N2輔助蒸汽驅(qū)開發(fā)分析與研究

◇中國石油遼河油田分公司鉆采工藝研究院 張西子

稠油油藏是目前世界各國非常規(guī)油氣資源勘探開發(fā)的熱點(diǎn)，但是在開發(fā)中后期階段，常規(guī)的蒸汽驅(qū)開發(fā)技術(shù)存在一定問題。本文主要對N2輔助蒸汽驅(qū)開發(fā)進(jìn)行了分析與研究，首先對蒸汽驅(qū)技術(shù)進(jìn)行了簡要介紹，然后分析了蒸汽驅(qū)開發(fā)中后期存在的幾點(diǎn)問題，最后重點(diǎn)闡述了N2輔助蒸汽驅(qū)的作用機(jī)理，并且結(jié)合數(shù)值模擬驗(yàn)證了該方法的有效性。

近些年以來，全球范圍內(nèi)的常規(guī)油氣儲量日益減少，稠油、頁巖氣、天然氣水合物等非常規(guī)油氣資源的勘探開發(fā)越來越受到重視，其中稠油的開發(fā)正是其中的熱點(diǎn)[1-2]。在全球范圍內(nèi)，稠油的分布十分廣泛，并且資源量巨大，在非常規(guī)油氣資源中占有非常重要的地位，甚至有可能超過常規(guī)油氣資源的儲量。

我國的稠油資源十分豐富，分布也非常廣泛，在多個油田中都發(fā)現(xiàn)了稠油，如遼河、勝利、克拉瑪依等。我國各大油田已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的稠油儲量達(dá)到了16億噸，其中陸上稠油的年產(chǎn)量占石油總產(chǎn)量的10%，稠油開發(fā)具有非常大的潛力。由于稠油特殊的物理、化學(xué)特性，稠油油藏通常都需要采用比較特殊的技術(shù)才可以有效開發(fā)。目前，稠油開發(fā)技術(shù)主要有6種：①蒸汽吞吐；②蒸汽驅(qū)；③熱水驅(qū)；④多元熱流體吞吐；⑤火燒油層；⑥蒸汽輔助重力泄油[1-2]。其中，蒸汽驅(qū)是提高稠油采油率最有效、應(yīng)用范圍最廣泛的開發(fā)技術(shù)，我國80%的稠油都是采用該技術(shù)。但是，隨著開發(fā)程度不斷加深，單純的蒸汽驅(qū)開發(fā)方式弊端日益凸顯，嚴(yán)重影響了稠油開發(fā)的產(chǎn)量，因此如何改善稠油油藏中后期的開發(fā)效果，提高稠油產(chǎn)量，是目前廣大石油工作人員亟待解決的難題。

1 蒸汽驅(qū)簡介

通常情況之下，在使用蒸汽驅(qū)技術(shù)進(jìn)行稠油開發(fā)之前，首先應(yīng)該采用蒸汽吞吐的方式在不同井之間形成熱連通。但是，隨著蒸汽吞吐時間的延長，地層中的壓力會不斷減小，能量也會持續(xù)消耗，并且井底周邊的含水飽和度會逐漸增加，稠油的產(chǎn)量將會銳減，開發(fā)的效果日益變差，最后稠油的有效開發(fā)就會終止，蒸汽吞吐技術(shù)的采收率一般不大于30%。因此，僅僅使用蒸汽吞吐的技術(shù)來開發(fā)稠油，提高最終采收率和產(chǎn)量的程度是十分有限的。如果要想進(jìn)一步提高稠油的采收率，必須使用蒸汽驅(qū)開發(fā)，進(jìn)而補(bǔ)充地層的能量，提高驅(qū)替的壓力，最終達(dá)到開發(fā)稠油的目的[2-3]。

蒸汽驅(qū)也稱蒸汽驅(qū)油法，是一種提高稠油油藏采收率的驅(qū)替式熱采方法，該方法是利用蒸汽發(fā)生器，形成高溫、高壓的濕蒸汽，然后通過注汽井持續(xù)注入到地層之中，這些蒸汽會釋放出相應(yīng)的汽化潛熱，持續(xù)加熱井筒附近的地層，隨著蒸汽的不斷加熱，地層中會形成3個帶：①蒸汽帶；②熱水帶；③冷油帶（圖1）。蒸汽帶的溫度非常高，可以減少原油的粘度，形成可流動的原油，之后這些流動的原油會進(jìn)入熱水帶，最后連同冷凝水一起進(jìn)入周邊的生產(chǎn)井，從而可以開發(fā)稠油[3-4]。

圖1 蒸汽驅(qū)機(jī)理示意圖

2 蒸汽驅(qū)開發(fā)中后期存在的問題

目前，蒸汽驅(qū)技術(shù)是一種十分成熟而且有效的稠油開發(fā)技術(shù)，在國內(nèi)外各大油田中都得到了廣泛的應(yīng)用，并且確定了比較顯著的效果，尤其是在開采重度高、粘度大以及孔隙度大的稠油油藏時，該技術(shù)已經(jīng)成為了一種通用的開發(fā)方式。如果地層中的蒸汽帶可以連續(xù)并且穩(wěn)定的存在，蒸汽驅(qū)的驅(qū)油機(jī)理就可以持續(xù)發(fā)揮作用[4-5]。但是，隨著稠油油藏開發(fā)時間的增加，蒸汽驅(qū)技術(shù)會存在很多問題，嚴(yán)重影響了稠油的開發(fā)效果。在注入的蒸汽、原油以及水的不斷滲流過程之中，因?yàn)檎羝?、原油以及水之間的密度差異比較懸殊，產(chǎn)生了十分顯著的重力分異現(xiàn)象，蒸汽、原油以及水會出現(xiàn)一定程度的分離，地層中的蒸汽會竄到油層的頂部，出現(xiàn)“超覆”舌進(jìn)的現(xiàn)象，導(dǎo)致蒸汽在地層中很難均勻地向前推進(jìn)，嚴(yán)重影響了蒸汽驅(qū)技術(shù)的波及效果。

我國的稠油油藏分布比較廣泛，但是主要分布在一些疏松砂巖的地層之中，油層膠結(jié)疏松，孔隙度比較大，滲透率也非常高，非均性也比較強(qiáng)。與稠油相比，注入的蒸汽以及冷凝水的粘度比較小，導(dǎo)致蒸汽驅(qū)過程中指進(jìn)情況比較嚴(yán)重，特別是在非均質(zhì)性較強(qiáng)的油藏中，會出現(xiàn)“竄流”現(xiàn)象，降低了蒸汽的熱效率值，也減小了蒸汽的波及范圍，嚴(yán)重影響蒸汽驅(qū)技術(shù)的驅(qū)油效率，使剩余油的分布差異十分顯著。在稠油開發(fā)的中后期，“竄流”和“超覆”的現(xiàn)象的情況會更為嚴(yán)重，使得蒸汽驅(qū)的開發(fā)效果更差，從而嚴(yán)重影響了稠油的正常開發(fā)。

3 N2輔助蒸汽驅(qū)開發(fā)分析與研究

3.1 作用機(jī)理

N2（氮?dú)猓┹o助蒸汽驅(qū)開發(fā)是在注入蒸汽時加入一些N2，通過優(yōu)化蒸汽驅(qū)的注入剖面，使得注入的蒸汽能夠在地層之中均勻不斷地推進(jìn)，可以防止出現(xiàn)蒸汽的“超覆”和“竄槽”的現(xiàn)象，進(jìn)而可以提高熱能的利用效率，最終提高稠油油藏的采收率[4-5]。N2輔助蒸汽驅(qū)開發(fā)的主要機(jī)理有以下4個方面：①減小熱量損失，增強(qiáng)蒸餾效應(yīng)。在注入蒸汽時，少量N2在一定程度上會影響蒸汽凝結(jié)換熱的質(zhì)量和效率。在通常的冷凝溫差之下，如果N2的體積分?jǐn)?shù)超過1%時，其表面的導(dǎo)熱系數(shù)會比較小，只有純蒸汽的33%。因此，注入一定量的N2可以降低蒸汽溫度以及干度的下降速率，進(jìn)而可以增加蒸汽與原油之間的熱交換效率，從而能夠使蒸餾效應(yīng)得到有效地增強(qiáng)；②壓縮膨脹作用。在地層中，注入的N2會形成氣泡，進(jìn)而容易被包裹進(jìn)稠油之中，在高溫高壓的作用之下，N2會出現(xiàn)膨脹，進(jìn)而使地層中連續(xù)的油相分散，成為油相段塞。N2氣泡的阻隔可以提高原油的流動能力，而且N2的膨脹可以促進(jìn)油相段塞的運(yùn)移，從而增加原油的流動性；③抑制蒸汽的“超覆”。相比于注入的蒸汽，N2的密度比較低，能夠迅速占據(jù)地層的上部，使得后面注入的蒸汽轉(zhuǎn)向地層的中下部，進(jìn)而防止蒸汽出現(xiàn)“超覆”現(xiàn)象，從而可以提高縱向波及范圍；④補(bǔ)充地層的彈性能量[6-7]。N2的壓縮系數(shù)比較大，可以使地層中的壓力長時間保存在一定范圍之內(nèi)，從而補(bǔ)充地層的能量。

3.2 數(shù)值模擬

結(jié)合某油田區(qū)塊的開發(fā)情況，優(yōu)選合適的參數(shù)，運(yùn)用數(shù)值模擬的方式來模擬稠油蒸汽驅(qū)開發(fā)。圖2為蒸汽驅(qū)數(shù)值模擬溫度場，從圖2（a）中可以看出：高溫高壓的蒸汽“超覆”現(xiàn)象十分嚴(yán)重。在重力分異作用之下，蒸汽沿著地層的上部往生產(chǎn)井的方向進(jìn)行竄流，導(dǎo)致地層中下部的波及范圍減小，使得地層上部的大部分原油被開發(fā)；而地層中下部的原油開發(fā)程度較低，基本沒有得到有效動用，右下角區(qū)域沒有受到波及，進(jìn)而存在大量的剩余油，從而影響了稠油的采收率。從圖2（b）中可以看出，注入蒸汽的波及范圍顯著增加，蒸汽向地層的中下部得到有效擴(kuò)展，溫度低的區(qū)域明顯減小，剩余油也變少了，從而可以說明N2輔助蒸汽驅(qū)可以有效提高稠油的采收率。

圖2 稠油蒸汽驅(qū)開發(fā)數(shù)值模擬的溫度場

4 結(jié)束語

（1）N2輔助蒸汽驅(qū)可以有效擴(kuò)大蒸汽的波及范圍，減小原油的黏度，進(jìn)而可以改善稠油的開發(fā)效果。

（2）N2輔助蒸汽驅(qū)可以抑制蒸汽的“超覆”和“竄槽”作用，增加原油的動用程度，不但能夠提高稠油的采收率，而且可以減小生產(chǎn)井的含水率。

（3）單純的蒸汽驅(qū)會出現(xiàn)“超覆”和“竄槽”現(xiàn)象，熱效率較低，而N2輔助蒸汽的開發(fā)技術(shù)能夠降低地層上部的熱量損失，從而有效改善單純蒸汽波及不均勻的問題。