稠油热化学驱提高采收率机理及应用研究进展

廖辉 吴婷婷 邓猛 杜春晓 崔政

摘      要：热复合化学驱技术是在轻质油化学驱基础上发展起来的一项稠油开采技术，综述了几种热复合化学驱技术的研究应用现状，及提高稠油采收率机理，同时指出了该技术目前存在的问题，并提出了相关建议。认为热复合化学技术将是稠油开发中的一项重要技术。

关  键  词：稠油;热复合化学;机理;开发

中图分类号：TE 327       文献标识码： A       文章编号：1671-0460（2019）11-2623-04

Research Progress of Mechanism and Application of

Thermochemical Flooding Technology for Improving Heavy Oil Recovery

LIAO Hui， WU Ting-ting， DENG Meng， DU Chun-xiao， CUI Zheng

（CNOOC Tianjin Branch， Tianjin 300459， China）

Abstract：  The thermochemical flooding technology is a heavy oil recovery technology developed on the basis of light oil chemical flooding. In this paper， research and application status of several thermochemical flooding technologies was introduced as well as the mechanism of improving heavy oil recovery. Meanwhile， the existing problems of these thermochemical flooding technologies were analyzed， and some suggestions were put forward. It was pointed out that the thermochemical flooding technology would be one of the most important and efficient techniques for improving heavy oil recovery.

Key words：  heavy oil; thermochemical flooding; mechanism; exploitation

稠油是世界石油资源的一个非常重要的组成部分^[1]。目前全球稠油资源探明储量超过3 000×10⁸ t^[2]，所以在资源日益紧缺的时代，稠油开采显得尤为重要。世界稠油资源丰富的国家有加拿大、委内瑞拉、美国、俄罗斯、中国^[2]等。我国主要分布在胜利油田、辽河油田、新疆等油田^[2]。稠油具有密度大、高黏、流动性差等特点，常规方法未能有效的对其进行开采^[3]。稠油的开采主要在于降低流动阻力，使其易于流动。目前，稠油开采主要有注蒸汽开发的蒸汽驱、蒸汽吞吐、SAGD以及火烧油层等热力采油技术^[4]。然而稠油开采的主要制约因素是密度大、黏度高、流動性差，注蒸汽开发过程中，稠油，特别是不流动的超稠油，由于黏度差异，会导致蒸汽超覆，指进等现象^[5]，同时，由于流体与岩石的界面性质，蒸汽并不能完全将稠油从岩石壁剥离，所以波及范围与驱油效率均较低，从而影响最终采收率，因此必须采用升温、降黏等措施开采。为解决这一系列难题，20世纪70年代后期，出现了热复合化学技术，研究表明，将耐高温的化学剂作为添加剂随热流体一同注入地层，通过化学剂与热流体的综合、协同效应，改善热采效果，可进一步提高稠油采收率。目前，热复合化学技术已在国内多个稠油油田试验开发中获得成功，但是还未大规模应用。本文综述了稠油热化学在油田的应用研究进展及其机理，并分析了其存在的问题。

1  应用研究进展

1.1  热/稠油降黏剂技术

1.1.1  油溶性降黏剂

由于原油组成复杂，主要由饱和烃、芳烃、胶质和沥青质四部分组成，对于不同稠油其降黏机理存在一定差异。稠油黏度高主要是因为胶质、沥青质以及蜡通过氢键形成有序的平面重叠堆砌状聚集体。油溶性降黏剂是在降凝剂基础上发展起来的，主要是通过借助溶剂或高温，渗入稠油中的胶质或沥青质分子间，降低分子间作用力^[6]，分散沥青质分子聚集体，使原有序的平面重叠堆砌状聚集体结构变的疏松，以起到降黏的作用^[7]。主要可分为聚合物型、缩合物型及高分子表面活性剂型3种类型。

20世纪60年代，应用于利比亚和阿尔及利亚混合输送原油的ECA-841流动改性剂为报道的最早的油溶性降黏剂，10 ℃时，1 200 ppm加量下，能使原油黏度降低到54 cp，降黏率65.8%。随后，国内外均开展了研究。燕玉峰^[8]研究YZ-31对滨南油田超稠油降黏效果，发现90 ℃时，5%加量下，降黏率能达到80%以上，具有一定的耐温能力。

由于原油组成复杂，油溶性降黏剂依据的是相似相溶原理，因此油溶性降黏剂具有较强的选择性。油溶性降黏剂不需要外力即可降黏，但是其用量较大，降黏率有限，即便降黏效果较好的，降黏率一般也不超过70%，因此，关键还是需要开展多剂复配研究，并与其它降黏技术配合使用，提高稠油降黏效果，同时提高经济性。

1.1.2  水溶性降黏剂

由于水溶性降黏剂主要是表面活性剂，所以其降黏机理主要是表面活性剂降低油水界面张力，在外力作用下，与稠油生成水包油型乳状液以降低稠油黏度。按照离子类型分类主要有，非离子型，阳离子型，阴离子型，两性表面活性剂四种。

20世纪80年代，美国加州在四口注蒸汽井中混合注入一种非离子高分子表面活性剂，共增产原油18 600 t，研究发现该表面活性剂在岩壁形成了一层薄膜，能够有效改善油藏渗透率，提高原油流动能力，同时还具有明显的破乳效果^[9]。廖辉^[10]等研究了NP系列深层超稠油井筒乳化降黏剂对西部G油田深层超稠油乳化性能研究，结果表明80 ℃下，2%的加量能使原油黏度降至100 mPa·s以下，降黏率达到99%以上，满足油田举升要求。

目前市售水溶性降黏剂多为磺酸盐类的表面活性剂及一些非离子型表面活性剂，但是能与稠油注蒸汽热采开发一起使用的耐高温且廉价的表面活性剂种类仍较少。水溶性降黏剂降黏率高，能达到99%以上，但是需要借助一定外力作用，如井筒乳化降黏举升中，抽油杆的作用，此外，表面活性剂乳化性能过好也会造成乳状液稳定性不可控，对乳状液破乳及水处理造成了一定困难，因此关键还是需要研制配套的高效破乳剂及耐高温的高效降黏剂。

1.2  热/碱驱技术

热/碱复合驱技术出现于20世纪80年代，其机理较为复杂，目前主要认为蒸汽的热效应能降低稠油黏度，碱能和石油中的有机酸发生反应生成具有表界面活性的物质，此外，碱的加入还能增加注入蒸汽的重力，改善水油流度比，减缓蒸汽突破造成的窜流和蒸汽超覆现象^[11]。邓育明^[12]通过室内研究发现，在稠油蒸汽驱中添加廉价的造纸废液是可行的，改善开发效果明显，且稠油酸值越大，乳化效果越好，同时也能使有害的造纸废液得到有效处理，具有明显的经济效益及环保价值。

调研文献发现，虽然在蒸汽驱过程中加入碱能明显改善驱替效果，但是也存在一些问题，由于地层岩石吸附，特别是高温条件下，碱耗较大，同时，碱的加入对管柱和地层均会造成一定伤害，造成巨大影响，如结垢及管柱腐蚀，此外，产出液乳化严重对水处理也有一定影响。热碱驱由于其机理复杂，即便室内研究效果明显，现场应用成功的例子却不多，因此，该技术的推广应用受到了较大限制。目前热复合化学驱添加剂的趋势是低碱甚至是无碱，或者有机碱，并与表面活性剂或者聚合物复合使用。

1.3  热/聚合物驱技術

由于水油流度比的差异，水驱过程中存在指进现象，因而发展了聚合物驱技术。而对于稠油，则提出了热/聚合物驱技术，主要是因为注蒸汽过程中，蒸汽重力超覆和气窜，严重影响了开发效果。机理与聚合物驱类似，主要是利用蒸汽降低稠油黏度，聚合物调整蒸汽注入剖面，改善蒸汽注入效果，提高采收率。俄罗斯某油田在进行部分井热聚合物驱矿场实验发现，7年内，年增产原油10万t，成本较单一聚驱降低近三分之一^[1]。我国中国石油大学于1997年首次进行了热聚合物驱技术油藏数值模拟，证明了稠油热驱后采用该技术能进一步提高采收率^[13]。目前稠油热/聚合物驱技术已在辽河油田试验成功^[14]。但是常规聚合物不耐温，且对原油黏度有一定要求，市面虽有合成的耐高温聚合物，但是价格高昂，所以聚合物在热采中应用效果并不理想，因此研制出廉价的耐高温型聚合物是热-聚合物驱的关键，同时也有学者研究出了一些新型聚合物，通过在聚合物分子链上接上表面活性剂的活性官能团，使聚合物具有表面活性，从而让聚合物兼具聚合物和表面活性剂的双重特性，一剂双用，如：稠油活化水驱技术。

1.4  热/表面活性剂驱技术

表面活性剂具有明显改善界面性质的功能。热/表面活性剂驱的机理与表面活性剂驱油机理类似，主要是利用加热降低原油黏度，表面活性剂吸附改变岩石润湿性，并降低油水界面张力，将原油剥离岩石表面，乳化形成水包油型乳状液，此外，乳状液小液滴还具有明显的调剖功能，从而提高采收率^[2，15]。李锦超^[16]通过研究孤岛三区原油与表面活性剂LC的性能发现，加入表面活性剂采收率较热-碱驱提高10.85%。高明^[17]研究了蒸汽吞吐后转蒸汽驱并注入表面活性剂，结果表明表面活性剂加入过多，蒸汽降黏效果欠佳，表面活性剂加量过小，降低界面张力与改变润湿性效果较差，只有表面活性剂与蒸汽达到一定比例才能起到最佳的驱油效果。

岩石吸附损耗对表面活性剂驱实施及效果影响较大，所以目前应用最广的是阴离子型表面活性剂，以羧酸盐，磺酸盐及硫酸酯盐为主。表面活性剂对稠油开发具有重要作用，但是表面活性剂单独使用时，效果欠佳，多与碱，聚合物复配使用，且稠油组成复杂，针对不同油田稠油，很少有一种普适性的表面活性剂，多是复配使用，且注蒸汽开发时，需要表面活性剂能耐高温（>200 ℃），而目前市售表面活性剂能达到此要求的仍较少且价格高昂，因此，制约表面活性剂在稠油热采中应用的关键，是能否开发出成本低且性能优良的新型表面活性剂，如双子表面活性剂，双子表面活性剂具有聚合物独特的流变性和表面活性剂优异的表界面性能，且耐温耐盐，但是价格比常规单链表面活性剂贵。

1.5  热/泡沫驱技术

氮气泡沫是一种分散体系，体系中表面活性剂溶液作连续相，起起泡作用，氮气作产生气泡的分散相^[18-20]。泡沫驱兼具单一气驱和单一表面活性剂驱的双重特性，具有独特的流变性，性能更优异^[21，22]。注蒸汽过程中，蒸汽气窜，蒸汽超覆等现象必不可免，因此热/泡沫驱技术也是稠油开发过程中一项重要技术，所以其在油田开发中具有广阔的应用前景。其机理与泡沫驱相似，主要是（1）利用热降低原油黏度;（2）泡沫改善流度，调整蒸汽注入剖面，扩大波及体积^[23-25];（3）降低油水界面张力，提高洗油效率;（4）泡沫独特的选择封堵性能。（5）增加弹性能量，补充地层能量^[26，27];（6）气驱。热/泡沫驱技术始于上世纪80年代，随后国外开展了一系列蒸汽-泡沫驱矿场实验，实验证明了该技术能有效的扩大蒸汽波及，提高原油采收率^[28，29]。郭東红^[30]等研制了一种高温防窜化学体系“蒸汽+尿素+高温防窜化学剂”并将其在辽河油田进行了矿场实验，结果表明泡沫在高温下也具有较好的稳定性，有效改善蒸汽注入剖面，提高吞吐效果，同时也具有较好的经济性。曹嫣镔^[31]利用室内物模实验研究发现，高温泡沫体系能有效抑制蒸汽窜，改善稠油油藏多轮次吞吐后期开发效果。曹嫣镔^[32]针对乐安油田曹20区块多轮次吞吐存在的经济效益差等问题，开展了高温泡沫体系改善吞吐效果研究，发现残余油饱和度小于0.22，以氮气泡沫混住的方式能有效提高吞吐效果，证明了高温泡沫体系存在适用界限。

泡沫具有独特的流变性能，其对非均质地层具有独特的适应性^[33]。泡沫驱对泡沫的稳定性和起泡性能决定着泡沫驱性能的优劣，泡沫性能的高效发挥仍然依赖高性能泡沫体系的研发，此外，泡沫在稠油高温蒸汽热采中的渗流机理也需要进一步深入探究。

1.6  其他技术

此外，还有水热催化裂解及稠油井下改质等一系列先进稠油热化学技术，这些技术针对的是通过化学反应降低稠油中的重质组分比例，提高轻质组分含量，使稠油发生改质，提高稠油流动性能^[34]，易于采出，从而提高采收率，同时也具有较高的经济效益。该类技术相比目前稠油热采技术，具有施工方便，无污染等优势。虽然国内外学者均做过相关研究，并获得成功，但是该类技术由于受限制条件较多，且在目前技术水平下，还未得到矿场应用，同时价格也相对较高。但是该技术也给稠油开发指出了一个新思路，随着技术的不断进步，该类技术将具有较大的应用前景。

2   结 论

热复合化学驱技术是在轻质油化学驱的基础上发展起来的，该技术目前已经国内多个稠油油田开发试验中获得成功，但是目前尚处于试验阶段，未大规模应用。

（1）热化学涉及到热力学，化学，渗流力学等多学科，机理较为复杂，因此，仍需通过室内实验与矿场结合，进一步深入研究，了解提高采收率机理，并准确进行数值模拟表征。

（2）注蒸汽开发是目前稠油开发的主要技术之一，针对蒸汽开发过程中存在的一些问题，发展了热复合化学驱技术，热复合化学技术能否规模化应用，关键在于廉价、耐温新型化学药剂的研发，这仍需要多学科共同努力。

（3）热复合化学驱技术将是稠油规模化有效开发中的一项重要技术，同时也仍然需要不断加强对新型热复合化学驱技术的研究。

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