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三次采油提高原油采收率技术现状分析
前 言
提高采收率(EOR或IOR)研究是油气田开发永恒的主题之一。IOR指的是除一次采油之外所有的提高采收率措施。EOR主要指在油藏开采过程中不包括一次采油和二次采油的增产措施。
油层当利用自身能量衰竭式采油时，被称一次采油，其采收率一般只能达到15%左右。为了补充地层能量，提高原油采收率，在油层原有能量衰竭后，在油藏边缘或油藏内部打若干注水井，从地面向井内注水，从生产井采油的一种开采方法。即人工注水采油法，亦称二次采油方法。注水的作用是补充油层的驱油能量，水作为油的排驱剂，它将油排走而占据油原来所占据的孔隙空间。注水采收率比能量衰竭法高，它通常不超过30-40%。
由于水的来源广，价格便宜，采收率又高，所以，国内外在油田开发过程中均大量采用了注水采油法，甚至部分油田在新油田刚投入开发就开始进行人工注水，如大庆油田。美国的油田自四十年代初便迅速发展了注水采油。自50年代至60年代，注水开发的工程项目数达到了顶峰。但生产实践表明，在注水开发后期，当油井产水率增高到95-98%时，继续注水是不经济的，这时将被迫停止注水。而此时几乎尚有一半以上的油留在油层中，如何采出这些二次残余油(也称水驱残余油)是油藏工程师面临的重要问题。随着研究技术的进步和发展，使得开采二次残余油成为可能。这一开采技术主要是通过向油层注入化学剂或气体溶剂，对油层进行第三次开采，称为三次采油(Tertiary Oil Recovery)。相应的，对于一些特殊油藏不宜注水，或者注水开发采收率提高幅度相对较小。如稠油、轻质油以及低渗透性油层，这类油藏可以通过热采(稠油)或注气(轻质油和/或低渗透油藏)方式来提高其采收率。
美国石油总产量的37％来自一次采油，而51％的最大份额则是由注水、注气等方式贡献的，约12％的石油产量来自三次采油，即EOR。上述产量比例在美国至少保持了15年之久。在过去的几十年里，美国EOR产量稳步上升，并在1992-2000年达到稳定水平。随着2000年前后，国际油价的下降，2002年美国EOR产量首次出现较大递减。随着近年来国际油价的窜升，可以预见，全球EOR产量将会大幅度提高。因此EOR技术的现状，存在的问题，未来的发展趋势成为石油业界关注的一个重点。
三次采油主要有热采工艺、化学驱工艺、注气工艺和微生物驱油技术。
据文献，热采工艺主要是注蒸汽驱，仍然对美国EOR总产量的贡献最大。但是这种增长势头在1988年已经停止，并以16％ 的速度开始递减。加利福尼亚的蒸汽驱重油产量在总递减量中所占比例最大。
从1982年开始，混气驱和非混气驱技术的应用所带来的产量增长幅度很大，但自1992年，产量增长率基本保持稳定，甚至在2002年产量出现较小幅度递减。
化学驱工艺曾经在1982-1992年期间盛行一时，但其产量占EOR年总产量的比例从未超过4％。自1992年起，化学驱产油量已经微乎其微，仅占EOR年总产量的1％。
微生物驱油技术在全球100多个油田进行了试验，但还没有形成规模，其产量也很少，很难与其他EOR技术所带来的产量相比。
目前，注气采油工艺较之其他EOR技术仍然具有明显优势，特别是在美国和加拿大。这两个国家都拥有大量的气源可以充分利用，尽管资源的类型不同。美国有大量高品质天然的CO2资源，而加拿大同样拥有混气驱所需要的大量的天然气。
油田的注气开发技术已有近80年的历史。在这项技术的发展过程中，从室内实验研究到先导性矿场试验，再到工业性推广等各个阶段都取得了巨大进步。从注气开采机理到动态预测数值模拟，再到注气开采工艺等各个方面也都形成了系统的理论和较完善的技术。世界上已有上千个注气工程，美国的注气采油量约占其EOR总产量的40％。
在我国能源需求逐年急增的情况下，为提高原油采收率开展注气开采理论及方法的研究已成为三次采油的一个重要的课题。
1、我国聚合物提高采收率的基本概况
大庆油田是我国应用聚合物工业化驱油最早的油田之一，聚合物驱油技术也处于国内领先地位。截止到2003年底，大庆油田己投入聚合物驱工业化区块26个，面积达245.8km2,动用地质储量为4.26× 108t，投入聚合物驱4222口井。其中注入井1945口，生产井2277口。累积注入聚合物干粉为41.9 × 104t,累积采油量为6036.8×104t,累积增油2550.6×104 t。 2003年，大庆油田工业化聚合物驱全年产油量为1044. 4×104 t，加上工业化聚合物驱区块的空白水驱产量和二次采油试验区的产量，大庆油田二次采油年产量已经达到1234.9×104 t,累积采油量为6723.2×104 t。
1.1 注聚合物后采收率的提高状况
北一断西区块是大庆油田第一个工业化规模的现场试验区，区块井距为250m, 于1993年开始进行聚合物驱，比水驱提高采收率12.6％。从1996年开始，在其余6个总而积为59.1km2的区块1012口井上进行驱油生产，也表明97.3%的厚度见到驱油效果，提高了体积波及系数。在大庆油田，对油相似的水驱油层，只能有约80%～90%的厚度见到驱油效果。通过聚合物驱提高原油采收率13％,主要是由于提高驱油效率和体积波及系数这两个因素现的，每一个因素大约占提高原油采收率值的50％。
1.2 聚合物驱的原油生产成本
通过实际资料分析可以看出，对于一类油层，注聚合物比注水的化学剂成本有所增加，但由于油井含水率下降及产油量增加，并且注聚合物的吨油折旧费、维护费、服务费、人工费、水处理费及能源消耗等都有下降，且成本下降幅度与增幅大致相同，因而聚合物驱的成本与水驱相当。降低聚合物驱成本最重要的条件是实现:①高的原油采收率；②低含水率；③高的采油速度。如果这3个因素的综合效果是好的，那么聚合物驱成本就会比水驱低，否则，其成本就会高于水驱。
1.3 聚合物驱的目前情况及发展方向
随着聚合物驱油技术的日趋成熟、各项配套技术措施的日益完善以及聚合物驱规模的逐年加大，聚合物驱技术己成为保持大庆油田持续高产及高含水后期提高油田开发水平的重要技术手段。
对工业化聚合物驱油，采用高浓度大段塞的注入方式，有针对性地采取分层注入和深度调剖措施，根据区块的动态反映特征进行综合调整，可以取得较好的聚合物驱技术经济效果。随着聚合物驱油技术的不断发展，胜利油田、江苏油田、中原油田等油田的聚合物驱油也已经形成了一定的规模，聚合物驱油技术已经日趋成熟。但厚油层大孔道深度调剖、二类油层聚合物驱、新型聚合物的评价及应用技术研究仍然有一些问题亟待解决，是聚合物驱几个较为重要的下步攻关方向。
2、我国微生物提高采收率的基本概况
微生物提高石油采收率(Microbial Enhanced Oil Recovery,MEOR)是目前国内外发展迅速的一项提高原油采收率的技术，也是21世纪一项高新生物技术。与其它二次采油技术相比，微生物采油技术具有适用范围广、工艺简单、经济效益好、无污染等特点。因此越来越受到人们的重视。引起了微生物学界、石油工业界、石油地质界和地球化学界等相关学科的广泛兴趣和关注。MEOR是一项具有良好发展前景的二次采油技术.近年来国内各油田都相继开展了微生物采油技术的研究。取得了一定的进展，微生物采油技术是生物工程在石油工业领域开拓性的应用己经受到世界各国的普遍重视。
2.1国内MEOR发展概况
国内于1955年就开始了微生物勘探研究。60年代中期，研究细菌代谢多聚糖类等增稠剂。典型菌株为元-A -144的假单孢杆菌。70年代，主要开展生物表面活性剂方而的研究，筛选到了两株菌4B105g和4-13。
“七五”期间，微生物三次采油被列为国家科技攻关项目。主要开展（1）微生物地下发酵提高采收率研究。（2）生物表面活性剂的研究。（3）生物聚合物提高采收率的研究。（4）注水油层微生物活动规律及其控制的研究。其间，筛选出厌氧发酵糖蜜产生CO2和H2、C2－C3的有机酸菌株，并在大庆油田东6J－22井进行了吞吐试验，研制出槐糖脂、鼠李糖脂、海藻糖脂、多糖脂等四种糖脂型生物活性剂体系.其界面张力为2×10－2m·N/m；分离筛选出黄原胶生产菌种，其增粘性、耐温性、抗盐性和驱油效率等性能良好；研究了注水油层微生物在油层特定条件下生长发育的规律。
“九五”期间，我国MEOR技术研究方而取得了令人瞩目的成果。中科院微生物所、南开大学、山东大学对采油用微生物开展了大量研究，并进行了现场应用试验，中科院有机所对生物表而活性剂驱油进行了初步攻关。在此期间，国内油田MEOR应用技术也已进入工业性应用阶段。大庆、胜利、大港、河南等油田.大庆石油学院的科研机构、采油厂都已制定了攻关项目，并且正在密切合作付诸实施。大港油田建立了微生物菌液厂，并率先进行了区块的微生物驱矿场先导试验.目前辽河油田、胜利油田、新疆油田等油田也在开展MEOR的室内研究与应用。
大港油田自1993年开展微生物采油研究至今，已选育和开发出以烃类为碳源的采油微生物基础菌种300余种，对其中30多株菌进行了室内评价，有10余株菌已投入矿场试验，开展了两个区块的微生物驱油矿场试验，平均采收率提高5.9%，投入产出比约为1:5～1:8，采出原油凝固点平均降低1～40C，粘度降低6%～80% ,密度下降0.002～0.004g/m3，胶质沥青含量降低0.4～2.5含蜡量降低0.9～4.7%，到目前已累计增油15000t，见到了明显的增油效果。
在MEOR技术方面，美国BAC公司、NPC公司于1993～1994年分别在我国华北、新疆、大港、辽河、胜利等油田推广使用微生物采油技术，先后施工50余口井，取得良好效果。其中在胜利油田施工17口井，共增油1700t。
目前，室内研究方面，菌种筛选基本上以烃类为碳源，筛选菌种为厌氧菌或兼性厌氧菌，相继研究或成熟了菌种筛选技术、性能评价技术、代谢产物定性定量分析、微生物适应性研究、矿场应用技术等一系列技术方法。室内评价实验表明，筛选出的菌种应具有如下性能：(1)微生物降解原油重质组分，使原油密度、原油粘度含蜡量、含胶量等降低；(2)微生物产气、产酸、降粘、产表而活性剂；(3)微生物发酵液使油水发生乳化，分散原油、蜡、胶；(4)室内岩芯模型实验表明：微生物驱平均可提高采收率5.9%。
2.2 MEOR的优势与不足
MEOR作为一项二次采油技术与聚合物驱、二元复合驱(碱表面活性剂、聚合物复合驱)等二次采油技术相比有其良好的发展前景。
聚合物驱:各种提高采收率方法中，聚合物驱是目前潜力最大、具备工业化试验和推广生产的主要方法，可以经济、有效地提高原油采收率。周期短、见效快。聚合物驱以扩大波及体积为主，因此它更适用于非均质的中质或较重质的油藏。油藏渗透率高，利于聚合物驱，适用的油藏原油粘度范围一般约为5－60mPa·S。
但这种方法需要的地面设施复杂，要建注聚站；微量污染和凝胶会引起地层堵塞；聚合物驱后油藏的渗透率降低；注入的聚合物质量要求高；与地层水及其添加剂配伍性好；要有长期的热稳定性、化学稳定性和生物稳定性；对于高温高盐油田，实施聚合物驱困难和风险较大。
三元复合驱:碱\表而活性剂\聚合物三元复合驱适用于酸值较低的油藏，加入少量的表而活性剂，可以把产生低界面张力的碱浓度大幅展宽；驱油能力强，提高采收率幅度大，风险较小；表而活性剂与聚合物之间可产生的协同效应，使要求的原油酸值范围降低;能大幅提高驱油效率，降低残余油饱和度;二元复合驱较适于粘上含量不高、油藏温度较低、地层水矿化度，尤其是地层水硬度不大的油田。
但三元复合驱中要使用相当数量的碱;其油藏参数的限制大体上与碱水驱和表而活性剂驱相同;碱\聚合物\表而活性剂之间必须有很好的配伍性，才能发挥很好的协同效应。
微生物驱(MEOR):它对边际生产油田具有经济吸引力，成本低，见效周期长;所需设备简单，采用传统的注水地而设备即可达到施工要求；微生物培养物注入液成本低廉且不受原油价格影响；可用于各种类型的原油(如重质油、轻质油等);通过菌种筛选，能选出适应各种特定油层条件的菌种;不损害地层，可以在同一油井中多次应用；不污染环境，因此，MEOR是一项具有发展前景的二次采油技术。
但是，MEOR也有其自身的不足和局限性，目前的大部分矿场试验，仅限于温度不超过71℃，矿化度不超过10%的油层；某些重金属离子污染营养物后会对微生物产生毒害作用；需要进行充分的室内配伍性试验及适当的工艺设计，MFOR的机理尚未完全探明；对特定油层的最佳微生物应用工艺尚在建立之中；矿场应用的筛选标准(临界条件)还有待于改进；可有效预测矿场动态的油藏模拟软件尚未开发。
3、我国注气提高采收率的基本概况
在我国大庆、华北、中原、江苏、吐哈、塔西南、吉林、长庆等部份油田已开展注气的现场试验, 不少油田已开展注CO2吞吐提高采收率;注氮气驱进入现场试验的有华北和江汉油田，目前采用的注气介质主要是CO2、N2、CH4、烟道气4种气体各种气体有不同的特点和适应性。从发展趋势来看，注气也是近年来发展较快的提高采收率方法。我国许多油田，注水提高采收率技术已经成熟，在我国东部主要产油区，天然气气源紧张，烃类气体又供不应求，不可能用来注气，发现的CO2气源目前还比较少，再加上原油含蜡多、粘度和密度都比较高，绝大多数储量的原油粘度大于5mPa·s，注气后由于不利的流度比、气窜和重力差异比较严重，波及系数不高，而且难于混相，所以注气混相驱和非混相驱一直未能很好地开展起来。
尽管如此，注非烃气体混相和非混相驱的研究和现场先导试验一直没有停止过。CO2驱在我国六十年代初就受到了重视。1963年首先在大庆油田作为主要提高采收率方法进行研究，并于1965年专门开辟了小井距提高采收率试验区进行先导性试验。该试验区采用四点法井网共两个井组14口井，井距750米。在葡工4-7层开展了注浓度为3.8%的CO2碳酸水试验，注入孔隙体积23.2%。与同条件对比井组的水驱相比，采收率提高10%左右，在注水过程中注水井吸水能力也有所提高；同时室内试验表明，CO2水能使岩心表面性质由亲油转向亲水。
1969年3月至1970年6月又在小井距试验区葡Ⅰ1-2层进行了CO2加轻质油段塞的提高采收率矿场试验，结果比水驱采收率提高8%，但现场效果不如室内实验理想，这一方面是注入量比较小(仅为孔隙体积的2.6%)，没有达到设计要求的用量，另一方面是注入剂粘度低，导致平面上波及系数低，影响了采收率的提高。
吉林、江苏、辽河、胜利、中原等油区的CO2单井吞吐，江汉油区的注N2吞吐，吐哈油区的混气压裂、酸化，吉林、长庆油区的混CO2压裂，江苏油区的混CO2酸化等都在开展。
注氮气驱进入现场试验的有华北和江汉油田, 新疆吐哈葡北油田是我国首次开展注气混相驱实验的基地。注烃类驱油的有长庆和葡北油田。但目前我国对注气驱油机理的研究还不够。
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