西南石油大学学报(自然科学版)
2021年6月第43卷第3期
Journal of Southwest Petroleum University (Science & Technology Edition )
Vol. 43 No. 3 Jun. 2021
DOI : 10.11885/j.issn.1674 —5086.2020.04.07.01
文章编号：1674—5086(2021)03—0101 — 10 中图分类号：TE357
文献标志码：A
李一波1 *，何天双】，胡志明2，李亚龙2，蒲万芬1
*收稿日期：2020-04-07 网络出版时间：2021-05-11
通信作者：李一波，E-mail : ***************
基金项目：中国石油创新基金(2019D-5007-0212)；四川省科技计划(2021YFH0081)
1.西南石油大学石油与天然气工程学院，四川成都610500
2.中国石油勘探开发研究院廊坊分院，河北廊坊065007
摘要：通过调研近二十年国内外页岩油藏提高采收率技术的室内研究和现场应用，结合页岩油藏储层特征，总结了 开发过程中的难点，并针对各类提高页岩油藏采收率技术的作用机理，讨论了对页岩油藏的适应性。研究表明，注气
是页岩油藏补充地层能量的最佳方法，二氧化碳和天然气是常用的注入介质，但其作用机理还有待深入探讨；通过改
善储层润湿性来提高渗吸效果是表面活性剂和低矿化度水的主要机理；泡沫驱拥有良好注入性的同时能够有效调整
裂缝性油藏的非均质性，但是其在裂缝中的稳定性有待加强；热力采油可以改变储层的热应力，诱导裂缝扩张，增大注
入介质的波及范围。溶剂和纳米材料在机理上有改善页岩储层润湿性的作用，但是其在页岩油藏开发中的可行性还 有待验证。
关键词：页岩油藏；提高采收率；非常规油气；机理研究；综述
A Comprehensive Review of Enhanced Oil Recovery Technologies
for Shale Oil
LI Yibo 1*, HE Tianshuang 1, HU Zhiming 2, LI Yalong 2, PU Wanfen 1
1. Petroleum Engineering School, Southwest Petroleum University, Chengdu, Sichuan 610500, China
2. Langfang Branch, PetroChina Research Insittute of Petroleum Exploration & Development, Langfang, Hebei 065007, China
Abstract: Through the investigation of the indoor research and field application of EOR technologies in shale oil reservoirs at home and abroad in the past 20 years, the difficulties in the development process are summarized in combination with the characteristics of shale oil reservoirs, and the adaptability of various EOR mechanisms to shale oil reservoirs. The results show: The gas injection is the best way to supply energy for shale reservoir. Carbon dioxide and natural gas are the normal injection media and the displacement mechanism needs further investigation. The wettability alteration to enhance the performance of imbibition effect is the main mechanism for surfactant and low salinity water flooding. Foam has the good performance in adjusting the heterogeneity but its stability needs to be enhanced. Thermal methods can change the thermal stress of the shale formation and thus induce the propagation of fracture to increase the sweep efficiency. In theory, solvent and nano-based material can also improve the wettability of shale reservoir, but its adaptation needs further discussion.
自助硬币存取款机Keywords: shale reservoir; enhanced oil recovery; unconventional resource; mechanism investig
ation; review
网络出版地址：http ://knski/kcms/detail/51.1718.TE.20210510.1809.002.html
李一波，何天双，胡志明，等.页岩油藏提高采收率技术及展望[〕]•西南石油大学学报(自然科学版)，2021,43(3): 101-110.
LI Yibo, HE Tianshuang, HU Zhiming, et al. A Comprehensive Review of Enhanced Oil Recovery Technologies for Shale Oil[J]. Journal of Southwest Petroleum University (Science & Technology Edition), 2021, 43(3):
线粒体基因组测序101-110.
102西南石油大学学报（自然科学版）2021年引言
随着世界能源需求的不断增加以及常规油气资
源开发难度日益加大，以页岩油气为代表的非常规
油气资源作为接替能源受到了广泛的关注。据统
计，全球可采页岩油资源为2770X108匚中国可采
资源大于100X108点］。美国是最先商业化开采页
岩油的国家，根据国际能源署的资料，目前，美国已
经有4个区块成功进行了页岩油的商业开采，包括
Williston盆地的Bakken区块、墨西哥湾Maverick盆
地的Eagle Ford区块、南加州的Monterey Santos区
块以及Permian盆地的Avalon/Bone Springs区块［2］，
其中，Bakken油田并不是严格意义上的页岩油藏,
它的储层由上下页岩层和中间的白云岩和致密砂岩
组成，页岩层对产量的贡献达到了40%［3】。中国的
页岩油资源主要集中在四川盆地川北凹陷侏罗系、
弹簧线准噶尔盆地二叠系、松辽盆地白垩系和鄂尔多斯盆
地三叠系等，目前尚未进入商业化开发阶段［―2】。
表1美国商业化开发页岩油藏基本性质
Tab.1The basic properties of commercial developed of shale oil
reservoirs in the USA
区块储层深
度/m
储层厚
度/m
孔隙度/
%
有机质
含量/%
Bakken18286811.00
Eagle Ford2133609 4.25 Monterey Santos342957111 6.50
Avalon/Bone Springs2667396--
广义的页岩油与致密油概念相同，是泛指具有低渗透率和孔隙度的页岩、致密砂岩和碳酸盐岩等含油层中的石油资源宀現但是页岩储层存在纳米孔隙，储集空间的平均孔喉直径为5nm，仅为致密砂岩的1/10，基质平均渗透率小于1叨，同时页岩储层中富含的有机质对油气的赋存状态和渗流特征有特殊的影响［6T］。由此得出页岩与致密砂岩和碳酸盐岩的储层特征存在较大差异，所以其开发方法也不能一概而论。邹才能等将狭义的页岩油定义为储存于富有机质、纳米级孔径为主页岩地层中的成熟石油，属于典型的源储一体、滞留聚集、连续分布的石油聚集〔1厨。目前，页岩油气资源的常用开采技术手段为水平井“拉链式”压裂、水平井多段压裂、重复压裂等，人工裂缝与天然裂缝沟通会形成复杂裂缝网络，提高油气渗流能力，显著提高单井开采储量亠⑶。但是油藏在压裂后压力衰竭快导致产量递减迅速，稳产效果不佳〔I4「同。当前页岩油藏平均采收率仅为1%〜2%，有大量原油仍存在于 地层中，开发潜力巨大，后期增产需要依靠提高采收率技术MT8】。因此，本文基于页岩油藏的储层特征，对近二十年来国内外页岩油藏提高采收率技术的室内研究和现场经验进行总结，以期为中国页岩油藏的开发提供借鉴。
1页岩油藏提高采收率技术现状
1.1注气提高采收率
页岩油藏由于极低的基质渗透率，常规水驱难以有效进入储层基质，因此，通常采用注气的方法来补充地层的能量。注气提高页岩采收率有气驱和注气吞吐两种模式。对于气驱来说，同样由于渗透率低的原因，大部分的压降仅出现在近井地带，注入气体需要很长时间才将基质中的原油驱替至生产井。而注气吞吐的模式能够较为有效地使单井在较短的时间内获得稳定的产量。因此，目前的实验研究和先导性实验主要集中在用注气吞吐的模式来开发页岩油藏。注入的气体主要有二氧化碳、天然气、氮气、烟道气和空气
1.1.1二氧化碳
目前，在页岩油藏提高采收率的研究中，二氧化碳是常用注入介质。其原因一方面是在常规油藏的开发过程中二氧化碳取得了较好的效果，另一方面也能有效减少温室气体排放〔I9】。针对页岩油藏，
Hawthorne将二氧化碳进入页岩裂缝一基质系统分为了4个步骤：（1）二氧化碳通过在高压的作用下迅速穿过裂缝。（2）当页岩基质暴露在二氧化碳中后，二氧化碳在压差的作用下渗透进入基质中。在这个过程中，进入基质的二氧化碳发生膨胀，迫使部分原油从基质中流出进入裂缝，但同时部分二氧化碳也会携带原油进入基质。（3）进入基质的二氧化碳在补充基质能量的同时溶解于原油致使部分原油膨胀降黏。（4）当基质和裂缝的压力系统达到平衡的时候，原油在扩散的作用下从基质中进入裂缝。在适当的条件下也能发生混相从而形成混相驱〔20］。而针对页岩基质，Pierre等研究指出相对于甲烷，二氧化碳更容易吸附在存在有机质的多孔介质中，可以置换出吸附在介质表面的甲烷I2】】。因此，二氧化碳在页岩油藏中提高采收率的机理主
第3期李一波，等：页岩油藏提高采收率技术及展望103
要包括增压、溶解、抽提、膨胀、吸附置换、降低毛管力和扩散匕2-23］。近年来，国内外学者也就二氧化碳在页岩基质中的扩散进行了大量研究。Lu等使用Bakken页岩岩芯进行了二氧化碳扩散实验。实验结果显示，在油藏条件下分子尺度的扩散对原油在超低渗透率多孔介质中的流动有重要影响［24-25］。但在二氧化碳注入过程中，沥青质沉积导致的储层伤害问题是影响页岩油藏开发的重要因素。Shen 等也通过实验证明针对Eagle Ford油藏条件，6轮次的二氧化碳吞吐后储层基质渗透率下降幅度达到了48.5%［26］。从2008年开始，Bakken油田先后进行了7个提高采收率的先导性实验项目，其中，两个为二氧化碳吞吐。虽然在室内研究和数值模拟方面都证明二氧化碳吞吐能够有效地提高页岩
油藏的采收率，但是现场结果显示，两个二氧化碳吞吐的先导性实验均没有获得较好的效果。主要原因有两个：（1）注入的二氧化碳大部分存在于裂缝中，并没有有效进入基质。（2）气窜问题严重，实验中在注入气体数天到数周时间内出现了严重的气窜现象,
导致产量明显下降［27］。
rs232 ttl1.1.2天然气
注天然气也是目前页岩油藏开发的主要手段之一。在开发过程中，多采用油田伴生气作为注入气源［28］。对于常规油藏，天然气驱的主要目的是实现混相，但是针对于非常规油藏，由于极小的渗透率和孔隙度，混相难度增大。Hoffman等认为页岩油藏中天然气吞吐的主要机理为抽提，溶解膨胀，降黏和油藏增压，而不是混相［型30］。同时他也指出溶解气驱，降低界面张力和润湿翻转也可能在一定程度上对采收率有贡献。Ganesh则认为天然气良好的增压作用能够诱导地层中裂缝延展，加大了人工裂缝和天然裂缝的沟通程度，从而起到扩大波及效率的作用［31］。从2012年开始，Eagle Ford油田先后进行了7组天然气回注的先导性实验。但由于天然气产出区块不同，7组实验的注入气体存
在差异［6,32］。公开的数据显示，部分天然气吞吐的先导性实验取得了良好的效果，两年内增油量达
到了17%〜20%。由于单井吞吐效果良好，2016年，在Gonzales进行先导性实验的井数从6口增加到32口，目前已经取得了效果，但气窜问题依然很严重［33］。而且目前针对注天然气开发页岩油藏机理方面的研究较少，部分机理还有待证明。1.1.3其他气体
除了二氧化碳和天然气，氮气、烟道气和空气作为注入介质也得到学界的关注。Yu等分别通过岩芯驱替和数值模拟的方法研究了氮气吞吐在页岩油藏中的可行性，结果显示，氮气具有良好的增能效果并能显著提高驱油效率，其中，压降速率、焖井时间和产油周期是影响最终采收率的重要因素［34］。Zhang等也通过实验验证了烟道气吞吐的可行性，但机理有待进一步研究［35］。空气驱作为热力采油的方法将在后文里进行说明。
室内研究和现场试验结果显示，注气开发目前是页岩油藏提高采收率最有效的方法，但是机理方面的研究还有待加强。未来针对注气开发页岩油藏机理方面的研究主要应集中在3个方面：（1）气体在裂缝一基质间的传质规律。（2）气体在纳米孔隙中的扩散规律。（3）注入气体与页岩基质间的相互作用。
1.2化学提高采收率技术
化学驱是以提高宏观波及效率和微观洗油效率为目的的提高采收率方法，目前在中高渗油藏中已经取得了显著的效果［36］。但由于页岩基质的特殊性，目前针对页岩油藏的化学提高采收率技术还处于
探索阶段。
1.2.1表面活性剂驱
表面活性剂是最为常用的化学驱介质之一。其提高采收率的根本机理在于能够有效吸附在油水界面上，降低体系的界面能，减小毛管力，增大毛管数，提高洗油效率［37］。而针对低渗透率储层，如何增强驱替相进入基质的能力是提高采收率的关键，在此过程中渗吸作用尤为重要。表面活性剂的注入能够改变储层基质表面的润湿性，促使基质表面发生润湿反转，提高渗吸效果，从而启动基质中的残余油［38］。页岩油藏中含有大量有机质，造成其基质的润湿性大部分属于油湿和中性润湿，因此通过润湿反转改善渗吸能力对采收率的效果就更为明显［‘9-40］。Alvarez等针对Eagle Ford油藏的岩芯，通过加入表面活性剂进行吞吐实验。结果显示相对于纯水，活性剂的加入有效提高了岩芯吞吐效率，其主要机理就是通过改善润湿性和降低油水界面张力，而在过程中需要注意活性剂在岩石表面上的吸附［3乂41］o而Khoa等利用微乳液体系，使表面活性剂有效进入页岩基质中含干酪根的孔隙中，
104西南石油大学学报（自然科学版）2021年
改变有机质孔隙中的润湿性，从而驱替出滞留在有
机质中的烃类物质［42］。除此以外，Xu等认为，在微小裂缝中，表面活性剂能够与岩石表面发生化学反应，诱导微裂缝延展，从而提高注入流体的波及效率［43-44］。
1.2.2低矿化度水驱
低矿化度水驱是通过向地层中注入低矿化度的水，促使储层物理化学性质发生变化，从而提高采收率的方法［45］。目前，针对低矿化度水驱的相关研究较多，对其提高采收率的主要作用机理也存在争议。但是总体来说主要有黏土膨胀运移、解吸有机物、增加渗透压力、离子交换、扩散双电层、改善润湿性、提高pH值和降低界面张力等［46-48］。室内研究和现场试验表明，低矿化度水驱在砂岩油藏和碳酸盐岩油藏中都取得了良好的效果［49「51］。由于低矿化度水拥有较好的改善储层润湿性的能力，因此，在页岩油藏开发中具有良好的应用潜力。Tadesse 等利用Bakken油田的页岩岩芯，通过对比其在高矿化度和低矿化度条件下的渗吸能力发现，低矿化度水能够通过增加渗透压，改变毛管力和改善润湿性来提高驱油效率［52］。但是由于页岩中含有大量的黏土，因此，黏土颗粒膨胀运移有可能造成储层渗透率伤害。
1.2.3泡沫驱
木质精油
聚合物和凝胶类物质因为其注入性问题很难在非常规油藏中发挥作用，因此，目前在非常规油藏提高采收率方法中，通常使用泡沫调整非均质性。国内外针对泡沫驱的研究是针对泡沫基本性能和泡沫在
多孔介质中的流动特征，但在非常规油藏中由于裂缝缝网发育，基质渗透率低，因此，泡沫的主要行为是在裂缝中［53「54］。泡沫在裂缝中的起泡机理是依靠注入体系与裂缝表面的摩擦力［55］。泡沫在裂缝中形成后能够有效防止气窜现象，同时，在裂缝一基质处形成压差，迫使气体进入基质，从而扩大波及系数。不过由于非常规油藏基质渗透率低，因此,Archawin等认为，此时分子在裂缝一基质间的扩散是提高采收率的主要机理，但重力分异现象会影响泡沫在裂缝中的稳定性［56-57］。目前，在国内 外的室内研究和矿场应用中，泡沫驱在含裂缝的非常规油藏中都取得了较好的效果，其中，在水平井中的效果普遍优于直井［58］。相对于致密砂岩储层，页岩储层除了有更低的基质渗透率和孔喉半径，润湿性和黏土膨胀现象也增加了泡沫驱的难度。Sie 等提出使用非水相泡沫来代替常规泡沫体系，可以防止黏土膨胀和增强泡沫体系的注入性，这也许能成为未来页岩油藏泡沫驱的一个方向［59］。
针对页岩油藏注入困难和润湿性的问题，化学驱提高采收率的方法应该集中在改变储层的润湿性，增强储层的渗吸能力上。表面活性剂驱是最具潜力的方法。同时，泡沫驱在室内研究和现场应用中都有良好的调整含裂缝页岩油藏非均质性的作用，但是其在裂缝中的稳定性还有待加强。
1.3热力采油
热力采油是通过人工注入或者就地生热的方式，利用热能改变储层和原油物性，从而降低原油黏度，提高采收率，通常适用于稠油油藏。但近年来也有学者提出将热力采油的方法运用于页岩油藏开发。
1.3.1空气驱
空气驱于20世纪70年代最早在美国的Buffalo 油田应用，初期的主要机理为补充地层能量。而学者们通过研究发现，空气中的氧气在油藏条件下与原油发生氧化反应，放出大量热量同时生成二氧化碳形成烟道气，且在特定的条件下使原油发生自燃，形成类似火烧油层的机理［60「62］。页岩油藏中含有大量有机质，氧化反应放出的热量有助于促进干酪根的转化，促使原油就地改质，同时，也能提高页岩储层基质渗透率，从而提高原油采收率［63］。而这一机理也主要应用于油页岩的开发［64］。同时，油藏温度的改变会引起储层黏土矿物膨胀，热应力发生变化，从而诱导裂缝扩张，增强裂缝间的连通性，进一步扩大波及范围［65一66］。
1.3.2蒸汽驱
蒸汽驱是目前应用最为广泛的热力采油技术。目前蒸汽驱主要是应用于稠油油藏的开发，而对于非常规油藏的适应性还仅处于探索阶段。Wong等认为蒸汽的热量能够促使页岩基质中的裂缝扩展，增加连通性［67］。Reis和Ross等认为对于非常规油藏，蒸汽进入裂缝以后能够促进基质中原油的轻质组分在高温下发生相变形成气态，从而形成溶解气驱，动用基质中的原油［68「69］。同时，大部分页岩储层的矿化度很高，因此，注入的蒸汽有可能在一定程度上具有低矿化度水驱的作用［70］。
热力采油方法的主要机理是改变页岩储层的热
第3期李一波，等：页岩油藏提高采收率技术及展望105
应力，诱导储层中裂缝扩展，增强裂缝间的连通性，从而扩大注入流体的波及范围。但是如何生热，热损控制以及基质热应力变化规律还有待深入讨论。
1.4其他方法
除了常规的提高采收率的方法以外，学者们还尝试使用一些其他的材料作为添加剂来提高页岩油藏的采收率。
1.4.1有机溶剂
通过向注入流体中添加有机溶剂，可以改变储层和原油的物性，来达到提高采收率的目的。Mo-hanty认为，有机溶剂能够溶解原油中的重质组分，从而达到消除储层伤害的作用〔71】。而Ryosuke等则通过加入溶剂，改善了页岩基质中的润湿性，增强了渗吸作用，促使基质中的原油流向裂缝，从而提高采收率［72-73】。
1.4.2纳米材料
目前，纳米材料已经广泛应用于油气勘探开发的各个领域。在提高采收率方面，纳米颗粒和纳米乳液
是两种以扩大波及体积和提高洗油效率为目的的“智能”驱油剂〔74】。同时，纳米纤维和纳米颗粒还能作为添加剂提高泡沫稳定性和改善泡沫驱油效率〔75-76】。在页岩油藏中，纳米材料主要是应用于钻井过程中防水侵和增产改造过程中携带酸液进入储层深部〔77-78］。但是由于页岩基质孔喉极小，同时纳米材料在注入流体中的分散性差，目前，还没有纳米材料在页岩油藏提高采收率方面的相关研究。
2展望
通过调研近二十年来国内外页岩油藏提高采收率方法的机理研究，对现有的页岩油藏提高采收率技术的机理及优缺点进行了归纳总结。展望未来，以下几个方面应该是页岩油藏提高采收率过程中的关注的重点：（1）流体在纳一微米尺度孔隙空间中的渗流规律。由于页岩储层极低的渗透率和孔隙度，寻合适的方法精确表征流体在纳一微米尺度下的流动规律是提高页岩油藏采收率的前提。目前人工智能技术高速发展，在未来的研究过程中，可以借助人工智能技术实现流体在纳微米孔隙中流动规律识别，从而判断流体在储层中的流动规律，判别驱替过程中的优势通道，为提高采收率措施的实施打下基础。（2）流体在裂缝一基质间的传质规律。目前，页岩油藏的开发以裂缝为主要渗流通道，如何有效提高注入流体在裂缝一基质间的相互传质效率，寻合适的方法正确处理裂缝一基质之间的相互关系是提高页岩油藏宏观波及效率的关键因素。（3）注入流体与页岩储层间的相互作用规律。注入流体如何通过物理或化学的方式与页岩储层间相互作用，从而改善储层物性，提高流体的流动能力
是提高页岩油藏微观驱油效率的关键。（4）注入体系在页岩油藏的适应性和经济性。页岩油藏的储层物性十分复杂，因此，需要有针对性的开发适合其油藏特征的提高采收率体系。随着提高采收率技术的发展以及流体在纳微米孔隙中渗流机理的进一步研究，未来针对页岩油藏的驱油体系会向着智能性、高效性、准确性、经济性和环保性几个方向发展。因此，研发合适的注入体系是实现页岩油藏规模化开发的有力保障。金属表面镜面处理
3结语
（1）大规模体积压裂技术目前仍然是页岩油藏增产改造的主要手段，通过人工造缝的方式提高油气渗流能力，是后续提高采收率技术能够实施的前提保证。
（2）注气是页岩油藏开发过程中补充地层能量的主要方法，在注入气体的选择上需要以考虑经济和环保因素作为前提，同时明确注入气体与原油的相互作用规律以及气体在裂缝一基质系统的传质特征。
（3）化学驱是提高油页岩油藏开发过程中的宏观波及效率和微观洗油效率的主要手段，在方法的选择上首先要明确注入体系在微观和宏观层面驱油机理，同时保证注入化学体系在页岩储层中的适应性、高效性和长期稳定性。
（4）针对页岩在热环境下能够通过岩石矿物热膨胀、有机质转化等机理实现内部结构变化，诱导形成微观裂缝网络，提高油气渗流能力的特征，因此，通过热力采油的方法开发页岩油藏也是未来研究的方向之一。
（5）在未来的研究中，应当在结合页岩油藏的储层特征，有针对性的开发一系列适应页岩油藏的新型特技术，并在单一技术不能有效解决问题的情况下，使用多种技术相结合的方法，推动页岩油
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