——记中国石油勘探开发研究院提高采收率研究中心化学驱团队

蔡巧玉  吕腾波

 

老油田经过长期开采，主力油田陆续进入“高含水、高采出”阶段，采收率要提高1个百分点，不亚于百米短跑成绩提高0.1秒的难度。如何让这些油田焕发活力，油气产量保持稳产并“箭头向上”的同时还能实现绿色低成本开发？十年磨一剑，中国石油勘探开发研究院提高采收率研究中心化学驱团队找到了使经济、社会效益双丰收的答案。

依托国家重大专项和国家“973计划”项目等一系列重大科研任务，团队提高采收率研究中心副主任张群带领大家自主创新突破了无碱二元化学复合驱大幅度提高采收率的核心技术瓶颈，由新型甜菜碱表面活性剂组成的驱油体系，如同超强“洗衣液”，把石头缝里的油“洗”出来，提高采收率20个百分点以上，达到国际领先水平，助力我国驱油技术步入绿色发展新境界。

服务国家战略需求，着力引领与推进技术迭代，把科研论文写在井场，把创新动能注入石油生产一线，此团队正持续向抢占化学复合驱科技前沿制高点奋力迈进。

 

半世纪探索

——化学驱的风雨60载

 

提高采收率是油气开发工作的永恒主题，是推动油田产量效益双提升的有力武器。据测算，中国石油国内原油采收率每提高1个百分点，可增加可采储量2亿吨，相当于新增探明储量10亿吨。将可采储量转化为效益产量，既是原油持续稳产的根本保障，更是新形势下降低生产经营成本、提升油企内生动力的必由之路。

我国陆相沉积油藏非均质严重，原油黏度较高，天然能量不足，注水开发主力油田多数已处于高含水和高采出程度阶段，但油田平均采收率仅为32%，约2/3地下原油储量利用水驱技术难以采出，急需三次采油提高采收率新技术以保持原油产量的稳定提高。

“化学驱”是向注入水中加入化学剂，以改变驱替流体的物化性质及驱替流体与原油和岩石矿物之间的界面性质，从而有利于原油生产的一种采油方法。化学复合驱提高采收率技术作为国内三次采油主体技术，目前已处于世界领先水平，为老油田增储稳产发挥了不可替代的作用，但走到这一步并非一朝一夕的工夫。中国石油勘探开发研究院的科研人员和大庆油田、新疆油田、大港油田、辽河油田、长庆油田等单位发挥引领作用，支撑油田实现聚合物驱和三元复合驱工业化的同时，也推动了化学驱的迭代更新。

化学驱走过了20世纪60年代初期至20世纪70年代中期的探索阶段、20世纪70年代中期至20世纪80年代末期的优选方向阶段后，于20世纪90年代初进入聚合物驱阶段。后因突破了低酸值原油不适合三元复合驱的理论束缚，实现了高效廉价表面活性剂的自主生产，形成了配套工艺技术系列，21世纪初期至今进入复合驱攻关及规模化应用阶段。

虽然目前三元化学复合驱在油田开发中扮演越来越重要的角色，但在“一穷二白”的基础上实现突破，却也走过了一段艰难岁月。

熟悉那段历史的人知道，20世纪80年代初，外国专家曾对复合驱在大庆油田的应用判了“死刑”，认为大庆原油酸值低不适合三元复合驱，让大庆油田把三元复合驱彻底摒弃。

权威论断是在特定条件下形成的，可借鉴，但不能迷信。中石油科研人员不盲从、不放弃，经过大量实验、理论分析，首次揭示了原油中杂环化合物在碱性环境下与外加表活剂协同作用形成超低界面张力机理，创建了表活剂与原油定量匹配关系，打破了依赖原油酸值的传统理论，大幅度拓展了应用领域，得出“复合驱技术在大庆不但可行，而且效益可观”的结论，为大庆油田进一步提高采收率找到了突破点。

做复合驱试验最“卡脖子”的是表面活性剂，只能从美国进口，高昂的成本成为制约三元复合驱油技术工业化推广的瓶颈。2000年，大庆油田自主生产三采用表面活性剂，但外国专家认为中国没有合适的原料、工艺、设备，技术上完全处于空白，中国人想要研制出自己的表面活性剂几乎不可能。

外国人能做到的，中国人不但要做到，还要做得更好！当时中石油科研团队夜以继日展开攻关，吃住在实验室。经过上千次实验、上万次分析，实验记录本摞起来有一人多高，仅用不到1年时间，科研人员就完成了3年的工作量，为复合驱推广应用赢得了主动。

没有原料，就利用工业产品的下脚料代替；工艺设备不满足，就独创工艺。不懈攻关，科研人员成功研发出“国字号”表活剂，填补了国内空白，综合性能优于国外同类产品，成本降低40%，为油田节省了大量引进资金。如今，三元复合驱已成为大庆油田和其他老油田提高采收率的接替技术。

然而由于油藏条件的苛刻化加剧，三元复合驱技术的局限性开始逐渐显现。三元复合驱是通过在注入水中加入碱、低浓度的表活剂和聚合物的方法进行驱油。碱注入地下后，容易产生地层伤害、举升系统结垢、采收液处理难等问题，难以适应复合驱技术发展的需要，也不符合日益严苛的环保要求。在此背景下，开发无碱技术被提上日程。

其实，早在十余年前，中国石油勘探开发研究院的科研人员就将此定为攻关目标。在袁士义院士、王德民院士等专家支持下，中国石油勘探开发研究院组建了一支平均年龄不到30岁的年轻团队，由张群领衔专攻无碱二元复合驱技术难题，核心是研制高效、低廉、绿色表面活性剂。

 

有碱到无碱

——驱油步入绿色新境界

 

无碱二元驱技术可以充分利用聚合物流度控制能力和表活剂降低油水界面张力特性，既提高波及系数又提高驱油效率，进而大幅度提高采收率，相比于单一聚合物驱具有更高的提高采收率幅度；相比于三元复合驱，因为没有碱的存在，没有地层伤害等问题，可大幅度降低地面建设投资、人工操作成本和化学剂费用，具备技术、经济和环保的多重优势，是最具发展潜力的化学驱提高采收率技术之一。

而限制二元复合驱技术发展的瓶颈是高效、廉价、环保二元驱表面活性剂的研制与生产。目前国际上二元驱技术仍处于室内攻关阶段。国内辽河、新疆、长庆和胜利等油田相继开展无碱二元驱技术攻关，主要采用原油馏分油为原料，利用三氧化硫磺化工艺，生产石油磺酸盐产品，取得了初步效果。由于原油组分极其复杂，产品存在诸多问题，性能难以满足二元驱技术需求。因此亟待加强二元驱表面活性剂的技术攻关，推动化学驱技术的升级换代，为持续保持我国化学驱技术的国际领先地位奠定基础。

在没有现成理论数据支撑的条件下，团队不惧困难，瞄准“卡脖子”问题，展开了持续有效攻关。他们刻苦钻研，经过上千次的分子设计与合成优化、上万次的评价，最终成功研制出综合性能达到国际领先水平的新型甜菜碱表活剂系列产品。

——他们发明了表面活性剂定量分子设计方法，研制出亲油基含有芳香基团的长碳链磺基甜菜碱表面活性剂产品。相比于国内外同类产品，这一产品具备高效能（超低张力浓度低至0.025wt%）、耐温（130℃）、耐盐（30万mg/L）的特点，不但适用于我国东部陆相常规油藏，而且适宜西部高矿化度、国外海相高温高盐油藏，解决了无碱驱油用表面活性剂在不同类型油藏条件下，难以获得超低界面张力、优异抗吸附及耐盐性能的难题。

——他们发明了有机质子酸催化长碳链（C>18）烷基化工艺和无水季铵化工艺，将反应转化率分别提高到90%和99%；创新形成了新型甜菜碱工业生产技术，建成了具有完全自主知识产权、模块化特点，年产1万吨的新型甜菜碱表面活性剂中试装置，实现了产品的系列化与工业化生产。

——他们还发明了乳液孔喉匹配与表活剂协同增效的乳化调控技术，研制出不同乳化强度的聚氧乙烯醚嵌段型非离子表面活性剂系列产品，创新形成性能调控与油藏匹配的无碱二元驱技术系列，解决了中低渗油藏注入困难与砾岩油藏非均质性强而导致的波及效率低的难题。与现有二元驱技术相比，相关技术进一步提高采收率5个百分点以上，为中低渗油藏和砾岩油藏大幅度提高采收率提供了针对性的无碱二元驱技术解决方案。

新型甜菜碱表面活性剂具有“高效、低成本、绿色”的特点，它的研制成功极大拓宽了复合驱技术的应用范围，为复合驱技术升级换代奠定了坚实基础；作为低油价形势下实现“双高”油田效益开发的现实途径，使“双高”老油田焕发了青春。技术在长庆、新疆等油田现场应用，效果显著。其中，长庆北三区块典型见效井含水由91.8%降至75.2%，累增油52 560吨，直接经济效益1.314亿元，预计这一技术在中石油覆盖地质储量30亿吨以上，提高采收率18个百分点以上。

2012年，中国石油勘探开发研究院与大庆油田合作共同建成了国内唯一、年生产能力1万吨的芳基烷基甜菜碱表面活性剂生产线，实现了产品大规模工业化生产。这一产品带动大庆油田开普化工有限公司萨南化工分公司年创收6亿元/年，实现净利润3000余万元/年。根据生产试验需求，预计到2025年，产品产销量将突破5万吨，拉动公司效益将超过1.5亿元，应用价值巨大，市场前景广阔。

截至目前，依托相关成果已发表高水平《科学引文索引》（SCI）论文21篇，授权发明专利30件，其中通过专利合作条约（PCT）申请获得发明专利（美国）1件。成果获中国专利优秀奖1项，省部级一等奖2项，局级一等奖4项、二等奖6项。成果还被认定为中石油技术秘密9项，入选2018年中石油十大科技进展及中石油2018年度自主创新重要产品目录。

从有碱到无碱，明晰驱油机理，突破传统理论束缚；从实验到现场，聚焦甜菜碱，突破成本瓶颈；从做研究到建装置，实现工业化生产，突破科学界限。勇于创新，勤于探索，化学驱团队为我国驱油步入绿色新境界交上了一份满意答卷。科研无止境，孜孜攀高峰，他们相信：山再高，往上攀，总能登顶；路再长，走下去，定能到达。

 

十年磨一剑

——书生蜕变石油人

 

“十年磨一剑”在未曾经历过的人看来不过是轻松的“弹指一挥间”，但其中的酸甜苦辣团队每个成员都有切身体会，挫折令人沮丧，但战胜挫折，心中的成就感又令幸福感倍增。攻关在他们看来，在战胜科研难题的同时更是在战胜自我，历经磨炼后获得的是个人能力的全面提升。

作为团队领衔人，张群记得刚入职时，老专家曾对他们一帮年轻人说：“你们身上还没有油味。”起初，他们不理解是什么意思，随着实践的深入，他们明白了。干好这份工作，不是在实验室里摇晃几下瓶瓶罐罐就可以，必须深入一线跟油田打交道，了解油田真正需要什么。通过承担大任务，深入油田、跑现场，将所做工作在油田落地生根，这帮年轻人逐渐从“一张白纸”的书生蜕变为有“油味”的石油人。

承担第三代化学复合驱提高采收率技术攻关，这支年轻的团队知难而上。有如此魄力扛下任务，一是团队有领导的支持，二是年轻，初生牛犊不怕虎。

承担重任就意味着要承受压力，谈起那些年的压力，大家记忆犹新：“我们不光在完善装置的技术包，实际上配方、合成路线优化、适应性评价也在继续做，除此以外，为做技术推广，我们还要跑油田市场。从头到尾，全产业链的各个环节我们都涉及了。一年到头，我们几乎每周都要出差。”

那些年走南闯北，团队去过上海、南京、镇江、绵阳等，还到大庆、新疆、玉门、长庆等油田做技术推广，走过了戈壁滩、黄土高坡、盐碱滩、湿地。装置建设的日子，他们每天守在工地，紧盯每个细节，害怕任何地方出纰漏。做评价实验，自己搭设备做，一年做上百根岩心，摸规律，找解决问题的方法。

顶住压力吃得苦，第三代化学驱无碱二元驱技术获得重大突破的同时，队伍拉起来了，人才也培养起来了。2009年至2013年成果在大庆做验证，2014年成果成功用到了玉门油田。老领导悬着的心终于落了地，知道这帮年轻人能把东西做出来。

回望走过的路，大家坦言其实充满曲折。从2012年接手任务到真正做成，团队付出了比原来预估要大得多的工作量，几个核心工艺实际上与之前设想相比都发生了翻天覆地的变化。“回过头看，其实在工作推进中我们曾存在很大问题，许多困难没有预先考虑到，只是一门心思想往前走。没有准备，只能在做的过程中持续升级，不断完善，最终建成的装置几乎不是按照原来的思路来的。”张群说。

攻关过程有成功也有失败，遇到的最大坎就在解决界面张力问题上。当时复合驱的主流是用强碱、弱碱，课本里学的也是有碱体系。超低界面张力是复合驱中表活剂最主要的作用机理，也是评价表活剂适用性的先决条件。

无碱体系表活剂降低界面张力的技术方案不能按有碱的标准来评价，但起初他们未意识到这个问题，一直延续之前的标准。这导致他们忽视了理论的创新，研究几近停滞。

但团队成员坚信，从有碱到无碱是必然趋势，只要攻克这项核心技术，就占领了化学复合驱的前沿制高点。没有现成的理论数据支撑，那就自己摸索。团队在研制3类十余种模型化合物的基础上，通过动/静态界面张力、界面扩张流变和分子动力学模拟等手段，阐明了超低界面张力热力学平衡本质，以及碱、原油组分、无机盐、温度等因素对界面张力的作用规律；首次采用量子力学方法，在分子结构与影响表活剂界面张力的亲水亲油平衡值之间建立了定量化数学模型，有力指导低张力表活剂的设计与研制。至此，无碱体系下的表活剂设计研制有了理论、数据上的支撑，为其下一步研制奠定了坚实基础。

能从根本上解决问题，得益于他们做事坚持刨根问底，常规做法做实验，结果不好，他们就转换思路从分子结构层面去想问题，力求追根溯源解决问题。

从分子层面想问题，团队持续理论与技术创新，也在不断优化表活剂产品——从最初只有一种表活剂，到形成了一套系列化、功能化产品，他们不光在追求超低界面张力，还有各种其他的功能，满足不同的油水物性及油藏条件。

“我国原油从东部、中部到西部，组分千差万别，尤为复杂，而且油藏条件更复杂，不可能靠一种产品打天下，必须根据油田需求进行不断完善，低渗透、非常规、砂砾岩、碳酸岩盐不同的油田适合什么样的表面活性剂，我们就在分子层面设计什么产品。”张群说。

随着表活剂现场试验的扩大化和具备“工艺模块化、生产广普化、产品系列化”特点装置的投产，团队收获了越来越多的掌声与肯定，但他们清楚这不是终点，而是新起点。在加速推进无碱二元复合驱技术完善与进步的同时，他们已在攻关第四代接续技术。“就像两万五千里长征一样，我们只是开了一个头而已。”张群谦虚表示。

 

恒心追梦人

——挑战采收率极限

 

“团队里这些年轻人是做研究出身的，为了能把甜菜碱表活剂这事做成，他们还学建装置，搞应用。从头学起，跟专家学、在现场学，光学建装置就学了6年，一年有2/3的时间在现场。”这是中国石油勘探开发研究院采收率研究所原所长马德胜对他们的肯定。而年轻人的成长离不开前辈的提携与支持。

张群坦言，敢于起用年轻人承担重任，就是领导们的魄力，而在攻关过程中他们更是给予了年轻人无限的包容与鼓励。

“死抠超低界面张力，驱油效果上不去时，我们也会自我否定，周围也会有一些不同声音，但是领导们给我们吃了定心丸，有他们在后面支持，我们才未放弃。”张群说，“他们不只是在做管理，还会亲自去看岩心、测井曲线做研究，为年轻人提思路、提想法。他们有魄力，做事雷厉风行，而且只要认准的事，一定要干到底。”

电视剧《亮剑》里，李云龙说过一句话：“一支部队也是有气质和性格的，而这种气质和性格是和首任的军事主官有关，他的性格强悍，这支部队就强悍，部队就有了灵魂，从此，无论这支部队换了多少茬人，它的灵魂仍在。”张群记得这句话，他认为科研团队也一样，精神气质会传承。前辈、老领导们的言传身教，潜移默化塑造着这支年轻团队的风格。

团队中每个成员都在尽最大可能发挥自己的能量，针对化学驱面临如何降本增效和扩大应用规模的双重挑战，提前规划做好顶层设计：周朝辉、韩璐围绕降低成本，持续优化无碱复合驱技术；田茂章、韩旭负责中相微乳液技术，不断挑战化学驱提高采收率极限……

传统方向外，碳捕获、利用与封存（CCUS）作为应对全球气候变化的关键技术之一，受到团队的重视，化学辅助碳捕获、利用与封存成为团队的一个新方向。“CO2驱油与埋存等方面研究虽已取得重大进展，但在规模化推广应用方面还存在如何扩大波及体积的巨大挑战，多介质复合调驱扩大波及体积技术将化学驱的成功经验应用到碳捕获、利用与封存，潜力巨大。”张群说。这一方向他亲自领衔，带领团队成员周朝辉、邹新源、俞宏伟正在勠力攻关，力争打开化学驱辅助碳捕获、利用与封存应用新局面，扩大化学驱应用领域的同时，为国家双碳目标实现贡献力量。

随着国家重点实验室重组，这让团队承担了更多责任，也拥有了更多施展空间。

作为中国石油勘探开发研究院提高石油采收率全国重点实验室秘书，张群有深刻体会，他说：“作为国家的战略科技力量，实验室必须找准自己的定位，做好顶层设计，目标和方向必须符合国家战略、能源战略，实验室不做优等生而要做特长生，做到尖、做到专。”

做国家层面提高石油采收率应用基础和特色技术研究的主力军，借由全国重点实验室的优化、重组和升级，团队也在蓄力重新扬帆启程——挑战第四代提高采收率技术极限。

“第四代关注两限问题，一是极限，一是界限。所谓极限，如：现在大庆水驱的采收率是40%，采用化学复合驱可以提高到60%，我们能不能把它提高到90%？这是一个极限。另一个界限，是现在化学驱还主要在常温、常规油水油藏进行，下一步能不能往高温、高盐走，往海外走？这就需要化学驱体系不断地完善，同时机理也要不断深化。”张群介绍，目前第四代的诸多技术在实验室内已经获得突破，正在进入现场验证阶段。

资料显示，我国石油对外依存度已超过70%，加大国内勘探开发业务工作力度，实现原油产量2亿吨稳产，已成为石油企业的政治任务。中石油原油产量占国内总产量的53%，实现1亿吨以上稳产是新时期发展战略的重点，也是践行政治和经济责任的需要。但是低油价下原油上游业务遭受了巨大冲击，提高采收率技术在老区实施，主要利用现有设施，产建投资低于低品位新增储量，储量动用率更高，经济动用性更大，是低油价情况下的现实选择。

“习近平总书记说，‘能源的饭碗必须端在自己手里’。现在中石油动用储量是190亿吨，如果现有的采收率能提高1个点，就相当于5000万吨的可采储量。有人说提高一个点的采收率相当于是再造一个大庆油田，如果我们真正实现了极限或界限目标，何止是再造一两个油田，那会是非常庞大的数字。”张群说。目前国内原油采收率平均为30%，5年后在实验室内达到40%，10年后达到50%，这是张群团队的目标。

（责编：李莉）