致密油提高采收率技术研究进展_胡泽根.pdf

近年来，非常规油气资源已成为石油勘探开发的热点领域，作为非常规油气资源的重要组成部分，提高其采收率对于加大非常规油气的利用具有重要意义1-5。致密油是指夹在或紧邻优质生油层系的致密碎屑岩或者碳酸盐岩储层中，未经过大规模长距离运移而形成的石油聚集，一般无自然产能，需通过大规模压裂才能形成工业产能6。中国致密油资源非常丰富，是中国未来现实的石油接替资源78。由于致密储层渗透率低（一般小于 1 mD）、孔隙度小（一般小于 10%）、微纳米孔隙广泛发育等特点，难以构建有效的驱替系统，目前主要通过水平井+多级压裂（体积压裂）技术进行开发，但压裂后仅靠储层溶解气驱或衰竭式开采，单井致密油提高采收率技术研究进展胡泽根，马宇奔，李明峰，袁征，王海彪（中海油田服务股份有限公司油田生产事业部，天津300459）摘要：近年来，完井工艺技术的发展使得致密油资源实现了商业开发，但致密油藏的原油采收率仍处于较低水平，有必要对致密油提高原油采收率（EOR）技术进行研究。本文在概述国内外致密油资源研究开发现状的基础上，总结了三种研究、应用较为广泛的提高原油采收率技术：注气开发、注水开发、渗吸驱油，并对比了各技术的优缺点，以期为提高致密油资源采收率提供借鉴。关键词：致密油；提高采收率；注水；注气；渗吸驱油中图分类号：TE327文献标识码：A文章编号：1673-5285（2023）03-0005-07DOI:10.3969/j.issn.1673-5285.2023.03.002*收稿日期：202207-19作者简介：胡泽根，男，硕士，工程师，毕业于西南石油大学油气田开发工程专业，现从事完井工艺技术研究与应用相关工作，邮箱：。Research progress on enhanced oil recovery technology of tight oilHU Zegen，MA Yuben，LI Mingfeng，YUAN Zheng，WANG Haibiao（Oilfield Production Department，China Oilfield Services Co，Ltd，Tianjin 300459，China）Abstract:In recent years,the development of well completion technology has enabled thecommercial development of tight oil resources,but the crude oil recovery of tight reservoirsis still at a low level.So enhanced oil recovery（EOR）in such reservoirs is very importantand necessary.This paper briefly summarized the present situation of exploration and development of tight oil,reviewed three of the most widely studied EOR technologies,gas injection,water injection,imbibition displacement,and illustrated their limits of application indetail.It is expected to provide reference for enhancing the recovery of tight oil resources.Keywords：tight oil；EOR；water injection；gas injection；imbibition displacement石油化工应用PETROCHEMICAL INDUSTRY APPLICATION第 42 卷第 3 期2023 年 3 月Vol.42 No.3Mar.2023产量递减快、采收率低9-12。因此如何维持储层压力、有效沟通与控制储层油水流动，较大幅度提高致密油储层原油采收率（EOR）成为今后一段时期的研究热点领域。基于此，本文从致密油资源分布、致密油储层特点、致密油藏开发现状三个方面概述了国内外致密油开发研究进展，并总结了国内外提高致密油储层原油采收率技术的优缺点，最后展望了多功能压裂液渗吸驱油用于提高致密油采收率的前景，以期为致密油资源的低成本、大规模、高采收率开发提供借鉴。1国内外致密油资源研究开发现状1.1国内外致密油资源分布近年来，美国成功实现了致密油资源大规模商业化开发，改变了世界传统能源格局，受此影响，全世界掀起了致密油勘探开发热潮，大部分国家都发现了致密油资源。据统计，全球致密油资源总储量为 66 220108桶，主要集中在美国、中国、俄罗斯等国家，但平均采收率仅 4.97%，见表113。表 1全球致密油地质储量与技术可采储量分布中国致密油资源非常丰富，虽然勘探起步较晚，但已在鄂尔多斯盆地、松辽盆地、四川盆地、吐哈盆地、准格尔盆地等发现亿吨级致密油区，保守估计全国致密油地质储量约 200108t8，有望成为未来一段时间主要的石油来源。1.2致密油储层特点致密油储层有着与常规油气储层不同的特点，主要有：（1）成岩作用强，非均质性强，岩石致密，主要包括致密砂岩、致密碳酸盐岩、致密泥灰岩等，一般无自然产能1415。（2）岩石物性偏差，孔隙度小（10%），渗透率低（1 mD），例如鄂尔多斯盆地 A 井区长 7 组储层平均渗透率为 0.17 mD、平均孔隙度为 8.9%，四川盆地三叠系须家河组储层平均渗透率为 0.19 mD、平均孔隙度为 4.77%16-18。（3）微纳米孔隙发育广泛，孔喉直径主要为 25800 nm，孔隙结构主要包括微孔缝型（微孔，晶间溶孔，微裂缝）和中大孔型（残余粒间孔，原生粒间孔，长石溶孔），以鄂尔多斯盆地东部 X 区长 6 组为例，其扫描电镜图见图 11920。1.3致密油藏开发现状随着水平井分段多级压裂技术在致密油藏开发中的应用日益成熟，全球掀起了致密油藏勘探开发的高潮，以北美（主要是美国和加拿大）地区的发展最为迅速。2006 年，美国威利斯顿盆地巴肯地层致密油产量已经超过了 5104桶/天；之后，美国在致密油资源上的投资进一步加大，2010 年美国全年致密油产量高达2.1108桶，致密油产量占美国原油产量的比重进一步增加；2014 年美国致密油气井已钻 45 468 口；2015年美国致密油产量已超过美国原油总产量的 50%21-22。加拿大是世界第五大石油出口国，致密油资源丰富，其生大洲国家地质储量/（108桶）可采储量/（108桶）平均采收率/%欧洲俄罗斯12 4307466.00北美洲美国9 5404775.00亚洲中国6 4403225.00非洲利比亚6 1302614.26南美洲阿根廷4 8002705.63大洋洲澳大利亚4 0301754.34其他地区22 8501 0234.56总计/平均66 220/3 274/4.97微孔晶间溶孔微裂缝残余粒间孔原生粒间孔长石溶孔图 1低渗透致密储层孔隙结构类型石油化工应用2023 年第 42 卷6关键技术技术瓶颈适用关键技术技术效果压裂优化设计射孔和布段布簇布段优化和裂缝转向技术减少无效压裂，提高甜点改造率裂缝与井层配置裂缝方案优化技术提高储层动用程度，获得最佳产能最佳施工方案水力裂缝模拟技术压裂液体系低伤害、高返排多羟基醇压裂液岩心伤害率 18%20%，成本降低 20%35%超低浓度瓜尔胶压裂工艺方法大幅提高压裂规模，实现长、宽、高立体改造双封单卡分段压裂技术实现规模应用，最高分压 21 段 42 簇，取得 1.6104m3液、1 058 m3砂，压后日产超百立方米的体积改造效果封隔器滑套分段压裂技术水力喷砂分段压裂技术裸眼封隔器滑套分段压裂技术产始于 2005 年。加拿大致密油日产量 2010 年为 1.96104t，2013 年为 4.76104t，2016 年为 4.83104t，这几年加拿大致密油生产趋于稳定，2018 年产量保持在4.69104t/d23。目前中国致密油储层的开发主要借鉴国外的成功经验，进行了很多探索式研究，已取得了一定的进步，主要基于大规模水平井体积压裂，涉及的关键技术见表 2。2012 年胜利致密油区采用水平井分段压裂技术，第一年产量达 4 008 t，第二年产量为 2 455 t；华北致密油区第一年产量为 2 071 t，第二年产量为 1 087 t3。2015 年底，中石油在鄂尔多斯盆地长 7 段致密油区建立了 4 个示范区，产能为 115104t19。但是，目前开发的致密油区产量递减较快，如胜利致密油区第一年递减率为 50%，华北致密油区第一年递减率高达 65%，未能实现高产量稳定开发。因此，开发致密油资源需要在清楚国内致密油特点的基础上，合理借鉴国外技术和经验，采取适合国内致密油藏开发的技术措施，最终实现高效稳定开发的目的。2致密油提高采收率技术经过水平井分段压裂改造后，致密油储层形成具有一定导流能力的压裂缝网，具有了商业开采价值，但仅靠天然能量的衰竭式开发，致密油产量递减很快，一次采收率仅为 3%10%，所以提高致密油储层原油采收率很有现实意义24-26。下面介绍几种针对致密油储层、研究广泛并在现场试验过的 EOR 技术：注气开发、注水开发和渗吸驱油。2.1注气开发提高采收率技术2.1.1连续注气注气驱（如注 N2、CO2等）是常规油藏开发提高原油采收率的一种有效措施，而对于致密油资源也有很大的应用潜力27-29。目前注气开发注入的气体主要是 CO2，其提高原油采收率机理有：补充地层能量；CO2溶于原油，增加原油体积，降低原油黏度；混相 CO2还有降低界面张力的作用，CO2与原油最小混相压力要远小于烟道气、油田产出气、氮气与原油的最小混相压力30。在致密油储层注入 CO2也有一定的限制，如果渗透率太低，注入压力太大，就无法顺利进行注气开发。MANSOUR 等23对致密储层进行模拟，当地层渗透率高于 0.01 mD 时，注气开发 EOR 效果较好。国外连续注气的现场试验主要集中在巴肯地层。加拿大萨斯喀彻温省 Viewfield 巴肯地层平均孔隙度为 9%10%，平均渗透率为 0.010.1 mD，孔喉尺寸为0.10.2 m。2011 年 12 月，针对该地层的 9 口生产井进行注气增产改造，注气速率为 300 Mscf/d，注入压力为3.45 MPa，产量增加到 295 bbl/d，年产量递减率降低到 15%，增产效果明显31。2014 年对美国北达科他州巴肯地层的 4 口生产井（水平井）进行注气，注入速率为1.6 MMscf/d，注入压力为 24.13 MPa，注气时间为 55 d，4 口井的产量都增加了32。国内大庆油田长垣外围扶杨地层平均孔隙度为 12%，渗透率为 0.79 mD，从 2007 年开始进行注气，到2015 年共注入 CO2量 204 000 t，共产油9 000 t33。胜利油田高 89-1 块 CO2驱先导试验区，渗透率为 4.7 mD，原油黏度为 1.59 mPa s，混相压力为28.9 MPa。累计注入 CO2为 30.7104t，累计增油量6.9104t，已提高采收率 9.7%34。连续注气增产的几点认识：（1）对于致密储层，在一定条件下，注气是一种有效的增产措施；（2）注入速率和注入压力不能太大，延缓气体的突破时间，这样增产效果才会更好；（3）渗透率太小，会出现注气压力大，难注入的问题；（4）气源也是注气增产需要考虑的一个重要环节。2.1.2注气吞吐注气吞吐又叫做周期注气，分三个表 2致密油储层水平井体积压裂技术7胡泽根等致密油提高采收率技术研究进展第 3 期7阶段：（1）注气阶段（吞）；（2）关井（焖井）阶段；（3）生产阶段（吐）。注气吞吐在常规油藏（例如稠油油藏）中应用比较成熟，对于致密油资源开发 EOR 也有很大的潜力。王学武等35以大庆外围扶杨油层岩心为研究对象，发现周期注 CO2原油采收率最高，水驱转 CO2驱次之，连续注 CO2驱原油采收率最低。PU 等36用渗透率为0.3 mD 的岩心进行注气吞吐试验，原油采收率高达40.9%，但两个周期后，原油采收率明显下降，因此建议注气吞吐不要超过三个周期。PAVEL 等37指出，由于裂缝相互干扰，裂缝几何形状在一定程度上会影响注CO2吞吐的效果。2008 年在北达科他州巴肯地层进行注气吞吐试验，注气速率为 1.0 MMscf/d，注气阶段持续 30 d，该试验并没有成功，因为气体很快就突破了，采油量反而下降了。2009 年在美国里奇兰县的 Montana 巴肯地层进行注气吞吐试验，注气速率为 1.52.0 MMscf/d，共注气45 d，关井 64 d，到 2010 年 3 月产量达 44 bbl/d，实现了增产32。江苏油田针对低渗致密油藏开展了 12 井次的 CO2吞吐现场试验，累计注入 2 926 t 的 CO2，增油量 3 348 t，平均单井增油 304 t，平均每吨 CO2换油率1.14 t，试验效果不断提高38。新疆玛湖致密油藏具有低孔、低渗的特征，压裂后产量递减较快，为提高原油采收率，开展了 3 井次的 CO2吞吐试验，其中，X721井增油量为 2 161 t，换油率为 1.07；X92 井增油量为1 768 t，换油率为 0.44；M1114 井增油量为 1 452 t，换油率为 0.3339。注气吞吐的几点认识：（1）注气阶段和关井阶段的时间对结果影响很大，一般关井时长不低于注气时长；（2）要延缓突破时间；（3）考虑气源，气源影响施工成本；（4）注气吞吐的增产机理和现场试验工艺的优化需要进一步的研究。2.2注水开发提高采收率技术注水开发主要有两种模式：连续注水（水驱）和注水吞吐，是常规油藏实现高效开发的一个重要手段，在致密油资源的开发中也有一定的应用前景。对此国内外很多学者进行了研究与现场试验40-42。FRIESEN 等43研究了加拿大阿尔伯塔 Pembina 油田 Cardium 地层（渗透率为 0.350.85 mD）地质情况，在该地层进行水驱开发具有可行性。HUSTAK 等44对加拿大西部沉积盆地的巴肯地层进行了水驱模拟与历史拟合，预测水驱开发的原油采收率能达到 15%25%。YU 等45做了室内注水吞吐实验研究，发现注入压力影响采收率，浸泡时间（现场关井阶段）是提高原油采收率的重要一环，但注水吞吐提高致密储层原油采收率效果并没有注气吞吐效果好。2012 年，在北达科他州的巴肯地层进行了一次注水吞吐试验，注水速率为 1 200 桶/天，注入时间为 1个月，关井时间为 2 个周，生产时间为 34 个月，该试验过程未遇到注入困难的问题，但产油速率并没有提高32。鄂尔多斯盆地 A 井区长 7 段致密储层就进行了注水开发探索试验，采用 20 口水平井生产井+36 口直井注水井的联合井网开发模式，前 3 个月水平井单井产量达 10.2 t/d，但水淹情况严重，有 13 口井见水，大部分注水井只能关停。2014 年 4 月对鄂尔多斯致密储层 B8 井进行注水吞吐试验，注水 22.5 d，平均注水速率 80 m3/d，关井 15 d，开井生产日产油量达 12.45 t，单井日产油量比吞吐前增加了 78.3%，注水吞吐采油取得了初步效果46。注水开发提高致密油储层原油采收率的几点认识：（1）致密油体积压裂水平井注水开发见水风险大；（2）注水吞吐提高原油采收率的效果优于连续注水开发，但未必优于注气吞吐；（3）随着地层含水率的升高，后期注水吞吐难度会增加。2.3渗吸驱油提高采收率技术常规 EOR 方法（例如注水驱、非混相 CO2驱、表面活性剂驱等）不一定能提高致密油藏的采收率，特别是在渗透率小于 0.01 mD 的非均质油藏中。大多数实验室规模的研究着眼于岩心渗透率相当均匀，不同于传统的油藏，油藏非均质性是决定致密油采收率的主要变量之一29。基于致密油储层微纳米孔隙广泛发育、非均质性强、毛细管力强的特点，渗吸驱油是提高致密油采收率的一个重要措施。渗吸过程是工作液在毛细管力作用下从裂缝渗吸进入含油的基质中，而基质中的原油通过油-工作液的置换被驱出来47。对于渗吸驱油机理，国内外学者进行了很多研究。影响致密岩心渗吸效果的因素有很多，主要包括岩石润湿性、孔隙度、渗透率、流体黏度、界面张力、流体矿化度、岩石矿物成分以及温度、压力等48。未志杰等49研究发现，亲油性岩心几乎不存在自发渗吸；将岩石亲油性反转为亲水性，则毛管阻力转变为驱油动力，渗吸效果明显，渗吸采收率达 15%25%。谷潇雨等50以鄂尔多斯盆地富县地区延长组长 8 段致密砂岩为样品研究表明，亚微米级-微米级孔隙在渗吸驱油中起主导作用，岩心自发渗吸采收率达 5.24%18.23%。JAVAHERI 等51采用双岩心渗吸方法进行了渗吸驱油研究，水湿岩心的渗吸作用强于油湿岩心，且渗吸效果石油化工应用2023 年第 42 卷8受孔隙度影响较大，当孔隙度小于 2.5%时，无法通过渗吸作用进行驱油。ROYCHAUDHURI 等52通过研究发现，带压渗吸比自发渗吸的渗吸采出程度提高了65%，同时用自发渗吸和带压渗吸来评价表面活性剂溶液渗吸驱油的机理更加合理。致密油资源开发时，往往会进行大型体积压裂，需要注入大量的压裂液，而一般情况下，超过 70%的压裂液很难被返排出来，就滞留在地层中，对储层存在一定的伤害53。但滞留在地层中的压裂液一方面可以为地层补充能量，另一方面可以通过渗吸作用起到驱油的效果，据统计数据显示，压裂液返排率低（20%）的井，开井后产量高；返排率高（60%）的井，开井后产量低54。因此，将压裂液与渗吸驱油相结合，既能降低地层污染、降低作业成本，又能起到增产的作用。渗吸驱油现场试验：长庆油田某井区 A 井储层属于低渗透致密砂岩，前期注水累计产油 857 t，随着注水时间延长，该井含水率逐渐达到 100%，基本无油产出；注入表面活性剂溶液关井 1 个月进行渗吸驱油。开井后产油量达到 8.5 t/d，含水率为 51.5%，累计产油量1 124 t，增产效果显著55。渗吸驱油的几点认识：（1）渗吸驱油是提高致密油储层原油采收率的一个重要措施；（2）压裂液渗吸驱油既能减少地层伤害，又能提高生产井产量；（3）渗吸作用的影响因素很多，其驱油机理需要进一步研究；（4）带压渗吸的机理与自发渗吸的关系及效果比较，需要进行更深入的研究。3结论本文总结了致密油资源的勘探开发现状，概述了国内外研究主要的几种提高采收率技术，得到以下几个结论：（1）目前，注气开发特别是注气吞吐提高采收率效果一般要优于注水开发。注水开发中连续注水风险较大，注水吞吐的效果要优于水驱开发。但具体到特定的致密油藏，需要做相应的研究与现场试验才能真正了解哪种开发方式更适合。（2）致密油储层微纳米级孔隙广泛发育、非均质性强、毛细管力强，具有较强的渗吸作用，渗吸驱油是提高其原油采收率的一个重要措施。压裂液渗吸驱油既能减少地层伤害，又能提高生产井产量。（3）致密油藏的压裂改造需要大量的压裂液，增加压裂液的功能性，如补充地层能量、改变岩石润湿性、降低压裂液摩阻、提高压裂液的渗吸驱油效果，对提高致密油的采收率具有很大的现实意义。参考文献：1 林森虎，邹才能，袁选俊，等.美国致密油开发现状及启示J.岩性油气藏，2011，23（4）：25-30，64.2 杨华，李士祥，刘显阳.鄂尔多斯盆地致密油、页岩油特征及资源潜力 J.石油学报，2013，34（1）：1-11.3 魏海峰，凡哲元，袁向春.致密油藏开发技术研究进展 J.油气地质与采收率，2013，20（2）：62-66.4 BRANDT A R，YESKOO T，MCNALLY M S，et al.Energy intensity and greenhouse gas emissions from tight oil production in the Bakken formation J.Energy&Fuels，2016，30（11）：9613-9621.5 孙龙德，邹才能，贾爱林，等.中国致密油气发展特征与方向 J.石油勘探与开发，2019，46（6）：1015-1026.6 赵靖舟.非常规油气有关概念、分类及资源潜力 J.天然气地球科学，2012，23（3）：393-406.7 杜金虎，何海清，杨涛，等.中国致密油勘探进展及面临的挑战 J.中国石油勘探，2014，19（1）：1-9.8 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