膜制氮技術在油田開發中的應用前景

范 勇 蘇 川 彭明昌

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

隨著技術的不斷進步及行業標準的不斷提高，在石油工業的發展過程中，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勢及豐富的開發應用前景，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。空氣、天然氣泡沫在油井或井場中有爆炸的危險，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定劑，形成穩定的氮氣泡沫，

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，穩定性好，不易與其它物質發生化學反應。氮氣泡沫流體密度低而且方便調節，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，十分方便。對于低壓漏失井作業，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 泡沫流體的穩定性

從熱力學角度看，泡沫有較好的穩定性，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定性，常常加入稠化劑，得到較好的穩定性。

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，在各種作業中調節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中的應用

3.1 修井作業中的應用

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。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修井液有很大的優勢，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，揮發性強，且埋藏較深，空氣氣舉安全性差，常規抽汲排液速度慢，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，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 鉆井作業中的應用

在鉆井作業中，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、分枝井的迅速發展和連續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 在壓裂作業中的應用

在壓裂作業中，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。混氣壓裂不但能降低低滲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。縱觀技術發展方向，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化，通過技術進步膜制氮施工自身的潛力會被進一步開發，隨著應用的深入，也將成為油氣田增產的常規技術之一。

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