（石油与天然气工程专业论文）油田注氮气开采技术研究及现场试验.pdf

油田注氮气开采技术研究及现场试验 马春波( 石油与天然气工程) 指导教师：张建国( 教授) 摘要 油田注氮气开采技术是一项油田三次采油技术，是一项崭新的油田 增产工艺措施。它是利用专用的膜分离制氮注氮装置把空气中的氮气分 离出来，针对稠油、稀油、气田等不同的油气藏特点。不同的开采方式 采用不同的注氮工艺技术来达到油田增产的目的。 论文从分析氮气的物理特性入手，介绍了目前常用制氮注氮装置的 性能及特点深入研究了注氮气提高采收率的基本原理，以及针对不同 油藏流体性质和地质条件下氮气增产的作用机理，并研究了相应的配套 注氮气工艺措施。在此基础上分别对稠油注氮隔热助排，压裂酸化工艺 井氮气气举返排等方面的应用实例进行了分析，并提出了进一步提高其 效果的改进措施。 关键词；注氮气技术，制氮设备，隔热助排，气举 u t e c h n o l o g yr e s e a r c ha n df i e l dt e s t o ft h en i t r o g e ni n j e c t i o n m ae h a n - b of o i l n a t u r a lg a se n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rz h a n g j i a n - g u o a b s t r a c t t h en i t r o g e ni n j e c t i o ni sat e r t i a r yo i lr e c o v e r yt e c h n o l o g y i ti sa s t i m u l a t i o nm e t h o do fo i lf i e l d , u s i n ga p p r o p f i a t i v em e m b r a n es e p a r a t i o n d e v i c et os e p a r a t en i t r o g e nf r o mt h ea i r a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h eh e a v yo i l ，t h el i g h to i l ，a n dg a sf i e l d ，t h ed i f f e r e n tn i t r o g e n m j e c t i o n s h o u l db eu s e d b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ep r o p e r t yo fn i t r o g e n ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e s t h ep r e s e n tc o m m o n i yu s e di n j e c t i o ns y s t e mo fn i t r o g e n ，a n ds t u d i e st h e f u n d a m e n t a lp r i n c i p l eo fi n j e e t i n gn i t r o g e nt oe n h a n c e do i lr e c o v e r y t h e f u n c t i o nm e c h a n i s mo ft h en i t r o g e ni n j e c t i o nu n d e rt h ed i f f e r e n tr e s e r v o i r f l u i dp r o p e 啊a n dg e o l o g i cc o n d i t i o ni sr e s e a r c h e d a n dr e l e v a n tm a t c h i n g t e c h n o l o g i cr l e a s u r e s i s d e v e l o p e d m o r e o v e r , t h i sp a p e ra n a l y s e st h e a p p l i c a t i o ne x a m p l e so fh e a v yo i lw i t h 埘e c t i n gn i t r o g e ni n s u l a t e dc l e a n u p t e c h n i q u e ，a n df r a c t u r ea c i d i z i n gw e l lw i t hn i t r o g e na i r l i f tf l o w b a c k ，a n d p r o p o s e st h ei m p r o v e m e n tm e a s u r e s k e y w o r d s ：n i t r o g e ni n j e c t i o nt e c h n i q u e ，e q u i p m e n t s o fm a n u f a c t u r i n g n i t r o g e n , i n s u l a t e dc l e a n u p ，a i rl i f t 1 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中 国石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示了谢意。 0 2 , 9 ；矿f i 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 学生签名：丕盔盗。跏7 年 万月弓一日 导师签名： 丝鱼! 丑妒7 年寸厂月，。日 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章油田现场制氮注氮设备 第1 章油田现场制氮注氮设备 1 1 氮气设备在油田开发中应用概述 注氮气提高采收率工艺对油田所在地理位置及所外环境无特殊要 求，即潮湿、干旱的气候，平原、丘陵或山区等不同地形，陆上或海上 的环境都可用。同时适合的油藏类型也很广泛，砂岩或页岩油藏、凝析 气藏或较重质油藏以及油藏的大小或深浅都不受限制，甚至对于那些开 发时间较长，己接近衰竭的油藏以及还处于开发早期的油藏也均适用。 氮气的气源比其他气体来源广泛，价格也便宜得多，因此，氮气提 高采收率的方法在近年得到较大的发展。经过大量的室内研究认为，通 过注氮气非混相驱提高油田采收率的机理是： 靠重力分异作用，排替出被重力捕集在缝洞中的残余油； 1 靠注入的氮气溶解于原油，使原油体积膨胀，其排油作用降低了地 层剩余饱和度； 改变流体流动方向，驱替裂缝流道中的剩余油。 靠油气重力分异作用，回采构造上部注入水未能波及到的剩余油。 此外，注氮还可以用于油气井投产，即气举排液诱喷，注水井气举 排液，排除气井井底积水、积砂恢复生产，注气注氮试注，原油罐封顶 清罐，扫线试压等方面得到较广泛的应用。 油田现场对制氮装置的要求： 油田现场制氮注氮装置包括两大部分：一是制氮，二是将制出的氮 气按不同的配置要求注入到地下油藏中。油藏的油质、地层结构、制氮 用途，以及对氮气的纯度和产量的要求，决定制氮设备。 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章油田现场制氮注氮设各 乱注氮装置包括氮气压缩( 增压) 机、注氮管线、注氮井口及计量 控制装置，注入氮气的压力取决于被注入地层的压力，一般在1 0 4 0 m p a 。 b 篇0 氮注氮装置应具有移动性，因为当一个油田( 井) 注入氮气提 高采收率后，下一步的开发有可能要采用其它的新的设备，制氮注氮装 置要便于挪动，对整个制氮注氮装置的设计、制造和安装都具有较高的 技术要求。 c 应适宜野外作业的工作环境，由于油田大都处于环境比较恶劣的 野外地区，年均温差较大，供电、供水供暖困难，风沙大，井场道路差 等，所以整个装置供电、水冷却及空气过滤系统以及工人操作环境等都 应适合野外运行，由此对装置的运行、维护及管理提供一个舒适的工作 条件。 d 由于制氮注氮装置在野外环境运行，由此对装置的运行、维护及 管理提出了更高的要求，应满足体积小、便于撬装、启动快、寿命长、 稳定、可靠性好等要求。 1 2 空分制氮设备工作原理及优选 为满足油田现场制氮的需要，一般应选用空气分离制氮方法，即深 冷、分子筛( p s a 法) 和膜分离三种方法中的一种。 ( 1 ) 深冷空分制氮方法 深冷空分是传统的制氮方法，先将空气液化，然后根据空气中的氧 和氮的沸点不同，将液化空气在精馏塔中的进行多次蒸发和冷凝( 此过 程称为精馏) ，并经过多次传质和传热过程，达到分离氮气的目的。深 冷空分制氮量范围广，工艺成熟，产品纯度高，但是它的费用高同时储 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章油田现场制氮注氮设备 运困难，不符合油田流动作业基本要求。 ( 2 ) 分子筛空分制氮方法 是7 0 年代为节能而开发的一种适宜于中、小型制氮规模的技术。 它是利用充满微孔晶体的分子筛对气体分子进行选择性吸附的一项技 术，具有工艺流程简单、设备易制造、操作简便、投资省、占地面积小 等优点。 常规的碳分子筛制氮机理是由两个各装有两个碳分子筛的塔并联 组成，通过交替进行加压吸附产氮和减压解吸再生的变压吸附操作实现 氧氮分离。它的缺点是：由于阀门的寿命很短，允许吸附的时间很短， 阀门切换非常频繁，再加上分子筛反复使用和再生后产生的劣化现象会 使吸附容量下降。其原因是吸附剂易补充碳、聚合物、化合物等覆盖， 以及温度转换使吸附剂易产生半熔融，致使部分微孔消失、化学反映易 使吸附剂微孔结晶受到破坏。此外，分子筛在气流的冲刷下易粉化和饱 和，导致分离系数低，耗能大，使用周期短，需要定期分筛填充分子筛。 从总的来看，分子筛制氮是动态运行的，各关键零部件质量出一点故障 或磨损都影响整机运行，造成保持稳定注入浓度、压力、气量方面的困 难，尤其是由于井场与道路和震动易造成分子筛的松动。从而导致运动 部件出故障。 ( 3 ) 膜空分制氮方法 膜分离制氮是8 0 年代国外新兴的高科技技术，属高分子材料科学， 虽然起步较晚，但发展较快，是工业战线上的一场技术革命。 随着现代生产和科学技术的飞跃发展，人们对分离技术提出了越来 越高的要求，由于能源紧张，分离过程中的效率和能耗越来越受到人们 的关注，用户对制氮设备的工作可靠性和连续工作的稳定性要求越来越 3 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章油田现场制氮注氮设备 严格。膜分离制氮正是克服了变压吸附制氮的主要弊病而新近发展起来 的最先进的空分分离技术。 膜分离制氮的原理是：以化学位差为推动力，利用分离膜( 两相间 的相介质) ，通过促进或限制两相间的特定物质传递来实现混合气体或 液体的分离( 如图1 - 1 ) 。膜分离技术利用一种具有特殊选择分离性的有 机高分子和无机材料来形成不同形态结构的膜( 如图1 2 ) ，在定驱动作 用下通过双元或多元组分透过膜的速率不同具有选择性渗透和扩散的 特性，来分离和纯化气体。 t w 1 【承墓 氯气东纛 图1 1 膜制氨原理 环氯柑 帼壳 图1 2 单根膜结构 接头 一榻( i p o 善蘑气体( 主要为氯气和东矗 ) 图1 3 膜总成 按膜的结构可将固体膜分为多孔膜和非多孔膜两大类，控制膜的材 质可分为无机膜或有机膜，对气体膜常用的是高分子聚合膜，由几百万 根膜组合在一起为膜总成( 如图1 3 ) 。 多孔膜的渗透机理：混合气分子经膜的微孔呈诺森流( 分子流) 穿 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章油田现场制氮注氮设备 过膜，膜的微孔直径一般为数十到数百a ，只有等于或小于气体分子在 压力作用下，首先在膜的高压侧接触，然后吸附、溶解、扩散、逸出。 通过非多孔膜的气体迁移是根据溶解扩散的机理而进行的。 对非多空膜，气体透过膜的量为： q = 剧巴l ( 1 - i ) 分离因数( a ) 的表达式为： a = q | q 8 = p l p 8 ( 1 - 2 ) a p = 鼻一b ( 1 - 3 ) 超细化中空纤维膜空分制氮系统具有如下特性： 能耗低。超细化中空纤维膜由于表面积大，具有高的分离系数，比 其它空分设备能耗要少1 5 2 5 ，可降低生产成本5 0 可靠性高。与其它空分设备不同，中空纤维膜空分制氮系统没有移 动的部件，在静态下运行，极少需要保养，边疆运行可靠性高。由于无 阀门，所以不需定期更换移动组件。 寿命长。使用寿命可达1 2 1 5 年。 技术可靠。自8 0 年代中期投放市场以来，己有数千套设备在世界 各地运行，从未发现质量问题。使用效果良好。 增容简单。若需增加产氮量，只需并联增加膜组件即可 体积小，重量轻。占地少，可以做成移动式、壁挂式，不需基建投 资，安装费用低。 多种规格。产量可由0 0 1 n m 3 h 增大到5 0 0 0 n m 3 1 1 ，可同时得到 9 5 9 9 5 氮气与3 0 3 5 的氧气。 露点低。膜分离可将氧气及湿气同时分离出去，所产的氮气露点低， 5 中国石油大学( 华东) t 程硕士学位论文第1 章油田现场制氮注氮设备 一般小于- 6 0 c 瞬时启动。开机、停机既方便又迅速，操作简便。 自动化、电脑化。氮气纯度、产氮量、温度压力均可由电脑控制。 ( 4 ) 三种空分方法对比 表1 - 1 深冷法、分子筛法与膜分离法制氮基本参数比较 基本性能 深冷法 分子筛法 膜分离法 原分离介质将空气液化。根据氧和氮沸碳分子筛加压吸中空纤维膜 分离原理点不同达到分离目地附，减压脱附渗透率不同压 理力下分离 能耗能部件压缩机加热设备空压机空压机0 4 耗电( k 帅n m 3 )大于0 6 2 d 4 0 60 5 耗成本( 元n m 3 h 大于0 6 d 30 2 0 5 氮产量( n m 3 )小于1 0 0 0 d 0 1 5 0 0 0 设氮气纯度( )大于5 0 0 9 8 9 9 99 8 9 9 9 备露点( ) 9 9 9 9 9 9 9 小于一4 0 4 0 6 0 性启动时间 2 0 h3 0 m i nl m i n 能维修量运动部件多，大频繁，量大无运动件。少 分离介质寿命 5 1 2 年1 2 芷 工艺流程复杂一般简单 设备状态只能固定只能固定固定、移动 厂房面积最大一般最小 冷却水很大 很少很少 基 厂房高度1 2 米局部4 1 0 米4 米 电容量最大较少最少 本 外形尺寸体积最大增容困难体积较小体积最小 增容 低增容困难可增容 要 自动化程度 不能一般电脑控制 随即开停车专用厂房投资大一般容易 求 基本投资4 人以上专用厂房 设备无基础 操作人员专业安装l 2 人1 2 人 特殊要示铰高 运行费用 一般铰低 1 3 辽河油田“n p u 6 0 0 现场制氮注氮装置” 此装置分为制氮和注氮两个单元。制氮单元由空气压缩机、氮气 发生系统等组成；注氮单元由氮气增压机、泡沫发生器等组成。制氮单 元所制出的氮气根据需要纯度连续可调；而通过注氮单元注入油井中的 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章油田现场制氮注氦设备 氮气的压力可根据实际注气压力调节，最高压力可达2 5 m p a 。根据油田 现场的具体情况，井场分散，运输道路条件不佳，且由于野外作业，环 境恶劣，因此该套设备的水冷却系统、空气过滤系统、供电系统等都选 配能适应野外作业要求的设备。制氮注氮装置采用制氮单元和注氮单元 分别撬装在两台太拖拉t 8 1 5 2 型运载汽车上，到现场后两台设备进行 联结。这种结构使得该设备具有现场适应性强，且体积小，便于撬装， 启动快，操作方使，能耗低，寿命长，稳定可靠性好，运输方便的特点。 n p u - 6 0 0 油田现场制氮注氮系统氮气分离部分是引进美国m g g e n e r o n 中空纤维膜分离制氮系统，捷能( g e n e r o n ) 膜分离制氮 注氮系统由空压机、过滤器、冷冻干燥机、和节能膜分离器组成。它的 工作原理是( 见图1 - 4 ) ，压缩空气经过过滤器进入分离器后，空气中的 水蒸气以及少量的二氧化碳快速透过膜的低压外侧排放，而氮气因透过 膜的速率相对较慢，留在膜的滞留侧被富集。富集后的氮气其出口压力 近似为进口压力，动力损耗小。捷能氮膜系统可以将廉价的空气中的氮 含量从7 8 提高到9 5 以上，最高甚至可以达到9 9 9 的含氮量。 膜制氮注氮系统由以下几部分组成，即 a 移动式空气压缩机； b 氮气发生系统； c 氮气增压系统； d 表面活性剂储存、标定、增压和蒸汽泡沫注入系统( 对于采取 此工艺时使用) ； e 计量系统。 7 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章油田现场制氮注氮设备 井口 图1 4 制氨注氨系统工艺流程图 主要技术参数：氮气纯度9 5 、氮气流量6 0 0 n m 3 h 、注入压力 2 5 m p a 、化学注入量0 3 0 0 l h ( 可调) ，系统各硬件配置如下( 见附图) 空气源系统：螺杆式空气压缩机 排气量1 2 7 0n m 珈 排气压力1 2 5 b a r 引擎c a t e r p i l l a r3 3 0 6 t a3 0 0 h p 油过滤器、后冷却器 空气处理系统：冷干除机 h a n k s i o n 三段过滤器 8 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章油田现场制氮注氮设各 m e s s e r6 0 0 空气加热器 吸附式空气过滤器 空气处理指标：颗粒度 0 0 1 1 a n 含油量 o 0 1 p p m 空气温度3 s _ _ 4 5 膜分离制氮系统：中空纤维膜g e n e r o ng l 7 2 0 0 控制系统氮气纯度操作温度 氧分仪再线检测 产出气氛压力 1 0 m p a 纯度9 5 流量6 0 0 n m 3 h 氮气增压系统：吸入压力0 8 m p a 排气压力2 5 m p a 排气温度 7 0 风冷式油润滑 引擎c a t e r p i l a r3 3 0 6 t a3 0 0 h p 化学剂储存计量系统：储存罐1 5m 3 定量泵0 - 3 0 0 l h 混合系统：气液混合器 高压管汇 9 第2 章注氮气提高蒸汽吞吐效果的机理及技术研究 2 1 稠油井注氦气提高注汽效果机理 2 1 1 氮气基本性质 氮气是一种惰性气体，它的密度、粘度、导热系数都较低，在水中 溶解度低，不易与地层流体及岩石矿物发生反应，可避免乳化、沉淀、 堵塞地层的情况发生，也不腐蚀地面及井下设备，不助燃，不易爆，安 全可靠( 见表2 1 ) 。氮气压缩系数大，膨胀能力强，弹性能量大，是举 升与驱动油流的理想气体。氮气占空气体积约7 8 。采用先进的膜分离 制氮技术，立足于现场，就地取材，利用取之不尽的空气廉价资源，高 效、快捷地源源不断生产出大量纯度9 5 以上的氮气直接注入井中。因 而价格低，来源广，施工方便，成为氮气应用技术全面大规模推广的物 质基础。 2 1 2 提高注汽效果的机理 提高驱油能量 ( 1 ) 氮气压缩系数大 氮气的压缩系数比c 0 2 、天然气、烟道气都要大得多，是c 0 2 的三 倍。它的压缩系数受温度影响较小，其原因在于氮气的临界温度较低。 因此，即使在高温注气条件下，压缩系数仍较大。由于氮气的压缩系数 大，而储存能量大，当降压后易膨胀，大的弹性能成为驱替与举升地下 流体的强大动力。因此，氮气被称之为增能型气体。 ( 2 ) 氮气的体积系数高 氮气的体积系数比同类气体诸如烟道气、天然气、c 0 2 都要高。它 的体积系数是随着压力、温度的变化，与压力成正比，与温度成反比。 1 0 表2 - 1 氮气物理性质 物理性质及条件 法定计量单位其他单位 l化学分子式 n 2 2分子量2 8 0 1 3 4 相对密度( 空气= 1 ) ，2 1 ， 3d 9 6 6 9条件：7 0 0 fl a t i n a 1 0 l m p a 4气体密度2 l ，0 i o i m p a1 1 6 0 5 k g m 3d 0 7 2 4 5 磅英尺3 5标准沸点 1 9 5 7 6 3 2 0 3 6 0 f 6汽化热1 9 9 xl o s j k g8 5 6 英热单位磅 7临界压力 3 4 m 咿a 4 9 2 9 磅，英尺 8临界温度 1 4 7 2 3 2 4 0 f 9临界点密度 3 1 i k g m 3 1 9 4 1 5 磅，英尺3 l o三相点压力 d 0 1 2 5 m p a 1 8 1 9 磅，英尺2 1 1 三相点温度 2 l o 3 4 6 0 1 0 f 2三相点密度 9 6 7 k g m 5 4 1 3 磅，英尺3 1 3恒压比热2 5 d 2 4 8 8 1 4比热比2 1 1 4 0 1 4 1 5粘度系数2 5 c 1 1 7 9 6 l o - 7 p a s1 1 7 9 6 微泊 1 6导热系数o 1m p a ，0 c d 0 2 2 8 、，( m k )d 0 1 3 2 英热单御英尺时0 f 1 7液氮密度 8 0 8 2 3 k g m 3 5 7 4 5 磅加仑 1 8液氮折合气态氮的体积5 9 6 5 m 3 ( 气) ，m 3 ( 液：9 3 i i 英尺3 ( 气) 珈仑( 液： 氮气体积系数高，意味着注入相同体积的气体，氮气可驱替与举升 更多的油、气，优越性较大。 ( 3 ) 氮气柱静压头低 p = p g d x ( 2 - 2 ) 氮气柱静压计算方程 p m 。z 尺7 a p ：f 丝删 jp m 卜高差，mz 一压缩因子 ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) 卜压力，m p a胄通用气体常数 p 密度，k g m 3卜温度， p = p a x g ( 2 5 ) 因为氮气的密度小，所以静压柱低，根据方程计算得知，当井口 压力为5 m p a 时，1 0 0 0 m 井深的氮气柱，其静压柱仅为0 6 0 8 m p a 当 用氮气驱替与举升井筒流体时，其混合液流压力梯度小，消耗能量少。 等于增加了举升能量。 ( 4 ) 氮气摩阻系数小 由于氮气密度低，粘滞系数小、流动性能好、摩擦阻力小，不论 在地下多孔介质中或井简举升中，氮气沿程阻力小，耗费能量少。也同 样起到相当于增加地层能量的作用。氮气摩阻曲线见图，从图中可得知， 若用5 0 m 3 m i n 大排量在内径6 2 m m 油管中注氮( 压力7 m p a ) ，每1 0 0 0 m 井筒中摩阻力仅为0 4 5 m p a 。 ( 5 ) 氮气容易形成泡沫 氮气容易与井筒或地下流体形成泡沫。当加入发泡性能良好的发泡 剂时，所生成的氮气泡沫，其体积可膨胀3 1 0 倍地下流体的体积。同 时，由于泡沫粘滞性好，携带流体能力强，滑脱损失少，更有利于驱替 与举升地下流体 提高热能利用率 ( 1 ) 隔热保温 氮气导热系数低，仅为0 0 2 8 8 w m k ，是理想的隔热保温材料。在 注汽的同时注氮，可有效地防止井筒及地层上下岩石的散热，大幅度地 降低热损失，确保蒸汽的干度。从而提高注汽效果。 1 2 ( 2 ) 扩大热源载体 氮气体积大，在注汽的同时注氮，可大幅度地增加热源载体，从而 提高注气的波及体积，能有效地改善注汽效果。 ( 3 ) 防止蒸汽超覆 蒸汽与原油密度相差悬殊，注汽时，蒸汽发生重力超覆，导致蒸汽 进入上部油层，而中、下部的油层得不到加热，严重影响了热采效果。 氮汽密度比蒸汽低，优先占据上部空间，迫使蒸汽下行而加热中、下部 油层。 ( 4 ) 缓和蒸汽指进与汽窜 由于蒸汽与原油的粘度及流动度的差异，注汽时，不可避免地发生 蒸汽指进、舌进、甚至气窜，严重地影响注汽效果。氮气容易与地下流 体形成粘稠的泡沫，能有效地缓和与抑制蒸汽的指进与气窜。 ， ( 5 ) 调整吸气剖面 蒸汽密度低，注汽时，发生重力超覆，蒸汽升至油层上方。加之油 层间的不均质性，各层间的物性差异大，蒸汽优先进入物性好的油层。 随着吞吐轮次的增加，每况愈下，导致蒸汽仍仅局限于加热上部及物性 好的油层，其他油层未能受益。使整个纵向剖面上的低渗油层动用程度 低。氮气泡沫粘稠度大，可封堵高渗透层，并在已采空的含油饱和度低 的油层中形成稳定的泡沫。大幅度提高注汽压力，从而蹩开低渗油层， 诱导蒸汽流转向进入中、下部及其它物性差的油层，使全部油层都得到 启动 ( 6 ) 提高加热效果 蒸汽粘度低、流动性能好、流速快。蒸汽热采时，气流快速通过油 层，未能对油层充分加热，致使热采效果不尽人意。若用氮气泡沫，既 1 3 扩大了热源载体又缓和了流速，使之缓慢地流经油层，充分进行热变换。 成倍提高加热效果。同时，氮气助排，排水率高，避免井底积水。因水 的比热大，地下积存大量冷凝水，将大幅降低蒸汽的干度，严重影响热 采效果。 提高驱油效率 ( 1 ) 提高地层导流能力 氮气分子量小，粘度系数低，在2 5 ( 2 时仅为1 1 7 9 6 x1 0 一p a s o 渗 透能力强，容易进入地层狭小的孔喉与细缝。加之注氮速度高、冲刷力 大，可净化井筒及地层，疏通岩石孔喉通道，大幅度提高地层的导流能 力，同时驱扫岩石缝洞中的残余油。 ( 2 ) 辅助驱油 氮气加入一些活性物质，与油层中的地层水容易形成泡沫，能有效 地降低油、水界面张力，改善岩石表面润湿性。使原来呈束缚状态的原 油，通过油水乳化、液膜置换等方式成为可流动的油。加之当泡沫流经 地层的孔喉时，气流发生变形，压力梯度增高，能克服毛管压力作用， 将束缚油驱替出来。 ( 3 ) 混相与抽提作用 在合适的压力与温度条件下，氮气与原油可通过多次接触，达到动 力混相，降低界面张力，起到混相驱作用，并在氮油接触前沿，可 发生抽提作用，以提高驱油效果。 ( 4 ) 增加生产压差 氮气密度低，静压柱小，举升油流时，油氮混合液柱梯度小， 对地层回压低，能有效地增加生产压差，诱导油流效果好。 ( 5 ) 油井投产快 1 4 注氮助排，排液速度快，使油井早日投产，以便能抓住井底高温的 最有利时机，尽快采油，以便于提高油井产量。 2 1 3 稠油热采过程中n 2 注入方案 从氮气基本性质研究入手，深入剖析了氮气对提高注气效果的机 理。以此理论为依据，结合油气藏开发的各个不同时期各区块、各层系、 各井组的具体特点，有的放矢，科学地优选注氮工艺方案十分重要。即 便成熟、完善的工艺技术，若选井不当，也难以达到预期效果。相反地， 若能针对油井的实况，对症下药，优选合理的工艺方案，则能达到事半 功倍的效果。 2 1 3 1 低轮次吞吐n 2 注入方案 ( 1 ) 初期注汽的特点：油层能量足、压力高、含油饱和度高、层 问差异小、地下积水少。因此在一般情况下，不必注氮助排，仅需用氮 气隔热、保温，防止套管损坏。 低轮次吞吐的特点是：油层能量自然下降、压力较低、地下积水增 多。 ( 2 ) 针对低轮次吞吐应选则如下工艺方案： 氮气隔热：利用氮气的导热系数低，把氮气注入油套管环形空间， 起到隔绝注蒸汽时井筒油管壁的热能损失。 注氮助排：提高地层能量，扩大热影响区，提高纵向动用程度。 2 1 3 2 高轮次吞吐n 2 注入方案 ( 1 ) 高轮次吞吐的特点： a 、油层压力低、能量不足。 b ，层间物性差异加大。 1 5 c 、上部及物性好的油层含油饱和度显著下降，甚至采空，出现枯 竭。相反地，下部及物性差的层系资源动用甚少。 d 、高渗透层、大孔道、裂缝带也可能相继出现，使蒸汽热能大量 流失。 e 、地层产出冷凝水越积越多，使蒸汽温度大幅度下降，蒸汽干度 明显变差。 ( 2 ) 工艺方案： 氮气隔热。 氮气助排、驱替地层深部积水。 氮气泡沫高温调剖。 2 1 3 3 蒸汽驱套2 注入方案 ( 1 ) 蒸汽驱特点： a 、蒸汽向油层上方超覆。 b 、蒸汽穿越油汽前沿发生指进、舌进或汽窜。 c 、层间吸气差异大。 d 、可能出现高渗透、大孔道或裂缝，使蒸汽大量流失。 e 、蒸汽流失快，仅是匆匆通过地层，加热不充分。 ( 2 ) 合理的工艺方案： 氮气隔热。 氮气泡沫深部调剖。 蒸汽+ 氮气泡沫段塞驱。 1 6 2 2 氮气隔热、助排的工艺技术研究 2 2 1 工艺方案优化设计 2 2 1 1 氮气注入量的选择确定 ( 1 ) 选择依据 a 、油层特性：若油层压力系数及渗透率较低，孔喉细、排液不通 畅，则注氮量需加大。 b 、油层埋藏深度及注汽压力：若井深、注汽压力高，则氮气压缩 系数大，地面氮气需要量增加。 ( 2 ) 优化设计 注氮量与注汽效果呈非线性关系，注氮并非越多越好，若注氮量过 多，非但无益，反而有害： a 、氮气温度低，容易冷却地层 b 、注氮量大，把原油推向远方，不利于返排投产。 c 、氮气在地下形成厚度大的段塞，阻挡稠油与蒸汽接触，同时又 大幅度降低蒸汽前沿的温度。 注氮量过少，助排能力不足，未能达到预期效果，根据现场实践经 验，注氮量宜控制在作用半径2 3 m 以内，使不至于影响汽一油接触， 降温不明显，也能提供充足的反排驱动能量。一般1 0 0 0 2 0 0 0 m 井深， 油层厚度8 1 2 m ，注汽温度3 0 0 3 3 0 c 的条件下，地面注氮量1 5 0 0 2 5 0 0 m 3 较为合适。 2 2 1 2 注氮时机确定 ( 1 ) 新轮次注氮前 作为一般性的以隔热、助排为目的的注氮措施，可选择为前置段塞 1 7 式，即在新的轮次注汽前注氮，再接着注汽，工艺连续。这可避免氦气 扩散，又缩短作业工期。 ( 2 ) 前轮次产油结束后对于高轮次吞吐的热采井，由于重复吞吐， 地层残存大量蒸汽凝结的冷凝水，造成以下危害： a 、使油层的油、水相渗透率发生变化，防碍油流入井。 b 、水的热容量大，消耗大量热能，影响热采效果。 注氮气诱导排水是有效措旅，因地层积液太多，需要注入大量氮气 才凑效。一般需注入相当于作用半径5 l o m 的氮气量，即8 0 0 0 2 0 0 0 0 m 3 。注氮后需降压排水引产。若单纯靠压力释放，氮气膨胀作功排水仍 未见到油流产出，需借助于举升设备( 深井泵等) 排水引产，直至见油 后才能开始下一轮注汽。 2 2 1 3 注氮速度 假若井下情况许可，注氮速度宜快，高速氮气流可冲刷洗涤井筒及 岩石缝洞的脏物，疏通孔喉通道，同时节省作业时间，高速注氮，可提 高注氮压力，使氮气储存更多的能量，以使降压后，释放更多的驱动能 量。 2 2 2 氮气隔热、助排技术的现场应用 利用氮气导热系数低的特点，在注汽热采中进行隔热、保温，以取 代隔热管+ 封隔器的老式隔热方法。并在注汽的同时，往地层注入适量 的氮气，以提供驱替油流及冷凝水的能量，可显著地提高注气效果。 1 8 图2 - l 注氮气助排 氮气隔热、助排技术的方法是从中心光油管中注汽，在油管与套管 环空中注氮进行隔热，同时注入适量的氮气以便助排( 如图2 - 1 ) 。 现场应用及效果 ( 1 ) 在辽河油区，各个采油厂已全面大规模推广应用6 5 0 多井次， 累计注氮1 0 2 1 0 4 m 3 ，有效率达9 5 以i - 。 ( 2 ) 井筒热损失下降2 8 ，套管伸长小于6 e m ，套管温度下降l o o 1 2 0 。 ( 3 ) 隔热效果优于隔热管+ 封隔器，单井费用降低7 0 0 元。 ( 4 ) 回采水率提高1 0 3 5 ，个别井组提高3 5 0 。 ( 5 ) 单井增产原油5 1 5 ，个别井达3 5 以上( 见图2 2 ，图2 - 3 ， 图2 - 4 ) 。 1 9 图2 - 2 助排井施工前后含水对比 图2 - 3 平均含水曲线图 2 2 3 氮气隔热采油一次管柱 施工方法： 用光油管将泵筒下入井底，从油管中注汽，从油套环空注氮。 炯井后开井，先将泵柱塞就位，再开抽，即可投产( 图2 5 ) 。 2 0 2 0 0 4 曙采助捧井施工前后两周期平均日产油对比图 i - p 咖i q p 哪l 一3 gp n “1 日h l - 7i - 堋 团 图2 4 施工前后平均产油对比 现场应用及效果 全油田推广应用近1 2 0 多井次，成功率9 2 以上。 节省隔热管、封隔器及井下作业费用，每井次节约3 2 万元，每 吨油成本下降6 0 3 元。 单井增产幅度1 0 3 0 。 曙光杜8 4 - - 3 0 1 4 3 井注汽温度监测 初期注氮气3 0 0 0 m 3 ，压力1 0 i m p a ，分别在8 m 、4 0 0 m 、6 0 0 m 利 用热电偶在三点测取温度值如表2 2 。 结论： l 、下保温管氮气隔热效果明显优于封隔器隔热管。 2 、温度分布规律是上部高，下部低，随着注气量增加温度上升缓 慢。 2 l 图2 - 5 注汽一隔热采油一次管柱 表2 - 2 沿井筒温度分布表 序号上部温度中部温度下部温度注汽量 l1 0 0 29 5 29 0 19 6 0 2 1 0 2 5 9 6 79 0 51 3 4 4 3 1 0 4 39 8 19 0 5 1 7 2 8 41 0 5 79 9 39 0 52 1 1 2 5 1 0 7 51 01 49 1 71 4 9 6 61 0 8 2i 0 2 29 1 92 8 8 2 71 0 9 91 0 3 39 2 33 2 9 0 81 0 9 61 0 4 ，2 9 3 43 6 9 8 91 1 1 81 0 6 1 9 4 - 4 4 1 0 6 l o1 1 2 71 0 7 29 5 44 4 4 6 2 2 4 驱替地层深部积水 高轮次吞吐后期，地层中残存大量冷凝水，严重影响注汽效果，需 要注氮驱替地层积水，净化油层。 工艺方案优选 ( 1 ) 单纯注氮 a 、优点：工艺简单、施工方便、成本低。 b 、缺点：滑脱损失大、效率低。 c 、适用范围：井浅、油层厚度小、地层积液较少。 ( 2 ) 原生泡沫驱替：从采油井口一翼注氮，另一翼注发泡剂水溶 液，在井筒中形成泡沫后再注入地层。 a 、优点：泡沫驱替积水效果好，效率高。 b 、缺点：注入泡沫量大，成本高。 c 、适用范围：油层渗透率、孔隙度较低，孔喉道较细、地下残存 水量大。 ( 3 ) 次生泡沫驱替：从地面注入氮气与纯度高的发泡剂入井，当 两种介质进入地层后，与地层中的水接触，在液流的推动与搅拌下形成 泡沫。 a 、优点：注入量少，成本相对便宜。 b 、缺点：泡沫质量不稳定。驱替效果略低于原生泡沫。 c 、适用范围：适用于地下残存积液特别多，地层孔隙度、渗透率 较大的油层。 施工方法： 一次作业：一次性注入足够的氮气或泡沫，接着返排。适用于井 底积水较少的油井。 重复作业：当地层残存积水量过大，一次作业难以将积液排净， 需重复多次注氮( 泡沫) 返排作业。必要时，需借助于其它举升工 具辅助排液。 第3 章氮气泡沫在高温及深度调剖中的应用研究 3 1 氮气泡沫高温调剖 3 1 1 高温调剖机理 由于蒸汽与原油的密度、粘度、与流动度的差异悬殊，注汽时，不 可避免地会出现蒸汽向油层上方超覆和指进、舌迸、或汽窜，加之油层 自身的不均质性，致使整个油层纵向剖面上吸气不均。上部或物性好的 油层，吸汽充分，加热效果好，采油量大，含油饱和度下降快，甚至采 空，出现枯竭。下部及物性差的层系，吸汽甚少，甚至完全不进汽，资 源动用少，或几乎从未动用。因此，为挖掘整个层系的生产全部潜能， 需要人为地调整吸汽剖面。氮气泡沫可以有效地调整吸汽剖面，大幅度 地提高注汽效果。其主要机理： a 、诱导蒸汽转向进入物性差的油层 由于泡沫粘度高，流动阻力大，在地下多孔介质中流动，泡沫压 力显著提高，根据物模试验，注泡沫比单纯注蒸汽，压力因子可提高 4 7 3 l 倍。因此注泡沫可以有效地提高注汽压力，从而可以蹩开低渗 透层，诱导蒸汽转向进入其中，以达到调整吸汽剖面、启动中、低渗透 层，提高油层动用程度，增加产量的目的。 由于泡沫粘度高、流动度低，不易进入物性差的层系，而采出 层系高的油层，能让出较大的空间容纳泡沫进入其中。 原油是一种天然消泡剂，当泡沫进入含油饱和度仍然很高的层 系时，泡沫发生消泡，不能形成粘稠、稳定的泡沫。相反地，在采空的 含油饱和度低的上部或高渗透层，即可形成粘度高、流动度差的稳定泡 沫，从而，可有效地封堵采出程度高或渗透率高的层系。 b 、辅助驱油 氮气泡沫中所加入的发泡剂系活性物质，洗油能力强，能有效地 剥离岩石缝洞表面的残余油膜，加之泡沫流动，压力梯度增高，能克服 毛管压力作用，将束缚油驱替出来。 c 、提高加热效果 泡沫通过地层多孔介质时，需要给予足够的压力梯度，使孔喉通 道中的泡沫产生变形与破裂，从而使流动速度大大降低，有效地改善了 原单一蒸汽匆匆扫过油层低效作功的局面，使泡沫蒸汽作为热能载体， 缓慢地流经油层，进行充分地热交换。同时泡沫体积大，也可扩大了热 源载体。因而能够有效地提高加热效果。 3 1 2 发泡剂优选与评价试验 发泡剂虽然种类众多，但在高温条件下，大多数发生裂化分解，其 稳定性差从而影响了泡沫驱油的效果，为此必须通过大量室内试验优选 良好的耐高温发泡剂。 ( 1 ) 发泡剂性能与稳定性试验 a 、把l o o m l 水倒入1 0 0 0 m l 烧杯内 b 、取l m l 发泡液倒入烧杯内 c 、用电动搅拌器在烧杯内搅拌直至得到最大的泡沫粘度 d 、把泡沫倒置到1 0 0 0 m l 量筒中，测出泡沫体积 e 、用秒表测量半衰期( 停止搅拌后静止时，铡出从泡沫中排出5 0 m l 液体的时间) 。 ( 2 ) 发泡剂浓度优选实验 方法如( 1 ) ，分别用o 5 m l 、0 8 m l 、1 2 m l 、1 5 m l 、2 o m l 不同量的 发泡剂作重复试验，优选出用量少、发泡倍数高、半衰期长的最佳浓度。 ( 3 ) 耐温试验 将发泡剂放入高温反应釜内，调节不同的恒温反应温度及时间，尔 后，再测定活性有效物质残存量。即可得知热降解率。 表3 - 1发泡性能及稳定性试验 l 号2 号3 号4 号 泡沫体积( m 1 ) 4 0 05 2 04 9 05 6 0 发泡倍数 45 24 95 6 半衰期( r a i n ) 3 25 5 4 8 6 5 表3 2 发泡剂耐温试验( 2 号样品) o 5 o 8 1 1 2 1 5 2 发泡倍数 34 55 25 566 5 半衰期( r a i n ) 23 55 55 86 26 8 表3 - 3 耐温性能试验 l 号2 号3 号4 号 温度( ) 3 0 03 4 03 4 03 3 0 时间( d ) 2 1 01 01 0 热降解率( ) 8 0 6 586 o 综合以上试验，2 号、4 号样品可入选，其浓度为l ，考虑价格因 素，最后优选出2 号样品。 3 1 3 物模试验 试验设备 2 6 4 、蒸汽发生器 b 、柱塞泵 c 、压力传感器及数据采集系统 d 、管模及管汇 e 、人造岩心( f 1 2 9 4 ，水相渗透率= 1 4 9 pm 2 ) 试验参数 a 、注水q w = 1 6 m l m i n z l p = 0 0 3 2 m p a b 、注蒸汽纷1 0 m l m i n a p = 0 0 1 2 m p a c 、注发泡剂q 尸1 6 6 m l m i n a p - - 0 0 5 8 m p a d 、注蒸汽泡沫 q o = 1 0 m l m i n q n = 1 0 m l m i nz 3 p - - 0 2 4 - 0 3 2 8 m p a 返出泡沫 q p = 1 0 m l m i nq n = 3 3 m l l m i n a p - q ) 3 2 8 0 3 7 6 m p a 返出泡 试验结论 a 、含有一定干度的蒸汽，其气相与液相与发泡剂相遇即可产生泡 沫。 b 、注蒸汽泡沫比单纯注蒸汽压力因子( 阻力系数) 可提高3 1 1 倍。 压力因子= 糯= 3 1 3 ( 3 1 ) 注蒸汽泡沫压力变化情况 蒸汽泡沫与氮气泡沫性质基本相同，由于注氮速度不易控制，故用 力型蒸汽发生器产生的蒸汽来代替氮气。 3 1 4 参数优化设计 要求：在油层深部当蒸汽汽相8 0 已冷凝情况下，氮气泡沫质量为 6 0 以上，以此标准设计n 2 注入速度。 2 7 ( 1 ) n 2 注入速度设计 q 一一h _ 1 0 0 i 功i i r _ 注蒸汽速度 弘8 0 一蒸汽干度 q w = 1 0 0 l 8 0 = 8 0 i m i n 8 0 液相联系冷凝时的注液速度 设计氮气泡沫质量q 庐6 0 卵：黑 ( 3 - 2 ) 级2 + 级 7 卵：+ 瓯) = 鳊： ( 3 3 ) 鳊2 = o 6 q t v 2 + 0 6 x 8 0 4 8 120l坍in：72脚3i,(地下)(3-4)04 一 计算注氮地面速度 假设油层深度l l o o m ，压力1 2 m p a ，温度3 2 0 ( 2 ，体积系数6 2 ，地 面氮气注入速度：6 2 1 2 0 l = 7 4 4 0 m 3 m i n = 4 4 6 m 3 h ( 地面) ( 2 ) 计算注发泡剂速度 发泡剂浓度按1 2 ( 占液体体积1 2 ) 注液速度8 0 l r a i n q f = 8 0 x1 2 = 1 l m i n = 6 0 l h ( 3 5 ) 设计作用半径4 m ( 直径