油燃而声 第26期 | 灌“水”灌“气”助力采掘——二次采油
大家已经很明白，如果没有任何外来补偿，一次采油方式下油层会慢慢亏空，总有一天，地层中的天然能量会消耗殆尽，再没有能力助力地层中的原油“飞”到地面，大量的原油就没有动力运动到井底，从而只有滞留在地下了。由前面内容可知，最严重的亏空，甚至会引起地层的下陷。因此，通常情况下，油藏靠天然力量采掘一段时间后，需要向地层中补充能量来补偿采掘造成的亏空。目前，工程师们通常的做法是从地面通过另一个“井”（注入井）将“水或气体”灌入油层中，以达到补充地层能量亏空的目的，同时灌入的“水或气体”进入油层后还有一个重要的功能就是驱赶地层中的原油向油井方向运动，提供动力将依靠天然能量不能采掘出的那部分原油“举”到地面，这种方式习惯上称之为“二次采油”。简言之，这种方式就是通过“注水”或“注气”来保持地层压力，并不断将油“挤”到油井的方法。
Part 01
注水驱油，又名“水驱”
“灌”水“挤”油，也叫注水驱油，简称水驱。广义而言，就是用水来“洗” 或用水来“冲刷”某种固体或流体、液体或气体等。在日常生活中，我们用水来洗锅、瓢、碗、铲，用水来冲洗地面、沟、槽等，实际上就是水驱或水洗，冲去或洗掉表面的油、垢、泥、沙、灰尘及各种附在表面的杂质等。其实，具体到油藏的采掘，道理也差不多。注水驱油就是通过注入井从地面把水“灌”到油层中，一般情况下是在一次采油一段时间，油层压力降低，地层能量有一定亏空的基础上进行的。
这种方式一般情况下能采掘出原始原油地质储量的30%~35%。
水驱操作过程较为简单，可以在地面通过泵加压将水注入井底，也可以利用地面储罐、水塘提供水源，也可以是地层中某一层位的地层水通过重力作用注入等。
注水井可以是直井，也可以是水平井或复杂结构井，可以是新钻的井，也可以是生产井转为注入井等。
通过注水来采掘原油，最关键的问题是注入油层中的水能否非常有效地驱赶油层中的原油。
大家可能会想，是不是水注得越多越好或者注水井钻得越多越好呢？其实，并非是我们想象的那样。矿场实际情况是，水注多了，有时反而起到不利的作用。因此，现场实际注水时，石油工程师们会系统考虑很多问题。例如：
在什么地方钻井？或井位布置在哪里？
钻多少注水井？
注入井钻直井还是钻水平井？或是既有直井注水井也有水平井注水井？
注水井和油井之间井距多少合适？
钻多少注水井？钻多少生产井？
注水井应该注多少水？是快速注入还是慢慢注入？
注水井是长期注或是注一个月停一个月或是注一个月停两个月？
什么时候开始注水最好？是早期注水还是中后期注水好？
……
诸如上述一系列问题，油藏工程师们可以通过对油藏进行模拟或仿真来做出决定（相关内容将在第 5 章介绍）。油田进行注水有两个基本问题需要考虑：注采井网布置和注水时机选择。
注采井网布置
油藏实施注水来采掘地层原油，一个很重要的问题就是注采井网的布置。简言之，就是油田的采油井和注水井在油藏平面上的相互排列位置及其井与井之间的连线构成的几何图案。这个“几何图案”是注“进”水，注“好”水的基石，要注“好”水，注采井网的布置很关键。不同类型的油藏实施注水来驱油，注采井网设计是不同的。这就好比给人打针一样，得找准合适的血管位置。鉴于油藏的复杂性，我们以常规油藏为例介绍多样性的注采井网形式。
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目前，常规油藏在广泛实施的注采井网形式有边部注水井网、行列（排状）注采井网、面积（点状）注采井网、 不规则井网。
边部注水井网：简而言之，注水井沿着油藏边界（油—水界面，油层与连通水域的接触界面）布置。通常有三种方式，即在外含油边界以外注水（称边外注水）、在内外含油边界之间或边界上注水（称边缘注水）、在内含油边界以内注水（称边内注水）。
行列（排状）注采井网：顾名思义，采油井和注水井分别排成列（或排状）分布。这种井网一般是两排注水井之间夹三排或五排采油井，或是一排注水井一排生产井等，有固定的排距和井距，好比稻田插秧，需要考虑一定的株距、排距，适合于油层分布比较稳定、连通性好、渗透性好、构造形态规则、较大的一类油田。
面积注采井网：顾名思义，采油井和注水井按一定的几何形状均匀分布，如正方形、三角形。这种井网习惯上以一口采油井为中心，四周有 n 口注水井或是以一口注水井为中心，四周有 n 口采油井。例如：五点井网、九点井网、七点井网、反五点井网、反七点井网、反九点井网等。
面积注采井网既适合于大型油田，也适合于分布面积较小、形状不规则、连通性差、渗透性差的油藏等。
此外，根据油藏的实际情况，也会采用不规则的注水井网，例如，注水井与生产井的相对位置不构成特定的几何形态，注采比也没有固定数值。
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注水时机选择
通过注水来替换油藏中的原油，除了井网布置很重要之外，还有一个必须考虑的重要因素就是注水的时机，或者说什么时候开始注水的问题。因为，油藏在不同阶段注水，对油田开发过程的影响是不同的，最终的开采效果也是有较大区别的，或者说最终采掘出来的原油多少是有很大不同的。油田的合理注水时机和压力保持水平是油田开采的基本问题之一。注水时机的选择是一个很复杂的问题，需要综合考虑油藏初期的开发效果、初期投入、天然能量大小及利用以及油藏开发中后期的效果等很多因素，目标是要实现油藏长期产量高、产量稳定。目前，油藏采掘过程中，注水时机选择有四种类型：超前注水、早期注水、中期注水和晚期注水。在不影响油田开发效果和产量规划的前提下，适当推迟注水时间，可以减少初期投资，缩短投资回收期，有利于扩大再生产，取得较好的技术经济效益。把握好注水时机将达到事半功倍的效果。
注水时间的选择主要有三个方面的因素需要考量：
油田天然能量的大小:不同油田，它的天然能量类型不同，能量大小也不同，在开采过程中所发挥的作用也不同。若油田天然能量较大，能一定程度满足开采初期生产造成的亏空补偿，有利于保持较高的地层压力，更重要的是生产不会造成地层中原油脱气形成溶解气驱，就可以适当延迟注水。
油田的大小和油田原油产量任务:油田大小不同，储量大小不同。小油田，储量规模小，总的产量不高，可以实施快速开采，但不一定需要保持长期的产量稳定，因此，就不需要超前注水和早期注水。反之，对于大油田，储量规模大，就必须强调原油产量要稳定，而且保持稳定的时间越长越好。因此，对大油田而言，其开发方式和产量计划是不同的，注水时机的选择需要仔细的考量。
油田的采油方式：油田的地质特点和流体性质的差异，也影响注水时机的选择。若是自喷方式，注水时间可以相对早一些，保持相对高的地层压力。无法自喷（如黏度高的油田）而只能采用机械方式采油的油田，不需要保持很高的地层压力，不一定要超前注水和早期注水。低渗透低压油藏提倡超前注水。
很显然，油藏实施人工注水采掘原油也是水压驱动的一种方式。
大家可能在思考，在地层中用水驱动油是不是像活塞在气缸中的运动一样，将油全部驱得干干净净呢？这种情形是很理想的情况，但在实际原油的采掘中是不会发生的。矿场实际观察到的现象是，有些油井出水后很长时间油水同产，这说明长时间内油层中是油和水同时流动的。一个很有趣的现象是，同样的一排油井同时投入生产，产出水的时间却相差很远，这说明水推动地层原油并非是整齐划一的，而是非活塞式的。科学家们发现，水推动原油运动会形成三个不同的流动区：纯水流动区、油水混合流动区和纯油流动区。
通常，地层渗透能力差异越大，流经的孔、洞大小差异越大，注入水与原油黏度差异越大，注入的水像“手指”一样参差不齐地推进，结果是油井很快产出水，长时间油水同时产出。严重时，油井被水淹，几乎只产水，不产油。如果地层中广泛存在裂缝时这种现象更严重。
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Part 02
注气“挤”油，又名注气驱油，简称气驱
既然可以通过“灌”水进入油藏“挤”油，那还可以灌入其他什么“剂”进入油藏“挤”油呢？目前，在油藏中广泛使用的这种“剂”是气体，通过注入井从地面往油藏中注入气体来“挤”油。气体的种类很广泛，可以是烃类气体（如天然气、液化石油气等），也可以是非烃气体 CO2、N2、烟道气、惰性气、空气等。根据气体来源，注气驱油可分为天然气驱、CO2 驱、N2 驱、烟道气驱、惰性气驱、空气驱等。
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不过，用气“挤”油比用水“挤”油的机理要复杂很多。通常，注入地层的气体与原油接触会发生两种情况：一是注入的气体与地层原油合二为一，二是注入的气体与地层原油基本上各自为阵，但有一部分与原油合二为一。前者专业上称之为混相，后者称为非混相。
科学家们根据注入的气体与地层原油是否混为一体、是否混合为一相，提出了“混相”方式和“非混相”方式的“驱”油模式。
我们先看看“非混相”方式。这种方式注入地层的气体并不能与原油完全混合成一相，只是有一部分气体“钻”入原油中成为原油的“一份子”，有了这些“气体分子”后的原油就会膨胀，黏度就会降低，变得更容易流动了，因此，这种方式对原油采掘也是有利的。在现场具体实施时，如果石油工人们在进行注气操作前，没有了解清楚油藏的内部构造、倾斜情况等，没有把握好注入气体的速度以及注入气体的量等，会发生有趣的气体移动现象。其中一个有趣的现象就是“舌进超覆”，简而言之，就是注入的气体是逐渐向油层上部、顶部走，不是整齐划一地推动原油向井底流动，而是“绕”道原油并形成“舌形”覆盖在原油之上移动，这就是注气过程中最容易发生的“超覆”现象。一旦“超覆”发生，就几乎采掘不出油，采掘出来的都是气了。
大家都知道，活塞在气缸中驱替气体，能将气体100%全部驱出。注入气体到地层驱油时，由于注入的气体与原油不能完全地合二为一，因此，注入的气体（如 N2）不可能是“活塞式”那样“推”着油往前移动，把孔道中的油“推”得一干二净，一滴不剩。因为原油并不是像我们想象的那样存在于像碗口粗那样的通道中，实际上是大多存在于弯弯曲曲、表面粗糙的毫米级、微米级甚至如细菌般大小的纳米级细小的毛细管通道中。由于不同粗细的毛细管中毛细管压力是不同的，因此，气驱之后导致一些油“滞留”在小孔隙通道中，大家习惯上称之为“残余油”。“残余油”在非混相方式的气体“驱”油中普遍存在，不言而喻，这种方式采掘出的原油量是很低的。
严格来说，“非混相”方式驱油，注入的物质可以是气体，也可以是水。前面介绍的“水驱”，用注入的水去推动原油向井底运动的 过程其实也是非混相驱油过程，只是习惯上人们称之为“水驱”。一般情况下，“非混相”驱油更多是指用气体来驱油的方式。
有什么招数可以把这些“滞留”地下的“残余油”尽可能地采掘出来呢？科学家们从“非混相”气驱油中得到灵感，想出了弥补非混相气驱油缺陷的办法之一就是“混相气驱”。
与“非混相”方式对比，混相方式就很容易理解了。简单来讲，这种方式从地面注入地层的流体（气体或液体）能与地层原油完全合二为一、融为一体，这样一来，注入流体与原油之间就没有了界面，没有了表面张力，也没有了毛细管压力，也就不会有任何“力”将原油“束缚”在孔道中，“滞留”在孔道中，也就不会形成“残余油”。因此，只要是注入流体运动经过的地方几乎是像活塞一样把原油一干二净地“携”向井底，显然，这种方式原油的采掘量自然就比较高。
日常生活中，我们所熟知的丙烷或液化石油气（LPG）和原油通常几乎总是能相互混合、相互溶解、互为一体。现场实践表明，注入丙烷、液化石油气（LPG）能有效“置换”出非混相方式“滞留”地层的残余油。
Part 03
混相方式
混相方式类型很多，各有特色。科学家们依据注入的流体与地层原油接触时是否立即混合并融为一体，分为一次接触混相方式，这种方式注入的流体一般是液化石油气、丙烷等；多级（次）接触混相方式，这种方式注入的流体大多是 CO2、N2、天然气、烟道气、富气。
一次接触混相
从地面通过注入井注入的溶剂与地层原油以任何比例混合后，一经接触就立刻完全互相溶解变为单相的混相驱油过程。例如，酒精与水一经混合立即互溶，就是一次接触混相。最常用的一次接触混相驱的注入溶剂一般是中等分子量的烷烃（C2—C6），如丙烷、丁烷或液化石油气。
多次接触混相
通常在注气工程中，需要考虑经济成本问题，我们常常注入的是比较便宜的气体，如 CO2、来自工厂的烟道气、N2 等。这些气体注入油层后常常需要经过多次的、反复的接触方能与地下油藏中的原油融为一体而成为一相。
根据注入的气体在油藏中与原油多次接触过程中，油气混相的位置和混相方式的不同，多次接触混相过程又可分为蒸发式的气驱和凝析天然气驱。当注入的气体为贫气（如氮气、二氧化碳、烟道气、甲烷为主要成分的干气等）时会形成蒸发气驱；而当注入的气体为富气（如液化石油气等）时会形成凝析气驱。
蒸发式的气驱：也叫汽化气驱。就是向地下富油中注入贫气，因为贫气中缺少地下石油中的乙烷、丙烷、丁烷、戊烷等中间烃组分，因此，一旦贫气与地下富油接触，就会抽提（或蒸发）富油中的中间组分。富油的中间组分汽化，使部分中间烃蒸发到气相中，贫气中的中间组分就会增加，因此气体变“富”；同样富油也会接纳贫气的成分。被加“富”的气体在向前运动过程中继续与富油不断接触，一路上从富油中“捡”到（抽提）的富气组分越来越多，气体变得越来越富，即向前走的气体组成越来越接近石油组成，此过程反复进行，富油变得越来越接近气体的性质，气体越来越像富油，好比孪生兄弟，难分你我，一直到富油和气体相互溶解变成一体（或一相），也就是说达到了混相。因此，注入贫气驱油主要形成的是蒸发式气驱。这种方式适合于富油油藏的开采，要求油藏的原油要“富”，是“贫气 + 富油”的气驱模式。在地下油藏中，蒸发气驱会在注气井到采油井的驱替前缘形成混相状态。
凝析天然气驱：与蒸发式气驱实施模式“贫气+富油”正好相反，采用的是“富气+贫油”的气驱模式，就是向油层注入富气，富气中含有的乙烷、丙烷、丁烷、戊烷等中间烃组分的含量比地下石油的中间烃组分要多（原油一般为贫油），一旦富气与原油接触，富气就会使自己带有的中间烃组分贡献给地下石油（溶解或称凝析），石油中的中间组分就会增加，石油就被加“富”，加“富”的石油继续与注入的富气接触，富气中的中间组分不断凝析（或溶解），原油变得越来越富，此过程反复进行，地下石油的各种性质和注入气的性质越来越接近（黏度、密度等），与注入气接触的原油变得越来越像富气，富气越来越像原油，最终融为一体，我们就称注入气与原油是混相的。
富气驱主要形成凝析气驱。凝析气驱适合于“贫油”油藏的开发。在地下油藏中，凝析气驱会在注气井底附近（后缘）形成混相状态。
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图文来源 | 《油气简史》
绘图 | 侯雪梅编辑 | 张奉圩责编 | 石娇杨
审核 | 刘仲铭