稠油油藏注氮气提高采收率技术研究

20世纪70年代美国和加拿大不仅开展了室内实验，而且对不同的油藏进行了注氮气开发。89年我国开始了注氮气开发油田的实验，到90年代中期，由于膜分离制氮技术在中国的发展，为氮气在油田开采上的应用提供了有利条件。注氮气改善蒸汽吞吐效果在新疆、辽河、胜利等油田已有应用，取得了很好的效果。

一、注氮气开采机理

1.注氮气开发油田通常通过以下机理来提高原油采收率：

1.1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)；

1.2多次接触非混相驱或近混相驱；

1.3循环注气保持地层压力；

1.4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。

2.混相驱

2.1连续注入氮气混相驱

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。

2.2注氮气推动易混相气体段塞混相驱

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。

2.3交替注氮气注水混相驱

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。

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。

3.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。

其主要增产作用机理如下：

3.1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。

3.2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。

4.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。

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。

5.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。

二、适合注氮气的油气藏条件

1.氮气参考筛选准则

2.注氮气适用于以下各种情况：

在低渗透油田保持压力二次采油；

在深层高压或超高压低渗透轻质油藏注氮气混相驱替；

气顶油藏注氮气重力稳定开采；重质油藏注氮气开采。

2.1油层性质

2.1.1渗透率：垂向渗透率大于200×10-3或更高（重力驱）。

2.1.2层间非均质性：层状非均质性使注气驱油效率降低。

2.1.3油层深度：仅3000m以上的深油层适合采用氮气混相驱。

2.1.4油层温度：实验表明，当温度小于38℃时，注氮气达不到混相驱条件。

2.1.5油层压力：注氮气要求油层压力高于27MPa，否则为非混相驱替。

2.1.6饱和压力：若饱和压力大于最低混相压力，应使注入压力等于饱和压力；若对油藏进行保持压力开发，应使注入压力高于油层饱和压力；若对凝析气藏进行注氮气保持压力开发，则应选择注入压力使气藏保持在露点压力以上开发。

2.1.7油藏流体的饱和度：通常要求原油饱和度大于20%，对注氮气非混相驱替，原油饱和度应大于50%。

2.1.8不利的油气藏：裂缝发育、有强烈水驱的油气藏。

2.2原油性质

2.2.1原油粘度和相对密度

原油的相对密度高，表明含重质烃类较多，粘度一般较大，此时注氮气就易发生粘性指进，导致驱油效率低。

适合于在高压下注氮气的油藏，其原油的相对密度一般应小于0.8498，粘度应小于10mPa.s。

2.2.2原油溶解度

含有一定溶解气的原油适于注N2，而不含溶解气的原油注氮气效果相对较差。

2.2.3原油组分和性质

如果原油中含有相当量的中间烃，则易形成氮气与原油的混相，因而要求注氮气混相驱的油藏原油必须富含中间烃组分。

三、氮气在油田的应用

氮气在油气生产方面的应用可主要概括为：

1.利用氮气的稳定性,将空气与易燃易爆的气体隔离开,起到安全生产的作用，如氮气置换作业；

2.根据气体密度低的特点,调节入井液的密度,主要用于低压易漏层的作业,如混气冲砂等施工；

3.依靠压缩气体卸压后的体积膨胀力,加强进入地层流体的返排,如泡沫压裂、泡沫酸化作业；

4.作为驱替介质,用于保持地层压力,提高油气采收率。