提高采收率技术.ppt

,提高采收率技术,课程主要内容,第一部分 水驱油采收率分析第二部分 化学驱理论及矿场应用 第三部分 调剖堵水与弱凝胶深部调驱技术的研究及矿场应用第四部分 气体混相驱技术第五部分 稠油热采技术,绪 论Introduction,东部已开发的老油田大多进入高含水阶段，未开发的油田多为低渗透、特稠油、超稠油，开采环境日趋恶劣，开采成本越来越高。老油田经过长期注水开发（大庆1959年，胜利1964年），现在已经进入高含水期，目前胜利综合含水达到89.8%。老油田注水开发的效率越来越低，如胜利油田年产量为2625万吨（7.19万吨/日），日注水61.07万立方米，采1吨原油需注水8.49立方米。西部资源勘探程度不高，加之区域远离消费市场，短期内很难做到石油探明储量与产量的大幅度增长。因此，需要继续做好用提高采收率技术稳定东部这篇大文章。,中国提高采收率技术的必要性,EOR分类,化学驱 包括：聚合物驱，表面活性剂驱，碱水驱，及其二元、三元复合驱。气体混相驱 包括：干气驱，富气驱，CO2驱，烟道气驱。热力采油 包括：蒸汽吞吐，蒸汽驱，火烧油层，SAGD法。油田稳油控水技术 包括调剖堵水、深部调驱技术。,中国各EOR方法所占的比例,1热采方法（60%）2化学驱（37%）3混相气驱（3%）,第一部分 水驱油采收率分析,Es：宏观波及效率（Sweep Efficiency）ED：微观驱油效率（Displacement Efficiency）,水驱油采收率=达到经济极限时的采出油量地质储量，它由下式确定：,水驱油采收率,水驱油采收率一般为30%50%。,表示注入的工作液在井网控制的油层区域内的波及程度，包括面积波及和垂向波及。,在井网控制的范围内，从注入井到生产井油区不能被注入水完全波及到，水波及体积占该油层体积的百分比，称为波及效率，即：,注入水波及不到的地方形成剩余油。,1 水驱油波及效率,在水波及区内长期注水，最终形成不流动的小油滴，这些油滴成为残余油。在宏观水波及到的油层范围内，微观上仍然存在未能洗涤的残余油。ED：表示注入工作液在波及区内清洗原油的程度。,2 水波及区内的驱油效率,残余油的类型,参考:郭尚平院士的专著物理化学渗流微观机理，科学出版社，1990,孤岛状柱状环状油膜簇状油块盲状,第二部分化学驱理论及矿场应用 专题一：化学驱（新）技术及基本驱油机理,第一章 聚合物驱Polymer Flooding,1 驱油用聚合物及其水溶液性质,驱油用聚合物(Polymer),部分水解聚丙烯酰胺(Partially Hydrolyzed Polyacrylamide,HPAM）由聚丙烯酰胺Polyacrylamide(PAM)在NaOH作用下部分水解得到。是一种长链高分子，通常使用粉剂,分子量一般为10001042000104，价格1.5-2万元/吨。使用HPAM，而不是PAM，（a）为了聚合物驱替溶液增粘性的需要。（b）由于PAM在矿物表面被强烈吸附，使用HPAM可减少驱油过程中的吸附损失。,聚合物溶液的粘度,单位：毫帕秒(mPa.s)。使用Brookfield粘度计测量，一般驱油用聚合物溶液粘度需几十mPa.s。例如，大庆油田要求40 mPa.s，胜利部分油藏要求19 mPa.s。,聚合物溶液表观粘度（p）是流体层间内摩擦力的量度。,2 聚合物驱油机理,从注入井到生产井：rV ef（因为聚合物溶液在油层条件下大多呈现假塑性),并且由于聚合物分子在孔隙介质中的滞留，聚合物溶液流动时的渗透率由Kw降低为KfM指进退化（VD/Vf=M）驱油前缘稳定 ES。随着聚合物驱的进行（r），聚合物溶液具有自动稳定驱替前缘的能力。,第二章 表面活性剂驱Surfactant Flooding,1 驱油用表面活性剂,EOR一般使用阴离子型表活剂(稳定性好、吸附量小、成本低)，少量使用非离子型（耐高矿化度，活性稍差），一般不使用阳离子型（因为地层中吸附损失大）。,2 微乳液性质,微乳液是由油(hydrocarbon)+水(water)+活性剂(surfactant)+助表面活性剂(co-surfactant)+盐(electrolytes)按一定比例组成的高度分散的低张力体系。,混相驱（In-Situ Miscible Flooding）：指油层任何位置，排驱流体与被排驱流体一经接触，便立即互溶混相的排驱过程。非混相驱（In-Situ Immiscible Flooding）：排驱流体与被排驱流体以任何比例混合都不能互溶混相的排驱过程。部分混相驱（Partial Miscible Flooding）：注入一定量的单相活性体系，段塞前缘因被地层流体稀释成为非混相区，而后缘为混相区的排驱过程。,3 微乳液驱油机理Micro-mechanism of Microemulsion Flooding,问题：单相活性体系或微乳液(A)段塞排驱地层油水体系E，A段塞被后续水(W)排驱，分析段塞前、后缘流体组成变化。,一.部分混相驱（Partial Miscible Flooding）,段塞前缘,如果活性体系A与油水体系E混合生成下相微乳液（水外相），该水外相结构不能与oil混溶，视为非混相驱。,二.就地非混相排驱,High Interfacial Tension(高张力体系)Low Interfacial Tension(低张力体系),1.高张力体系(High IFT),问题：活性体系(A)段塞排驱地层油水体系E，分析第一批孔隙中多次注入段塞(A)后组成变化及驱油机理。,IFT高时，油不流动区大：,驱油机理,油被增溶排驱，不能形成富集油带(低效),2.低张力体系(Low IFT),问题：活性体系(A)段塞排驱地层油水体系E，分析第一批孔隙中多次注入段塞(A)后组成变化及驱油机理。,IFT低时，油不流动区小：,驱油机理,油相能单独流动，可形成富集油带(高效)。界面张力是决定残余油流动、聚集的关键因素！,High Interfacial Tension(高张力体系)Low Interfacial Tension(低张力体系),三.就地混相排驱,A+E生成上相微乳液（油外相结构），该结构能与油混溶，可视为混相驱。,1.高张力体系(High IFT),问题：活性体系(A)段塞排驱地层油水体系E，分析第一批孔隙中多次注入段塞(A)后组成变化及驱油机理。,IFT高时，油不流动区大：,驱油机理,含油相（上相微乳液）能单独参与流动，能形成富集油带，只不过含油饱和度很低。,2.低张力体系(Low IFT),问题：活性体系(A)段塞排驱地层油水体系E，分析第一批孔隙中多次注入段塞(A)后组成变化及驱油机理。,IFT低时，油不流动区小：,驱油机理,含油相（上相微乳液）能单独参与流动，能形成富集油带。,3 活性水驱,活性水驱是以浓度小于CMC的表面活性剂水溶液作为驱动介质的驱油方法。采用非离子型表活剂效果好：可减少吸附损失，对地层水中高价阳离子（Ca2+、Mg2+）不敏感。将非离子型和阴离子型表活剂复合使用效果更好。发挥前者的乳化作用和后者的润湿、分散作用。,主要驱油机理,降低油水界面张力，使残余油变成可动油。（主要机理）改变地层表面的润湿性，如亲油亲水。增加原油在水中的分散，形成O/W乳状液，油滴被活性水夹带而被采出。改变原油的流变性，高粘原油，非牛顿液体性质，活性剂进入油中，降低极限动剪切应力。,第三章 碱水驱Alkaline Flooding,1 驱油用碱剂,氢氧化钠（NaOH）：浓度0.5%-5%,50下的溶解度146g/100g。碳酸钠（Na2CO3)：弱碱性，50下的溶解度32.2g/100g。氢氧化铵（NH4OH）:水中离解为离子，遇空气易爆炸。磷酸钠（Na3PO4)：能改善润湿性。硅酸钠：具有极强的碱性反应，,常用氢氧化钠（NaOH）和碳酸钠（Na2CO3)，选用的依据主要取决于原油的酸值和地层水质。,碱与原油中的一些酸性物质反应，生成表面活性物质，降低油水界面张力。原油性质对碱水驱降低界面张力十分关键，因此在进行方法筛选时要求对原油与碱作用的活跃程度进行评价。,2 碱水驱机理,1.降低相间界面张力,几乎所有的碱水驱实验研究中都能观察到原油的乳化现象。有时它是一种稳定的、细分散的乳状液，有时则是粗分散、很快被破坏的乳状液。碱水驱可以形成水包油型乳状液，也可以形成油包水型乳状液。,2.乳化作用,3.引起“原油岩石水”体系润湿性的变化,储集岩石的润湿性决定着其内残余油的分布特点，在优先水湿的地层中，残余油被滞留在大孔隙变狭窄的地方，那里的驱替压力梯度低于毛管压力梯度。在优先油湿的储层中，原油沿岩石表面呈薄膜状分布。,第四章 复合驱,由两种或两种以上的化学剂混合使用，利用它们之间的协同效应的驱油方法。既提高波及效率，又可提高驱油效率，从而大幅度提高采收率。如：泡沫驱：表面活性剂+水+气相 二元复合驱：P+S，P+A 三元复合驱：A+S+P（ASP）多元复合驱：A+S+P+Foam（ASPF）,复合驱简介,第二部分化学驱理论及矿场应用 专题二：驱油（新）体系的研制及室内评价技术,第一章 聚合物驱室内评价技术,当前驱油用聚合物HPAM存在的问题,因此，研制抗温、抗盐、耐剪切的新型聚合物是目前化学驱领域的研究热点。,抗盐性差抗温性差抗剪切性差耐碱性差化学用量大,疏水缔合聚合物NAPs主剂是由丙烯酰胺、丙烯基单体、阳离子疏水单体在新型氧化还原条件下聚合而成。疏水缔合聚合物（Hydrophobically Associating Polymers)：通过疏水缔合作用，使分子间和分子内产生缔合结构，提高耐盐性能。,一.驱油用新型缔合聚合物,梳型缔合聚合物 星型缔合聚合物,二.聚合物驱室内评价技术,常规性能评价特殊性能评价注入性能评价 驱油效果评价,第二章 ASP复合驱室内评价技术,表面活性剂的来源和价格是决定ASP复合驱矿场应用的制约条件,表面活性剂石油磺酸盐需要实现国产化。降低界面张力的能力需要达到10-3mN/m数量级。需要有良好的配伍性。表面活性剂的高成本限制了ASP复合驱的矿场应用。,ASP体系粘浓关系,在油层温度和水质矿化度条件下，保持表面活性剂和碱浓度不变，测定不同聚合物浓度下的ASP体系粘度。,体系配方：大庆聚合物HPAM+0.3%TDS+1.2%NaOH实验条件：45，大庆污水,新型缔合聚合物+0.3%TDS+1.2%NaOH,新型缔合聚合物+0.3%ORS41+1.2%NaOH,要使ASP溶液体系的粘度达到40mPa.s，大庆HPAM需2200mg/L，而NAPs仅需800mg/L左右。可见，在ASP驱中，用新型缔合聚合物代替聚丙烯酰胺，体系粘度完全可以达到应有效果，且用量大大减少。,ASP体系粘碱关系,新型聚合物浓度Cp=1000mg/l，大庆油层污水，45，耐碱性优良，且具有一定的碱增粘性。,在油层温度和矿化度条件下，测定一定ASP体系粘度随碱浓度的变化关系，评价体系的耐碱性能。,粘度表面活性剂浓度关系,在油层温度和矿化度条件下，测定ASP体系粘度随表面活性剂浓度的变化关系，评价体系与表面活性剂的相互作用关系。45，大庆污水：,ASP体系老化稳定性,ASP体系界面张力,对ASP体系来说，界面张力评价结果表明，NAPs的略低于大庆HPAM的。,聚合物浓度对ASP（塔底油表活剂）体系与大庆原油界面张力的影响：,ASP体系的配伍性,表A 聚合物浓度对ASP体系稳定性的影响 单位：mg/L,表B NaOH浓度对ASP体系稳定性的影响 注：体系0.3%ORS41+769 mg/L，（地层模拟水，45）,表C 表面活性剂ORS41浓度对ASP体系稳定性的影响Cp均为769mg/L，NaOH浓度1.2%，（地层模拟水，45）,阻力系数与残余阻力系数,新型缔合聚合物有较高的残余阻力系数,ASP体系驱油实验,新型缔合聚合物ASP体系可比水驱提高采收率20%OOIP以上，与大庆部分水解聚丙烯酰胺ASP驱油体系的驱油效果相当。,扩散弥散系数,请参考：化学驱过程中的扩散弥散机理研究J.石油勘探与开发，2000,27(3):4043,第二部分化学驱理论及矿场应用 专题三：聚合物驱方案设计与效果评价,聚合物驱原方案设计要点,第三部分 深部调驱技术与调剖堵水技术的研究及矿场应用,第一章弱凝胶和CD胶深部调驱技术,胶态分散凝胶体系（Colloidal Dispersion Gels）：由低浓度的聚合物/交联剂（聚合物浓度通常在300-800 mg/L之间）形成的、以分子内交联为主分子间交联为辅的、具有非三维网状结构的弱交联体系。弱凝胶（weak gel)：由低浓度的聚合物/交联剂（聚合物浓度通常在800-1200 mg/L之间）形成的、以分子间交联为主分子内交联为辅的、具有非三维网状结构的弱交联体系。我们通常将上述弱交联体系统称为弱凝胶。这样的弱交联体系在后续注入水的驱动下会缓慢的“整体”向前“漂移”，从而具有深部调剖和驱油的双重作用。主要体系类型：HPAM/Cr3+体系、HPAM/柠檬酸铝体系和HPAM/有机酚醛体系。,关于深部调驱技术,第二章调剖堵水技术,一.水窜流机理（Mechanism of water cross flow),假设高渗透层已水淹，低渗透层油水前缘呈活塞式推进到某位置Lw。,Kl油水前缘处的压力PA高于同一垂直剖面上Kh（水区）压力PA，注入Kl的水在前缘附近向Kh窜流，注入水无效的通过Kh，波及效率低。,二.调剖与堵水方法(Profile Modification and Water Shut-off),调剖：从注水井实施，堵水：从生产井实施。,凝胶类堵水调剖剂：聚合物+交联剂凝胶。有铬离子体系，铝离子体系，酚醛体系等。就地聚合（共聚）类堵水调剖剂：单体+引发剂+交联剂凝胶。体积膨胀类堵水调剖剂。固体颗粒类堵水调剖剂。无机胶结类堵水调剖剂。,第四部分 气体混相驱技术 Miscible Displacement Processes,1 基本概念,非混相驱（如气顶注气，补充地层能量，属二次采油范畴）。混相驱：注入气体与地层原油混相，消除界面张力，改善原油流动性的EOR方法。如果驱替流体与原油间的界面张力可以完全消除（毛管数可以趋于无限大），则残余油饱和度可以降至最低值。,一次接触混相驱（first-contact miscible,FCM)：排驱气体与地层原油以任何比例混合时便可立即达到完全互溶混相的排驱过程。如LPG。多次接触混相驱(multiple-contact miscible,MCM):排驱气体在地层中推进时，多次与地层原油接触后才能达到混相的排驱过程。包括：蒸发式多次接触混相驱和凝析式多次接触混相驱。,混相驱的种类,蒸发式多次接触混相驱:注入气从原油中抽提轻质和中间烃类组分，改变注入气的组成（加富气相），最终使其与原油混相。如CO2混相驱，高压干气驱，氮气驱，烟道气驱。凝析式多次接触混相驱：注入气中的轻质和中间烃类组分凝析到原油中，改变原油的组成（加富原油），最终使其与注入气混相。如富气驱。,2 混相驱机理,凝析式多次接触混相驱机理蒸发式多次接触混相驱机理,一.凝析式多次接触混相驱机理,在油藏流体组成为A的地层中注入富气G（或P），分析段塞前缘和注入端孔隙中流体组成变化。,注入端油藏原油不断被注入气体中的中等分子量烃C2-6加富，直到它（油）能够与注入气体混相的过程称为凝析式多次接触混相驱。混相发生在注入端。,段塞前缘的注入气沿程不断加富原油,随着气相中的C2-6不断凝析到原油中，注入气逐渐失去加富原油的能力。,在油藏流体组成为A(或B)的地层中注入气体G，分析段塞前缘和注入端孔隙中流体组成变化。,二.蒸发式多次接触混相驱机理,注入气沿程不断抽提原油中的C2-6来加富自己,当把气相加富到临界点K时,实现与前方原油混相排驱，称为蒸发式多次接触混相驱，混相发生在排驱前缘。,随着气体的不断注入，注入端孔隙中的原油中的C2-6不断被抽提，直到完全失去加富气相的能力。,通常将气体溶剂体积分为2-3个小段塞与水交替注入，这时形成多个排驱前缘。注意：气水比应达到合理值，避免近似气驱或水驱。二者以等速方式注入。,流度控制水气交替注入（Water-alternating-gas,WAG),3 CO2驱的流度控制方法,第五部分 稠油热采技术Thermal Recovery Processes,稠油，也称重油或高粘度原油。我国稠油资源的分布很广，储量丰富，陆上稠油、沥青资源约占石油总资源量的20%以上。目前，已在12个盆地发现了70多个稠油油田。稠油在油层中的粘度高，流动阻力大，因而用常规一次采油、二次采油以及前述的化学驱、混相驱等EOR技术，难以经济有效开采。由于稠油的粘滞性对温度非常敏感，因而热力采油成为强化开采稠油的理想方法。,1 稠油特性,粘度最高可达100万mPa.s以上，呈半液体半固体状态。,2 注热载体的选择,选择原则：载热能力强，价格便宜且来源广，流动性能好。选择依据：从物质的热力学性质分析。,选择湿饱和蒸汽（300左右）作为理想的热载体。,一.地面热损失,烟道气所携带的热量散失到大气中，占燃料产生热值的20左右。地面注蒸汽管线热损失，占35左右。,3 注蒸汽过程中的热损失,二.井筒热损失,井筒热损失是不稳定传热过程，作为准稳定状态处理。,储层的总容积热容(Total heat capacities)为：,式中，M是容积热容，kJ/m3 是以小数表示的孔隙度，是密度，kg/m3 S 是饱和度，C 是比热，kJ/kg 下标o、w、r、R分别表示油、水、岩石与含流体的储层。,4 油层注蒸汽加热（Reservoir Heating by Steam Injection),5 蒸汽吞吐（Puff and Huff,Steam Stimulation,Cyclic Steam Injection）,注气阶段，从生产井注2-6周的蒸汽，关井阶段，“焖井”（Soak)2-7天，回采阶段，自喷下泵生产。一般可进行多次吞吐作业循环。,6 蒸汽驱（Steam Drive）,一般在蒸汽吞吐几轮以后，进行蒸汽驱，可进一步提高采收率20-30%。该方法消耗的热能多、汽窜严重、投资大、技术复杂程度高、风险大。,7 火烧油层（In-situ combustion）,蒸汽吞吐和蒸汽驱方法在实施过程中有大量的热量由于传导、对流和辐射而损失。火烧油层（In-situ combustion）向储层中注入空气供氧，下入加热器加热空气，点燃原油，加热油层，从而提高采收率。,