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第16章 令人惊奇的高分子功能材料(4)

我国陆相沉积非均质性严重,渗透率变异系数一般都大于0.5,这不利于水驱而有利于聚合物驱。东部油田地层原油黏度较高,一般在5~50mPa·S之间,这正是聚合物驱油的最佳黏度范围。我国河流相储层多为正韵律沉积,通过调整吸水剖面,聚合物驱可以采出水驱所采不出来的储层内的剩余油。但聚合物驱的应用仅局限于低温、低矿化度油藏。地层水的矿化度低(在3000~7000mg/L之间),聚合物溶液遇到地层水时盐敏效应较小,不会使黏度大幅度下降,有利于聚合物驱油;地层温度不高(一般为45~70℃),聚合物溶液在油层中不至于因温度过高而导致化学降解,因而也可以降低注入水脱氧的要求。由于我国陆相储层的地质条件适合聚合物驱油,所以聚合物驱油技术发展较快,是提高老油田原油采收率的重要战略措施之一,曾获“十一五”国家重大科技成就奖。聚合物驱的效果取决于聚合物驱油剂,因此,聚合物驱油剂在油田开发中具有举足轻重的地位。

聚合物驱是一种提高采收率的方法,在宏观上,它主要靠增加驱替液粘度,降低驱替液和被驱替液的流度比,从而扩大波及体积;在微观上,聚合物由于其固有的粘弹性,聚合物驱油技术现场模型在流动过程中产生对油膜或油滴的拉伸作用,增加了携带力,提高了微观洗油效率。

从开发时间和结构性能上看,聚合物驱油剂大致可分为3代。第一代以本体黏度为核心,主要包括聚丙烯酰胺、水解聚丙烯酰胺和黄原胶;第二代兼顾本体黏度和产物性能,主要包括引入耐温、耐剪切、抗盐单体共聚合成的改性聚丙酰胺、接枝改性的天然聚合物;第三代以产物性能和结构黏度为中心,主要包括单分子链严重收缩的胶态分散凝胶、单分子链形成内盐的两性聚合物、引入较多疏水基增加亲油性的梳形聚合物与两性两亲聚合物、以双分子链间作用为主的聚电解质复合物与疏水缔合聚合物、以多分子链间微弱作用为主的交联聚合物。目前,国外的聚合物驱油剂主要由第二代和第三代组成,我国的聚合物驱油剂以第一代和第二代为主。聚合物驱油剂作为聚合物驱油的核心,其质量的优劣与聚合物驱油技术的兴衰息息相关。聚合物驱油技术的应用程度决定了人们对聚合物驱油剂研究的热度,聚合物驱油剂的质量优劣又反过来影响聚合物驱油技术的推广。因此,了解聚合物驱油技术的来龙去脉,有助于把握聚合物驱油剂的发展历史与现状。

二、聚合物驱发展与应用历程

早在20世纪50年代初,国外就开展了胶束驱、碱驱和聚合物驱的室内研究和矿场试验工作。在各种化学驱方法中,聚合物驱是唯一一种经过一定规模的工业性试验而获得较好效果的提高采收率方法。美国于20世纪50年代末和60年代初就开始了聚合物驱的研究,并于1964年开始了矿场试验。1970年以后,前苏联的奥尔良油田和阿尔兰油田、加拿大的Horse-flyLake油田、法国的Chatearenard油田及英国、印度、德国、罗马尼亚和委内瑞拉等都相继开展了聚合物驱矿场试验,将聚合物驱推向高潮。期间,美国共进行了现场试验183次,平均提高采收率仅4.9%。1986年以后,由于原油价格的暴跌及对原油价格的悲观预测,造成人们在EOR技术方面兴趣低落,有些主要石油公司甚至取消了在EOR研究方面的尝试,将其人员转向其他领域。此后,国外聚合物驱矿场试验规模减小,项目逐年减少,但室内研究却一直没有停止。1988年以后的10年间,聚合物驱项目数和增油量都呈下降趋势。据许多资料报道,国外认为聚合物驱只能扩大波及体积,不能提高驱油效率,采收率增值有限,一般否定采用聚合物驱油技术。这种观点在1995年的欧洲EOR会议上有所动摇。F.E.DeBons等人对1975-1992年间国际上12个先导性和扩大性聚合物驱试验进行了分析,认为此前聚合物驱提高采收率低的主要原因是过分地追求聚合物的利用效率,聚合物的使用量过低。

由于聚合物驱油提高原油采收率的机理较清楚、工艺较成熟,因而在各国聚合物驱占化学驱的95%左右。1996年美国开展的化学驱项目全部是聚合物驱。在一些国家最近的30个聚合物驱现场实施项目中,绝大多数应用在深度小于1500m的地层中,只有美国怀俄明州Campbellf地区的Ta-ble Mountain油田由Presidio公司于1991年8月实施的聚合物驱井深达2926m。在美国,聚合物驱项目自1986年以来一直呈下降趋势,表面活性剂驱更是几乎停止。1996年,除中国外,全世界正在生产的聚合物驱油田只有9个,年增油量仅为8.79万t。截至2000年,全世界已有200多个油田或区块进行了聚合物驱油试验[8]。

进入21世纪以来,随着世界经济的发展,石油这一不可再生资源的需求不断增加,价格也一路攀升,石油资源已成为一种重要的战略性资源,是国际政治、经济、军事和外交斗争的特殊武器。石油安全问题不仅关系到一个国家的经济发展、社会稳定,而且会对世界的经济格局产生影响。近年来,由于聚合物驱技术的进步,国外重新考虑聚合物驱的应用,聚合物驱有望再次成为经济可行的提高采收率项目。

近几年,国外提出了一种低成本的微生物一三元复合驱技术。这项技术所用的微生物能利用原油产生酸性物质,与碱混合物在油水界面上中和,应用于三元复合驱无效的油田效果显著。岩心驱油试验表明,微生物驱和三元复合驱具有良好的协同作用。目前,美国已很少单独采用第一代和第二代聚合物驱油剂,而在应用第三代驱油剂中的胶态分散凝胶方面有较大发展,进行的矿场试验已获得良好的效果。胶态分散凝胶技术在一定条件下可以单独使用或与其他聚合物驱油剂结合使用,使采收率更高。胶态分散凝胶(CDG)结合了常规聚合物驱油和调剖堵水的特点,而且进行的多数矿场试验均获得了成功,因此受到普遍关注。

美国能源部对EOR的基础研究十分重视,以流体深部转向技术为工作重点,在表面活性剂一聚合物的相互作用、吸附损失等界面化学问题的理论研究基础上加强了在高分子物理、高分子化学、流变学等学科上的研究,在化学剂合成领域开发了多种耐温、抗盐聚合物,在表面活性剂合成方面向高效、廉价、耐温、抗盐方向发展,通过识别诊断和图像系统研究了油藏岩石的性质和岩石、流体相互作用对采油过程的影响以及新认识在EOR上的应用。

我国的聚合物驱起步较早,早在1962年就开始室内研究,并先后在新疆、大庆进行了先导性试验,取得了明显的效果。“七五”(1986-1990)、“八五”(1991-1995)期间,三次采油技术连续被列为国家重点科技攻关项目,遵循“立足国情,着眼三次采油转化为生产力,加速实现工业化应用步伐”的指导思想,根据我国探明气源不足、油田混相压力较高、不具备广泛混相驱条件的实际情况,确定化学驱为我国三次采油的主攻技术,并首先将机理清楚、技术较简单、成本较低的聚合物驱作为重点。经过多年的连续攻关,我国聚合物驱进行工业化矿场应用在技术上已经相当成熟。

聚合物驱油技术的推广应用对提高原油采收率、稳定老油田原油产量起到了重要作用。聚合物驱作为我国化学驱的主要方法,其规模及年增油量已居世界前列,许多研究成果为世界领先水平。1997年,我国聚合物驱产油量居世界首位;1998年,我国聚合物驱项目有16个,而同期美国只有10个;2000年,仅大庆油田,聚合物驱产油量就已达8×106t;2001年,大庆油田的聚合物驱产油量达107t;目前,我国聚合物驱平均采收率达到10%。从现场试验的结果来看,它的应用效果也较好。大庆、胜利是化学驱的主战场,其动用储量分别占61.5%和25.9%。有关资料表明,我国适合采用聚合物驱提高采收率的地质储量有4316×108t,按平均提高采收率8.6%计,能增加可采储量达318×108t,需要聚合物2124×108t。

“十五”以来,国内开展聚合物驱的主要油田系统地总结了经验和教训,分析了聚合物驱的效果及其影响因素,提出了改善聚合物驱效果的措施方法,进一步完善了聚合物驱的配套工艺技术,为提高聚合物驱效果提供了有力保障。聚合物驱油的关键技术是制备性能优良、价格低廉的水溶性聚合物,且要求聚合物具有较强的增黏能力,能在恶劣的油田环境(如高温、高剪切、高矿化度)下保持较高的黏度。随着三次采油技术的发展,聚合物研究不断创新,涌现了多种与普通聚丙烯酰胺分子结构不同的新型聚合物。这些新型聚合物各具特色,提高了聚合物驱油剂在油田开发中的适用性。开发适合油田污水配制的三次采油用新型聚合物是世界油田化学界的研究热点,研制方向主要有两性离子共聚物、耐温耐盐单体共聚物、疏水缔合聚合物、多元组合型共聚物、共混型聚合物和梳型聚合物6个方面。

1972年我国开始在大庆油田开始进行聚合物驱试验。大庆油田的油层特征是渗透率较高,油层温度较低(45℃),油层水的矿化度较低,基本满足聚合物驱条件。在1987年到1988年萨北地区现场试验的基础上,1990年又在中西部地区开始试验。这些试验获得了较高的经济效益,平均每吨聚合物增产原油150吨。大庆油田将聚合物驱油技术应用于整个油田,并建设生产聚丙烯酰胺工厂。大庆油田聚合物驱自1996年投入工业化应用以来,已经取得了显著的技术经济效果。2002年,大庆油田聚合物驱年产油量已经突破千万吨,大庆油田三次采油技术以其规模大、技术含量高、经济效益好,创造了世界油田开发史上的奇迹。聚合物驱技术已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支撑。

胜利油田从1992年开始在孤岛油田开展了注聚先导试验,1994年在孤岛和孤东油田开展了注聚扩大试验,1997年进行了工业推广应用,均得到了明显的降水增油效果。到2001年底共实施聚合物项目15个,覆盖地质储量19700万吨,注入井749口,受益井1312口,已经累计增油474.36万吨,达到了年增油131万吨的水平。同时形成了一套完善的高温高盐油藏条件下聚合物驱配套技术,主要包括室内聚合物产品筛选及配方研究技术、方案优化技术、数模跟踪预测技术、矿场实施跟踪评价技术等。

大港油田从1986年开始对其主要油田,港西油田的一部分地层进行聚合物驱的先导试验,试验历时约两年半,增产效果比较明显。试验前产量为每天7吨,到1989年中期,每天为80吨,增产效果达到十倍以上。平均含水也有大幅度下降。试验表明,经济效益较为显著,平均1吨聚合物增产原油300吨。长远目标是把聚合物驱技术运用到整个油田。国内的其他油田也都进行了聚合物驱试验,以期望能成为特高含水油田降水增油、增加可采储量的有效途径之一。

目前聚合物驱技术已经相当成熟,但是也存在着很多问题。聚合物注入油层后,在高温条件下会发生热降解和进一步水解,破坏聚合物的稳定性,大大降低聚合物的驱油效果,同时地层水和注入水矿化度低有利聚合物增粘。因为水的矿化度高,,可导致聚合物的粘度降低,增加聚合物的注入量,从而增加成本,不利于聚合物驱油的应用.。因此需在抗温、抗盐研究方面加大力度,筛选出适合的添加剂,,使驱油剂不仅有较强的增粘性,同时也有较好的稳定性。

现阶段,各大油田的研究方向大都放在新型廉价质优的聚合物研究上,疏水缔合物、改性聚丙烯酰胺等。胜利油田地质研究院就正在做适合高温高盐高矿化度地层的新型聚合物的现场试验。相信在不久的几年,聚合物驱技术的应用范围将会越来越广。