低渗透油藏提高采收率技术现状与挑战

王成俊，洪　玲，高瑞民，王　伟，张忠林，段景杰，苗小龙

(1.陕西延长石油(集团)有限责任公司，陕西西安　710075；2.陕西科技大学，陕西西安　710021)

世界范围内低渗透油气资源十分丰富[1-3]，据美国能源部2013年评估，全球41个国家、95个盆地中特低渗透(页岩/致密油)技术可采量为483×108t(按0.14 t/桶计算)[4]。自2011年开始，美国低渗透原油产量占比逐渐增大，且有望在2021年达到51%[5]。我国低渗透油气资源分布广泛，占总资源量的49%，约为537×108t，目前低渗透探明储量为158×108t[6]，约占我国低渗透油藏原油地质储量的54%。

可见，低渗透油气资源在国内外油气资源中占有十分重要的地位，而且随着石油勘探程度的逐步加深，其所占的比例还将继续增大。但是由于低渗透储层与中高渗相比，在渗流机理、开发方式、采收率方法和经济效益等方面都有明显差异，低渗透油藏存在开发难度大、采收率低和效益差的特点[7-9]。因此，提高低渗透油藏采收率的意义重大，也面临诸多挑战。

1　低渗透油藏分类与开发特征

目前，国内外尚无统一的低渗透储层划分标准[10-14]，苏联将储层渗透率小于100 mD算作低渗透油田，美国把低于10 mD的储层算作中—差储层，在我国，一般将低渗透砂岩储层分为低渗透(渗透率10～50 mD)、特低渗透(渗透率1～10 mD)、超低渗透(渗透率0.1～1 mD)储层。2009年，胡文瑞等针对我国石油资源现状、经济技术条件及低渗透油藏勘探开发实践提出了新版低渗透划分标准[15]，即一般低渗透(渗透率1～10 mD)、特低渗透(渗透率0.5～1 mD)、超低渗透(渗透率<0.5 mD)。

低渗透储层具有沉积矿物成熟度低、黏土含量高、颗粒细、成岩压实作用强、孔隙度低、渗透率小、溶蚀孔和微裂缝发育、孔隙喉道细小(且小孔喉所占比例很大)，非均质性强等特点，因此油水渗流机理不同于常规储层：基质中流体呈现出渗吸作用和低速非达西渗流的特征，微裂缝中流体以达西渗流主导，压敏效应严重。

由于油井无自然产能，须压裂改造投产，但单井产量低，自然递减快，一次采收率低。常规注水开发渗流阻力大，注水压力高，基质油启动压差大，难以有效驱替，洗油效率低；而天然裂缝以及后期储层改造的人工裂缝的普遍存在，使得注入水具有明显的方向性，油井含水上升快，波及面积小，极易造成水窜水淹现象。据统计[8-9]，国内外低渗透油藏采收率平均仅为20%左右，大部分原油滞留在油藏中无法采出，所以低渗特低渗油藏提高采收率的潜力巨大。

2　低渗透油藏提高采收率技术现状

随着新技术的出现，低渗透油藏提高采收率技术范畴不再仅仅局限于传统的采收率方法，涉及的学科已经扩展到工程、化学、热力、生物、物理等多方面，以基本方法为主，多种方法优化组合。水驱和气驱技术在目前阶段仍是最基本的方法，其他方法是基于这两种方法的延伸或效果的促进，油藏的特征和不同时期的油价是决定采收率方法的主要因素。

2.1　改善水驱技术

改善水驱技术是针对相对富集的大尺度的未被驱替介质波及的剩余油，目的是为了改善流体渗流场，提高低渗透油藏的注水波及效率。虽然改善水驱技术并未改变二次采油的驱油机理，但它已是二次采油技术的高度集成和综合应用，成熟度高。其主要包括：改善水动力条件的技术(超前注水、周期注水、脉冲注水等)、深部调剖技术、水平井以及复杂结构井技术以及老井侧钻技术、体积压裂技术等。

由于低渗透储层压敏效应严重，国内部分油田采用超前注水技术，保压开采，典型代表是长庆油田[16]；但是，低渗透油田存在渗吸—驱替双重渗流作用机理，周期注水，脉冲注水在一定程度上发挥了渗吸效应，延长油田的适度温和注水技术取得良好的开发效果。总之，合理的注采参数、注水时机与储层物性、流体性质、启动压力梯度、压敏效应、渗吸效应等因素相关，但国内外尚没有一个完整的数学模型对其进行量化表征。低渗透储层裂缝系统复杂，无论采用何种注水技术，都会存在水窜的问题，因此，有效调控水窜通道是改善水驱开发效果的关键。但是，低渗透的深部调剖技术现场应用效果一般[16]，核心问题是裂缝参数、注入流体性质、注入参数及配套工艺如何匹配。近年来，“水平井+体积压裂”技术极大地提高了低渗透油藏特别是致密油藏的采油速度[17]，但亟待解决地层能量补充方式、井网优化、水线调控、施工成本等问题。

2.2　气驱技术

气驱按气体类型可分为烃类气驱、CO2驱、N2驱、烟道气驱和空气驱；按驱替状态可分为混相驱和非混相驱。气体因其黏度低、流度高、与储层配伍性好，而在低渗透油藏注入性好，不易发生水敏。并且气体可使原油体积膨胀、黏度和界面张力下降、萃取原油、甚至可混相，特别适合于低渗透油藏提高采收率[18]。

目前，气驱室内研究主要包括流体相态、注气机理和气驱物理模拟等方面的研究。流体相态研究较为成熟，但注气机理和气驱物理模拟还存在诸多不足，如针对气体试验的高压高温耐腐蚀物理模拟装置、特低渗油藏注气过程中的单相非线性渗流和多相多组分复杂渗流的机理、气体与储层岩石之间的相互作用、降低最小混相压力(MMP)的方法、气驱波及效率技术等方面还需要进一步研究。

烃类气驱主要是利用油气藏采出的伴生气或天然气驱油，可分为干气驱、湿气驱和液化石油气驱。20世纪30年代，国外开展注天然气保持地层压力和非混相驱，之后也开展了干气和湿气高压混相驱矿场试验，代表国家有加拿大、阿尔及利亚、俄罗斯等。20世纪90年代后，由于天然气价格的上涨，烃类气驱项目明显减少[19]。与国外相比，我国开展烃类气驱研究的时间较晚，仅在长庆、吐哈、大庆、中原等油田进行了小规模试验。成本和气源是制约烃类气驱大规模应用的关键，但对于对水资源匮乏、天然气资源丰富的边远地区，天然气驱、伴生气回注具有一定的潜力。

CO2比烃类气体更易溶于原油，其临界压力和温度也较低，易在油藏实现超临界，具有较强的萃取和扩散能力，能有效萃取原油中的轻质组分，比其他气体更易混相。美国是CO2驱技术发展最快、项目数量最多的国家，统计其2012年实施的121个项目[20]，75.8%的油藏属低渗透油藏，可见CO2驱对于低渗、特低渗油藏提高采收率具有重要意义。国内很多油田也开展过CO2驱先导性矿场试验，但因成本、气源和腐蚀等，发展较为缓慢。但是自2006年国家973计划“温室气体提高石油采收率的资源化利用及地下埋存”项目的启动，将温室气体埋存与CO2驱相结合，标志着国内CO2驱的研究进入新阶段。目前，国内具有代表性的有吉林、延长和胜利等油田，分别将气田伴生CO2或工业尾气CO2捕集用于驱油，取得良好的效果。近年来，随着CCUS相关技术与法律法规的发展，CO2驱将成为最有前景的驱油技术之一[21]。

氮气相对其他气体来源广、无污染、无腐蚀、安全性好。20世纪80年代后随着制氮技术的提高，氮气价格持续降低，美国、加拿大和墨西哥先后开展了N2驱，国内在华北、胜利、江汉和中原等油田都开展了矿场试验，但因N2与原油混相压力高，现场应用较少。一般适合于注水困难、其他气源不足的低渗透油藏和倾角较大油藏的重力稳定气驱。

空气和烟道气都为混合气体，其主要的气体成分为N2。空气驱主要通过油藏中原油、水、岩石与氧气发生吸附、氧化反应消耗氧气，以确保安全。烟道气驱综合了N2驱和CO2驱的优势[22]，但其组分含量不稳定，为压缩、捕集和集输带来一定困难。因此，这类混合气体驱的关键是做好安全和腐蚀防范工作[23]。这两种气驱因气体处理成本低，来源更为广泛，符合近年来的环保要求，具有较好的应用前景。

2.3　化学驱技术

化学驱是通过改变驱替流体的性质及驱替流体与原油之间的界面性质来提高原油采收率的技术，其基本原理有两个：一是扩大波及系数，二是提高微观驱油效率。根据驱油剂及驱油机理的不同，可分为聚合物驱、表面活性剂驱、碱驱、泡沫驱及相互组合形成的复合驱。化学驱经过近百年的发展，在中、高渗油藏的应用取得成功，已成为我国提高原油产量的重要技术。但是，由于低渗油藏的地质特征和流体渗流特征与中高渗油藏的差异性，必然造成其理论与技术的不同。

碱驱是最早提出的化学驱技术，它以碱溶液作为驱油剂，与原油中的石油酸反应生成表面活性剂，从而起到降低界面张力、乳化原油及润湿反转等作用[24]。在低渗透油藏中，碱溶液与储层岩石接触，会发生一系列的物理化学反应，使黏土膨胀，严重时会生成碱垢，造成储层伤害，注水井的吸水能力和油井的产能均受到不同程度的影响；因此，低渗透油藏一般不采用碱溶液来提高原油采收率。

聚合物驱是指高黏度聚合物水溶液注入地层后，改善水油流度比、降低水相渗流率，扩大驱替液波及体积的方法[25]。2001年，大庆油田提出利用聚合物的黏弹性提高微观驱油效率的观点[26]。油田应用比较广泛的聚合物是部分水解聚丙烯酰胺和生物类聚合物。目前，聚合物驱在普通中高渗透油藏已取得极大的成功，中石油聚合物驱年产量已达1200×104t。近年来，国内外专家学者研究指出低渗透油藏可以开展聚合物驱[27]，但须充分考虑聚合物注入性能及不可及孔隙体积(IPV)对驱油效果的影响[28-30]，同时需综合考虑其他的诸如启动压力梯度、油藏温度、矿化度、剪切和热降解作用等因素，这就要求选择与渗透率相匹配的相对分子质量合适的聚合物[31-32](表1)。大庆、长庆、玉门、江苏等油田[33]在其低渗透油藏均开展过聚合物驱先导试验，效果一般。总之，由于低渗透油藏指进不是影响波及效率的主要因素，流度控制已不是主要矛盾，因此，受注入性能限制，适合于低渗透油藏的聚合物相对分子质量较小，注入浓度低，黏度损失大，单独使用采收率提高增幅不大。

表1　渗透率与聚合物最高相对分子量的匹配关系Table 1　The relationship between permeability and molecular weight of polymer

表面活性剂驱是指利用表面活性剂降低油水界面张力，改善油藏润湿性，乳化原油，聚并形成油带，提高驱油效率的方法。驱油用的表面活性剂从其原料来分主要有天然改性的表面活性剂和人工合成的表面活性剂两大类。室内研究结果证实低浓度的表面活性剂能够有效注入低渗透储层，降低注入压力，提高驱油效率[34]。与普通油藏的表面活性剂单纯追求超低界面张力不同，低渗透油藏的表面活性剂需协同优化渗吸效应、乳化能力、界面张力、润湿性能等指标[35]，但量化表征低渗透表面活性剂驱油机理、表面活性剂性能评价指标难度大，国内外尚没有公开文献的报道。近年来，延长、长庆、中原、河南等低渗透油田进行了表面活性剂驱现场应用，取得了一定的成效[36]，但仍处于小规模先导试验阶段，究其原因在于驱油用的表面活性剂种类繁多，均存在不同的局限性(表2)；同时，低渗透油藏裂缝发育，单独使用存在波及系数低的问题。因此，调驱结合、先调后驱是今后低渗透油藏表面活性剂驱现场实施的指导思想。

表2　不同类型表面活性剂的驱油性能优缺点Table 2　The advantages and disadvantages of oil displacement of different surfactants

泡沫驱是利用各种气体(包括空气、氮气、天然气或其他气体)与泡沫剂混合形成泡沫作为驱替介质的驱替方法[37]。由于泡沫对具有一定开度的裂缝性油藏具有较好的封堵作用，因此低渗透油藏使用泡沫的主要目的是在气驱过程中抑制气体窜流，改善储层非均质性，延缓气体突破[38-40]；但国内外尚没有明确泡沫适合封堵的裂缝窜流通道的尺度界限。泡沫体系的驱油效果主要取决于它的稳定性和流变性。这些性质除受泡沫体系自身性质影响外，还受渗透率、油藏温度、含油、水饱和度、泡沫质量、泡沫干度等因素的影响。一般利用泡沫综合指数来综合表征泡沫性能。国内的百色、中原、长庆等低渗透油田进行了小规模现场试验，但泡沫体系在油藏的稳定性、空气低温氧化和空气泡沫驱的安全性等关键因素制约其推广应用。2012年延长油田低温油藏(<30 ℃)空气泡沫驱先导试验取得成功，证实了空气在低温油藏中可以实现安全、高效注入[41]。总之，泡沫驱适合于低渗透油藏，特别是水源相对匮乏的油区使用，具有较好的应用前景。

2.4　微生物采油技术

微生物采油技术(MEOR)利用微生物及其代谢产物作用于油藏从而提高原油采收率，具有施工简单、廉价、环保等特点。分子微生物学分析结果证实低渗透油藏存在大量采油功能微生物，如何使其短期内在油层中大量繁殖、产生具有采油功能的代谢产物，并长时间维持采油活性，是一项艰巨的工作。与中、高渗油藏相比，菌体大小与地层孔隙喉道尺寸的匹配性、微生物在低渗油藏的运移和增殖代谢是成功实施MEOR的首要前提[42]。目前，微生物提高低渗油藏原油采收率的机理还不明晰，缺少对微生物在低渗油层中运移、增产作用的数学描述。但是，由于其具有其他提高采收率技术无可比拟的多功能性，因此，一直是国内外科研机构研究的热点。国内大庆、延长和长庆油田在低渗透油藏已开展了小规模的矿场实践[43]，特别是延长油田利用微生物的发酵产物与表面活性剂的协同效应研发的生物活性复合驱油技术应用效果良好[44]。总体来说，储层特征、流体性质、菌液/激活剂性能及注入方式、注采井组连通性、剩余油分布状况等因素影响低渗油藏微生物的采油效果[45]。低渗油藏微生物采油技术的潜力还未充分发挥，有望成为未来低渗油田开发后期稳油控水的主要技术之一。

2.5　物理法采油技术

物理法采油技术具有适应性强、污染小、成本低等优势，它将声、热、电、磁等物理场应用于油藏多孔介质，直接或间接对储层渗流场产生影响，以期改变原油黏度、油水相对渗透率、毛管压力、油藏润湿性等，达到提高采收率的目的。目前应用于低渗透油藏的物理法采油技术有低频谐振波采油、超声波解堵、电法采油、强磁防垢、同轴随进等[46-55]，取得了一定的增油效果，但受其作用深度较小，作用强度低，不能解决能量补充等问题制约其发展，因此关于物理法采油技术的改进一直在进行，如定量化机理解释研究提高地层适应性，增强装备功率、提高处理半径等；与化学驱优势互补，形成复合型技术等。目前该技术已经引起关注，但作为战略性EOR手段还没真正提到日程。

2.6　热力采油技术

热力采油技术包括热水驱、蒸汽吞吐、蒸汽驱和火烧油层，主要应用于热敏感性较强的稠油油藏；对于大部分油品质量较好的低渗透油藏难以起到降黏作用。目前，关于低渗透油藏热采的机理研究还处于技术和经济可行性的论证阶段[56-58]，初步认为蒸汽驱较适应于低渗透油藏，但低渗稀油油藏蒸汽驱机理与常规油藏蒸汽驱相比更偏重于热膨胀和蒸馏，而非降黏。低渗透油藏热采矿场试验尚未见到火烧油层的报道，仅有少许的热水驱和蒸汽驱的现场应用，如美国克恩河油藏、法国上拉克油藏和国内大庆的朝阳沟油田、肇源油田，整体增油效果不明确。总体而言，蒸汽驱对于原油黏度较高或黏温关系较为敏感的低渗透油藏有一定的应用前景[59-60]。

3　技术挑战与展望

3.1　技术挑战

随着开发对象向更低品位低渗透油藏转移，需要更多经验的积累、认识的加深和方法的创新，目前最大的挑战其一是如何在现有井网条件和技术方法最大幅度提高采收率，其次是以更加经济的方法最大限度地增加采收率，其三是在提高采收率的同时兼顾现有资源的利用与环境保护的矛盾，所有的采收率技术的实施都必须坚持以上原则。目前具体的技术挑战主要有以下几点。

3.1.1驱油机理复杂，量化表征难度大，有待进一步深化

由于外界流体的注入，使得低渗透油藏油、水、气渗流关系更为复杂。驱油过程中，常伴随着对流、扩散、吸附、离子交换、相渗变化等物理化学反应。研发客观反映驱油机理、操作简便、可行性强的低渗透油藏提高采收率技术油藏数值模拟软件是注采参数优化和效果预测的关键。

3.1.2裂缝体系复杂，深部调堵技术有待进一步提高

低渗透油藏人工裂缝—天然裂缝交织，油水渗流规律十分复杂，尤其是特低渗油藏经过体积压裂后形成的储层破碎缝网极易导致后期注水补充地层能量难度大、水窜水淹现象严重、波及效率低、产量递减快，因此，建立合理的注水开发技术政策，研发合适的调堵技术是解决此类问题的核心。

3.1.3环境保护压力大，绿色提高采收率技术有待进一步完善

低渗透油田生态环境脆弱，石油资源的高效开发与环境保护的矛盾日渐突出，环保廉价型表面活性剂的研发、微生物采油、CO2驱等必然是研究的热点，特别是CO2驱可以实现温室气体的埋存与原油采收率的提高，是一项极具发展前景的低渗透油藏提高采收率技术，但目前这些技术成熟率低，仍需进一步完善。

3.1.4提高采收率技术经济极限条件苛刻，综合决策难度大

低渗透油田提高采收率综合决策受资源类型、油藏特征、物资供应、原油产量(增油量)、原油价格、经营成本、建设投资以及国家配套激励政策等多种因素决定，现有技术体系需要不断完善，以满足油田可持续发展需要。

3.2　技术展望

(1)随着计算机技术和自动化控制技术的不断发展进步，深化以物模和数模为手段的机理研究，利用高精度组分模拟器、三维平板物理模拟等技术，有效提高计算速度和计算效率，优化注采井网调整、注入方式及参数，提高注采系统的针对性和有效性，有效提高采收率。

(2)在深入解析物理、化学、生物学等相关驱油机理的基础上，赋予驱油体系更多功能，融合纳米、新材料等前沿技术，研制超级活性剂，集洗油、降黏、解堵、阻垢、调剖等功能于一体。发展智能表面活性剂驱油技术、生物活性复合驱油技术、智能纳米驱油技术、纳米机器人技术等，通过进一步优化油水界面张力和亲油性能，大幅度提高驱油效率；发展调驱一体化的驱油剂产品及智能封堵技术，通过智能调节自适应油藏，进而实现对储层/流体的改造，达到波及体积和驱油效率最大化。

(3)加深和丰富混相驱的理论认识，研究影响原油与注入气体混相的内在关键因素，利用化学或生物等技术手段，研制可以降低地层原油与注入气体混相压力的混相促进技术，进一步扩大气体混相驱油的应用范围，提高气驱效率。

(4)针对热敏感油藏，探索浅层蒸汽驱、水平井蒸汽辅助重力驱油、火驱等技术，不断创新热采配套工艺技术，促进低渗透稠油油藏的开发水平。同时，发展和推广在化学驱基础上形成的泡沫驱、波动—化学、微生物—表面活性剂、复合热载体等EOR组合技术。

4　结束语

低渗透油藏提高采收率技术是一项高难度、极复杂的大型系统工程，需要多学科的融合，需遵循储备一批技术、发展一批技术、推广一批技术的发展思路。在深化驱油机理的认识、创新发展提高采收率理论的基础上，研发廉价环保驱替介质，研制智能调、驱技术，综合利用不同提高采收率技术，发挥不同技术的协同效应，形成适合于低渗透油藏不同储层的低成本、高效、环保的提高采收率技术系列。