国内外聚合物驱油应用发展与现状

国外聚合物驱油应用发展与现状

一、聚合物驱油机理

聚合物驱(Polymer Flooding)是三次采油(Tertiary Recovery)技术中的一种化学驱油技术。聚合物有两种驱油机理，一是地层中注入的高粘度聚合物溶液降低了油水流度比，减小了注入水的指进，提高了波及系数（图1和图2），从而提高原油采收率[1-6]。二是由于聚合物溶液属于非牛顿流体，因此具有一定的粘弹性，提高了微观驱油效率[7-13]，从而提高采收率。常使用两种类型的聚合物[14]，一种是合成聚合物类，如聚丙烯酰胺、部分水解的聚丙烯酰胺等；另一种是生物作用生产的聚合物，如黄胞胶。在长达30 年的聚合物驱室研究和现场试验中，使用最为广泛的聚合物是部分水解聚丙烯酰胺和生物聚合物黄胞胶两种。由于生物聚合物黄胞胶的价格比较昂贵且易造成井底附近的井筒堵塞，除了在高矿化度和高剪切的油藏使用外，油田现场都使用人工合成的部分水解聚丙烯酰胺作为聚合物驱的驱剂。

图1 平面上水驱与聚驱示意图

图2 纵向上水驱与聚驱示意图

二、国外驱油用聚合物现状及发展趋势

2.1国外驱油用聚合物的发展

由于经济政策和自然资源的原因，国外对聚合物驱油做了细致的理论及实验研究，但未作为三次采油的主要作业手段。驱油用聚合物的理论自80年代成熟以来，并未有较大突破，而其发展主要受限于成本因素。理论上，在油气开采用聚合物中，可以选用的聚合物有部分水解聚丙烯酰胺(HPAM)、丙烯酰胺与丙烯酸的共聚物、生物聚合物(黄胞胶)、纤维素醚化合物、聚乙烯毗咯烷酮等[15]。但己经大规模用于油田三次采油的聚合物驱油剂仅有HPAM和黄胞胶两类。人工合成的驱油用聚合物仍主要以水解聚丙烯酰胺为主。已产业化的HPAM产品包括日本三菱公司的MO系列，第一制药的ORP系列，三井氰胺的Accotrol系列；美国Pfizer的Flopaam系列，DOW的Pusher系列；英国联合胶体的Alcoflood系列；国SNF的AN系列HPAM聚合物。其中，Accotrol、Alcoflood 较早在我国进行了油田实验，而的最初的5万吨/年聚驱用HPAM装置是引进SNF 的技术[16]。

驱油用聚合物目前在国外的消耗量不多，这主要是由于不同地区对三次采油的作业手段选择造成的。根据斯坦佛研究院统计2006年西欧用于聚合物驱油的HPAM消费量为2000吨，除中、美、日及西欧意外的其他地区消费量合计1000 吨[17]。

对于提高聚合物的耐温抗盐性能，国外目前主要集中在聚合物的分子设计方面，主要思路如下:（1）通过选用碳链高分子和分子主链中加入可增加分子链刚性的环状结构来提高聚合物主链的热稳定性；（2）引入大侧基或刚性基团，引入大侧基或刚性基团可使聚合物具有较高的热稳定性；（3）引入抗盐的结构单

元，如AMPS；可抑制酰胺基团水解的亲水结构单元，如NVP；耐水解的结构单元，如N-烷基丙烯酰胺；（4）两性离子聚合物，通过在单体中同时引入阴阳离子，造成分子及分子间静电作用而提高粘性，并实现单体对矿化度的缓冲性[18]。较新的文献也出现了聚合粘弹性表面活性剂的结构[19]。

对于制备手段，通常是以不同方式的自由基聚合实现。雪佛龙菲利普公司为了降低成本，很早就开始研究采用海水（33000mg/L）—高矿化度环境—作为溶剂的制备手段。DSC的HE－Polymer系列（雪佛龙菲利普公司）、BASF的Houstmar系列、Degussa的Polydrill系列（已并入BASF）都是已经工业化的耐温、抗盐产品。其中HE－300型聚合物可在160℃及高矿化度下保持很好的粘性。然而由于价格因素，未大量应用于驱油，而是作为堵水、调剖、钻井液使用。

2.2国驱油用聚合物的发展

我国油田大多属于陆相沉积，具有非均质性严重、油稠等特点，水驱平均采收率32％，并已进入注水后期。受到我国自然资源的影响，我国三次采油以化学驱（聚合物驱）为主要手段。科研人员围绕聚合物驱做了大量的工作，96年以来，聚合物驱配套技术日趋完善；97年我国聚驱增油量居世界首位；98年成为世界上最大的聚驱采油国；02年油区聚驱产量超过1000万吨；03年，聚合物驱采油1234万吨。截止到2006年末，我国有18个聚合物及二元、三元复合驱油项目，分别分布、胜利、新疆、、辽河、、江汉、大港等油田[20]。

在我国，聚合物驱油广泛使用HPAM，效果良好，其年产量在15x104吨/年以上。2006年我国聚驱HPAM使用量为14.66万吨，占全国PAM总需求量的71％。炼化是目前全球最大的驱油聚合物生产基地，产能10万吨/年[21]，此外胜利长安、恒聚等都有较大的生产能力。我国用黄胞胶进行驱油实验始于95

年的胜利孤东油田。注入性与耐温性差、价格是HPAM的五倍等原因造成未能取得好的效果。在新的粘弹性驱油理论中，黄胞胶还存在只有粘性没有弹性的问题。对于目前国的II、III类油藏资源，HPAM和黄胞胶均难以满足高温高盐油藏的需要。因此，国目前的研究工作主要集中在开发耐温抗盐驱油剂，包括天然聚合物改性、合成聚合物和高分子表面活性剂三个领域，其中合成聚合物仍然是近期水溶性耐温抗盐聚合物开发的主要发展方向。我国目前的耐温抗盐驱油用聚合物开发有如下几个发展方向[22]：

（1）HPAM超高分子量化：可以降低粘度下降的幅度，使最终保留粘度增大，但同时会导致溶解困难、易机械降解、易吸附、在低渗地层易截留等问题，其适用油藏围十分有限。96年底，石油勘探开发研究院油田化学所生产出了分子量

25.0x106的HPAM，并朝着生产更高分子量HPAM的目标努力。

（2）耐温抗盐单体共聚物：其主导思想是研制高浊点、在高温下水解缓慢或不发生水解的单体，如AMPS、NVP、AMB、VAM等。将一种或多种耐温抗盐单体与AM共聚，得到的聚合物在高温高盐条件下的水解将受到限制，不会出现与钙、镁离子反应发生沉淀的现象，从而达到耐温抗盐的目的。这类聚合物能够长期抗温抗盐，但是耐温抗盐单体成本高，共聚物分子量低，只能少量用于特定场合，大规模用于油田三采在经济上难以承受，还必须进行大量的攻关。国开发较成功的该类聚合物有罗健辉等人[23-24]开发的梳形聚丙烯酰胺RSP系列(产品代号KYPAM)，它是具有梳型分子结构的超高分子量的AM/AHPE共聚物,其中共聚单体AHPE结构未知。此外，由欧阳坚等人[25-26]开发的尚未工业化的TS系列聚合物由丙烯酰胺、含支链的强极性单体(磺酸盐)和少量疏水性单体采用胶束

聚合方法和复合引发体系共聚而成，其水溶性良好，抗盐、耐温以及抗剪切性能有显著改善，可望应用于油田实施污水配制聚合物溶液。

（3）疏水缔合水溶性聚合物：目前以基础理论研究为主，主要涉及聚合物的制备手段、结构表征、溶液行为。尽管许多研究人员都曾指出疏水缔合水溶性聚合物是一种最佳的油气开采用新材料[27]，但是有关这类聚合物在油气开采中成功应用的相关报道较少。中石油勘探开发总院采收率所2004年对疏水缔合水溶性聚合物进行的性能评价结果表明：只在低温低盐环境下，效果优于HPAM，存在的主要问题包括①疏水基团造成的溶解性问题；②因分子缔合造成耐温抗盐性能下降的问题；③溶液注入性问题；④污水溶液稳定性问题。

（4）生化聚合物：以硬聚葡萄糖、AGBP、琥珀聚糖为代表，具有棒状结构、规整性好、大分子链刚性强、聚合物分子总体非离子性等特点，从而导致很好的耐温抗盐性能，是一类效果很好的驱油聚合物。其研发重点主要是解决生产成本、水溶液中的聚集倾向等问题。

三、聚合物在国外的应用情况

聚合物驱的研究始于20 世纪50 年代未和60 年代初的美国，并在1964 年进行了矿场试验[28]。在1964～1969 年进行了61 个聚合物驱项目，Jewentt 和Schurtz 描述了实施聚合物驱油藏的基本参数和试验条件,并对聚合物驱效果进行了评价。从其中16 个重要的聚合物驱矿场试验结果看，有10 个试验结果是鼓舞人心和成功的，采收率最大提高幅度达到8.6%，表明聚合物驱可以成功地应用于油藏特性和流体性质围很广的油田，使得聚合物驱为人们所认识。从70 年代到1985 年，美国共进行了聚合物矿场试验183 次[29]，聚合物驱项目数到达顶峰，评价表明聚合物驱一般都取得了经济效益。美国之所以开展如此多的聚

合物驱项目，得益于美国国优惠的税收政策及国际的高油价。但从1986 年以后，由于原油价格的下跌以及对原油价格预测的总体悲观看法，美国的聚合物驱油项目逐年减少，自1990 年后，聚合物驱基本处于停止状态，但室研究一直在开展，而低油价下CO2混相驱一直稳定增加，成本大幅度下降，这与美国有丰富的CO2资源有关。除美国之外，前联的奥尔良、阿尔兰、罗马什金等大油田，加拿大的Horsefly Lake 油田和Rapdan 油田，法国的Chatearenard油田和Courtenay 试验区以及德国、罗马尼亚和阿曼等国都进行了聚合物驱的矿场试验[16]，均取得了一定的效果，原油采收率提高幅度是6～17%。从20 世纪60 年代至今，全世界有200 多个油田或区块进行了聚合物驱油试验，但由于油价的因素，目前国外聚合物驱的研究应用比较少，大部分处于室实验研究和现场小规模试验阶段，还没有形成聚合物驱技术的现场规模化推广应用。

我国是聚合物驱技术应用规模最大的国家，聚合物驱现场应用取得了良好的开发效果，而且应用规模不断扩大，并形成综合配套技术，成为三次采油中的主要技术。

油田自1972年以来，开展了小井距特高含水期注聚合物、喇嘛甸油田南块的工业性聚合物驱等试验，都取得了比较好的效果。截止2005年12月, 油田已投入聚合物驱工业化区块35个[30],面积314.41km2，动用地质储量5.1888×108t，2005年油田工业化聚合物驱全年产油量超过1000×104t，占全油田总产量的14%。油田聚合物驱从六十年代开始探索，经过30年的室研究、先导试验和工业试验，于1995年规模化推广，解决了10项技术难题，获得了重论突破，逐步形成了驱油机理及油藏适应性、注入参数及方式优化、聚驱过程中跟踪调整等配套技术。油田聚合物驱在应用规模、技术水平和经济效益方面居世界领先水平，

截止2014年底，动用面积660.0平方公里（图3），动用地质储量超过97000万吨，累积生产原油18000万吨以上，累积增油10000万吨以上，已成为油田持续稳产的支撑技术。

图3 油田聚合物应用区块分布

图

胜利油田自20世纪60年代以来，开展了三次采油技术的探索研究，1992年开展了孤岛油田中一区Ng3层聚合物驱矿场先导试验，取得了明显的增油降水效果，提高采收率12%，累积增油19.8×104t，吨聚增油143t/t。1994年又在孤岛中一区Ng3和孤东七区西Ng52+3分别开展了40个井组的注聚扩大试验[31]，证实了一类油藏开展化学驱的技术经济可行性。1997年聚合物驱油技术在I类油藏实现工业化推广，此后，开展了Ⅱ类油藏的提高采收率技术研究。截至2006年3月，胜利油田共投入化学驱单元30个，覆盖地质储量3.18×108t，年增产原油达169.3×104t，累计增产原油1150×104t，取得了显著的经济效益和社会效益[32]。

油田在“六五”末至“七五”期间，开展了三采方法的筛选和可行性研究，确定了以聚合物驱为三采主体技术的方向，并进行了潜力分析评价和技术准备。

“八五”期间开展了厚油层聚合物驱油技术的系统攻关研究，解决了聚合物的热氧稳定性技术、减少水中溶解进氧的地面注入工艺等关键技术[33]，使聚合物溶液在地层中的粘度达到或大于地下原油粘度。“九五”期间油田聚合物驱技术进入了工业化推广应用阶段，在双河和下二门油田的10 个区块开展了聚合物驱工业化应用[34]，动用地质储量3081.2×104t，控制地质储量1966.4×104t，注聚井数105 口，对应油井207口，聚合物区块对应采油井见效141 口，占总井数的68.1%，年增油15.98×104t，累积增油72.3×104t，取得了较显著增油效果，聚合物驱技术已成为油田主导技术之一。此外，大港油田和渤海油田也都进行聚合物驱的研究和矿场应用[35-38]，取得了较好开发效果。

四、聚合物应用的发展趋势

随着聚合物应用规模的逐渐扩大，I类油藏聚驱基本已经进入到后续水驱阶段，大量的地质状况较差储层应用聚合物驱提高采收率的需求提到日程上来。低品味储量的动用，使驱油用聚合物的发展出现了新情况、新问题，同时也对其研发应用提出了新的要求，其中主要是面对占资源总量过半的II、III类油藏的开采问题。目前II、III类油藏资源地层温度在70～95℃，地层矿化度在10000～30000mg/L，二价离子800mg/L，常用的水解聚丙烯酰胺（HPAM）在该条件下会出现严重的热降解、水解度增加、遇高价离子结合析出等问题，增粘效果变差。因此，适用于温度90℃，矿化度30000mg/L，二价离子800mg/L油藏条件下能满足粘度要求，并且性价比高，溶解性、稳定性、驱油性能好的产品，即耐温抗盐聚合物是国际上该领域科研机构的主要科研方向[39]。

参考文献

[1] C. G. Zhang. Effects of Polymer Adsorption and Flow Behavior on Tow-Phase Flow