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(yè)采油中的應(yīng)用原理特征

1.1 氮氣氣源

工業(yè)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(xué)使用氮氣分離技術(shù)，能獲得較為純凈的氮氣，這對于包含石油開采在內(nèi)的工業(yè)活動開展具有積極作用。在氮氣分離過程中，冷卻技術(shù)、分子膜技術(shù)是較為常用的兩種技術(shù)形態(tài)。

就冷卻技術(shù)而言，其在充分利用氧氣、氮氣沸點差異的基礎(chǔ)上，對空氣實施冷卻處理，在低于- 200℃時，氮氣與氧氣會出現(xiàn)分離問題，從而獲得一定的低溫液態(tài)氮。這些氮氣純度高，膨脹體積較大，需要采用專業(yè)的液氮設(shè)備進(jìn)行存儲、運輸。分子膜技術(shù)能在常溫條件下實現(xiàn)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(jī)進(jìn)行處理，具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性。不足之處在于分子膜技術(shù)下的氮氣供應(yīng)能力有限，需通過多組并聯(lián)的方式來提升氮氣采用效率。新時期，提升分子膜技術(shù)的氮氣供應(yīng)能力成為該技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用的破局點[1]。

1.2 注氮氣開采機(jī)理分析

工業(yè)原油開采中，注入氮氣開采方式的應(yīng)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(jī)理也有所不同。目前，注氮氣開發(fā)油田主要是通過四種機(jī)理方式來實現(xiàn)原油開采的，這四種機(jī)理方式不僅包含多次接觸混相驅(qū)、多次接觸非混相驅(qū)或近混相驅(qū)，而且涉及循環(huán)注氣保持地層壓力、頂部重力驅(qū)。

在上述四種機(jī)理方式中，混相驅(qū)或非混相驅(qū)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(huán)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(huán)境中應(yīng)用較多，此類環(huán)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(qū)而言，其在油層物性好、埋藏較深的礦區(qū)應(yīng)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(qū)替劑，氮氣對于低能薄油層的石油開采效率和質(zhì)量具有較大的影響。從使用過程來看，在工業(yè)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(qū)替技術(shù)應(yīng)用較為方便；二是在一些塊狀、傾斜狀油藏區(qū)域，使用重力分異方式注入氮氣驅(qū)替原油，能有效解決原油開采中黏性指進(jìn)問題；三是在原油驅(qū)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(fā)氣頂氣和油環(huán)油；四是氮氣資源本身較為充足，且當(dāng)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(fā)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(zhì)油藏、揮發(fā)油藏、凝析氣藏的開采效率和質(zhì)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(jīng)探測發(fā)現(xiàn)井組地質(zhì)儲量為0.68×104t，原油整體的埋藏深度超過了3500m。另外經(jīng)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(jìn)行探測，發(fā)現(xiàn)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(shè)置5 口油井，前些年單井平均日產(chǎn)油為11t，隨著原油開采工作的開展，近些年井組日均產(chǎn)油量有所下降，即最新的統(tǒng)計結(jié)果顯示單井日產(chǎn)油量僅為2.5t，采出程度為7.4%。

2.2 井組生產(chǎn)特征

深層次分析本井組生產(chǎn)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(chǎn)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(wěn)產(chǎn)難度較大。僅從日均產(chǎn)油量來看，本井組5 口油井的日均產(chǎn)油量從11t 下降到了2.5t，影響了原油開采的整體效率和質(zhì)量。同時在原油開采中，本井組臨近區(qū)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(xiàn)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(xiàn)了持續(xù)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(shè)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(yè)設(shè)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(tǒng)化地選擇氮氣注入井，在控制對應(yīng)油井間距保持200～300m 的基礎(chǔ)上，確保主要生產(chǎn)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(shè)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(dǎo)實驗項目，故而在注氣過程中，使用從外部企業(yè)引入的注液氮車組，然后從附近的化工企業(yè)購買液氮，這些液氮在注入井組后變?yōu)闅怏w狀態(tài)。

（3）在使用連續(xù)注氣方式后，按照注氣量23m3液氮的標(biāo)準(zhǔn)注入氮氣，這些液氮轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)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(jīng)研究，注入氮氣后，本井組的原油開采出現(xiàn)以下層面的變化：一方面，本井組存在較多的低滲透區(qū)域，但是這些區(qū)域的注水操作極為困難，將氮氣作為驅(qū)替劑注入這些區(qū)域后，油層存在的原油會被有效驅(qū)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(dá)到31.8m3液氮，快速地完成低滲透區(qū)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(dá)到31.8m3液氮，這些液氮的注入為薄油層原油的開采創(chuàng)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(chǎn)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(chǎn)量從注氣前的2.5t 開始遞增，試驗期間，井組平均產(chǎn)油為8.3t，平均單油井日增油達(dá)到5.8t，5 口油井整體增油為29t，本次先導(dǎo)性試驗后，停止在井組采油井周靜注入氮氣，發(fā)現(xiàn)各油井采油的效率和總量持續(xù)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(zhì)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(huán)境

現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)業(yè)體系下，人們對于原油開采的效率和質(zhì)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(yīng)注重注氮環(huán)境的有效控制。目前，即便是在低能薄油層，適合注氮氣的環(huán)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(jìn)行二次采油；二是在深層高壓或超高壓低滲透輕質(zhì)油藏區(qū)域，可采用氣混相驅(qū)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(wěn)定開采重質(zhì)油藏[4]。

在考慮這些注氮條件的基礎(chǔ)上，還需要注重油層性質(zhì)、原油性質(zhì)的準(zhǔn)確把控。其中在油層性質(zhì)控制中，首先應(yīng)注重油層滲透性的控制，一般應(yīng)控制其垂向滲透率大于200×10-3um2或更高，即油層屬于重力驅(qū)類型。其次在注氮氣應(yīng)用中，還需要控制油層溫度，研究表明，當(dāng)溫度小于38℃時，注氮氣達(dá)不到混相驅(qū)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(qū)替。最后在油層性質(zhì)控制中，還需要控制油藏流通的保護(hù)度，一般要求原油飽和度大于20%，并且在注氮氣非混相驅(qū)替條件下，原油飽和度應(yīng)大于50%。在原油性質(zhì)控制中，除嚴(yán)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(jié)合相關(guān)化學(xué)知識可知，當(dāng)原油具有較高的相對密度時，表明其重質(zhì)烴類含量較多，整體黏度較大，此時若進(jìn)行注氮操作就容易發(fā)生黏性指進(jìn)問題，這會造成驅(qū)油效率的下降。對此在原油性質(zhì)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(jìn)一步提升注氮環(huán)境的控制效果，提升原油開采效率，在注氮技術(shù)應(yīng)用中，還需要注重原油組分和性質(zhì)的控制，一般要求原油中含有相當(dāng)量的中間烴，則易形成氮氣與原油的混相，故而在注氮氣環(huán)境控制中，需確保氮氣混相驅(qū)的油藏原油必須富含中間烴組分[5]。

3.2 重視制氮、注氮設(shè)備應(yīng)用

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

（2）所涉及的制氮設(shè)備應(yīng)具有移動性的特征，而且應(yīng)能有效滿足野外環(huán)境的作業(yè)需要。此外，制氮設(shè)備應(yīng)滿足體積小、便于撬裝、啟動快、操作方便的特征，并且其在應(yīng)用中應(yīng)具有較好的穩(wěn)定性，整體能耗底，且使用壽命較長。低能薄油層注氮設(shè)備的應(yīng)用不僅包含氮氣壓縮（增壓）機(jī)、注氮管線，而且涉及注氮井口及計量控制裝置，在實際應(yīng)用中，應(yīng)結(jié)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(shè)備應(yīng)用中，還應(yīng)結(jié)合油田井組的實際情況，涉及符合實際的制氮注氮系統(tǒng)，滿足實際生產(chǎn)需要。

4 結(jié)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(qū)替劑，能有效改善低能薄油層的作業(yè)環(huán)境，提升原油開采的效率和質(zhì)量。新時期，原油開采企業(yè)只有深刻認(rèn)識到注氮開采在低能薄油層原油開采中的積極作用，系統(tǒng)創(chuàng)新制氮、注氮方法應(yīng)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(xiàn)代工業(yè)的持續(xù)發(fā)展。