黏弹性颗粒驱油剂的制备与应用

第1章 绪论 1.1 引言 石油是当今世界*重要的能源和化工原料之一，被誉为现代工业的血液[1-5]。据统计，全世界平均每年对石油的需求量超过30×108t，并且以平均每年1.6%的速度增长。与人类对石油的需求量不断增加的趋势相反，世界石油总储量日益减少，石油正变得越来越珍贵[6，7]。 新中国成立以来，石油工业迅猛发展，探明已开发油气资源的平均采油率接近世界先进水平。但由于人均占有油气资源量相对较低，我国仍是一个油气资源匮乏的国家。从20世纪90年代中期我国成为石油净进口国以来，石油进口量逐年递增。2003年我国的石油进口量超过1×108t，石油年消费量和进口量均超过了日本，成为仅次于美国的世界第二大石油消费国和进口国。2012年12月美国的石油净进口量降至20年以来的*低水平，也让我国在2012年12月超越美国，暂居全球*大的石油净进口国地位。2019年我国原油对外依存度达到72.4%，严重超过国际原油安全警戒线，对外依存度创历史新高。由此可见，我国原油对外依存度居高不下，严重影响了国家的能源安全。 为保持国内油气资源自给量的较高份额，不断提高已开发资源的采收率，石油开发科技人员不断努力，而其发展方向就是三次采油技术。“九五”以来，以大庆、胜利两大油田聚合物驱为代表的三次采油技术得到工业化应用。到“十五”末，年产原油1500×104t以上(不含重油)，约占国内原油总产量的8.7%。三次采油[8-17]已成为高含水期油田持续高效开发的一项主导技术，也是维持原油产量，减少我国原油对外依存度的重要战略目标[18-30]。 高相对分子质量的部分水解线性聚丙烯酰胺(HPAM)是三次采油中普遍用作驱油剂的聚合物材料。HPAM能够增加注入水的黏度，改善油水流度比，扩大波及体积，从而提高原油采收率。经过“七五”(1986～1990年)、“八五”(1991～1995年)、“九五”(1996～2000年)的连续国家重点科技攻关项目研究，聚合物驱油技术可以实现提高采收率12.5%～20%的目标。 但是，随着聚合物驱规模的不断扩大，化学驱发展面临新的矛盾和挑战，主要表现在以下两个方面。一是聚合物驱优质资源是有限的。如胜利油田到“十五”末，Ⅰ、Ⅱ类剩余可动储量只有3000×104t，资源接替不足。而根据聚合物驱的动态变化特点，在见效高峰期以后年产量递减25%～30%，弥补这部分产量需提前两年投入相当规模的储量。而胜利油田聚合物驱油藏条件、井网井况适用性较好的Ⅰ、Ⅱ类优质资源动用率已超过90%，对三次采油的持续稳定发展极为不利。二是缺乏聚合物驱后进一步提高采收率的接替技术。已实施聚合物驱的单元，采收率一般达到40%～50%，仍有一半左右的剩余油滞留地下，具有进一步提高采收率的物质基础，但聚合物驱后进一步提高采收率的接替技术亟待攻关突破。 孤岛油田中一区 Ng3在1992年开展聚合物驱试验以来，聚合物驱得到了迅速发展，1997年进入工业化应用阶段，成为老油田大幅度提高采收率的主要技术手段之一。截至2008年底，实施化学驱项目35个，动用地质储量3.71×108t，累计增油1624×104t，年增油量达到171×104t。其中聚合物驱单元29个，占化学驱单元比例82.9%，覆盖地质储量3.56×108t，为油田的稳产先导和特高含水期提高采收率做出了巨大的贡献。但是，聚合物驱由于受驱油机理的限制，其提高采收率的幅度仅为6%～10%，聚合物驱后仍有50%～60%的原油滞留地下，有进一步挖潜的物质基础。目前已有17个聚合物驱单元转入后续水驱，10个单元含水已回升到注聚前的水平，因此，研究聚合物驱后如何进一步大幅度提高原油采收率成为油田持续稳定发展的紧迫任务。聚合物驱后油藏条件更加复杂，尽管剩余油呈普遍分布，但富集区更趋于分散，油藏非均质性更加突出，目前已有的化学驱技术很难满足进一步大幅度提高采收率的要求，室内实验、数值模拟和矿场试验均表明，聚合物驱后依靠单一井网调整和单一二元复合驱提高采收率效果不理想。 在20世纪90年代，俄罗斯科学院油气问题研究所研究人员研发了 Temposcreen聚合物凝胶，用于调剖，在1999年曾来胜利油田勘探开发研究院进行技术交流，随后勘探开发研究院采收率试验室科研人员对该产品在胜利油田条件下开展了系列性能评价，并在滨3-19井区开展了现场试验，效果不甚理想。虽然其应用于调剖试验失败，却给予科研人员研发聚驱后油藏化学剂更多的启发。通过对失败原因进行认真梳理，大家认为颗粒小使其封堵及调整剖面的作用较弱。后来在探索聚驱后油藏提高采收率方向时，受颗粒型的 Temposcreen的启示，胜利油田于2003年起着手研发一种颗粒型的化学剂，其能够注入地层，对地层起到既堵又驱的效果。结合 Temposcreen的特点及矿场试验的效果，提出了新型产品的要求：化学剂仍然为颗粒型，但要有弹性，能变形，颗粒与孔喉尺寸相当，对地层既堵又驱。 2003年，研究者研发出预交联体系，并在2005年开展了单井试注。在试注过程中出现了问题，由于矿场与实验室的差异，预交联体出现了“沉”和“堵”两个问题。通过借鉴 Temposcreen和预交联体，结合有机合成方法，明确有机颗粒为预交联颗粒凝胶。黏弹性颗粒驱油剂 B-PPG(branched-preformed paticle gel)通过多点引发将丙烯酰胺、交联剂、支撑剂等聚合在一起，形成星型或三维网络结构，溶于水后吸水溶胀，可变形通过多孔介质，具有良好的黏弹性、运移能力和耐温抗盐性。 B-PPG与聚合物复配后，除提高聚合物溶液的耐温抗盐能力外，还使体系产生体相黏度增加、体相及界面黏弹性能增强、颗粒悬浮性改善、流动阻力降低的增效作用，可大幅度提高聚合物扩大波及体积能力。复合表面活性剂能够大幅度降低油水间界面张力，大幅提高毛细管数，同时具有较好的洗油能力，有利于原油从岩石表面剥离，从而提高采收率。体系含软固体颗粒 B-PPG，因此将其称为非均相复合驱油体系，该体系结合非均质油藏井网优化调整改变液流方向的方法，可在聚合物驱后油藏大幅度提高原油采收率，是挑战采收率60%的探索和尝试。 2008年在孤岛油田中一区 Ng3实施井网调整+非均相复合驱先导试验。注采井网是油田开发的基础，孤岛油田中一区 Ng3井网经历两次大的调整，井网从进入高含水阶段(1990年)后未进行大的调整，经历聚合物驱至今，流线固定多年，水线形成固有通道，难以进一步扩大波及状况，不利于提高油藏采收率。在目前井网条件下进行二元驱，很难提高波及体积，达到理想效果。因此，可以开展通过井网调整，改变流线方向，再利用复合体系进一步扩大波及体积和洗油效率，提高收率研究。 “孤岛油田中一区 Ng3聚驱后井网调整非均相复合驱油提高采收率先导试验”含15口注入井和10口生产井，地质储量123×104t，注入驱油体系为0.4%表面活性剂+900mg/L聚合物+900mg/L B-PPG，注入段塞为0.3PV①。试验区降水增油效果显著，综合含水率(97.5%)*大下降幅度为19.7%；日产油量由试验前的4.5t/d*高上升至84.1t/d，全区累计增油11.2×104t，中心井区已增油8.07×104t，已提高采收率6.56%。预计先导试验可提高采收率8.5%，*终采收率突破60%，达到63.6%。 非均相复合驱技术的突破为聚合物驱后油藏进一步提高采收率展示了良好的前景，该技术“十四五”部署推广应用单元16个，覆盖地质储量1.3×108t，预计可增加可采储量940×104t，提高采收率7.2%。胜利油田聚合物驱后地质储量有5.75×108t，实施非均相复合驱后，预计增加可采储量4000×104t，将为胜利油田稳产发挥重要的支撑作用，并且该项技术的突破也为国内外同类型油藏提高采收率提供了重要借鉴。 1.2 提高石油采收率的措施 驱替过程原油采收率定义为[31-37] (1-1) (1-2) (1-3) 式(1-1)～式(1-3)中，ER为原油采收率；EV为替液波及系数；ED为驱替液波及区域的驱油效率，也称洗油效率；NP为实施油区驱替采出油量；N为开发前该油区的原油地质储量；A为油层原始面积；h为油层原始厚度；AV为油层波及面积；hV为油层波及厚度；So为原始含油饱和度；Sor为残余油饱和度。 由此可见，提高采收率主要有两个途径，即增大驱替液的波及体积和提高驱油效率。由于长期的注水开发，目前我国油田普遍进入中高含水期，油藏原生非均质及长期水驱使非均质性进一步加剧，油藏中逐渐形成大孔道或高渗通道，使地下油层压力场、流线场形成定势，注水井和生产井之间逐渐形成水流优势通道，造成“水驱短路”现象[38]，如图1-1所示，此外，同层油藏的非均质性也会造成驱替液沿高渗层不均匀推进，导致中渗透层和低渗透层波及程度减小，严重影响驱替效果。 图1-1 非均质对驱油效果的影响 对于非均质严重的油藏，扩大波及体积比提高驱油效率更为有效。要从根本上解决油藏非均质性严重的问题，必须采用堵水调剖的办法来改善吸水剖面，扩大波及体积，提高采收率[39-41]。 1.3 聚合物驱油剂的研究现状 采用聚合物驱油提高采收率的概念和技术，从提出到初步形成经历了15年(1949～1964年)。1964年，美国首先进行了聚合物驱油的矿场试验和工业规模的推广与应用，随后苏联、加拿大、法国、德国等许多国家陆续进行了聚合物驱实验，原油釆收率提高了6%～17%。我国自“七五”期间开始大力发展三次采油，至1997年我国聚合物驱增油量已居世界首位，目前我国的三次采油技术仍处于世界领先水平。 聚丙烯酰胺由于优异的亲水性和增黏能力，作为驱油剂广泛地应用于三次采油中。针对聚丙烯酰胺(PAM)耐温抗盐性及抗剪切性差等缺陷，国内外科研人员对聚丙烯酰胺进行了大量共聚改性等研究工作，比较有代表性的研究包括引入耐温抗盐共聚单体的多元共聚物[42-48]、引入疏水基团的疏水缔合聚合物[49-53]、侧链同时带有亲水亲油基团的梳型聚合物[54-57]、分子链中同时引入阴离子和阳离子基团的两性聚合物[58，59]等。尽管改性的聚丙烯酰胺在性能上有所提升，但是由于没有从根本上改变其线性分子的结构，线性聚丙烯酰胺仍然不能满足高温高盐油藏，特别是非均质严重油藏提高采收率的需要。 1.4 调剖堵水剂的研究 为了解决采油过程中驱替液沿高渗透层或流动阻力小的大孔道“窜流”问题，国内外油田工作者采用多种措施封堵高渗透层及大孔道，调整注入水剖面，使油藏的孔隙介质流动阻力均一化，扩大驱替液的波及体积，提高采收率。这种技术可以分为注入井的“调剖技术”[60-70](profile control)和生产井的“堵水技术”[71-76](water shutoff)。“调剖”是指从注入井注入特定堵剂，堵塞油藏中流动阻力较小的大孔喉水通道，从而使驱替液能够均匀地前进，该技术称为调整吸水剖面技术，简称调剖技术。而从生产井注入特定堵剂，选择性地增加出水通道的阻力，从而降低生产井采出液的含水量的技术称为堵水技术。因此，堵水剂(water shutoff agent)一般是指用于生产井堵水的处理剂，而调剖剂(profile control agent)则是用于注水井调整吸水剖面的处理剂。两种油田化学剂既有通性，也有各自的特点，大多数情况下二者可以通用。 国内外很多科研人员对油藏的调剖技术进行了大量的研究。例如注入无机盐沉淀、弱凝胶、胶态分散凝胶、体膨性颗粒、微生物和泡沫等，通过增大波及体积，提高采收率，有效地调整了油藏渗透率，达到了控水稳油的目的[77-81]。我国油田调剖堵水技术始于20世纪50年代[82]，“八五”以来，油田科研人员研究和开发出了一批批新技术和新产品，形成了一套以调剖堵水为主的油田区块综合治