杨成玉综述低渗透油藏化学驱研究现状

杨成玉综述低渗透油藏化学驱研究现状
低渗透油藏化学驱研究现状
—文献调研
摘要：针对低渗透油藏可探明储量增加，开发难度大，压裂酸化、注水和注气等手段已经不能满足现阶段的低渗透油藏开发，化学驱在低渗油藏中的应用不断受到重视。

本文综述了低渗透油藏的特点、开发现状以及化学驱在其中的应用和渗流机理。

综合分析表明：由于缔合聚合物经过强烈剪切后恢复能力强，合理的聚合物分子质量在渗透率为（40×10-3μm2-50×10-3μm2）时能够有效的提高低渗透层的原油产出程度。

而表面活性剂能降低渗透油层的渗流启动压力梯度，很好地降低低渗透层界面张力和毛管自吸势能。

ASP驱结合了三者的优点，能够一定程度上增加低渗透层的产量。

化学驱在低渗透油藏开发中仍有很大的潜力。

关键词低渗透油藏化学驱渗流机理研究现状
1引言
随着我国国民经济的迅速发展，油气资源的消耗不断在增大，2007年我国进口原油1.59亿吨，预计2020年我国对原油的需求至少达到4-4.3亿吨，而我国的石油产量只能增至2亿吨左右[1]，因此对于不可再生的石油资源的开采程度要求不断提高。

我国也加大了国内外的勘探力度，正在不断挤入世界油气勘探开发领域。

然而挖掘现有油田潜力，保持稳产，提高采收率也势在必行，尤其是低渗透油藏开发。

因为低渗透油藏已成为我国近几年油藏开发的主战场。

从国土资源部获悉，截止2010年底我国石油累计探明地质储量为312.8亿吨，其中低渗透油藏总量200多亿吨，可探明储量为140多亿吨，占总地质储量的50%多，新增油藏储量中低渗透油藏储量占70%以上。

由于低渗透油藏具有天然裂缝发育，基块渗透性差，非均质严重，孔喉细小、毛细管现象突出、油气流动阻力大，黏土矿物含量高等特点。

国外一般采用压裂酸化、注水和注气开采。

但水驱受到注入压力高，含水上升快，水驱动用程度较低，采收率低等因素的制约。

气驱受到气
源和经济的限制。

而微生物采油受到温度、矿化度、PH、压力等一系列因素的制约，使得开展困难。

由于化学驱的不断完善和发展已经不断的成为油田开采过程中的主导力量，但在低渗透油藏下还不够成熟，对这方面的研究还比较少。

还存在着一些问题。

但却有着很大的发展空间。

2低渗透油藏概述
2.1低渗透油藏形成条件和概念
我国低渗透油层，形成于山麓冲积扇－水下扇三角洲沉积体系和浊积扇沉积体系，有砾岩油层、跞状砂岩(或含跞砂岩)油层、砂岩(粗中细砂岩)和粉砂岩油层四种岩石类型。

主要包括由近源沉积的油层分选差、矿物成熟度低、成岩压实作用、近源深水重力流和远源沉积物形成的油层[2]。

世界上对于低渗透油藏的概念没有统一的标准，只是一个相对的概念。

顾名思义，就是其渗透率很低、油气水赖以流动的通道很微细、渗流的阻力很大、液固界面及液液界面的相互作用力显著。

它导致渗流规律产生某种程度的变化而偏离达西定律。

并且存在启动压力梯度。

2.2低渗透油层及油田划分标准
由于不同国家、不同时期的地质环境、经济、技术水平差异。

世界上没有统一的划分标准。

根据我国生产实践和理论研究，对于低渗透油层的范围和界限已经有了比较一致的认识。

根据渗透率对采收率的影响程度及渗透率与临界压力梯度曲线的研究，渗透率在40×10-3μm2前后有较大的变化，即渗透率低于40×10-3μm2后，采收率明显降低，临界压力梯度明显加大，从油田生产实际看，渗透率低于50×10-3μm2的储层，虽然具有工业油流，但一般都要进行压裂改造，经过增产措施后，才能有效地投入正常开发。

大庆油田在外围三肇地区专门对特低深透油层进行单层试油，证明渗透率低于1×10-3μm2的油层经过压裂改造后，仍有一定的生产能力。

我国开发最早的延长油田其油层渗透率只有(0.1~1.0)×10-3μm2，经过简单压裂改造后初期单井日产量可达0.3~1.0t[3-4]。

由此可见，低渗透油层是指渗透率在1×10-3μm2~50×10-3μm2之间的油层。

但国外也有把小于
100×10-3μm2的油层称之为低渗透油层，例如俄罗斯等国家。

我国根据低渗透砂岩储层平均渗透率大小又将低渗透油田分为三类：第一类是一般渗透率油田，油层渗透率在10.1×10-3μm2~50×10-3μm2，，这类油田接近正常油田标准，油井能够达到工业油流标准。

第二类是特低渗透油田，油层平均渗透率在1.1×10-3μm2~10×10-3μm2，这类油层与正常油层差别比较明显，需要采取有效地采油手段才能有效地进行工业开发。

第三类是超低渗透油田，油层平均渗
透率在(0.1~1.0)×10-3μm2，这类油层不具备自然产能，不具备工业开发价值，但综合经济因素和油层实际情况下也可以进行适当的开采[5]。

2.3低渗透油藏开发现状和特点
2.3.1低渗透油藏的特点
从低渗透油藏储量来看，目前发现的低渗透油藏储层以中深埋藏深度为主。

低渗透油藏中特地渗透和超低渗透储量占有较大的比例。

我国低渗透油藏岩性以砂岩为主。

还有少部分的变质岩和石灰岩等特殊岩性油藏。

从低渗透油藏地质角度观察，我国低渗透油藏类型单一，储层物性差，孔隙度和渗透率低，孔喉细小孔喉半径一般小于1.5μm。

溶蚀孔发育，储层非均质性严重。

裂缝发育，裂缝的延伸长度大多小于100m，裂缝孔隙度一般小于1%。

油水的原始含水饱和度较高，一般在30%-60%之间。

储层敏感性极强，容易受到各种伤害。

但原油的性质较好，这也是低渗透油藏开发的一个有力的因素[9-10]。

2.3.2低渗透储层开发技术研究现状
据最新石油储量评价结果表明，全国低渗透油藏储量210.7x108t。

对于该类油藏目前一般采用常规注水开发方式，注入压力高，含水上升较快，水驱动用程度较低，油藏水驱采收率不到20%，大部分石油滞留于油层中。

主要原因是低渗透储层的单层厚度薄、含油性差、孔隙结构复杂、粘土含量大、存在较大的启动压力；油水井间有效驱动压差小，油井受效较差，低产低效井较多；并时常出现水井注不进、
油井采不出的情况，注水波及体积小、驱油效率差，导致采收率很低，平均仅25%左右[6-8]。

目前国内外对低渗透油藏的开发技术主要包括以下几点：
1.注水开发低渗透油藏的井网型式和井网密度。

90年代以来，我国在低渗透油气资源开发中成功地实施了水平裸眼分段压裂，取得良好效果。

利用水平井开采，实现“稀井网、强驱油”。

此前，美国、俄罗斯等国多年来研究得出的共同结论是对低渗透油气田的开发，必须采用“密井网，强驱油”。

密井网无疑会增加成本，所以水平井，特别是低压钻水平井技术是解决这一问题的良好方法。

即以稀井网实现“强驱替”。

2.低渗透储层的增产改造技术。

低渗透储层一般必须经过增产改造才能获得
工业生产价值，早期最常用的方法是水力压裂，但许多低渗透储层的水敏、强水锁等特性使之不适合采用水力压裂。

因而国外发展起来了CO2加砂压裂技术(又称干式压裂技术)，最近出现了液态CO2井下配置加砂压裂技术，超长水平井技术取代压裂缝技术等。

3.水平井和多分支井开发低渗透油藏新技术。

包括低渗透油藏水平井开采的适用性筛选标准以及钻井、完井和采油等技术。

4.利用自然能量和人工手段开采。

国内外研究认为，低渗透储藏最好首先采用自然能量开采，尽量延长无水开采、低含水开采期。

因为油气层一旦见水，稳产难度就很大。

而低渗透气田的自然能量主要是弹性驱和溶解气驱。

一般一次采收率可达10%—20%，二采可达25%—30%，三采技术还不大成熟。

为提高驱替效率，我国又发展起来了气驱、水气交替驱替、混相驱、微生物采油、化学驱、振动波法、层内爆炸技术、电动力学方法等一系列的提高采收率手段。

5.关于小井眼技术，应用仅限于探井和自喷井，这是因为其配套设施还不完备，大部分井下设备和测量仪器无法下入井中的缘故。

3低渗透油藏化学驱渗流机理
渗流是流体在多孔介质中的流动，主要取决于三大要素的变化，即流体（主要是流体的组成和物理化学性质）、多孔介质（主要是多
孔介质的孔隙结构和物理化学性质）、流动状况（主要是流动的环境、条件和流体-固体之间的相互作用）。

然而低渗透油藏的渗流特征与中高渗透层显著不同，那么在化学驱过程中所表现的渗流状况也就完全不同。

低渗透层属于非达西渗流规律，对于达西渗流规律的研究已经有一百多年的历史，而对非达西渗流规律的研究只有十几年的历程，因此对非达西渗流规律的研究还任重而道远[11]。

在非牛顿流体渗流和低渗透油田的开发过程中在多孔介质中，单相流体一维流动时，其压力梯度与流速之间的关系曲线一般有如下特征[12]：
l)在压力梯度低于某一界限时，流体不能克服流动的阻力，不发生流动，也就是说存在启动压力梯度。

2)在压力梯度大于启动压力梯度后，压力梯度与流量之间的关系不是简单的线性关系，而是复杂的非线性渗流。

3)只有当压力梯度继续增大到某一数值后，压力梯度与流速之间的关系才呈
线性关系。

其延长线的截距(流速为零时的压力梯度)被称为拟启动压力梯度。

根据调查研究我国的低渗透油藏化学驱主要就是：碱驱、表面活性剂驱、聚合物驱、复合驱这几个主要的驱替方法。

然而我们知道原油是多族分的烃类化合物，也含有少量的氧、硫、氮及金属元素的络合物。

当有层中存在油、化学剂、水时，在岩石-原油，岩石-原油-水-化学剂系统中的界面现象起着重要的作用。

岩石与原油的相互作用主要表现在静态条件下，原油的某些组分吸附在岩石的矿物质表面。

吸附主要分为物理吸附和化学吸附。

流体在低渗透油藏中流动属于层流。

原油与化学剂之间主要是发生化学反应降低原油粘度，并且通过控制油水的流度能力，堵塞孔隙结构的能力等来有效地提高原油的采收率。

另外固体表面与附近的分子、原子之间的相互作用力，即边界层的形成也有着重要的影响。

不同的化学驱在低渗透油藏中的微观渗流存在着很大的差异[13-15]。

①在碱驱过程中，碱主要是与低渗透油藏中原油中的部分酸发生化学反应，形成表面活性剂，有很强降低界面张力能力，达到降低原油粘度的作用。

②在表面活性剂去中，表面活性剂具有降低表面张力、起泡、乳化、分散、润湿、增溶等性能。

在低渗透油藏中，非均质性严重，良好的降低界面张力能力，润湿和增溶能力，改善水驱的流动能力，增强可动油的能动性。

然而起泡和乳化作用反而在非均质性很强的低渗透层中起到反作用，不利于原油开采。

③在聚合物驱中，聚合物溶液注入油层后将产生两项基本作用，一方面对于低渗透层高含水地带，降低了水淹层段中水相流度，改善流度比，提高了水淹层段的层内波及效率；另一方面，对于一定的低渗透油层，聚合物自身的剪切恢复性较好，再较低的粘度下注入，在地下能够建立较好的粘度恢复。

④在复合驱中，主要是充分利用碱、表面活性剂、聚合物三者的优点，碱可以使得界面张力达到最低，表面活性剂能显著降低毛管自吸势能，并降低启动压力梯度，预防水相圈闭损害，生成较少的沉淀。

聚合物有很好的流度控制能力。

有效地结合能够增加地渗透油田的才出程度。

4低渗透油藏化学驱油剂研究进展
化学法是应用于水驱油田最早的方法，各种化学驱的应用在国内外有大大下降的趋势，但化学法中的聚合物驱或聚合物+碱+表面活性剂的复合驱却有扩大应用的趋势。

化学驱可分为4种主要的工艺技术：表面活性剂驱、聚合物驱和碱
水驱以及各种复合驱。

4.1低渗透油藏碱驱研究进展
碱驱是试验最早的化学驱油技术。

因为驱油机理复杂，限制很多，未得到广泛的应用。

尽管碱驱在矿场试验上未获得很大的成功，但因为其较低的成本，受到石油工作者的普遍关注。

碱驱的机理之一是：碱和原油中的酸性物质反应，形成原位表面活性剂，降低界面张力[16-17]。

鉴于稠油的酸值一般比较大，碱很易乳化稠油，且碱能部分
改变润湿性(水湿转为油湿)，故碱驱对于低渗透中稠油来说是非常有利的。

对于一些前陆盆地，其次是裂谷盆地，克拉通盆地形成的低渗透油藏[18]，所含酸值很高，合理设计的碱驱能通过原位形成的油包水型乳状液堵塞水流通道，显著地降低水渗透率，增加波及体积，提高采收率。

碱大多数与其他的驱替液混配来进行低渗透油藏开采。

4.2低渗透油藏聚合物驱研究进展
聚合物驱中主要包括线性高分子聚合物、纳微米聚合物、交联聚合物、黄原胶。

4.2.1线性高分子聚合物
对于线性高分子聚合物中最重要的一种聚合物是聚丙烯酰胺(PAM)，常用于流度控制和渗透率调整。

现在很多新型的聚合物都是在聚丙烯酰胺的基础上进行改性，根据油藏的实际情况来提高聚合物的本身的性质。

例如：
1）张立娟[21]等人应用部分水解的聚丙烯酰胺在大庆低渗透油藏中进行实验，结果表明：相对分子质量1.0×107的聚合物溶液注入低渗透岩心时，即使渗流速度很低(1 m/d左右)，黏度损失率也高达60%以上。

流速越高，聚合物溶液通过岩心后黏度损失越大。

对于500 mg/L的聚合物溶液浓度低，黏度小，尽管堵塞效应小，注入性较好，但发生吸附及剪切损失后保留下来的黏度很小，注入岩心后对流度的控制能力很差1000 mg/L溶液中的聚合物分子链缠绕较严重，分子线团尺寸较大，不能进入较小的孔隙，难以驱替微小孔隙内的残余油聚合物溶液在近井附近黏度的严重损失是大庆中低渗油藏注聚不见效及驱油效果差的关键因素。

2）疏水缔合聚合物(HAWSP)是在部分水解聚丙烯酰胺分子链上引入少量疏
水基团，使聚合物分子在水溶液中由于静电、氢键或范德华力作用而在分子间产生具有一定强度但又可逆的物理缔合，从而形成巨大的三维网状结构。

张云扇等人[19-20]指出：聚合物的油层匹配性与分子回旋半径存在一定关系。

当油层孔隙半径中值R50大于聚合物分子线团回旋半径R G的5倍时，该聚合物不会堵塞油层。

由此研究聚合
物的油层匹配性与相对分子质量关系为：聚合物相对分子质量为2.4×106适应的油层水相渗透率为10×10-3μm2；聚合物相对分子质量为5.5×106适应的油层水相渗透率为30×10-3μm2；聚合物相对分子质量为8.0×106适应的油层水相渗透率为100×10-3μm2。

由此可知只要根据油层水相渗透率选择适当范围的聚合物相对分子质量就不会造成油层的堵塞。

通过这种缔合而形成超分子结构，即使聚合物分子浓度很低，体系仍然有很高的粘度。

这种分子结构使得疏水缔合聚合物分子在多孔隙介质中流动时，由于受剪切作用而被破坏的动态物理交联网络在剪切作用降低或消除时又会重新形成，粘度也随之恢复。

正是由于缔合聚合物特殊的分子结构和性质使其在低渗油层聚合物驱中具有广泛的应用前景。

同时当在深井处速度降低后缔合聚合物粘度可恢复到原始粘度的90%左右，因此缔合聚合物既克服了其注入困难又使其具有较高的驱油粘度。

缔合聚合物在低渗油层中提高采收率程度随油层渗透率增加而增大，同时存在一个驱油效果稳定的临界渗透率值(本实验为40×10-3μm2)即当高于此值后缔合聚合物驱提高采收率程度趋于稳定为3.59%OOIP，低于此临界值缔合聚合物驱提高采收率程度变化较大。

当渗透率低于40.0×10-3μm2，进行聚合物驱一定得慎重考虑，在目前的技术条件下，最好不要采取缔合聚合物驱油。

4.2.2纳微米聚合物
纳微米聚合物逐级调驱材料是采用的是纳微米级的聚合物微球，通过微球在地层深部发生物理和化学变化，实现液流改向的调驱技术，预计可提高原油采收率15%。

该项技术是一项有效提高老油田采收率的新方法，对于促进原油增产、提高油田企业的经济效益及保护环境，将具有十分重要的意义，并具有很好的推广应用前景。

纳微米聚合物在低渗透油藏孔隙及通道中的渗流规律是：①在狭小的孔隙通道迅速通过；②在部分孔道中纳微米颗粒变形通过；③在大的孔隙空间处滞留或缓慢流动，纳微米球颗粒主要占据大孔隙；④在大孔道中成网状分布流动，部分纳微米球滞留，大孔隙流动缓慢；⑤大孔隙区域纳微米球滞留。

纳微米聚合物不具有启动压力梯度，但具有非线性渗流特征，随
岩心渗透率增大，非线性渗流特征越明显。

赵玉武[11]通过纳微米球驱油实验结果表明，纳微米聚合物驱比水驱采收率平均提高5.3个百分点。

4.2.3交联聚合物
交联聚合物[22]研究始于60年代，该体系具有许多独特的特点，目前已在许多油田得到应用和推广，成为提高原油采收率的主要技术措施之一。

由于聚合物浓度高，成胶时间短，成本费用高，仅实用于近井地带的渗透率调整，不能有效解决油藏深部的非均质性问题。

并且由于低渗透油藏的本身特点，很难将交联聚合物应用到地渗透油田的开采。

4.2.4黄原胶
黄原胶[23]是一种自然多糖和重要的生物高聚物，由甘蓝黑腐病野油菜黄单胞菌以碳水化合物为主要原料，经好氧发酵生物工程技术产生的。

黄原胶有优良的抗盐性能，但容易堵塞低渗透油藏孔隙，不适合低渗透油藏的开采。

4.3低渗透油藏表面活性剂驱研究进展
三次采油技术的发展对表面活性剂的要求越来越高，不仅要求它具有低的油水界面张力和低吸附值，而且要求它与油藏流体配伍和廉价。

表面活性剂在驱油中具有降低表面张力、起泡、乳化、分散、润湿、增溶等性能。

由于低渗透油气藏微观结构复杂，潜在损害甚于常规储层，表面活性剂在这类储层的应用超越了在常规储层或以往应用的局限，尤其在修饰岩石表面润湿性时，能显著降低毛管自吸势能，预防水相圈闭损害，在低渗透油气藏开发中优势明显常用的表面活性剂有阴离子型：降低界面张力能力强，在EOR中可起到降低界面张力、乳化、润湿反转、起泡、驱油、堵水、乳化降黏作用，但是耐盐性差。

阳离子型：杀菌、润湿反转能力强。

非离子型：非离子表面活性剂的耐盐、耐多价阳离子性能好，但在地层中的稳定性差，吸附量比阴离子表面活性剂高，而且不耐高温，价格高；与阴离子作用类似两性离子型：吸附强，表面活性高，降低界面张力强。

缺点是价格较高[24-26]。

具有代表性的驱油表面活性剂有3种：石油磺酸盐、人工合成磺
酸盐和乙氧基磺酸盐。

王小泉[27]等通过一种价格较低廉的石油磺酸盐(ZPS)与一种表面活性剂(PS)
复配，采用这种复合表面活性剂(PZ)水驱方式进行低—特低渗透油藏驱替试验，结果表明：PZ驱油剂与储层流体相容性好，不发生超标沉淀，吸附损耗量少，明显降低O/W界面张力比单纯注水驱替提高采收率9%。

聂振霞[28]指出：胜利石油磺酸盐与史深100区块的原油具有良好的相似相容性能，质量浓度为4 g/L的胜利石油磺酸盐能够将油水界面张力降至1.0×10-3mN/m石油磺酸盐能够有效改善低渗油藏注水效果，补充地层能量，缓解低渗透油藏注采矛盾，对提高采收率具有一定实际意义。

张凤莲[29]通过数值模拟研究得出：表面活性剂驱油能够降低启动压力梯度，提高低渗透油田驱油效率，表面活性剂成本较高，在油田生产过程中首先要确定表面活性剂的合理用量，以获得最大的经济效益。

表面活性剂驱油引起的启动压力梯度变化、相对渗透率变化及表面活性剂在地层中吸附滞留。

熊生春[30]等人应用Gemini季铵盐表面活性剂LTS在大庆油田采油五厂选取注水量偏低、注入压力偏高、平均有效渗透率为10×10-3μm2的低渗透层位的6口井进行现场试验。

在试验井中注入600mg/L的LTS溶液，单井注入量30~45 m3/d，注入时间90d，措施后注水井压力平均下降了0.9MPa，单井平均日增注8.5 m3/d，对应油井生产能力明显提高，年产油量由7236 t增至8665 t。

高明[31]等人研究了一种新型磺基甜菜碱表面活性剂SLB-13具有良好的界面活性，在50~3000 mg/L的较宽浓度范围内，不加碱就可与原油形成10-3mN/m数量级的超低界面张力，在低渗透油田有广阔的应用前景SLB-13与低相对分子质量(4.8×106)聚合物的复配体系提高采收率的幅度较大，注入时的最高压力梯度与水驱时相差不大，可用于低渗透油田提高采收率。

4.4低渗透油藏复合驱研究进展
复合驱即将碱、聚合物、表面活性剂三者结合起来，进行不同的复配，筛选，发挥各自身上的优点，达到提高原油采收率的要求。

在油田开采中有很大的发展潜力，尤其是在很难开采的低渗透油藏。

但主要的缺点是成本高。

目前我国主要的复合驱包括：ASP驱、弱凝胶-表面活性剂、表面活性剂/聚合物驱三种组合方式。

侯吉瑞[32]等人提出低碱复合驱，其意义不仅在于克服了高碱对地层的伤害问题，更重要的是扩大了ASP复合驱中表面活性剂的筛选范围，因为界面张力
达到10-2mN/m的表面活性剂很多，这可降低ASP驱的成本。

并且实验结果表明，低碱的选择有效地启动了低渗透层中的油，缺点就是洗油效率低。

对于弱凝胶-表面活性剂二元体系，必须考虑耐温耐盐性和注入性以及对地层的污染。

影响弱凝胶体系选择性进入能力的因素包括：渗透率级差、阻力系数、油水流度比、启动压力梯度等。

随着阻力系数增加，溶胶在低渗透层的穿透程度增加。

随着粘度比的增加，弱凝胶体系在低渗透层中的相对进入深度减少，因而流度比的增加有利于减少弱凝胶体系对低渗透层的污染。

碱/表面活性剂/聚合物三元复合驱是近年来发展起来的比较成熟的一种三次采油技术，但在油田三元复合驱工业化试验过程中，采出液乳化和结垢问题一直是制约其推广应用的技术难题之一。

表/聚二元体系在低渗透油藏中有着很好的发展前景，表面活性剂驱主要启动柱状、膜状残余油，聚合物驱主要启动簇状残余油，二元复合驱不但能够启动以上3种形态的残余油，而且能把油滴拉成细并通过更小的孔喉。

对于层内非均质储层，二元复合驱可大幅提高低渗透层采收率，其次是中渗透层；而对于层间非质储层，二元复合驱提高采收率由高到低的排序中、高、低渗透层；与聚合物驱对比，二元复合驱主启动了中、高渗透层剩余油。

二元复合驱既能扩大波及体积，又能提高洗效率，驱油效果优于单一聚合物和单一表面活性剂比聚合物驱提高采收率3.03%～5.45%[33]。

5结束语。