普通稠油化学驱及机理研究进展

李锦超

(中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452)

稠油资源十分丰富，主要分布在加拿大、美国、委内瑞拉和中国。随着经济社会的不断发展，对石油的消耗逐年增加，成功开采稠油资源变得愈发重要。

对于普通稠油，一次采油后主要采用注水和蒸汽热采开发，由于水驱水油流度比高，导致波及系数较低，一般只能采出5%～10%OIIP的原油［1］;热采方法中最成功的是蒸汽吞吐和蒸汽辅助重力驱油技术。热采开发的主要原理是降低稠油黏度提高其流度，此类技术对厚油层和没有底水时非常有效。当油层太薄(小于10 m)和埋藏太深(大于1 000 m)，或存在底水时，热量损失严重，制约热采技术的应用;因此，需要非热采方法提高普通稠油采收率。国内外研究表明，化学驱是一种重要的接替手段。

化学驱技术包括碱驱、聚合物驱和表面活性剂驱，此技术已成功应用于常规原油开采。碱驱和表面活性剂驱通过降低油水界面张力提高洗油效率，聚合物驱则通过降低水油流度比提高波及系数［2－3］。近年来，国内外对普通稠油化学驱进行了大量研究，本文详细综述了普通稠油化学驱及机理研究现状。

1 稠油化学驱技术

1.1 碱驱技术

碱驱矿场试验主要集中在20世纪，由于碱驱机理复杂，限制因素较多，制约其工业化推广。碱驱是向油藏中注入能与原油中石油酸发生反应的碱性物质，生成表面活性剂，从而达到降低界面张力和形成乳状液的目的。最常用的碱是NaOH，其他包括碳酸钠、硅酸钠、磷酸钠、氢氧化铵和碳酸铵等。影响碱驱效果的因素很多，如碱的类型、浓度、注采参数、温度等。因此，国内外石油工作者对此进行了大量研究。

Mayer等［4－6］通过研究表明，碱与油藏岩石和流体存在3种反应，碱－油反应、碱－水反应和碱－岩石反应。碱驱提高采收率有4个不同机理:乳化携带、乳化捕集、水湿反转为油湿、油湿反转为水湿。因为水驱稠油时波及系数一般很小，乳化捕集机理对稠油开采尤其有效。

Almalik 等［7］利用 Safaniya 原油研究了NaOH，KOH，Na3PO4·12H2O碱剂对采收率的影响。并分别测量了其pH、黏度和界面张力，通过填砂管驱替实验研究发现，注入4 PV 1.0%NaOH时，累积采收率最高，这是由于NaOH的pH最高，降低界面张力的能力最强。Jennings等［8］通过实验发现碱水界面张力降至小于0.01 mN/m才能提高采收率。通过可视化驱替研究发现注入碱可提高水驱的波及系数，段塞注入和连续注入最终采收率基本相同，其有别于Farouq Ali等［9］发现的结果，他们发现连续注入时采收率可在水驱基础上增加32%～62%，而段塞式注入时仅增加5%。

Campbell等［10－11］考察了用盐水配制硅酸钠和NaOH对Huntington Beach和W ilmington原油采收率的影响，对比研究发现，在相同浓度下，加入硅酸钠的采收率在连续注入和段塞注入2种方式下均高于加入NaOH，且连续注入的采收率均大于段塞式注入。

Ding 等［12］研究发现，复合碱 (NaBO2/Na2CO3)在一定盐浓度范围内，随着盐浓度增加，提高采收率效果增加，在1.0%盐浓度下驱替效果最好。

Chiwetelu等［13］利用一种稠油分别在 25，65℃进行室内填砂管碱驱实验。溶液均使用蒸馏水配制，结果显示，25℃的提高采收率高于65℃。认为温度升高时界面张力增大造成采收率降低。

宋建平等［14－15］提出稠油可在常温下乳化开采，选择Na2CO3为注入碱剂，当其质量分数为1.0%时，界面张力降至10－2数量级。原油在常温下能发生乳化。通过加入适量NaCl可降低稠油乳化所需的碱浓度。

美国在上世纪中后期进行了60余次的碱驱矿场试验，提高采收率在2%OOIP，并存在碱对地层溶蚀使其变得更不均质，地层和产出系统结垢和产出液乳化难处理等问题。因此，碱驱并没有大规模推广应用。弱碱、潜在碱、有机碱和缓冲碱是未来碱驱用剂的发展趋势［16－18］。

1.2 碱/表面活性剂驱技术

碱驱时，在其低浓度下能获得较低的界面张力，但由于吸附或沉淀等碱耗因素，需注入高浓度碱。因此，加入合适浓度的表面活性剂既可降低碱剂浓度又可提高驱替效率［19－20］。

Bryan 等［21－24］对黏度(23 ℃)为 11 000，15 000 mPa·s的稠油进行碱/表面活性剂驱实验。研究结果表明，形成的乳状液类型与水的盐度有关。质量分数0.1%阴离子表面活性剂烷基磺酸钠和0.5%Na2CO3的混合物可形成超低界面张力和稳定的乳状液，大量相态实验表明，当用去离子水配制化学剂配方时，将会形成O/W乳状液。而当水相中含2%的NaCl时，将会形成黏度高的W/O乳状液。通过岩心驱替实验得到的三次采收率超过20%IOIP。认为油滴的乳化捕集是提高原油采收率的主导机理。

Liu 等［25－27］通过研究黏度(22 ℃)为1 800 mPa·s稠油的乳化和界面性质，筛选出0.15%Na2CO3+50 mg/L表面活性剂，两者协同作用下使原油与盐水间界面张力急剧下降，易形成O/W型乳状液。利用此配方选取加拿大西北稠油进行填砂管驱替试验，结果表明，水驱后注入0.5 PV 0.3%Na2CO3，0.3%NaOH 和300 mg/L 表面活性剂体系可提高约24%OOIP。

国内辽河油田研究院［28－29］针对辽河油田普通稠油，筛选出抗盐性能较好的表面活性剂与Na2CO3复配，可使油水界面张力降至超低状态且具有长期稳定性，驱替实验表明可提高采收率17.31%。

中国石油大学(华东)葛际江等［30－32］研究发现，单一Na2CO3或表面活性剂与胜利油田普通稠油均不能形成超低界面张力，而当两者复配时，协同效应明显，最低界面张力可达10－4mN/m以下。驱油剂－稠油乳化能力与界面张力没有一致性，驱油剂－稠油界面张力与采收率没有规律性，乳化能力与采收率具有很好的对应关系，即乳化能力好的驱油体系驱油效率高。

1.3 聚合物驱技术

聚合物驱研究始于美国，在70年代应用到现场，采收率可提高至9%。其提高采收率的主要机理是降低水油流度比，提高波及系数。国内聚合物驱技术相继在大庆、胜利、渤海油田等得到应用，配套技术也得到了较快发展。

聚合物驱技术已较为成熟的应用到开采普通原油。上世纪末美国学者研究聚合物驱现场应用时聚合物驱适用于油藏原油黏度最大为126 mPa·s，对较高黏度油藏具有不确定性。随着聚合物性能及调剖等技术的发展，胜利油田已成功将聚合物驱应用于原油黏度为500～1 000 mPa·s油藏［33－34］。

Wang 等［35－36］研究黏度为 430～5 500 mPa·s的稠油聚合物驱时聚合物溶液的有效黏度与采收率的关系，并进行了28个填砂管驱替实验，结果表明，只有当聚合物有效黏度在一定范围内采收率才能迅速增加。

张贤松等［37］利用数值模拟研究了影响我国稠油油藏聚合物驱的关键技术参数，主要包括储层特性、原油黏度、注入时间等，结果表明，油藏渗透率应大于500×10－3μm2，地层原油黏度低于100 mPa·s，含水小于70%聚合物驱效果较好。

聚合物驱对提高稠油采收率前景较乐观，但其也存在不利因素。我国大部分油田由于强注强采导致大孔道、变异系数增大，致使聚合物驱易窜，开发效率较低。因此，聚合物驱前进行合理的调剖堵水非常重要。另外，聚合物黏度较高，驱替时不能超过水驱时的初始压力梯度，否则，会破坏岩石结构［38－40］。

2 稠油化学驱机理研究进展

2.1 水包油型(O/W型)乳状液

水包油型乳状液的形成可能是稠油化学驱的机理之一。原油进入水相形成的乳状液比原油流动性好，O/W型乳状液提高采收率机理是:一是乳状液被水相携带一起流动，即乳化携带机理;二是乳化液滴堵塞岩石孔隙提高波及系数，即乳化捕集。

Jennings等［8］利用二维岩心驱替实验研究了乳化携带和乳化捕集的作用效果。研究发现注入点附近基本没有剩余油，岩心很干净。但在驱替区域内水驱和碱驱的残余油饱和度基本相同。因此，他认为油滴的乳化捕集提高波及系数是化学驱提高稠油采收率的主要机理。

Liu等［26］研究发现稠油驱替的主要机理是乳化携带。合适的碱剂和表面活性剂复配后易乳化黏度为650～18 000 mPa·s的稠油，使稠油变成低黏度的O/W乳状液。

2.2 油包水型(W/O型)乳状液

有人提出W/O型乳状液可能是提高采收率的主要机理之一。此类乳状液黏度大于原油的，可改善流度比和改善波及系数。

Dranchuk 等［5］采用黏度为 940 mPa· s的Lloydminster稠油进行碱驱研究发现，由于碱的加入在产出液中含W/O型乳状液，促使驱替更加稳定。加入碱可使岩石更加亲油性，且岩心两端压降随着乳状液形成而增加。

Dong等［41］进行稠油碱驱微观驱油研究，注入的碱水进入残余油相，在油流通道中出现许多不连续的水滴，从而形成了黏度比原油大许多的W/O型乳状液。因此，提出降低水油流度比和抑制注入流体的指进是提高采收率的主要机理。同时看到油与孔壁接触改变润湿性形成油湿。

Bryan 等［21－22］认为提高稠油采收率主要是由于乳状液形成，可通过控制盐浓度，使得同一体系即可能形成W/O乳状液也可能形成O/W乳状液。任何一种乳状液均能提高稠油采收率。且机理相同，即乳状液堵塞岩心中预先形成的水流通道，使液流发生转向。

提高稠油采收率的机理包括:由于堵塞孔隙提高波及系数;通过增加或降低乳状液的黏度改善流度比。截止目前，对于哪个机理对提高稠油采收率最重要，国内外专家学者没有统一认识，有待进一步深入研究。

3 稠油化学驱存在问题

3.1 产出液处理

化学驱对提高稠油采收率非常有效，但由于产出液乳化严重且结构稳定，严重制约着稠油的开发。因此，如何经济有效的分离是处理产出液的关键，尤其是高pH的乳状液。

Dong［42］研究了在低 CO2压力下高 pH乳状液的处理，CO2是酸性气体，通过降低液相pH，减少油滴表明静电荷，降低液滴间排斥势能。破坏沥青质和表面活性物质构成的界面膜，使油滴絮凝，聚并。

3.2 聚合物驱后接替技术

聚合物驱后仍有大量残余油滞留在地层，针对聚合物驱后如何提高采收率，国内外学者进行了大量研究和探索。王其伟等［43］通过室内驱替实验表明，泡沫驱的良好调剖封堵能力，对于聚合物驱未能波及的低渗透层具有很好的驱油能力，是聚合物驱后一种很好的接替技术。刘明轶等［44］在胜利油田研究了聚合物驱后3种增产接替技术，分别是深部调剖技术、高效洗油技术、聚合物絮凝再利用技术。实验结果表明，上述技术在聚合物驱后可有效提高采收率。

4 结语

普通稠油水驱采收率低，又不能利用热采进行经济有效的开发，化学驱是一种很好的提高稠油采收率的非热力采油技术，聚合物驱是稠油水驱后很有潜力的采油技术，同时，要考虑利用何种技术进行接替聚合物驱，进一步提高稠油采收率。稠油碱驱和碱/表面活性剂驱提高采收率机理较复杂，目前主要还是停留在室内试验研究阶段，距离现场大规模应用还有大量问题亟需解决。

［1］Miller K A.State of the art of western Canadian heavy oil water flood technology［C］//petroleumsociety’s 6th Canadian international petroleum conference. Calgary， Alberta， Canada:Petroleum Society，2005:251.

［2］Thomas S，Farouq Ali S M，Scoular J R，et al.Chemical methods for heavy oil recovery［J］.J Can Petro Technol，2001，40(3):99－103.

［3］Selby R，Alikhan A A，Farouq Ali S M.Potential of non－thermal methods for heavy oil recovery［J］.J Can Petro Technol，1989，28(4):45 －59.

［4］Mayer E H，Berg R L，Carmichael J D.Alkaline injection for enhanced oil recovery － a status report［J］.J Petrol Technol，1983，35(1):209 －221.

［5］Dranchuk P M，Scott J D，Flock D L.Effect of the addition of certain chemicals on oil recovery during waterflooding［J］.J Can Petrol Technol，1974，13(3):27 －36.

［6］Johnson Jr C E.Status of caustic and emulsion methods［J］.J of Petrol Technol，1976，28(1):85 －92.

［7］Almalik M S，Attia A M，Larry K L.Effects of alkaline flooding on the recovery of Safaniya crude oil of Saudi Arabia［J］.Journal of Petroleum Science and Engineering，1997，17(3/4):367－372.

［8］Jennings Jr H Y，Johnson Jr C E，Mcaulifee C D.A caustic waterflooding process for heavy oils ［J］.J Petrol Technol，1974，26(12):1344 －1352.

［9］Farouq Ali S M，Figueroa J M，Azuaje E A.Recovery of lloydminster and morichal crudes by caustic，acid and emulsion floods［J］.J Can Petrol Technol，1979，18(1):53 －59.

［10］Campbell T C，Krumrine P H.Laboratory studies on alkaline waterflooding［J］.SPE 8328，1979.

［11］Campbell T C.The role of alkaline chemicals in the recovery of low － gravity crude oils［J］.J Petrol Technol，1982，34(11):2510－2516.

［12］Ding B D，Zhang G C，Ge J J.Research on mechanisms of alkaline flooding for heavy oil［J］.Energy ＆ Fuels，2010，24(12):6346－6352.

［13］Chiwetelu C，Neale G，Hornof V，et al.Recovery of a Saskatchewanheavy oilusing alkaline solution［J］.J Can Petrol Technol，1994，33(4):37 －42.

［14］宋建平.碱及碱/聚合物体系与稠油界面张力的研究［J］.石油勘探与开发，1993，20(4):81－86.

［15］宋建平，田宗武.稠油乳化开采新方法实验研究［J］.大庆石油地质与开发，1995，14(2):42 －47.

［16］赵福麟.采油用化学剂的研究进展［J］.中国石油大学学报:自然科学版，2007，31(1):163 －172.

［17］Berger P D，Lee C H.Improved ASP process using organic alkali［J］.SPE 99581 － MS，2006.

［18］Jeff Rudin，Wasan Darsh T.Surfactant－ enhanced alkaline flooding:buffering at intermediate alkaline pH［J］.SPE 21027－PA，1993.

［19］Cooke Jr C E，Williams R E，Kolodzie P A.Oil recovery by alkaline waterflooding［J］.J Petrol Technol，1974，26(12):1365 －1374.

［20］Nelson R C，Lawson J B，Thigpen D R.Cosurfactantenhanced alkaline flooding［J］.SPE 12672 － MS，1984.

［21］Bryan J，Kantzas A.Enhanced heavy － oil recovery by alkalisurfactant flooding［J］.SPE 110738 － MS，2008.

［22］Bryan J，Kantzas A.Potential for alkali－ surfactant flooding in heavy oil Reservoirs through oil－in－water emulsification［J］.J Can Petrol Technol，2009，48(2):37 －46.

［23］Bryan J，Kantzas A.Investigation into the processes responsible for heavy oil recovery by alkali－ surfactant flooding［J］.SPE 113993，2008.

［24］Bryan J，Kantzas A.Improved recovery potential in mature heavy oil fields by alkali－ surfactant flooding［J］.SPE 117649，2008.

［25］Liu Q，Dong M Z，Ma S Z.Alkaline/surfactant flood potential in western canadian heavy oil reservoirs［J］.SPE 99791，2006.

［26］Liu Q，Dong M Z，Ma S Z..Surfactant enhanced alkaline flooding for western canadian heavy oil recovery［J］.Colloids and Surfaces A:Physicochem Eng Aspect，2007，293(1/2/3):63－71.

［27］Liu Q，Dong M Z，Yue X A，et al.Synergy of alkali and surfactant in emulsification of heavy oil in brine［J］.Colloids and Surfaces A:Physicochemical and Engineering Aspects，2006，273(1/2/3):219－228.

［28］周雅萍，刘其成，孟平平.碱/表面活性剂(A/S)改善千22块普通稠油开采效果实验研究［J］.特种油气藏，2000，7(2):39－42.

［29］周雅萍，刘其成.碱/表面活性剂复合驱提高锦90块稠油采收率研究［J］.精细石油化工进展，2007，8(11):1 －5.

［30］刘海涛，葛际江，张贵才，等.壬基酚聚氧丙烯醚硫酸盐－Na2CO3－桩西原油体系的油水动态界面张力［J］.石油学报:石油加工，2008，24(6):733 －738.

［31］葛际江，张贵才，蒋平，等.含烷氧基链节的硫酸盐表面活性剂的油－水界面张力及其对原油的乳化能力［J］.石油学报:石油加工，2008，24(5):614 －620.

［32］葛际江，王东方，张贵才，等.稠油驱油体系乳化能力和界面张力对驱油效果的影响［J］.石油学报:石油加工，2009，25(5):690 －696.

［33］Jewett R L，Schurz G F.Polymer flooding － a current appraisal［J］.SPE 2545 － PA，1969.

［34］张绍东，束青林，张本华，等.河道砂常规稠油油藏特高含水期聚合物驱研究与实践［M］.北京:石油工业出版社，2005:133.

［35］Wang J，Dong M.A laboratory study of polymer flooding forimproving heavy oil recovery［C］//Petroleum Society's 8th Canadian International Petroleum Conference.Calgary，Albert，Canada，2007:178.

［36］Wang J，Dong M.Optimum effective viscosity of polymer solution for improving heavy oil recovery［J］.J Petrol Sci Eng，2009，67:155－158.

［37］张贤松，丁美爱.陆相沉积稠油油藏聚合物驱关键油藏条件研究［J］.石油天然气学报:江汉石油学院学报，2009，31(1):127－129.

［38］顾永涛.聚合物驱单元窜聚研究及治理［J］.新疆石油天然气，2005，1(2):59 －61.

［39］颜捷先.胜利油区聚合物驱油技术的实践与认识［J］.油气地质与采收率，2002，9(3):1 －3.

［40］蒋明，许震芳.辽河常规稠油油藏的聚合物驱问题研究［J］.水动力学研究与进展:A 辑，1999，14(2):240 －246.

［41］Dong M Z，Liu Q，Li A F.Displacement mechanisms of enhanced oil recovery by alkaline flooding in a micromodel［J］.Particuology，2012，10(3):298 －305.

［42］Dong M Z，Gong H J，Tian W，et al.Separation of water from high pH water－in－heavy oil emulsion using low pressure CO2［J］.Industrial＆ Engineering Chemistry Research，2014，53:12216－12223.

［43］王其伟，宋新旺，周国华，等.聚合物驱后泡沫驱提高采收率技术试验研究［J］.江汉石油学院学报，2004，26(1):105－107.

［44］刘明轶，王业飞，崔亚，等.聚合物驱后增产技术研究［J］.断块油气田，2006，13(1):40 －41.