盐浓度低时易形成水包油型乳状液。岩心驱替实验发现，2种类型乳状液的形成均可提高原油采收率，二元复合体系可使实验用稠油的水驱后采收率提高20%。

1.4 稠油泡沫驱技术

泡沫属多相分散体系，是气体以微小气泡的形式分散到液体中所构成的，它以液体为连续相，气体为分散相，是1种密度低、黏滞性较好、有压缩性的非牛顿流体。泡沫驱作为提高稠油油藏采收率的方法在国内外已进行了大量的室内研究和现场试验。研究结果表明，泡沫不仅可作为稠油油藏的驱油剂，能够改善驱替体系对稠油的不利流度比，提高驱替剂的波及系数，还可作为流度控制剂，抑制水窜、气窜、指进等不利现象［16］。

Kang Wanli［17］等人室内研制了1种新型超低界面张力无碱泡沫体系的配方，该体系以部分水解聚丙烯酰胺(HPAM)、烷醇酰胺作为稳泡剂，以室内合成的NS、烷基苯磺酸钠等复配为起泡剂，所用气体为纯氮气。实验用稠油60℃下的黏度为334 mPa·s，模拟地层水矿化度为8 672 mg/L，岩心渗透率变异系数为0.65。该体系可使油水界面张力降至10－3mN/m以下，达到超低界面张力，有利于水包油型乳状液的形成。岩心驱替实验结果表明，对于均质和非均质岩心，该泡沫体系均可使水驱后采收率提高20%以上。

裴海华等［18］研究了泡沫驱替稠油的微观机理。将稠油泡沫驱的微观机理概括为以下3种:①乳化作用，泡沫驱替过程中，尤其是注入水突破后，由于表面活性剂的乳化以及泡沫的扰动、分散作用，会形成许多水包油型乳状液，有利于稠油被采出;②贾敏效应，注入的大小泡沫聚集在大孔道中，使得大孔道中流动阻力越来越大，当流动阻力增加到超过小孔道中流动阻力后，泡沫便越来越多地流入中低渗透小孔道，最大限度地提高了驱替液的波及系数;③挤压携带作用，具有黏弹作用的泡沫对岩石表面和孔隙盲端剩余油的压、拉、拽作用也可提高剩余油采收率。

通过文献调研可知，对于不适宜采用热采方式开采的普通稠油油藏，应用化学方法进行开采是可行的。由于此类油层一般较薄，可采用水平井技术与化学驱技术相结合的方式开采，增加驱替流体与稠油的接触面积，同时也扩大了泄油面积。化学驱中存在的问题如聚合物驱抗盐性差、碱驱易结垢、表面活性剂驱成本高等，仍是制约其在稠油开采中推广应用的因素。

2 稠油热－化学复合驱技术

热－化学复合采油技术就是热力采油技术和化学驱技术联合使用，在稠油开采过程中，利用二者的协同作用，降低原油的黏度，提高波及系数和洗油效率，从而降低开采成本，提高稠油采收率。所用的热流体包括热水和热蒸汽等，以蒸汽为主，化学添加剂为表面活性剂、碱、聚合物等。

2.1 蒸汽－碱复合驱技术

2.1.1 技术原理及研究应用

蒸汽－碱复合驱提高采收率的原理是:热蒸汽可对原油进行加热，降低原油黏度;碱可与原油中的有机酸发生反应，生成的表面活性剂可降低油水界面张力;碱添加到蒸汽中后增加了其重力，从而降低其流度，这有利于减少早期突破造成的蒸汽超覆。

早在1983年，Mbaba等［19］在Midway－Sunset油田进行了蒸汽－碱复合驱试验，大部分试验井产量增加，但是有些试验井效果不明显。Madhavan［20］等通过实验研究了蒸汽中加入不同浓度氢氧化钠后对San Ardo和Duri油田稠油采收率的影响。实验结果表明，蒸汽中加入不同浓度的氢氧化钠后，2种原油的采收率均有所提高，采出油水的界面张力均有所降低，但当氢氧化钠的浓度相同时，蒸汽－碱复合驱对2种原油的影响不尽相同。他们还认为，由于原油的酸值不同，故氢氧化钠作为蒸汽添加剂开采稠油时需要大剂量注入，且需持续注入较长的时间后才可取得明显的效果。国内学者张现德［21］进行了蒸汽驱中加入无机碱性添加剂的室内研究，也证明该技术可改善单纯注蒸汽的开采效果，提高稠油采收率。

2.1.2 存在的问题

通过文献调研发现，蒸汽中加入碱后(一般还应加入一定量的盐)可有效改善稠油的开采效果，且碱的成本较低，可大剂量注入，但也存在一些问题:①碱耗大，特别是在高温状态下，碱耗进一步增大，造成投资的增加;②由于碱的引入，会造成地层伤害、井筒和管线结垢、采出液破乳难等问题;③热－碱复合驱作用机理复杂，室内效果较好，但现场应用成功率很低。所以，蒸汽－碱复合驱油技术至今未得到推广应用，而是更趋向于低碱、有机碱、甚至无碱的驱油体系。

2.2 蒸汽－聚合物复合驱技术

2.2.1 技术原理及研究应用

蒸汽－聚合物复合驱油技术就是利用蒸汽加热使地层原油的黏度降低，蒸汽中的大分子聚合物可通过在地层中的吸附和捕集作用对地层的注汽剖面进行调整，以改善注汽效果，提高原油采收率。

为降低稠油热采成本，Cook等人［22］研制了1种价格低廉、高温稳定性好的聚合物－表面活性剂体系，该技术在Midway Sunset油田2个区块的9口蒸汽吞吐井和2口蒸汽驱井进行了试验，注入后有效抑制了蒸汽窜流和蒸汽超覆，改善了注汽剖面，并大幅降低了开采成本。

Altunina等［23］在低临界溶解温度下研究了具有温敏性质的聚合物冻胶体系与循环蒸汽复合使用时对非均质岩心的渗透率及注汽剖面的影响，该体系以具有低临界溶解温度的纤维素醚－水体系为成胶体系的主剂。室内实验表明，该体系注入后，在高温下成胶后可有效调整注汽剖面，当温度降低后又可反转为液相，从而为油相提供渗流通道，最终可提高采收率。

辽河油田曾经利用高温化学驱油剂(由尿素、聚合物、催化剂、表面活性剂组成)辅助蒸汽吞吐技术对2口蒸汽吞吐井进行处理，取得了很好的开采效果。注入的化学驱油剂在高温下生成CO2，聚合物、表面活性剂和CO2可形成大量稳定的泡沫屏障，在地层中产生贾敏效应，具有调剖的功能;而聚合物、表面活性剂、CO2等也具有驱油性能［24］。该技术的成功应用，为稠油开采提供了新的途径。

2.2.2 存在的问题及研究方向

在开采普通稠油时，聚合物的加入可起到改善水油流度比的作用，当聚合物与注蒸汽协同使用时，也可起到控制蒸汽流度的作用，但由于普通的聚合物(HPAM)耐温性能较差(93℃)，而合成耐高温聚合物的成本较高，故总体应用效果不佳。今后应着重研究新型耐高温聚合物，在提高其耐温性能的同时，降低其合成成本。

2.3 蒸汽－表面活性剂复合驱技术

2.3.1 技术原理及研究应用

蒸汽－表面活性剂复合驱油的机理是:①利用蒸汽加热使原油降黏;②表面活性剂的注入改变了岩石－原油－水体系的界面特性，改变岩石的润湿性，提高了油相渗透率;③降低了油水界面张力，易生成水包油型乳状液，携带、捕集剩余油滴，降低残余油饱和度［25］。

蒸汽－表面活性剂复合驱对所用表面活性剂一般具有下列要求［26］:①高温时化学性能稳定，不发生降解;②高温起泡、稳泡能力好;③降低蒸汽流度的能力强;④在岩石表面的吸附能力低;⑤与地层流体的配伍性好;⑥价格低廉。

Bagci等［27］应用三维注采模型模拟了表面活性剂－蒸汽辅助重力泄油技术(SAGD)在水平井中的应用，通过与单独使用SAGD技术相比较得出，在注蒸汽的初期，表面活性剂的加入在地层中生成泡沫，可对注汽剖面进行调整并起到驱油作用，从而取得更好的驱油效果。此外，蒸汽突破后，表面活性剂的加入可有效缩短生产周期，提高采油速度。因此注蒸汽时加入适宜的表面活性剂可以取得更好的开发效果。

高明等［28］针对蒸汽吞吐后进行蒸汽驱时表面活性剂伴随蒸汽注入的情况进行研究后认为，表面活性剂与蒸汽的比例太小时起不到降低界面张力和改变润湿性的作用，比例太大时蒸汽降黏效果达不到最佳，因此，只有将表面活性剂和蒸汽按一定的比例注入时才可取得最好效果。

2.3.2 存在的问题及研究方向

表面活性剂在稠油开采中占据非常重要的地位，但单独使用时效果不佳，且成本较高，可与蒸汽、碱等协同使用。应用于注蒸汽过程中的表面活性剂应具有耐高温、起泡性好等特性，而目前市场上出售的在200℃以上性能仍较好的表面活性剂并不多且价格较高，故今后应加大新型抗高温表面活性剂如高分子表面活性剂、生物表面活性剂等的开发力度。

2.4 蒸汽－泡沫复合驱技术

2.4.1 技术原理及研究应用

由于泡沫自身特性及其在地层中的流动特征，泡沫体系作为1种化学驱油技术具有广阔的发展前景。泡沫体系在驱油过程中的作用是:①利用其贾敏效应对蒸汽进行流度控制，抑制蒸汽气窜，扩大蒸汽波及系数;②作为稠油的驱油剂，改善不利流度比，提高波及系数;③起泡剂可提高驱替介质的洗油效率。

Q Chen等提出了泡沫协同SAGD采油技术(FA－SAGD)的概念。该技术的目的是利用泡沫的特殊性质提高 SAGD技术的采油效果。与SAGD相比，FA－SAGD采油具有2个优势:一是将表面活性剂与蒸汽共同注入后，在注入井和生产井的井间地带聚集了大量高强度泡沫，而蒸汽腔顶部的泡沫强度低，数量也少，从而改变了蒸汽腔的形状，增加了蒸汽向生产井的流动阻力，抑制了蒸汽的突进;二是泡沫可封堵高渗孔道，使蒸汽转向流入低渗孔道，从而增加蒸汽的波及系数，改善采油效果［29］。

针对胜利油田稠油油藏的特点，宫俊峰等［30］研制了1种新型高温复合泡沫剂(代号FCY)。室内驱替实验表明，FCY体系+氮气+蒸汽混合注入时比单纯注蒸汽提高采收率30%;现场应用后，9个月内10口生产井累计增油5312t，说明FCY高温泡沫体系可有效改善热采稠油油藏吞吐开发效果。

陈福山等［31］认为由于蒸汽重力超覆现象，单纯的蒸汽驱并不能取得好的驱油效果，若向蒸汽中加入起泡剂，形成蒸汽－泡沫复合驱，则效果较好。因为形成的泡沫可以利用贾敏效应封堵大孔喉，控制蒸汽流度，调整注汽剖面。

2.4.2 存在的问题及研究方向

泡沫驱油时泡沫的稳定性至关重要，而泡沫的稳定性与多种因素有关，最重要的是起泡剂和稳泡剂的性能，因此，研制开发耐高温、性能优越的起泡剂和稳泡剂尤为重要。此外，高温下泡沫流体与蒸汽在地层中的多相渗流规律也亟待研究。

3 结论

(1)稠油化学驱是基于稀油化学驱发展起来的技术，包括稠油聚合物驱、稠油碱驱、稠油碱－表面活性剂驱、稠油泡沫驱等技术。该技术适用于油层薄、埋藏深、地层温稳性差等不适宜热采的稠油油藏。

(2)注蒸汽是稠油开采的主要方式之一，与稠油化学驱技术相结合后，组成了蒸汽－化学复合驱技术，可取得很好的稠油开采效果。其中，蒸汽可以通过加热降低稠油黏度;聚合物可以调整注汽剖面，降低水油流度比;表面活性剂可大幅降低油水界面张力，使原油易于乳化;碱既可与稠油中的有机酸反应生成表面活性剂，降低油水界面张力，又可增加蒸汽的重度，改善注汽剖面;泡沫则既可利用其贾敏效应对蒸汽进行流度控制，又可作为驱油剂提高洗油效率。

(3)应用热－化学方法开采稠油的机理较为复杂，涉及界面化学、热力学、渗流力学等多种学科，故应多学科相结合，并通过室内和矿场试验加以研究。

(4)热－化学水平井复合技术将是今后稠油开采中一项重要技术。

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Advances in improving heavy oil recovery by thermochemical techniques

ZHAO Xiu－tai1，BAI Ying－rui1，HAN Shu－bai2，WANG Xiao－ping2
(1.China University of Petroleum，Qingdao，Shandong266580，China; 2.Liaohe Oilfiled Company，PetroChina，Panjin，Liaoning124013，China)

Thermal recovery technique has been a major way of enhancing heavy oil recovery for a long time.Heavy oil reservoirs have low water flooding recovery and some(such as thin，deep or heat sensitive reservoirs)are unsuitable for thermal recovery，therefore the technology of heavy oil chemical flooding has been developed on the basis of light oil chemical flooding.It has been found through researches in recent years that heavy oil recovery can be greatly enhanced by combining thermal recovery with chemical flooding techniques.Based on investigation of enormous related literatures，this paper reviews the research progress on chemical flooding and thermochemical flooding，analyzes the mechanism of enhanced heavy oil recovery and existing problems，and believes that thermochemical flooding with horizontal well will be an important technology for future heavy oil recovery.

heavy oil;chemical flooding;steam;thermochemical flooding;enhanced oil recovery

TE357.4

A

1006－6535(2012)03－0008－06

10.3969/j.issn.1006－6535.2012.03.002

20110915;改回日期:20120222

国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”(2008ZX05002－005);辽河油田科技攻关项目“稠油蒸汽吞吐井凝胶泡沫调剖与催化降黏技术”(LHYT－JMGS－2009－JS－3810)

赵修太(1958－)，男，教授，硕士研究生导师，1982年毕业于华东石油学院有机化工专业，1999年毕业于华中科技大学应用化学专业，获硕士学位，现主要从事提高采收率与采油化学方面的研究工作。

编辑刘兆芝