低能薄油層注氮氣提高采收率研究與實踐

安繼剛 姚曉宇 王 鵬

延長油田股份有限公司富縣采油廠 陜西延安 727500

1 氮氣氣源及在工業采油中的應用原理特征

1.1 氮氣氣源

工業用氮氣一般從空氣中分離獲得。研究中，氮氣占空氣成分的78%，科學使用氮氣分離技術，能獲得較為純凈的氮氣，這對于包含石油開采在內的工業活動開展具有積極作用。在氮氣分離過程中，冷卻技術、分子膜技術是較為常用的兩種技術形態。

就冷卻技術而言，其在充分利用氧氣、氮氣沸點差異的基礎上，對空氣實施冷卻處理，在低于- 200℃時，氮氣與氧氣會出現分離問題，從而獲得一定的低溫液態氮。這些氮氣純度高，膨脹體積較大，需要采用專業的液氮設備進行存儲、運輸。分子膜技術能在常溫條件下實現空氣中氮氣的直接分離，這種方式下制備的氮氣可直接用普通壓縮機進行處理，具有較強的經濟性。不足之處在于分子膜技術下的氮氣供應能力有限，需通過多組并聯的方式來提升氮氣采用效率。新時期，提升分子膜技術的氮氣供應能力成為該技術工業化應用的破局點[1]。

1.2 注氮氣開采機理分析

工業原油開采中，注入氮氣開采方式的應用具有一定的差異性，這種差異化開采方式下，其具體的開采機理也有所不同。目前，注氮氣開發油田主要是通過四種機理方式來實現原油開采的，這四種機理方式不僅包含多次接觸混相驅、多次接觸非混相驅或近混相驅，而且涉及循環注氣保持地層壓力、頂部重力驅。

在上述四種機理方式中，混相驅或非混相驅適用于油層性較差，且原油中含有一定熔接氣的油層，此類油層的原油重度多保持在38～51°API，油氣埋藏整體較深。而就循環注氣保持地層壓力而言，其在注水效果較差、孔隙率較低的環境中應用較多，此類環境滲透性較低，原油埋藏較淺，重度多保持在31～60°API。另外就重力驅而言，其在油層物性好、埋藏較深的礦區應用較多，對于閉合高度較大的鹽丘和背斜油藏開采具有積極作用[2]。

1.3 注氮開采特征分析

作為石油開采中極為重要的一種驅替劑，氮氣對于低能薄油層的石油開采效率和質量具有較大的影響。從使用過程來看，在工業采油中使用氮氣具有以下特征：一是使用氮氣不需要考慮防腐問題，驅替技術應用較為方便；二是在一些塊狀、傾斜狀油藏區域，使用重力分異方式注入氮氣驅替原油，能有效解決原油開采中黏性指進問題；三是在原油驅替中，氮氣具有良好的膨脹性，其能通過較大的彈性能量快速地開發氣頂氣和油環油；四是氮氣資源本身較為充足，且當前氮氣獲取方式較為便捷，注氮成本較為低廉。五是氮氣能蒸發原油中的輕烴和中間烴組分，繼而使得自己得到富化，正對于提升輕質油藏、揮發油藏、凝析氣藏的開采效率和質量具有積極作用[3]。

2 注氮氣對低能薄油層采收率的影響

2.1 項目概況

某井組含油面積為0.45km2，經探測發現井組地質儲量為0.68×104t，原油整體的埋藏深度超過了3500m。另外經探測，本井組油層平均孔隙率約為13%，平均的空氣滲透率約為3.5×10-3μm2。底層原油黏度、地面原油黏度分別為1.25mPa·s 和9.0mPa·s；原油原始汽油比為135m3/ t。在原油開采前，對井組底層溫度、壓力進行探測，發現本井組地層溫度保持在120℃，而原始地層壓力保持在37.5MPa。自開采以來，本井組設置5 口油井，前些年單井平均日產油為11t，隨著原油開采工作的開展，近些年井組日均產油量有所下降，即最新的統計結果顯示單井日產油量僅為2.5t，采出程度為7.4%。

2.2 井組生產特征

深層次分析本井組生產特征可知，本井組不僅具有油層有效厚度較薄的特征，而且單井的控制儲量較低。在投產初期階段，該井組的采油效率較高，但是隨著井組油層壓力的降低，井組儲油層含有飽和度大大降低，油井的穩產難度較大。僅從日均產油量來看，本井組5 口油井的日均產油量從11t 下降到了2.5t，影響了原油開采的整體效率和質量。同時在原油開采中，本井組臨近區域地下存水較多，這使得原油開采中的含水上升較快。具體表現為隨著蒸汽吞吐輪次的增加，油藏的壓力和周期回采水率出現了持續降低的問題。受此影響，地下存水量逐漸增多，這造成了周期含水迅速上升的問題，給原油開采工作帶來了較大的難度。

2.3 注氮氣方案設計

為有效解決本井組低能薄油層原油開采效率降低的問題，原油開采企業設計采用注氮氣的方式來改善低能薄油層的原油開采情況。在原油開采過程中，系統化地選擇氮氣注入井，在控制對應油井間距保持200～300m 的基礎上，確保主要生產層中的連通效果良好。在實際注氮氣過程中，考慮到本井組原油整體的埋藏深度超過了3500m，因此選擇在3385～3500m 井段實施注氣，具體注氣方法為：

（1）確定目的層后，在其上面設置RTTS 封隔器，然后在目的層的下面注灰。

（2）考慮到本實驗項目屬于先導實驗項目，故而在注氣過程中，使用從外部企業引入的注液氮車組，然后從附近的化工企業購買液氮，這些液氮在注入井組后變為氣體狀態。

（3）在使用連續注氣方式后，按照注氣量23m3液氮的標準注入氮氣，這些液氮轉化為標準狀態后約為15778m3/ d。在注氮周期及注氮量孔中，確保注氮的周期控制在68d，注入液氮的總量為1560m3。

2.4 注氮氣后的低能薄油層采收率

本次研究中，在低能薄油層注入氮氣，對比注氮前后井組的采收情況。經研究，注入氮氣后，本井組的原油開采出現以下層面的變化：一方面，本井組存在較多的低滲透區域，但是這些區域的注水操作極為困難，將氮氣作為驅替劑注入這些區域后，油層存在的原油會被有效驅離采出。如某油井在注水泵壓42MPa 下日注只有8m3，但是使用注氮氣方式后，控制泵壓可保持在56MPa，這樣能確保最高日注能力達到31.8m3液氮，快速地完成低滲透區域的原油開采。另外本研究還將氮氣的最大注氣壓力控制在60MPa，這樣最高日注氮氣能力可達到31.8m3液氮，這些液氮的注入為薄油層原油的開采創造了有利條件。另一方面，在以往的原油開采中，受油氣開采后油層地層壓力的降低，競爭油井的日均開采率明顯降低，即在注氮氣前，井組產量具有非常明顯的遞減趨勢；但是在采用注氮開采方式后，單井組產量從注氣前的2.5t 開始遞增，試驗期間，井組平均產油為8.3t，平均單油井日增油達到5.8t，5 口油井整體增油為29t，本次先導性試驗后，停止在井組采油井周靜注入氮氣，發現各油井采油的效率和總量持續降低，可見注入氮氣對于井組具有較為明顯的增油效果，其能有效提升低能薄油層原油的開采效率和質量。

3 低能薄油層注氮氣提高采收率的控制措施

3.1 合理控制注氮環境

現代工業產業體系下，人們對于原油開采的效率和質量提出較高的要求，但是低能薄油層原油開采工作本身存在較大的難度，采用注氮氣方式提升低能薄油層原油采油效率時，工作人員還應注重注氮環境的有效控制。目前，即便是在低能薄油層，適合注氮氣的環境條件大致可分為三種類型：一是在低滲透油田中，可通過注氮氣方式保持壓力進行二次采油；二是在深層高壓或超高壓低滲透輕質油藏區域，可采用氣混相驅替方式注入氮氣完成開采；三是在氣頂油藏中，通過注氮氣重力穩定開采重質油藏[4]。

在考慮這些注氮條件的基礎上，還需要注重油層性質、原油性質的準確把控。其中在油層性質控制中，首先應注重油層滲透性的控制，一般應控制其垂向滲透率大于200×10-3um2或更高，即油層屬于重力驅類型。其次在注氮氣應用中，還需要控制油層溫度，研究表明，當溫度小于38℃時，注氮氣達不到混相驅條件。同時油層的壓力對于注氮氣工作開展具有較大影響，一般在低能薄油層，要求油層壓力高于27MPa，否則為非混相驅替。最后在油層性質控制中，還需要控制油藏流通的保護度，一般要求原油飽和度大于20%，并且在注氮氣非混相驅替條件下，原油飽和度應大于50%。在原油性質控制中，除嚴格控制原油黏度和相對密度外，工作人員需重視原油溶解度的有效控制。結合相關化學知識可知，當原油具有較高的相對密度時，表明其重質烴類含量較多，整體黏度較大，此時若進行注氮操作就容易發生黏性指進問題，這會造成驅油效率的下降。對此在原油性質控制中，一般需確保原油的相對密度小于0.8498，黏度小于10mPa.s。另外在原油溶解度控制中，若原油中含有一定的溶解氣，則采用注氮氣方式能有效提升原油的采收效率，反之不含溶解氣的原油，即便注氮氣，其實際的采收效果也相對較差。值得注意的是，為進一步提升注氮環境的控制效果，提升原油開采效率，在注氮技術應用中，還需要注重原油組分和性質的控制，一般要求原油中含有相當量的中間烴，則易形成氮氣與原油的混相，故而在注氮氣環境控制中，需確保氮氣混相驅的油藏原油必須富含中間烴組分[5]。

3.2 重視制氮、注氮設備應用

（1）在制氮設備設計中初期，工作人員不僅需要考慮油藏油質、地層結構、制氮用途等因素，而且需要對氮氣的純度和產量進行有效控制。

（2）所涉及的制氮設備應具有移動性的特征，而且應能有效滿足野外環境的作業需要。此外，制氮設備應滿足體積小、便于撬裝、啟動快、操作方便的特征，并且其在應用中應具有較好的穩定性，整體能耗底，且使用壽命較長。低能薄油層注氮設備的應用不僅包含氮氣壓縮（增壓）機、注氮管線，而且涉及注氮井口及計量控制裝置，在實際應用中，應結合注入地層壓力，控制注入氮氣的壓力控制在10～40MPa。要注意的是，在制氮、注氮設備應用中，還應結合油田井組的實際情況，涉及符合實際的制氮注氮系統，滿足實際生產需要。

4 結語

注氮開采是低能薄油層原油開采的重要方式，采用氮氣作為驅替劑，能有效改善低能薄油層的作業環境，提升原油開采的效率和質量。新時期，原油開采企業只有深刻認識到注氮開采在低能薄油層原油開采中的積極作用，系統創新制氮、注氮方法應用，這樣才能滿足新時期的作用需要，提升原油開采綜合效益，繼而推動現代工業的持續發展。