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三次采油方法进展
一、 三次采油简介
通常把利用油层能量开采石油称为一次采油；向油层注入水、气，给油层补充能量开采石油称为二次采油；而用化学的物质来改善油、气、水及岩石相互之间的性能，开采出更多的石油，称为三次采油。又称提高采收率(EOR)方法。提高石油采收率的方法很多，主要有以下一些：注表面活性剂；注聚合物稠化水；注碱水驱；注CO2驱；注碱加聚合物驱；注惰性气体驱；注烃类混相驱；火烧油层；注蒸汽驱等。用微生物方法提高采收率也可归属三次采油，也有人称之为四次采油。
二、 三次采油的内容
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、热力驱和微生物驱。其中化学驱包括聚合物驱、表面活性剂驱、碱驱及其复配的二元、三元复合驱、泡沫驱等；气驱包括 CO2 混相/非混相驱、氮气驱、烃类气驱和烟道气驱等；热力驱包括蒸汽吞吐、热水驱、蒸汽驱和火烧油层等；微生物驱包括微生物调剖或微生物驱油等。四大三次采油技术中，有的已形成工业化应用，有的正在开展先导性矿场试验，还有的还处于理论研究之中。
1 化学驱
自 20 世纪 80 年代美国化学驱达到高峰以后的近 20 多年内，化学驱在美国运用越来越少，但在中国却得到了成功应用。中国的化学驱技术已代表世界先进水平。中国聚合物驱技术于 1996 年形成工业化应用。“十五”期间大庆油田形成了以烷基苯磺酸盐为主剂的“碱+聚合物+表面活性剂”二元复合驱技术，胜利油田形成“聚合物+表面活性剂”的无碱二元复合驱技术。目前，已开展“碱+聚合物+表面活性剂+天然气”泡沫复合驱室内研究和矿场试验。化学驱油目前存在着 3 个不同的研究方向。首先，从改善油水的流度比出发，除使原油降黏外，相应的办法是提高驱油剂的黏度，降低其流度，应用此原理开发了聚合物溶液、泡沫液等驱油法。其次，从改善驱油剂的洗涤能力以及岩石的不利润湿性出发，开发了活性水驱油法。再其次，就是介于前两种之间的化学驱油法，称为碱性水驱，利用碱性水与原油组分就地形成活性水剂而改善润湿性或就地使原油乳化。
2 热力驱
目前蒸汽吞吐和蒸汽驱已成为我国稠油开采的主要方法。全国稠油产量主要来自辽河、新疆、胜利、河南 4 个油田。最近几年，又出现了一种新的热采方法，业界称之为地热采油。地热采油是利用丰富的地热资源，以深层高温度开发流体（油、气、水及其混合物）将大量的热量带入浅油层，降低原油薪度、提高原油流动能力。这种方法是基于节能减排力度加大、石油资源供需矛盾日益突出、国际油价持续走高的形势下发展起来的。
3 注气驱
在国外，注二氧化碳技术主要用于后期的高含水油藏、非均质油藏以及不适合热采的重质油藏。推广二氧化碳驱油的主要制约因素是天然的二氧化碳资源、二氧化碳的输送及二氧化碳向生产井的突进问题以及油井及设备腐蚀、安全和环境问题等。为解决以上问题，提出了注二氧化碳提高原油采收率技术，这种技术是向地层中注入反应溶液，使其在油藏条件下充分反应而释放出二氧化碳气体，二氧化碳溶解于原油之中，降低原油黏度，从而达到提高原油采收率的目的。
4 微生物驱
经过多年的发展，微生物清蜡和降低稠油黏度、微生物选择性封堵地层、微生物吞吐、微生物强化驱等已成为成熟的提高采收率的技术。微生物驱油已成为继传统的热采、化学驱、注气驱之后第四大类提高采收率的方法。微生物驱油技术的发展主要有三个方向，一是微生物增效水驱，二是激活油藏微生物驱，三是微生物调剖驱油。
三、 三次采油机理及现状
1 化学驱
1.1 聚合物驱油机理
聚合物驱油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酰胺，增加注入水的粘度，改善油水流度比。注入的聚合物溶液具有较高的粘度和通过油层后具有较高的残余阻力系数以及粘弹效应等。粘度越高，残余阻力系数越大，驱替相的流度就越小，驱替相与被驱替相的流度比就越小，聚合物驱扩大油层宏观和微观波及效率的作用就越大，采收率提高值就越高。
1.2 活性剂驱油机理
活性剂驱油是通过在注入水中加入一定量的表面活性剂，降低油水界面张力，从而驱替水驱残余油，进一步降低剩余油饱和度，提高驱油效率。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。
1.3 三元复合驱油机理
三元复合驱油是通过在注入水中加入～定量的表面活性剂、碱和高相对分子质量的聚合物，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。
1.4 泡沫复合驱油机理’
泡沫复合驱油是在三元复合驱的基础上发展起来的一种提高采收率方法，它是通过在注入水中加入一定量的表面活性剂、碱、高相对分于质量的聚合物和天然气．它与三元复合驱相比不仅可以提高驱油效率．还能进一步扩大波及体积，从而提高采收率。
2 微生物驱
微生物采油技术是技术含量较高的一种提高石油采收率的技术，不但包括微生物在油层中的生长繁殖和代谢等生物化学过程，而且包括微生物菌体、微生物营养液、微生物代谢产物在油层中的运移以及与岩石、油、气、水的相互作用引起的岩石、油、气、水物性的改变。
2.1 微生物可改变原油的组成，使其变成低黏度的原油
微生物以石油中的正构烷烃作为碳源而生长繁殖，从而改变原油的碳链组成。微生物不断老化，改变了石蜡基原油的物理性质，影响了原油液或固相的平衡，降低了石蜡基原油的临界温度和压力$微生物的增加能大大减少储层、井眼和设备表面的原油结蜡的温度和压力$微生物生长时释放出的生物酶，可降解原油，使原油碳链断裂(高碳链原油变为低碳链原油，使重组分减少，轻质组分增加，凝固点和黏度均可降低，不仅改善原油在油层中的流动性，而且会使原油品质得到改善。
2.2 微生物可改变驱油环境
（1）生物表面活性剂。微生物活性剂组分主要为十六烷酸、十七烷酸和十八烷酸，它会降低油水界面压力，减小水驱油毛管力，提高驱替毛细管数。同时生物表面活性剂会改变油藏岩石润湿性，从亲油变成亲水，使吸附在岩石表面上的油膜脱落，油藏残余油饱和度降低，从而提高采收率。
（2）生物气。绝大多数微生物在代谢过程中都会产生气体，如二氧化碳、氢气、甲烷等，这些气体都能够使油层部分增压并降低原油黏度，提高原油流动能力。溶解岩石中的碳酸盐，增加渗透率，使石油膨胀4体积增大，有利于驱出原油，增加产量。同时气泡的假敏效应还会增加水流阻力，提高注入水波及体积。
（3）酸和有机溶剂。微生物产生的酸主要是相对低分子量的有机酸（甲酸、丙酸），也有部分无机酸（硫酸），它们能溶解碳酸盐，一方面增加孔隙度，提高渗透率；另一方面，释放二氧化碳，提高油层压力，降低原油黏度，提高原油流动能力。产生的醇、有机酯等有机溶剂，可以改变岩石表面性质和原油物理性质，使吸附在孔隙岩石表面的原油被释放出来，并易于采出地面。与此同时，微生物还产生2种未知醇类，这些都是微生物在发酵原油过程中的代谢产物，它们有利于改善原油黏度，类似轻度酸化，增加岩石孔隙度，从而提高原油产量。
（4）生物聚合物。微生物在油藏高渗透区的生长、繁殖及产生聚合物，使其能够有选择地堵塞大孔道，增大扫油系数和降低水油比。在水驱中增加水的黏度，降低水相的流动性，减少指进和过早的水淹，提高波及系数，增大扫油效率。在地层中产生的生物聚合物，能在高渗透地带控制流度比，调整注水油层的吸水剖面，增大扫油面积，提高采收率。微生物注入水驱油层后，生长繁殖的菌体和代谢产物与重金属形成沉淀物，具有高效堵水作用，封堵率可达到99%（纯菌体的封堵效果只能达到25%）。这对于非均质油藏的堵水调济效果较好，可提高原油产量和采收率，由于封堵了高渗透条带，还有助于减少注水量。
2.3 微生物的直接作用
通过在岩石颗粒表面上生长、繁殖占据孔隙空间，用物理的方法驱出石油，改变碳氢化合物的馏分。微生物能黏附到岩石表面，在油膜下生长，最后把油膜推开，使油释放出来。
3 注气驱
气驱采油技术主要是混相驱和部分混相驱。混相驱替是提高石油采收率的重要方法之一，它的基本机理是驱替剂注入的混相气体和被驱替的地层原油在油藏条件下形成混相，消除界面，使多孔介质中的毛细管力降至零，从而降低因毛细管效应产生毛细管滞留所圈闭的石油，原则上可以使微观驱油效率达到百分之百。实际上由于地层的非均质性、渗透率分层性、流度比不利、重力舌进、粘性指进等多种因素，原油采收率是达不到100％的，但在适宜条件下，其采收率一般比注水开发的采收率高。到目前为止，可用来混相驱油的气体有烃类气体与非烃类气体。烃类气体有干气，贫气、富气和液化石油气，非烃类气体有二氧化碳、氮气、烟道气等。气体混相驱按其混相机理可以分为一次接触混相驱(直接接触混相)、多级接触混相驱(动态混相)、近混相驱(凝析／蒸发气驱)，按照注入气体类型分类如下：LPG段塞驱，二氧化碳驱，氮气驱(烟道气驱)，干气驱，富气驱。
3.1 注CO2驱
CO2混相驱中，CO2抽提原油中的轻质组分或使其汽化，从而降低界面张力而实现混相是CO2驱最重要的提高采收率机理。CO2非混相驱的主要采油机理是降低原油粘度，使原油体积膨胀、抽提和汽化原油中轻烃，减小界面张力。CO2吞吐开采机理主要是使原油体积膨胀、降低原油粘度，以及轻烃抽提和相对渗透率效应。
3.1.1 混相驱
混相驱替是指在多孔介质中，一种流体驱替另一种流体时，由于两相之间发生扩散、传质作用，从而使两种流体能相互溶解而不存在分界面。混相驱替的机理是驱剂和被驱剂在油藏条件下形成混相，消除界面，毛细管准数变为无限大，同时多孔介质中的毛细管力降至为零，从而减少了因毛细管效应产生毛细管滞留所圈闭的石油，理论上可以使微观驱油效率达到100％。由于受地层破裂压力等条件的限制，混相驱替只适用于oAPI重度比较高的轻质油藏，同时在浅层、深层、致密层、高渗透层、碳酸盐层、砂岩中都有应用的经验，总结起来，CO2混相驱对①水驱效果差的低渗透油藏；②水驱完全枯竭的砂岩油藏；③接近开采经济极限的深层、轻质油藏；④利用CO2重力稳定混相驱开采多盐丘油藏的开采具有重要的意义。
3.1.2近混相驱
Orr等人在进行CO2驱微观实验时，提出采收率曲线中的转折点并不一定表示由非混相驱替到动态混相驱替的转变，转折点可能应是“近似混相的”。1995年，Shyeh—Yung JJ又将近混相驱的概念扩展，提出近混相气驱是指注入气体并非与油完全混相，只是接近近混相状态。Burger、沈平平等人分别在室内研究时讨论到近混相现象。
3.1.3 非混相驱
CO2非混相驱的主要采油机理是降低原油粘度，使原油体积膨胀，减小界面张力，对原油中轻烃汽化和抽提。主要应用包括：①用来恢复枯竭油藏的压力；②重力稳定非混相驱替；③重油CO2驱，可以改善重油的流度，从而改善水驱效率；④应用CO2驱开采高粘度原油。
3.1.4 单井非混相CO2“吞吐”开采
该方法的一般过程是把大量的CO2注入到生产井底，然后关井几个星期，让CO2渗入到油层，然后，重新开井生产。CO2单井吞吐方法适用的范围很广，不存在严格的条件限制。这种技术可以用于稠油，也可以用于轻油；即可以用于高渗透油藏，也可以用于低渗透油藏。对于井间流通性差、其他提高采收率方法不能见效的小断块油藏，更具有优越性。单井非混相CO2“吞吐”开采技术不必依赖于井与井之间的流体流动特性。此外，对于一些裂缝性油藏、能量不足的油藏以及有底水的油藏等一些特殊油藏，都可以应用单井非混相CO2“吞吐”开采技术提高原油采收率。
3.2 注N2驱
N2混相驱是指注入N2与原油通过多次接触达到混相来降低界面张力的一种提高采收率的方法。由于注入的N2能抽提原油中轻组分的烃，使得自身不断富化，接近原油组成，从而达到动态混相。N2驱混相的条件较为严格，只有高压、轻质油藏的环境下才能达到混相，因此N2驱要求原油中必须含有足够多的轻质组分，并且高的地层压力，故一般来说实施的难度比较大且适用范围较窄，但它却较之于注CO2和烃类气体具有资源丰富、价格低廉的优点。为了充分利用CO2和烃类气体易混相的特点，同时也为了降低使用CO2和烃类气体的成本，可通过注氮气推动CO2和烃类气体段塞混相驱来提高采收率，其开采机理与CO2和烃类气体混相驱机理相似。如果易混相气体段塞的尺寸选择合理，则用氮气推动混相段塞的驱油效果会比连续注入氮气效果较好，经济效益会更高。
4 热力驱
热力驱采油包括注蒸汽（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及油层中的流体来降低原油粘度来减小油层流动阻力。所不同的是蒸汽是在地面上的蒸汽发生器中产生，通过地面管道和油井注入油层，而火烧油层的热量则是在含有岩层内部产生的。这是按产生热量的方式和地点而区分的。
4.1 蒸汽驱（热水驱）
蒸汽驱是指将蒸汽从注入井到油层，蒸汽将稠油变稀并推向生产井的一种采油方法，通过降低原油的粘度、受热膨胀、蒸气蒸馏、汽驱以及相对渗透率和润湿性的改变来提高原油采收率。
蒸汽驱最大问题是蒸汽超覆和提前突破，注入的蒸汽与原油的密度差增大了流体之间的非均质性，尤其是渗流的非均质性，导致蒸汽的波及体积较小，使得蒸汽驱的驱油效率收到了影响。
4.2 火烧油层法
火烧油层是通过注入空气与地层原油接触，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油，产生的热量用以降低原油粘度、膨胀原油体积、驱动地层原油从而提高采收率。与注蒸汽驱不同，火烧油层是在油层内部产生热量。
四、 结束语
以上各种三次采油方法均有共同点，即解决油藏流体渗流的问题，一方面降低流度比，另一方面降低界面张力。综合运用各种方法将会在原有的基础上提高驱油效率，如热水添加氮气泡沫驱可提高稠油的采收率、水-氮气交注混相驱等。当然，目前存在的问题也层出不穷，随着石油工业的进一步发展，采油工艺将不断提高，原油采收率也将越来越高。
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