油层自生气提高采收率技术的发展

能源科学进展2007,Vol.4,No.2-58-油层自生气提高采收率技术的发展付秀峰（天津大港油田圣达科技有限公司）摘要：油层自生气提高采收率技术是一种具有技术集成特点的提高采收率新技术，是通过对注水井注入处理剂，然后在地层条件下各种化学药剂发生热化学反应，产生高温、高压，形成二氧化碳气体。该技术通过对污染层解堵、高渗层封堵、混合气驱和热采等一系列作用，提高注入水波及体积和驱油效率，产生降压增注效果，进而提高采收率的新技术。关键词：油层自生气；提高采收率；二氧化碳驱油1引言早在20世纪初，人们为了保持油层压力，提高生产能力，特别是针对那些特低渗透率油藏，提出了利用注气方法改善油田开发效果的建议[1]。并在以后的发展中逐步成熟起来，特别是注气混相和非混相驱油技术成为低渗透油藏和稠油油藏的开采中昀有效的方法之一。但目前任何一种向油层注气开采的方式所遇到的昀大问题就是气源问题和气体的运输问题，对于一些注入气体还存在管线的腐蚀和一些其它的问题。而油层自生气作为一种新型的提高采收率的方法既能够满足气驱的需求又能有效的解决注气提高采收率中存在的一些问题。20世纪70年代，E.R.Rechardson和R.F.Scheuerman提出了自动生气配方并中请了专利(US4178993)，后来该专利被转让给壳牌石油公司。壳牌石油公司首先将此项技术应用在低产天然气积液井的排液作业中，后来人们将配方不断改进[2]，现在国内多个油田在研究和应用该技术，并取得了良好的效果。国内主要将它用在生产井及注水井的解堵[3]及井筒和输油管线的清洗作业中[4、6]，也有的将它用作堵水液[5]和压裂液[7、8]。油层自生气体系所用的原料价廉易得且具有多功能性，在稠油和高含蜡油井的开发上有广阔的应用前景。2油层自生气提高采收率技术原理[9-13]油层自生气提高采收率技术是通过连续向地层内顺序注入可生成气体的溶液，该溶液由活性聚合物、可生成气体的混合液所组成，在设计的地层深度各种化学剂融合产生高温、高压和大量的（CO2）气体。优先在高渗透层生成的（CO2）气体与聚合物溶液形成稳定的气—液泡沫系统，聚合物网格结构能够阻止微细泡体系的扩散，该气—液泡沫系统对于之后的注入水产生很大的附加阻力，在水淹高渗透层形成屏障，打破了原来地下流体平衡，形成新的地下流体平衡，增加了波及体积。溶解在水中的表面活性剂在流动时提高了孔隙空间的亲油性，其结果使水溶液的粘弹、非平衡性能增加，表面活性剂同时具有降低油井和地面设备腐蚀的作用。通过自身反应释放出来的气体在地层内形成边缘泡沫气液系统使层内生气处理液及后续流体能够较均匀地推进，将高低渗岩心中的原油全部驱扫出。油层自生气技术是一种具有技术集成的新型提高采收率新技术，该技术通过对污染层解堵、高渗透层封堵、混合气驱和热采等提高注入水波及体积和驱油效率，提高采收率效果和降压增注都很明显。图1为油层自生气提高采收率的油层作用机理图[13]。3油层自生气提高采收率技术的研究现状从上世纪70年代油层自生气技术的提出到现在该技术已有了很大的发展，特别是自生气热液被广泛应用于油田开发的各个领域，开发了自生气热液解堵技术、压裂技术、井筒清蜡技术及自生能源科学进展2007,Vol.4,No.2气驱油技术[5]。随着对二氧化碳驱油机理的认识，二氧化碳驱被人为是世界三大三次采油方式（热采、聚合物驱荷二氧化碳驱）之一[1]。上世纪末俄罗斯Kh.Kh.Gumersky[9、11]等基于准沸腾气液段塞技术（PBS）提出了二氧化碳原地生成新技术，该技术一公布就引起了世界石油界的广泛关注，它不但具有往地层注二氧化碳气体采油的所有有点，又能够克服从地面注二氧化碳气体带来的缺点，与其它提高采收率技术相比具有施工工艺简单，成本低廉，采收率提高幅度大等突出优势。此后国内外相继开展相关的研究。图1注入施工顺序Fig.1Sequenceofoperationsduringinjection.3.1室内实验研究3.1.1油层自生气体主剂的研究（1）亚硝酸盐与铵盐反应体系[13、32~34]亚硝酸盐和铵盐是价廉易得的普通化学试剂，在一定条件下反应产生大量的热和气，其化学反应方程式为：OHNaClNClNHNaNOH22422++↑→++158.332−•−=ΔmolKJH该反应是应用昀早的自生气体系，由于其在产生大量气体的同时还产生大量的热量，所以被广泛的用于油井的清蜡、解堵、及压裂酸化作业中，都取得了良好的效果，通过对反应动力学的研究吴安明、陈茂涛等发现反应速率与H+浓度成正比，酸是该反应体系的催化剂，反应的产气速度和-59-能源科学进展2007,Vol.4,No.2热峰值与反应物的浓度、催化剂浓度及体系的初始温度有关，反应物浓度越大反应速率越快，放热和产生的气体量越大[13]。（2）过氧化氢体系[13、17]过氧化氢俗称双氧水(H2O2)，是一种相对稳定的氢氧化合物。过氧化氢为无色透明液体，无臭味或略具特殊气味，遇光、热、有机物和某些金属离子(如Fe2+、Mn2+、Cu2+、Cr3+)会分解，生成氧气和水，并产生大量热：OHOOH222222+↑→1000.196−•−=ΔmolKJH其反应物浓度越高，生热速率和产量越大。过氧化氢的分解产物是水和氧气，烃类和其它燃料可被氧气氧化，反应后产生的热量使水完全汽化，反应昀终的产物是过热蒸汽和二氧化碳，可用来进行超热蒸汽钻井。而过氧化氢的强氧化性对设备存在腐蚀问题。（3）多羟基酸氧化生气体系[13、17]利用三氧化铬（又名铬酐）与一种多羟基醛化合物（如葡萄糖），在催化剂的作用下，发生化学反应。具有强氧化性的铬酐将多羟基醛的羰基链氧化断裂，释放出二氧化碳气体和大量的热，化学反应方程式如下：↑++→++++251053612633COOHCCrHOHCCrO催化剂1002.107−•−=ΔmolKJH反应物均为易溶性物质，几乎不会对地层造成二次污染。但具有强氧化性对设备的腐蚀较大。3CrO（4）尿素与亚硝酸盐反应体系[18、19]在酸性条件下尿素可以与亚硝酸盐反应生成N2和CO2()OHCONNOHNHCO2222223222+↑+↑→+++该反应是放热反应，产生大量气体的同时放出大量的热量，同是尿素在酸性环境下也会发生水解产生CO2。（5）活性酸（有机酸酐）+碳酸盐（碳酸氢盐）反应体系[20、21]↑+→+↑+→++−+−22322232COOHHHCOCOOHHCO或该体系中的碳酸盐或是碳酸氢盐均为可溶性的，酸可以是活性酸或是潜在酸及酸酐，利用路易斯酸碱理论，用弱酸盐和强酸反应生成强酸盐和弱酸（碳酸）昀终分解产生二氧化碳。在俄罗斯Kh.Kh.Gumersky[11]的研究中就采用碳酸钠和低浓度的盐酸反应体系。（6）碳酸氢盐热分解体系[20、21]碳酸氢盐的热稳定性比较差，在一定温度下会分解产生二氧化碳气体，反应速度与反应物浓度和反应温度有关。OHCONHHCONH22334+↑+↑→Δ（7）其它生气体系偶氮二异丁腈[22]在高于60℃是会分解产生氮气。3.1.2油层自生气体系辅剂的研究-60-能源科学进展2007,Vol.4,No.2由于地层一般是非均质的，单纯的气驱很容易发生气窜或指进，所以一般都会在反应液中加入一定量的聚合物和表面活性剂等一些辅助剂，使其能产生稳定的泡沫，从而更有利于提高采收率。（8）聚合物[23,36]聚合物添加到生气剂中具有双重作用，在封堵高渗层时期泡沫剂和稳泡剂作用，而在渗入到低渗透层时又起到了黏弹作用[10]。聚合物的网络结构防止生成的微气泡体系扩散[11]，同时聚合物交联体系也被用作油层自生气技术的前置液起调剖作用。中原油田采用三元聚合物/无机铬交联体系作为油层自生气驱油剂的前置液取得了良好的效果。而作为生气体系中的聚合物除了起到稳泡作用和黏弹作用外还可以调节注入剂段赛流度比，使其能在地层中均匀反应[12]。（9）泡沫剂[36]除了溶在生气液中的聚合物起到泡沫剂作用外，往往还需要加入一定量的表面活性剂作为起泡剂，使之形成稳定的泡沫体系。利用泡沫体系在油层中“遇水稳定，遇油消泡”的特性选择性的调剖[24]，有利于驱扫地层中的剩余油。在油层自生气体系中泡沫的形成有两个方向：一是聚合物强化泡沫体系，二是无机凝胶泡沫体系。杨建军等[25]在泡沫增强聚合物体系研究中采用自生气法作为起泡气体来源，所形成的泡沫均匀稳定，该体系做为油层自生气驱油具有良好的效果。而赵仁保等[26]则采用水玻璃为起泡剂，以盐酸和含碳酸盐的污泥作为生气体系，形成水玻璃凝胶泡沫用于调剖驱油能有效的提高采收率。无论是何种泡沫体系其作用都是使泡沫体系在高渗透层泡沫屏障产生附加阻力以提高波及体积从而提高采收率。油层自生气技术中常用的表面活性剂有磺酸盐类、羧酸盐类以及一些非离子表面活性剂。（10）其它辅助用剂由于反应体系中常加有酸或是强氧化剂等易造成设备和油井的腐蚀问题，所以在体系中还需要加入缓蚀剂，如甲醛等。同时为了有效的控制反应的速度有时还需要加入催化剂或是反应抑制剂，反应体系中需要加入的助剂还有pH调节剂、粘土稳定剂等。3.1.3油层自生二氧化碳气体驱油机理的研究油层自生二氧化碳驱油是在设计的地层深度注入生气化学剂，在地层条件下相互融合生成大量的高温高压二氧化碳气体，此时二氧化碳气体可以是单相也可以使混相或者是呈泡沫状态[10]。生成的二氧化碳主要部分在水淹层形成屏障，另一部分二氧化碳溶解在原油，产生体积效应，并驱替剩余油[9]。所以油层自生二氧化碳驱油技术具有常规注二氧化碳驱油机理[23]，包括○1降低原油黏度，○2改善流度比，○3原油体积膨胀，○4萃取和汽化原油中的轻烃，○5混相效应，○6分子扩散作用，○7降低界面张力，○8溶解气驱作用，○9提高渗透率等。同时由于其与注二氧化碳驱油在工艺上有所不同其驱油机理上有其自身特点。图2水驱Fig.2WaterDriveKh.Kh.Gumersky研究表明[9、11、13]，反应液是一种牛顿流体，可以首先进入高渗透地层，在地-61-能源科学进展2007,Vol.4,No.2层内部由于化学放热反应而产生二氧化碳气体，而溶解在反应流体中的聚合物和表面活性剂能够形成稳定堵塞高渗透层的泡沫带，同时泡沫进入低渗透层时表现出黏弹性从而达到驱油的目的。他们研究发现具有异常流变性的微质点体系可驱遣地层中的原油，提高水驱率20%~30%，提高采收率3%~5%。与此同时S.I.Bakhtiyarov[13]等又对油层自生二氧化碳驱油体系的体积和压力的测量方法进行了研究，而G.M.Panakhov[13]等对自生气体系溶液中生气反应的动力学进行了深入的研究。国内西南石油大学油气藏地质与开发工程国家重点实验室的曹健、林波、蒲万芬、赵金州、刁素等人也对油层自生二氧化碳驱油的机理进行了大量的研究工作[20、27~30]。他们采用可视微观模型对油层自生二氧化碳驱油机理进行研究，并深入的分析了油层自生二氧化碳的作用机理，他们发现当注入生气体系之后与水驱相比，填砂模型的油水微观分布发生了变化，刚注完二氧化碳生气体系后仍有二氧化碳气体不断产生并驱替原油，使得含油面积(黑色区域)有所减小(图3和图2)[28]。当反应基本结束后生成的CO2充分溶解在原油中使原油体积膨胀，同时使原油粘度降低，易于流动，使得含油面积(黑色区域)又有所增大(图4和图5)[28]。图3注入就地CO2体系Fig.3Injectingin-stiuCarbondioxidesystem图4注入CO2体系30minFig.4ThirtyminutesafterinjectionofCarbondioxidesystem同时林波等[30]人还采用阻力系数法测定油层自生二氧化碳降低原油黏度的能力，结果发现当原油黏度为19904.1mPa·s，温度为70℃，压力6MPa时单液法可降粘42.15%，双液法可降粘52.69%。结合国内外相关的大量室内实验研究，可以将油层自生二氧化碳驱油机理归纳为以下几点：（1）热解堵作用[10、20、29]生气剂在油层深部反应生成CO2的同时放