膜制氮技術在油田開發(fā)中的應用前景

范 勇 蘇 川 彭明昌

（1.天津市大港油田井下作業(yè)公司特車分公司 中國 天津 300280；2.天津市大港油田井下作業(yè)公司市場生產科 中國 天津 300280）

隨著技術的不斷進步及行業(yè)標準的不斷提高，在石油工業(yè)的發(fā)展過程中，越來越多的新技術、新工藝應用于石油開采過程中，對進一步提高油氣采收率有重大的現實意義。在現代石油開采中，氮氣泡沫已經廣泛地用于石油領域，根據氮氣不燃燒的性質，在鉆井作業(yè)中，用來替代空氣消除地下燃燒或爆炸的危險。利用氮氣控制入井液的密度，在低壓易漏失層完成各項作業(yè)工序，如混氣沖砂，另外利用氮氣泡沫的特性還可以完成其它施工工藝，有很好的應用前景。

空氣中含氮氣78%，為膜制氮技術發(fā)展提供了很好的客觀物質基礎。一般有兩種制氮方法，一是冷卻法，把空氣冷卻到-200℃以下，根據氮氣和氧氣沸點不同實行分離，但是液氮不好運輸，無法用普通壓縮機壓縮，成本較高。二是膜制氮方法，在常溫條件下直接從空氣中分離出氮氣，優(yōu)點是方便，無氮源遠近之限制，制備出的氮氣可直接用于普通壓縮機處理，直接用于膜制氮工藝施工。

1 膜制氮技術簡介

1.1 膜分離法制氮原理及應用

膜制氮技術的核心部件是膜分離器，空氣壓縮機壓縮后的空氣經過多級過濾器，除去空氣中的油、水、顆粒，并對過濾后的空氣加熱到一定溫度，之后到達膜分離器。由于經過空壓機壓縮，到達膜分離器的空氣在氮氣分離膜組兩側具有一定的壓力差。不同氣體在膜分離器中的溶解速率和擴散系數不同，在壓力差的作用下，滲透速率較快的水蒸氣、氧氣優(yōu)先通過膜，成為富氧氣體；而滲透速率較慢的氮氣在滯留側富集，成為干燥的富氮氣體，就這樣氮氣就被分離出來。

通過膜制氮裝備分離出的氮氣，在實際應用中利用其不燃的特性，進行氣井氣舉排液、掃線等施工，但是在這些簡單的施工并沒用發(fā)揮氮氣的更大潛力。在實際應用中，氮氣泡沫不但能完成氣舉排液和掃線施工，還能完成泡沫沖砂、洗井、排酸、泡沫壓裂等工藝，應用十分廣泛。

1.2 膜制氮裝備的應用及發(fā)展狀況

上世紀90年代后期，膜制氮技術開始在石油領域應用，近幾年得到發(fā)展，但相對于國外油氣領域的氮氣應用，我國還處于初期。隨著近幾年國內油氣領域的不斷應用總結和經驗積累，膜制氮設備的潛在優(yōu)勢及豐富的開發(fā)應用前景，已被國內油氣領域認同和關注。特別是現在世界范圍內，原油價格高企，油氣資源比過去任何時候都重要。作為一種有效的技術，膜制氮技術更引起了世界各國的重視。

目前國內的膜制氮裝備生產企業(yè)多數是依靠國外的技術來進行組裝，自身并未掌握核心技術。國外著名的膜制氮公司有捷能（Geoeron）、普里森（Prism）、麥道（Medal）公司等，膜制氮裝備的核心就是膜的類型及性能，這也是國內的差距所在。

2 氮氣泡沫的產生及特性

2.1 氮氣泡沫的產生

石油工程中應用的泡沫流體是以水與空氣、氮氣、天然氣或二氧化碳等氣液兩相充分混合形成的兩相流體。泡沫流體是氣體在液體中充分分散形成，氣泡分散程度越高，泡沫流體的質量越好，經過攪拌氣液就可以混合?？諝狻⑻烊粴馀菽谟途蚓畧鲋杏斜ǖ奈ｋU，二氧化碳泡沫對管柱有腐蝕性。相比之下，氮氣易于制得，氣源方便，使用安全，而且氮氣泡沫產生簡單，空氣經過膜制氮裝置，留下純度達到95%以上的氮氣，通過給膜制氮裝備增加一套泡沫發(fā)生器，通過機械攪拌或液力攪拌，使氣液兩項充分混合，并在攪拌過程中加入起泡劑和穩(wěn)定劑，形成穩(wěn)定的氮氣泡沫，

2.2 氮氣泡沫的特性

氮氣泡沫是不溶性氣體分散在液體中的多孔膜狀多相分散體系。氮氣是惰性氣體，穩(wěn)定性好，不易與其它物質發(fā)生化學反應。氮氣泡沫流體密度低而且方便調節(jié)，作為入井液便于控制井底壓力，減少漏失和污染，而且粘度高，攜砂能力強，調剖能力強，還有遇水穩(wěn)定、遇油消泡的特性。

2.2.1 密度可調性

石油工程中的泡沫流體密度范圍一般為0.45-0.9g/cm3，密度可根據氣體充入量的大小調節(jié)，十分方便。對于低壓漏失井作業(yè)，泡沫流體作為入井液便于控制井底壓力，能有效減少入井液漏失和防止地層污染。

2.2.2 泡沫流體的穩(wěn)定性

從熱力學角度看，泡沫有較好的穩(wěn)定性，泡沫的上部和下部表面張力不同，上部表面張力大于下部表面張力，中央液體的向下運動被下部液體的回流所平衡。但是泡沫還有衰變性，在實際應用中，為了讓泡沫保持更好的穩(wěn)定性，常常加入稠化劑，得到較好的穩(wěn)定性。

2.2.3 抗高溫性和化學兼容性

在石油工程領域，泡沫流體的抗高溫性幾乎沒有限制，在水基液體不產生沸騰的情況下，泡沫流體總是穩(wěn)定。同時由于泡沫流體是水與氣體的混合體，具有水的一切兼容性，幾乎可以與一切能溶于水的化學處理劑相容，同時各種化學藥品對泡沫基本無影響。

2.2.4 防止產層污染

泡沫流體對產層污染極小，在各種作業(yè)中調節(jié)泡沫液密度與油層壓力接近，在低壓井可顯著降低修井液的漏失程度。初期少量泡沫進入巖石孔隙，產生氣阻效應，組織了流體的繼續(xù)進入，從而防止修井液對油層的傷害。

2.2.5 其它性質

泡沫流體中的氣泡直徑隨壓力和溫度的變化而改變，因而在井筒中是變密度流體，流動阻力也隨深度而變化。

3 膜制氮技術在石油行業(yè)中的應用

3.1 修井作業(yè)中的應用

隨著石油的開采，油田的地層壓力必然下降，不但嚴重影響生產，而且不利于修井作業(yè)。油田壓力下降使近井地帶壓力虧空嚴重，直接導致修井過程中大量修井液的漏失，出現油井自吸，建立循環(huán)時間延長等現象。修井液漏失導致油井產量恢復時間延長，起泵后排液長達3-10天，而且由于某些地層對修井液的敏感，大量修井液的進入傷害地層，導致油井產能的損失（不能恢復到故障前的正常產量），將增加措施費用。究其修井液漏失的原因，一是地層壓力下降，二是因為修井液密度大，液柱壓力高于地層壓力。因此，利用氮氣泡沫密度可調的特性，低密度的泡沫修井液較常規(guī)修井液有很大的優(yōu)勢，密度容易控制，能有效的防止修井液的漏失，是良好的修井循環(huán)介質。

另外，在修井過程中，壓井液滲入儲層引起水敏、水鎖對儲層傷害很大。低滲油藏由于流動孔喉很細，毛管力的束縛力強，水鎖引起的不利影響較難解除，高粘土礦物含量更增加了水敏的潛在危害。類似吐哈油田，油質輕，揮發(fā)性強，且埋藏較深，空氣氣舉安全性差，常規(guī)抽汲排液速度慢，深度有限，難以滿足需求。氮氣氣舉則是一種非常有效的排液手段，它可以完成中深井的快速掏空，形成大的返排負壓，激勵地層回流疏通滲流孔道，加快入井液的返排，解除水鎖的影響，減輕水敏傷害。同時，氮氣在其它的一些修井作業(yè)，比如混氣沖砂、負壓洗井、混氣水排液等工藝在高氣油比、低壓儲層中也得到了成功的應用。

3.2 鉆井作業(yè)中的應用

在鉆井作業(yè)中，嚴重漏失地層多使用氣體欠平衡鉆井或泡沫鉆井。低成本的空氣鉆井在經濟方面頗具吸引力，但在油層中鉆進時，空氣很容易引起燃燒或爆炸。有時也采用天然氣鉆開產層，但仍潛在著很大的安全隱患。

用氮氣取代空氣則可消除著火和爆炸的危險，同時混氣液或泡沫液密度較低，減輕了鉆頭載荷，提高了鉆頭的穿透力和鉆井速度，鉆成的井壁和油層都比較干凈，對返出的鉆屑樣品的分析也更快。氮氣欠平衡鉆井中，氣體的介入減少或取代了鉆井操作中常用的鉆井液，使鉆井液的壓力低于地層壓力，能夠及時發(fā)現油氣顯示，對油層造成的污染輕，油井可以保持較高的生產能力。90年代后，水平井、分枝井的迅速發(fā)展和連續(xù)油管鉆井的崛起更為氮氣在鉆井方面的應用提供了廣闊的空間。

3.3 在壓裂作業(yè)中的應用

在壓裂作業(yè)中，在注入壓裂液的同時注入氮氣，能提高壓裂液的自身反排能力，降低毛管力的搜集作用，減輕壓裂液滯留于地層所產生的傷害。這種壓裂方式稱為混氣壓裂，主要增產機理如下：第一，利用前置氮氣的隔離作用，能有效避免地下原油與壓裂液接觸產生的傷害。第二，分散于壓裂液中的氣泡、泡沫隨壓裂液在地層中運移，在部分喉道處聚集產生賈敏效應，能夠有效封堵地層中的一些大孔隙、微裂縫，阻止了后續(xù)壓裂液沿高滲地帶濾失，混合流體視粘度增加以及氣液兩相流動相滲透率的干擾，也在一定程度上抑制了壓裂液的濾失。第三，依靠壓縮氮氣所蓄積的彈性能在卸壓后體積發(fā)生膨脹，推擠壓裂液流入井筒，并攜帶出部分殘渣，氣相的介入減輕了井筒中混合流體的靜液柱壓力，有利于壓裂液自噴返排，提高了壓裂液的返排速度和返出程度。

與常規(guī)壓裂比較，混氣壓裂可提高自噴排液率2～5倍，縮短排液周期4～15天?；鞖鈮毫巡坏芙档偷蜐B油藏中毛管力的影響，而且可以疏通滲流孔道，減輕粘土膨脹，可保護油層、準確反映地層液性產能。

根據氮氣泡沫密度低于水、粘度高于水、攜砂能力強等優(yōu)點，膜制氮技術還可以用于氮氣泡沫沖砂、洗井、掃線、泡沫排酸(排液)、泡沫酸酸化等很多方面。

目前，膜制氮技術在在渤海油田和勝利油田已經應用比較廣泛，增油效果比較明顯，尤其在低滲油田的排液、改造、儲層保護及安全生產方面成效顯著有很好的應用前景?？v觀技術發(fā)展方向，膜制氮技術將來勢必在國內油氣田廣泛應用，但是目前國內各大油氣田應用還處于初級階段，一方面是因為膜制氮技術成本較高、技術復雜，相信隨著施工的不斷優(yōu)化，通過技術進步膜制氮施工自身的潛力會被進一步開發(fā)，隨著應用的深入，也將成為油氣田增產的常規(guī)技術之一。

［1］楊成生.氮氣泡沫堵水在油田的應用研究[J].新疆化工，2010（3）：27-31.

［2］劉文章.油田注氮氣新技術應用前景[R].北京：中國石油學會注氮氣油井增產技術研討會，1999.

［3］旺治平，張波.膜制氮技術及在油氣田的應用[J].天然氣工業(yè)，2007（27）：141-143.

［4］張艷玉.注氮氣提高采收率[R].中國石油大學（華東）.

［5］全球石油網.膜制氮：未來石油開發(fā)新技術[OL].http://china.cippe.net/news_sec/11091.htm.