三次采油的技术原理

三次采油技术原理

一、三次采油概况和基本原理

石油是一种非再生的能源，石油采收率不仅是石油工业界，而且是整个社会关心的问题。由于石油是一种流体矿藏而带来独特开采方式。

石油开采分为三个阶段。一次采油是依靠地层能量进行自喷开采，约占蕴藏量15~20%。在天然能量枯竭以后用人工注水或注气，增补油藏能量使原油得到连续开采，称之二次采油，其采收率为15-20%。当二次采油开展几十年后，剩余油以不连续的油块被圈捕在油藏砂岩孔隙中，此时采出液中含水80~90%，有的甚至高达98%，这时开采已没有经济效益。为此约有储量60~70%的原油，只能依靠其他物理和化学方法进行开采。这样的开采称之三次采油，国外亦称EOR（Enhanced Oil Recovery）技术。

据我国对十三个主要油田的82个注水开发区，进行系统的筛选和科学潜力分析，结果表明，通过三次采油方法能提高采收率12.4%，增加的可采储量相当全国目前剩余储量的56%[1]。当然是说，若把这种潜力都挖掘出来，我国的可采储量可以增加一半以上，为此发展三次采油是必经之路。通常提高采收率有三类。第一类为热力法，如火烧地层，注入过热蒸气；第二类为混相驱，即注入CO2气到原油中进行开采；第三类为化学驱，如碱水驱、微乳液驱和三元复合驱等。这次重点是介绍化学驱。

1.注水开采后，原油为何大量留在地层。

（1）油藏岩石的非均质性。例如在庆油田葡萄花油层属于正韵律沉积，下粗上细。下部的渗透率高于上部，在注水驱时往往沿着油层下部推进，而上部油层则继续留下大量未被驱扫的原油。这说明水不能被波及到低渗透油层。由于油藏岩石非均质性，阻止水的波及系数的提高。

（2）油层岩石的润湿性

岩石为水润性，注水能把岩石表面的原油冲刷下来。反之，岩石为油润性，注水只能冲刷一部分原油。这种驱出原油的量，称之洗油效率。洗液效率=（注水波及到油区所采出的油容积）/（整个波及油区储量油的容积）

（3）毛细管的液阻效应

当驱动原油在毛细孔中运移到达喉道时，原油块要发生变形，产生附加压力，用Laplace方程计算。ΔP=P1-P2=2δ（1/R1-1/R）；式中：δ为油水界面张力，R1为油滴细端的半径，R2为油滴粗端的半径。

附加压力ΔP，是阻止原油向油井井底运行，必然影响到采油效率。为此剩余油是以不连续的油块，被圈捕在水所波及到的油藏中。

（4）原油采收率：采收率=波及系数×洗油效率

2.提高采收率的途径

（1）提高波及系数，降低水油流度比（M），减少驱油体系的指进现象，达到波及系数的提高。W=（K W/U W）/（K O/U O）；式中，K W，U W为水体系在地层中有效渗透率，和水体系的粘度；K O，U O为原油在地层中有效渗透率和原油的粘度。

（2）增加毛管数

注水开采后，剩余油以不连续油块被圈捕在岩石孔隙中，此时每个油块受到两个主要作用力（粘滞力和驱动力）。Melrose和Taber等人，用一个无因次准数Ne（毛管数），表征上述两种作用力之比。

Ne=（U O V O/δ）=（ΔP/Lδ）式中：Ne为毛管数；原U。为油粘度；V O为原油流动速度；δ水和原油之间界面张力；ΔP/L—表示被圈捕油珠，通过毛细孔喉道所需压力梯度。

实验发现原油采收率与毛管数之间关系：当毛管数（Ne）超过某一值时，采收率（η）将急剧上升。原油、水岩石体系的不同，要求Ne数值也不同，一般是不同的数值、但是这种关系是普遍存在的。注水开采之后，一般地层的毛管数为10-6左右，为了继续采油、要求Ne增加到10-3~10-2左右。

从Ne表达式可知，要提高其值，可调参数有两个：一是提高原油的流动速度，或者提高压力梯度，（ΔP/L）。据有人对岩心分析，得出毛细孔喉道平均值，即R1=9×10-4cm，R2=4×10-3cm。若油珠通过喉道，从计算可知，则需克服附加压力梯度为ΔP/L=1Mpa。但是用目前最大的机械泵，传入到地层毛细孔道约为0.02~0.04Mpa.这说明通过调整ΔP/L值,或油流速度是很难达到上述要求.二是降低原油和水的界面张力。通常是加表面活性剂。从实验可知，微乳液的形成，其油水界面张力可达到10-3mN.M-1(称超低界面张力)、为此微乳液体系受到人们的青睐。总之，要提高洗油效率，就要提高毛管数，而改善界面张力是最有

效的途径。

二、碱驱

碱驱是将注入水的pH值控制在12~13左右，一般加入1~5%（wt.）NaOH即可实现[2]。在碱水驱油过程中，水相中的碱与原油中的石油酸相互作用，生成表面活性剂，并被吸附在岩石表面和油/水界面上，改变了油层岩石的润湿性，降低了界面张力，提高了原油采收率。

常有的碱剂除NaOH处，还有原硅酸钠（Na4SiO4）、NH4OH、KOH、

Na2CO3、Na2SiO3等其它碱。

碱驱看起来简单，但驱油机理相当复杂，一般认为碱驱有六种机理[2]、[3]、[4]。

1）碱水降低了油/水界面张力，使毛管数值从10-6增至10-4~10-2[16 1]

2）碱水驱使油层岩石的润湿性由亲油转变为亲水[5]。此时油和水的相对渗透率朝着有利于提高采收率的方向变化。

3）油层岩石的润湿性由亲水变为亲油[6]。当油层内的不连续非润湿残余石油，在碱的作用下转变为连续的润湿相，可为其它的圈捕的石油提供流动通道。

4）乳化和圈捕作用。界面张力足够低时，在亲水岩石中的残余油将被乳化，随压力流向生产井。若在流动过程中遇到比乳状液粒径还小的孔隙喉道时，乳状液将被重新圈捕。从另一个角度，它能改善了流度化。为此碱驱提高了波及系数和洗油效率。

5）乳化与夹带[8]。碱性物质使岩石表面为润湿，则防止原油吸附于砂粒表面。油层中的残余油，被乳化并夹带进入连续流动的碱水相中。

6）能增溶油/水界面处抽象性薄膜。在驱油过程中，如果在原油液滴的界面形成刚性薄膜，不利于液滴的变形，往往在喉道口圈捕。而碱可以破坏这种刚性薄膜[9、10]，并增溶之，使残余油可以流动通过喉道。

碱驱的优点是简便易行、成本价廉，但实际上很多油层并不适于水碱[11，12]。岩石性质是重要的制约因素[16，17]。束缚水的二价离子。以及油层中的石膏或无水石膏[18]，都会与碱作用生成氢氧化物沉淀。另外离子交换能力强的粘土也会使碱水中的Na+交换成Ca++等。这些作用都会消耗NaOH，使碱段塞破坏。对于存在裂缝、漏失层、气顶、高温、高