郭小哲，江彩云，王晶，方月月

(中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院，北京102249)

提高采收率技術(shù)通常指強(qiáng)化采收率( EOR) 和改善采收率( IOR)的技術(shù)，即通過(guò)物理、化學(xué)、生物等方法，來(lái)降低油氣流動(dòng)阻力、增加其流動(dòng)力以開(kāi)采出更多油氣技術(shù)?？筛爬樗?qū)、化學(xué)驅(qū)、熱力驅(qū)、氣驅(qū)、微生物驅(qū)和物理法提高采收率等6個(gè)方面[1～5]。

隨著低滲、稠油、高含水、復(fù)雜斷塊等難開(kāi)發(fā)儲(chǔ)層的比例越來(lái)越大，以及頁(yè)巖氣、致密油、天然氣水合物、深層等非常規(guī)儲(chǔ)層快速開(kāi)發(fā)與利用，水平井開(kāi)采技術(shù)、壓裂和完井工程成為了傳統(tǒng)提高采收率技術(shù)外的新成員。水平井?dāng)U大了與油藏的接觸面積，特別是對(duì)薄層、儲(chǔ)層孔滲物性較差、稠油等儲(chǔ)層來(lái)講，滲流面積的大幅增加意味著原油流動(dòng)阻力降低，可實(shí)現(xiàn)工業(yè)規(guī)模的高效開(kāi)發(fā)；此外，對(duì)非均質(zhì)嚴(yán)重的高含水油藏，針對(duì)剩余油集中區(qū)域和層位，水平井開(kāi)采也具有較好效果[6～8]；壓裂溝通了井與儲(chǔ)層內(nèi)部的連接通道，加大了流體在儲(chǔ)層中的滲透性，降低了滲流阻力，對(duì)于許多非常規(guī)儲(chǔ)層的開(kāi)發(fā)，壓裂可謂是有效開(kāi)發(fā)的唯一手段，體積壓裂、工廠化壓裂、重復(fù)壓裂等逐漸成為提高采收率的首選[9～12]；完井是連通儲(chǔ)層和井的橋梁，是鉆井和采油的交接口，層位的連通選擇及施工質(zhì)量的保證是后續(xù)開(kāi)采的關(guān)鍵，小井眼完井、智能完井、水平井完井、完井儲(chǔ)層保護(hù)等關(guān)系著油井壽命，完井工程與地質(zhì)油藏在諸多石油公司處于同等重要位置，是提高采收率重要保障[13～15]。

為了更多手段的探析提高采收率技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，也為了體現(xiàn)它的外延，應(yīng)用公認(rèn)度較高的專利分析方法，選擇湯森路透(Thomson Reuters)的專利數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行專利地圖分析和技術(shù)體系歸納，研究專利變化歷程，從專利施引量及競(jìng)爭(zhēng)主體分析專項(xiàng)技術(shù)的特征，由此更進(jìn)一步認(rèn)識(shí)提高采收率的技術(shù)形勢(shì)和發(fā)展趨勢(shì)。

1 技術(shù)體系

圖1 提高油氣采收率技術(shù)專利地圖

為了研究提高油氣采收率的技術(shù)分類，在檢索詞中沒(méi)有設(shè)置諸如水驅(qū)、氣驅(qū)、化學(xué)驅(qū)等專項(xiàng)技術(shù)，只在湯森路透專利數(shù)據(jù)庫(kù)的H01子集下，檢索詞設(shè)計(jì)為： eor OR ior OR enhanc*(improve*) recover*( oil or reservoir)(其中“*”代表該詞的后綴)。形成專利聚類地圖如圖1所示。

經(jīng)檢索共得到2519個(gè)專利條目，再經(jīng)過(guò)篩選后最終得到提高油氣采收率技術(shù)條目共計(jì)2304個(gè)，由專利地圖的聚類可分為30個(gè)區(qū)，再通過(guò)歸納合并劃分為16項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，如表1所示。

由圖1和表1可知，化學(xué)驅(qū)所占比例最大，達(dá)到45%，其中中國(guó)的專利最多，也是中國(guó)專利在專利地圖中最為集中的技術(shù)領(lǐng)域，占到化學(xué)驅(qū)的25%；其次為氣驅(qū)和微生物驅(qū)；水驅(qū)和蒸汽驅(qū)所占比例并不突出，甚至低于水平井和油藏動(dòng)態(tài)分析與監(jiān)測(cè)；除了傳統(tǒng)意義上的提高油氣采收率技術(shù)外，水平井開(kāi)采技術(shù)、壓裂、完井工程、地層熱處理、人工舉升等更為寬泛的技術(shù)也體現(xiàn)出來(lái)，這也突出了油氣開(kāi)采包括油藏工程在內(nèi)的多學(xué)科協(xié)同一體化、地下井筒一體化、壓采一體化等系統(tǒng)工程特征。

表1 提高油氣采收率技術(shù)分類及其專利統(tǒng)計(jì)

為了更進(jìn)一步說(shuō)明提高油氣采收率技術(shù)的外延，利用中國(guó)學(xué)術(shù)期刊網(wǎng)進(jìn)行期刊檢索，研究目前中國(guó)關(guān)注的油氣儲(chǔ)層對(duì)象及提高油氣采收率的發(fā)展形勢(shì)，結(jié)果如圖2和圖3所示。

由圖2可知，目前中國(guó)在低滲、稠油、頁(yè)巖氣、致密及煤層氣五類儲(chǔ)層方面的研究，于2000年后快速增長(zhǎng)，難開(kāi)采及非常規(guī)資源接替儲(chǔ)層成為主要研究對(duì)象，尤其更具潛力的致密、頁(yè)巖氣和地?zé)岣S富了油氣資源的類型，由此帶來(lái)的提高油氣采收率技術(shù)的變化如圖3所示，壓裂、水平井的增速較快，傳統(tǒng)化學(xué)驅(qū)處于一個(gè)平衡的位置，由此，也體現(xiàn)出資源多樣性的技術(shù)多樣化發(fā)展。

圖2 中國(guó)研究油氣儲(chǔ)層對(duì)象分類對(duì)比圖 圖3 中國(guó)研究提高油氣采收率分類對(duì)比圖

2 發(fā)展階段

圖4 油氣提高采收率技術(shù)專利走勢(shì)圖

把專利數(shù)按年統(tǒng)計(jì)，得到其走勢(shì)圖如圖4所示。

由圖4可見(jiàn)，發(fā)展歷程分為兩個(gè)階段：第1階段位于1962～1996年之間，其主要研究對(duì)象為常規(guī)儲(chǔ)層，包括常規(guī)儲(chǔ)層開(kāi)采中前期的水驅(qū)和氣驅(qū)、稠油熱采及復(fù)雜斷塊儲(chǔ)層的滾動(dòng)開(kāi)發(fā)等；第2個(gè)階段位于1996年～現(xiàn)在，以難開(kāi)采低品位儲(chǔ)層為主要對(duì)象，包括常規(guī)儲(chǔ)層中后期高含水油藏的化學(xué)驅(qū)、稠油熱采中的水平井和火燒油層、低滲超低滲儲(chǔ)層水平井和注氣、致密儲(chǔ)層和頁(yè)巖儲(chǔ)層的水平井體積壓裂等，多項(xiàng)技術(shù)的協(xié)同作業(yè)、系統(tǒng)一體化施工成為油氣提高采收率技術(shù)的特點(diǎn)，比如：氣驅(qū)和化學(xué)驅(qū)結(jié)合的泡沫復(fù)合驅(qū)、納米顆粒和化學(xué)驅(qū)結(jié)合的微乳液驅(qū)、水平井和熱采結(jié)合的SAGD(蒸汽輔助重力泄油)、水平井和體積壓裂結(jié)合的壓采一體化等。

3 專項(xiàng)技術(shù)分析

結(jié)合我國(guó)油氣發(fā)展形勢(shì)，選擇聚合物驅(qū)、氣驅(qū)、水平井、地層熱處理、完井工程等5個(gè)專項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行分析，聚合物驅(qū)是我國(guó)高含水油藏提高采收率的制高點(diǎn)技術(shù)，引領(lǐng)世界潮流；氣驅(qū)是針對(duì)低滲和致密儲(chǔ)層CO2驅(qū)的，具有巨大發(fā)展?jié)摿?；水平井?yīng)用是非常規(guī)儲(chǔ)層及常規(guī)儲(chǔ)層中后期高效開(kāi)發(fā)的重要手段，尤其是結(jié)合大型壓裂的油氣技術(shù)大變革；地層熱處理及完井工程在我國(guó)相對(duì)重視不夠，隨著儲(chǔ)層品質(zhì)越來(lái)越差，儲(chǔ)層到井的近井及孔眼的瓶頸地帶的改善與優(yōu)化顯得更加重要。

3.1 聚合物驅(qū)

如圖5，聚合物驅(qū)專利的起點(diǎn)是1972年三井化學(xué)公司的“一種高分子量丙烯酰胺型的聚合物制造方法”(JP03568270B2)，隨后聚合物驅(qū)逐漸發(fā)展起來(lái)。1980年到2002年之間，每年會(huì)有2～4個(gè)新增專利，之后從2007年又較快發(fā)展起來(lái)。從整體趨勢(shì)來(lái)看，專利發(fā)展大約20年為一個(gè)周期，目前正處在從2007年開(kāi)始的周期頂部平穩(wěn)期，發(fā)展熱度不高。

如圖6，對(duì)聚合物驅(qū)技術(shù)最有影響的專利是1995年陶氏化學(xué)公司的“一種改性致密星形聚合物”(US4857599A )，其次是1988年哈里伯頓公司的“聚合物驅(qū)提高原油采收率的方法和體系”(US4439334A)和2008年菲利普斯公司的“用于改善地層滲透率的部分交聯(lián)聚合物”(US3981363A)。

圖5 聚合物驅(qū)專利走勢(shì)圖 圖6 聚合物驅(qū)專利施引量走勢(shì)圖

3.2 氣驅(qū)

如圖7，氣驅(qū)專利的起點(diǎn)是1971年殼牌公司的“天然氣回注地層驅(qū)油的提高采收率方法”(GB2484238B)；隨后該項(xiàng)技術(shù)不斷發(fā)展，1971～1991年為第1個(gè)迅速發(fā)展周期，其中1987年達(dá)到高峰；2000年開(kāi)始第2個(gè)快速發(fā)展時(shí)期，在2012年達(dá)到高峰；從整體趨勢(shì)來(lái)看，氣驅(qū)技術(shù)是近幾年提高采收率方向的熱點(diǎn)技術(shù)，CO2驅(qū)油技術(shù)尤其突出，發(fā)展迅速，目前處在以20年為1周期的第2發(fā)展階段的末期或者第3發(fā)展階段的初期，并且第3階段處于向上趨勢(shì)。

如圖8，施引量最多的氣驅(qū)技術(shù)專利是大陸石油公司在2014年申請(qǐng)的“煤質(zhì)隔夾層原位氣化后天然氣驅(qū)油提高采收率方法”(US3809159A)，在近期研究中具有較強(qiáng)突破性。此外，殼牌公司在2002年申請(qǐng)的“利用氣驅(qū)進(jìn)行煤的升級(jí)與開(kāi)采”和德士古在1986年的“CO2采油中的氣體提純及二次注入方法”也是非常具有指導(dǎo)性的技術(shù)。

圖7 氣驅(qū)專利走勢(shì)圖 圖8 氣驅(qū)專利施引量走勢(shì)圖

3.3 水平井提高采收率

如圖9，水平井提高采收率技術(shù)專利始于1975年韃靼石油股份有限公司的“鉆水平井的油田開(kāi)發(fā)方法”(RU2528310C1)，1985～2003年專利較少，沒(méi)有突破，之后開(kāi)始迅猛增長(zhǎng)。該技術(shù)開(kāi)始階段發(fā)展比較緩慢，周期性不太明顯。初期的高成本使得發(fā)展停滯。隨著成本大幅度降低，稠油、致密氣、致密油以及頁(yè)巖氣熱度高，水平井提高采收率技術(shù)迅猛發(fā)展。近年來(lái)不斷出現(xiàn)新專利，成為當(dāng)前的熱點(diǎn)技術(shù)之一。隨著非常規(guī)油氣藏和稠油油藏的不斷開(kāi)采，水平井提高采收率技術(shù)將繼續(xù)發(fā)展。按20年周期來(lái)看，目前處于第2周期的中后期，結(jié)合油氣發(fā)展形勢(shì)，第2周期和第3周期都將是旺盛期。

由圖10，水平井提高采收率專利施引量最大、亦即最具影響力的是2008年德士古公司申請(qǐng)的“一種水平井提高稠油采收率的方法”(US5826655A)；此外阿爾伯塔油砂公司2010年的“稠油的蒸汽輔助重力泄油工藝”(US6257334B1)、YU等人2012年的“創(chuàng)造高滲透性網(wǎng)的提高采收率的方法”(US6012520A)、KSN能源公司2004年的“現(xiàn)場(chǎng)射頻輔助重力泄油的方法及設(shè)備”(US7441597B2)也非常具有指導(dǎo)性。由此可見(jiàn)水平井在稠油提高采收率方面應(yīng)用較廣泛且已經(jīng)成熟，對(duì)非常規(guī)油氣藏的開(kāi)發(fā)具有指導(dǎo)性的意義。

圖9 水平井專利走勢(shì)圖 圖10 水平井專利施引量走勢(shì)圖

3.4 地層熱處理

如圖11，地層熱處理專利的起點(diǎn)是1970年LARICINA 能源公司的“利用地層熱能量輔助驅(qū)油的方法”(CA2645703E)，10年后有類似技術(shù)出現(xiàn)，如此經(jīng)歷了平淡的1980～2000年第1個(gè)發(fā)展周期；2000年開(kāi)始第2個(gè)快速發(fā)展時(shí)期，在2012年達(dá)到高峰；從整體趨勢(shì)來(lái)看，對(duì)地層熱處理技術(shù)的研究不多，基本都集中在稠油開(kāi)采，對(duì)日益需求加熱處理的致密油氣、頁(yè)巖油氣、可燃冰及地?zé)岬确浅Ｒ?guī)資源是很好的借鑒。

如圖12，對(duì)地層熱處理技術(shù)最有影響力的是2002年Carbotek公司申請(qǐng)的“深井井下加熱提高原油采收率方法及裝置”(US4694907A)，相比其他專利技術(shù)而言，影響力非常大，是該方向最具突破性的一項(xiàng)技術(shù)；此外殼牌公司1980年的“地下地層平行加熱系統(tǒng)”(US8042610B2)和派克馬文1984年的“井內(nèi)換熱法提高流動(dòng)性差的地下流體回收率方法”(US4896725A)也是非常具有指導(dǎo)性的技術(shù)。

圖11 地層熱處理專利走勢(shì)圖 圖12 地層熱處理專利施引量走勢(shì)圖

3.5 完井工程提高采收率

如圖13，完井工程提高采收率始于1980年哈里伯頓公司的“鉆完井過(guò)程中井壁穩(wěn)定性的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)”(AU2001275239A8)，1980～2000年是第1個(gè)發(fā)展周期，在1991年達(dá)到第1個(gè)高峰；2000開(kāi)始第2個(gè)周期快速發(fā)展時(shí)期，在2014年達(dá)到高峰；完井工程提高采收率專利數(shù)較少，但隨著多學(xué)科協(xié)同的需求及多工程一體化的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)，完井工程提高采收率越來(lái)越被重視，預(yù)計(jì)第3個(gè)周期將更強(qiáng)發(fā)展。

如圖14，完井工程提高采收率最具影響力的專利是1994年哈里伯頓公司的“溶解有機(jī)濾餅的方法”(US4809783A)，它是該方向最具突破性的一項(xiàng)技術(shù)，此外2010年沃爾默等申請(qǐng)的“用于鉆完井和壓裂的油井處理液”(US6509301B1)和2007年哈里伯頓公司的“含有季胺的黏土穩(wěn)定劑提高采收率方法”影響力也很大，較早的有斯倫貝謝公司1986年申請(qǐng)的“近井酸化或壓裂時(shí)分別注入聚合物和表面活性劑段塞的提高采收率方法”(US6828280B2)也具有代表性。

圖13 完井工程專利走勢(shì)圖 圖14 完井工程專利施引量走勢(shì)圖

4 競(jìng)爭(zhēng)格局

由圖1，中國(guó)公司核心領(lǐng)域在化學(xué)驅(qū)和微生物驅(qū)，水處理及地層熱處理也相對(duì)較多；殼牌公司主要集中在氣驅(qū)，尤其是CO2驅(qū)，部分涉及復(fù)合驅(qū)；哈里伯頓、貝克休斯、斯倫貝謝主要技術(shù)服務(wù)公司更多關(guān)注完井工程和壓裂；埃克森公司在蒸汽驅(qū)和化學(xué)驅(qū)方面較為集中；油藏動(dòng)態(tài)分析與監(jiān)測(cè)、人工舉升方面各公司都有關(guān)注。

五項(xiàng)技術(shù)的專利權(quán)人的統(tǒng)計(jì)情況如表2所示。

表2 提高油氣采收率分技術(shù)主要專利權(quán)人比例

從表2五項(xiàng)技術(shù)的專利權(quán)人分布看，基本與大形勢(shì)相符，較為不同的是中國(guó)石油在水平井、中海油在地層熱處理兩個(gè)方面具有較多的關(guān)注，水平井提高采收率方面德士古更積極。

5 技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

圖15 趨勢(shì)發(fā)展預(yù)測(cè)圖

對(duì)提高油氣采收率技術(shù)專利年變化做趨勢(shì)線，預(yù)測(cè)到2032年，按照30年大周期變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)，1996～2026年為第2周期，頂峰位于2014～2020年，之后會(huì)處于緩慢下降趨勢(shì)，結(jié)合油氣剩余可采儲(chǔ)層的特征，下降幅度會(huì)較小，之后會(huì)繼續(xù)上升，并以強(qiáng)勢(shì)進(jìn)入第3周期。在單項(xiàng)方面，提高采收率技術(shù)分支越來(lái)越多，以補(bǔ)充地層能量、提高洗油效率、擴(kuò)大波及系數(shù)等為主的傳統(tǒng)方法，擴(kuò)展到增大滲流面積、疏通滲流通道、保障有效生產(chǎn)壓差等新方法，例如水平井、體積壓裂、人工舉升等，技術(shù)的發(fā)展方向上體現(xiàn)了新設(shè)備和新材料的制造與應(yīng)用、信息數(shù)字和人工智能的結(jié)合、革命性質(zhì)的創(chuàng)新突破的思考等。結(jié)合專利技術(shù)發(fā)展特征及我國(guó)油氣開(kāi)發(fā)面臨形勢(shì)[16～19]，總結(jié)5項(xiàng)分支技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。①聚合物驅(qū)：高效新型或改性聚合物的研制，智能型聚合物的研究，聚合物驅(qū)后進(jìn)一步提高采收率技術(shù)，聚合物驅(qū)與其他諸如氣驅(qū)、熱驅(qū)、納米采油等相結(jié)合，聚合物驅(qū)在多種油氣儲(chǔ)層(如斷塊、低滲、頁(yè)巖和致密)中的應(yīng)用；②氣驅(qū)：CO2驅(qū)在非常規(guī)儲(chǔ)層提高采收率中的應(yīng)用，CO2驅(qū)中的氣體提純及二次利用，其他氣體驅(qū)(空氣、氮?dú)獾?的應(yīng)用；③水平井：與地層接觸更全面，如階梯式水平井、多分支水平井、小井眼水平井、體積壓裂水平井，選擇性多段區(qū)別完井、生產(chǎn)、堵水等，水平井與直井等的復(fù)雜布井；④地層熱處理：熱化學(xué)反應(yīng)加熱地層，電、電脈沖、電磁波、聲波等物理加熱地層，其他地層的熱能量利用，井下熱反應(yīng)器的研制；⑤完井工程：結(jié)構(gòu)復(fù)雜的水平井完井，近井的高效酸洗或者小型壓裂，智能完井等。

6 結(jié)論

1)隨著可采資源的多樣性、突破式發(fā)展，油氣提高采收率技術(shù)新增分支逐漸增多，學(xué)科界限弱化，交叉或者滲透研發(fā)成為趨勢(shì)，一體化更具優(yōu)勢(shì)。

2)目前，油氣提高采收率處在第二大周期的中后期，繼之而來(lái)的后期窄幅下降，及第三周期較強(qiáng)的上升趨勢(shì)，體現(xiàn)了油氣提高采收率的越來(lái)越重要戰(zhàn)略地位。

3)油氣提高采收率技術(shù)向著智能、信息、大數(shù)據(jù)、環(huán)保等方向發(fā)展，化學(xué)方法驅(qū)油會(huì)減弱，以擴(kuò)大滲流通道、降低滲流阻力為主的物理法驅(qū)油大大增強(qiáng)，相應(yīng)的設(shè)備、工具、工藝及地下施工監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)等將更加突出。

本文是中國(guó)石油大學(xué)(北京)研究生教改項(xiàng)目“《油氣藏經(jīng)營(yíng)管理》實(shí)踐教學(xué)方案設(shè)計(jì)”產(chǎn)出論文。