注氮气提高采收率

1张艳玉中国石油大学（华东）2用N2作为驱替剂有如下几个特点：N2作为驱替剂在工艺上不存在防腐问题；在相同的温度和压力下，N2的密度小于油藏气顶气的密度，粘度则与气顶气接近(即使在地层压力高达42MPa以上时仍能保持此特性)，这种特性适合于块状油藏和倾斜油藏采用顶部注气按重力分异方式驱替原油，并有利于缓和重力驱过程中出现的粘性指进现象；N2的偏差系数比气顶气、CO2大，并且它不溶于水，较少溶于油，这使得N2在驱油过程中具有良好的膨胀性，形成的弹性能量大，特别有利于气顶油藏采用气顶注N2以保持压力的方式同时开发气顶气和油环油；N2能抽提(蒸发)原油中的轻烃和中间烃组分，使自己得到富化，使其物性逐渐趋向于原油，这一特性就有利于富含轻烃和中间烃的轻质油藏、挥发油藏、凝析气藏采用注N2以混相或非混相蒸发气驱的方式开采原油；N2资源充足，且已形成一整套从空气中制N2→注N2→脱N2的工业化流程和配套设备，使得注N2成本低廉。3氮气气源空气中78%为氮气,是氮气的主要来源,但如何从空气中分离出纯净的氮气,一直是技术上的难题。目前基本上采用2种方法：一是利用冷却技术：根据氧气与氮气不同的沸点,把空气冷却至-200℃以下液化,使二者分离开,这样获得的低温液氮具有纯度高、膨胀体积大的特点,但它无法使用普通压缩机作业,必需专用的液氮设备,而且液氮在常温条件下储存、运输都较为困难,成本也比较高；二是利用先进的分子膜技术：在常温条件下直接从空气中分离出氮气,优点是方便,无氮源远近之限制,制备出的氮气可直接用于普通压缩机处理,省去了液氮运输花费和不便,更为经济,但它供气能力有限,需多组并联使用,短时间内无法满足压裂、酸化等大液量、高压力的工作需求此外,还可利用化学方法生成氮气,大多工艺复杂、成本高、生成量小,应用范围仅限于部分特殊需求。41.注氮气开采机理2.注氮气对地层流体PVT相态特征的影响3.适合注氮气的油气藏条件4.现场注氮气设备5.注氮气提高采收率应用实例6.氮气在油田的应用注氮气提高采收率51.注氮气开采机理注氮气开发油田通常通过以下机理来提高原油采收率：（1）多次接触混相驱(包括作为驱替CO2、富气或其它驱替剂与地层原油混相段塞的后缘注入或者气水交替注入混相驱)；（2）多次接触非混相驱或近混相驱；（3）循环注气保持地层压力；（4）顶部重力驱。混相驱或非混相驱适于油层物性较差、原油中含一定溶解气、原油重度在38～51ºAPI(0.8348～0.7753)、油气藏埋藏较深的轻质油藏；循环注气保持地层压力，适于注水效果差、低孔隙、低渗透、原油重度在31～60ºAPI范围、埋藏较浅的油藏；而重力驱适合于油层物性好、埋藏较深、闭合高度大的盐丘或背斜油藏。61.1混相驱氮气很难与油藏原油发生一次接触混相，但在足够高的压力下可与许多油藏原油达到蒸发气驱动态混相，即注入的氮气与油藏原油之间经过多次接触和多次抽提，原油中的中间烃组分不断蒸发到气相中，当气相富化到一定程度时便与原油达成混相。图1-1氮气蒸发气驱混相过程图1.注氮气开采机理1.1.1连续注入氮气混相驱7如果用气液两相组成的变化来表示这一过程，其驱替机理可用下图给出的组成三元相图来描述。图1-2氮气多次接触汽化气驱前缘混相机理1.注氮气开采机理8注氮气要求原油的轻烃和中间烃含量高，故一般来说实施的难度比较大且适用范围较窄，但却较之于注CO2和烃类气体具有资源丰富、价格低廉的优点。为了充分利用CO2和烃类气体易混相的特点，同时也为了降低使用CO2和烃类气体的成本，可通过注氮气推动CO2或烃类气体段塞混相驱来提高采收率，其开采机理与CO2和烃类气体混相驱机理相似。如果易混相气体段塞的尺寸选择合理，则用氮气推动混相段塞的驱油效果会比连续注入氮气效果较好，经济效益会更高。1.注氮气开采机理1.1.2注氮气推动易混相气体段塞混相驱91.1.3交替注氮气注水混相驱1.注氮气开采机理在注氮气驱过程中，由于氮气的粘度远低于油藏原油，产生的流度比会造成前缘气体的粘性指进。为了减少气窜的不利影响，保持驱替前沿混相带的稳定性，改进波及效率，在注入工艺上可采用交替注水注氮气驱替方式。10交替注水注氮气驱替方式主要用于混相驱，也可用于非混相驱。虽然交替注水注氮气混相驱可将注水和注气混相驱的优点有效地结合在一起，但在现场实施中，会出现注入气因重力作用而产生超覆现象，注入的水则会因重力作用而下沉，形成垂向上的粘性指进现象。因此针对不同的油藏，需通过长岩心驱替试验和油藏模拟来研究确定合理的气水比及气水段塞尺寸，以减少重力分异。对交替注水注氮气非混相驱，只要在合理的水氮气比及合理的注入速度下进行，就能采出数量可观的水驱剩余油，但其油量在很大程度上取决于油层岩石的相对渗透率特性。1.注氮气开采机理111.2非混相驱机理当原油与驱替流体之间存在有界面，即存在界面张力时候驱替过程称之为非混相驱替。当油藏注水开发到一定程度时，就会产生油藏高含水、水驱采收率较低、注水困难而残余油饱和度较高等不利情况。这时，可以采用注氮气开采剩余原油。1.注氮气开采机理12（1）改变流动方向，驱替裂缝通道中的残余油油田经底部注水后改用顶部注氮气，改变了渗流空间的压力分布，可能“疏通”某些被阻塞的“死油”和“剥脱”裂缝面上的部分粘附油，从而降低裂缝通道网络中的残余油量。（2）通过原油体积膨胀排出残余油溶解氮气后，残余油体积膨胀，使得部分的残余油从其滞留的空间“溢出”而形成可采出油；另一方面，原油在含油流动空间中膨胀排挤一部分水而形成油排水过程，可改善油的相对渗透率。此外，原油溶气后，粘度明显降低，这也有利于原油的流动和开采。其主要增产作用机理如下：1.注氮气开采机理131.3重力稳定驱氮气在原油及地层水中的溶解度都很低，因此其主要驱油机理并不是改变油的流动特性，而是依靠自身优越的条件通过在适宜的地层中控制粘性指进和重力舌进来达到提高采收率的目的。注气重力驱是指对倾斜、垂向渗透率较高的地层，在含油气构造顶部注气，利用重力分异作用保持压力或部分保持压力开采原油和天然气，其采收率是所有非混相驱中最高的。1.注氮气开采机理14由于注入气与原油间存在很大的密度差，因此应低速开采，使重力足以让密度较小的气体与原油分离，以便当气体指进欲形成时得以抑制。同时要求油层具有足够高的垂向渗透率，以便使油气在垂向方向能有效地分异和移动。此外，注气速度还应当小于临界速度。由于临界速度与气液密度差成正比，因此注氮气重力稳定驱时，临界速度越大，对注入速度的限制就越小。根据开采方式，可将重力驱分为两种形式，即向含油构造顶部注气和向含油气构造的油柱注气。1.注氮气开采机理151.4保持地层压力对于凝析油田，若用衰竭法开采，由于压力降到露点压力之下会在油液内残留大量的反凝析油，因而采收率很低。凝析气液一般需要在保持压力下开采，挥发性油藏和许多重质油藏也需要保持压力来改善开采效果。注氮气保持压力的目的是使油气藏的压力保持在露点或泡点之上，以避免出现反凝析或溶解气逸出而降低凝析油和原油的采收率。1.注氮气开采机理161.注氮气开采机理2.注氮气对地层流体PVT相态特征的影响3.适合注氮气的油气藏条件4.现场注氮气设备5.注氮气现场应用6.氮气在油田的应用注氮气提高采收率172.注氮气对地层流体PVT相态特征的影响图2-1氮气-油藏原油体系溶解-抽提组成变化2.1氮气的溶解—抽提(蒸发)效应18图2-2氮气-油藏原油体系抽提组成变化2.注氮气对地层流体PVT相态特征的影响19氮气在地层原油中的溶解度对原油PVT相态特性的影响，可通过氮气—地层原油体系的PVT相态实验观测得到。对氮气驱影响较大的因素包括：在地层原油中注入不同比例氮气时，氮气对地层原油饱和压力的影响，以及饱和压力下氮气对地层原油粘度、体积系数、气油比和脱气油密度的影响。现以一典型的油藏原油体系为例来进行说明。已知该油藏的地层温度为82.0℃，地层压力为26.5MPa；原油的溶解气油比为174m3/m3。向原油中注入不同比例的工业氮气，通过实验可观测到注氮气量对原油PVT性质的影响。2.2氮气溶解对地层原油PVT相态特性的影响2.注氮气对地层流体PVT相态特征的影响20图2-3不同注氮气比例对油气体系饱和压力的影响2.2.1地层油的饱和压力2.注氮气对地层流体PVT相态特征的影响212.2.2地层油粘度的变化图2-4不同注氮气比例对油气体系粘度的影响2.注氮气对地层流体PVT相态特征的影响222.2.3容胀特性图2-5不同注氮气比例对油气体系体积系数的影响2.注氮气对地层流体PVT相态特征的影响23据注入不同比例氮气和富气后地层原油的气油比变化数据分析，当注入的氮气和富气摩尔百分含量相同时，在饱和压力下，注氮气使原油气油比增加的程度小于注富气使原油气油比增加的程度，如图2-6所示：图2-6不同注氮气比例对油气体系气油比的影响2.2.4气油比2.注氮气对地层流体PVT相态特征的影响24注氮气或注富气时，随气体注入比例的增加，饱和压力下地层原油性质相对变好，其轻质组分含量逐渐增多，当对溶气原油进行闪蒸分离时，由于轻质组分的影响，使闪蒸分离所得的地面脱气原油相对变重。图2-7是氮气的注入引起脱气原油密度增加的程度明显高于注入富气的情况，2.注氮气对地层流体PVT相态特征的影响2.2.5脱气原油密度图2-7不同注氮气比例对脱气油密度的影响这正是氮气对原油产生强烈的闪蒸抽提作用所引起的结果；相反，富气由于含有较多的中间烃组分，对原油的闪蒸抽提作用要弱得多。25在实验中取一含地层原油的岩心样品，在温度为60℃、压力为21MPa的条件下向岩心中注入氮气，表2—2分别给出了注入0.14、0.50和1.5倍孔隙体积(PV)的氮气后，岩心中原油组成所发生的变化。2.3.1地层油组成变化2.注氮气对地层流体PVT相态特征的影响2.3氮气抽提作用对地层油PVT相态特性的影响26组分注氮气前注0.14倍PV的氮气注0.5倍PV的氮气注1.5倍PV的氮气CO20.020.000.000.00N20.655.4013.3121.95C145.0235.9715.682.60C212.4511.819.812.50C38.939.129.523.87iC42.622.793.21.59nC43.413.714.472.42iC51.631.832.411.59NC51.391.582.141.48C61.441.321.871.83C7+22.4426.4737.8960.19100.00100.00100.00100.00表2-2注氮气量对地层油组成的影响(mol%)2.注氮气对地层流体PVT相态特征的影响27通过实验可以观测到，随着注氮气量的增加，氮气抽提作用使岩心中地层油的密度增大，显然这是由于地层原油中的中间组分再汽化作用所至(图2—8给出了实验观测结果）。图2-8氮气注入量对原油密度的影响2.3.2地层原油密度变化2.注氮气对地层流体PVT相态特征的影响28由于氮气的抽提作用可导致地层油组成变重，在岩心驱替过程中注氮气量的增加必然导致原油粘度增加，正如图所示。图2-9氮气注入量对原油粘度的影响2.3.3地层原油粘度变化2.注氮气对地层流体PVT相态特征的影响29由于氮气抽提作用使岩心中地层油的轻烃和中间组分再汽化，原油的重质组分含量增加，使得氮气在地层油中的溶解度下降，从而随着氮气注入量的增加，引起地层油气油比降低。图2-10氮气注入量对原油气油比的影响2.3.4地层原油气油比变化2.注氮气对地层流体PVT相态特征的影响301.注氮气开采机理2.注氮气对地层流体PVT相态特征的影响3.适合注氮气的油气藏条件4.现场注氮气设备5.注氮气现场应用6.氮气在油田的应用注氮气提高采收率313.适合注氮气的油气藏条件表3-1氮气参考筛选准则建议值现行项目范围相对密度0.84980.835~0.763(混相)粘度0.4mpa●s0.07～0.3mpa●s组成轻烃含量高C1～C7油饱和度40%PV59％～80％PV有效厚度相对薄(除非构造陡)