氮氣輔助蒸汽吞吐技術研究及在大慶稠油油藏的應用

賈 娜

（中國石油大慶油田有限責任公司勘探開發研究院，黑龍江大慶163318）

大慶油田稠油區富拉爾基區塊主要目的層薩二、三組油層深度470 m，砂巖膠結疏松，含油飽滿的砂巖一般呈砂糖狀松散狀態，有效孔隙度23.0%～39.49%，空氣滲透率（62～3 650）×10-3μm2，平均含油飽和度為64.2%，地面原油密度為0.8923～0.9396 g／m3，地面原油粘度為841～4242 mPa·s。

1 氮氣輔助蒸汽吞吐提高采收率機理

1.1 改善油藏物性

用含重油巖心進行了注氮氣驅油實驗。實驗巖心孔隙度34%，滲透率2 000×10-3μm2。對巖樣分別注入0.14，0.5，1.5倍孔隙體積的氮氣后，原油組分發生變化。從表1中可以看出，氮氣與重油樣品不斷接觸，輕烴和中間烴被抽提，甲烷含量由45.02%降為2.60%，乙烷和丙烷也明顯下降，重烴（庚烷以上）的含量由22.44%增至60.20%。實驗表明氮氣在稠油中的溶解度在20 m3／m3以下，一般可使地層原油體積膨脹5%；同時飽和了氮氣的原油比水飽和氮氣的原油粘度要低，氮氣-油界面張力大大低于油-水界面張力，界面張力的降低改善驅油滲流條件；另外氮氣對油層中輕質組分及高溫裂解組分的萃取，使得氮氣、輕質組分與蒸汽的混合體在油層中有可能形成近混相或部分混相作用，從而改善蒸汽吞吐效果［1-5］。

1.2 補充地層能量

氮氣為非凝析氣體，不溶于水，微溶于油，其壓縮系數是二氧化碳的三倍，具有比其他氣體（二氧化碳、甲烷、煙道氣）更高的膨脹性；由于這些特點，氮氣進入地層后，能及時補充地層能量，增加地層壓力［6-8］。應用CMG 軟件，模擬了單注蒸汽和蒸汽與氮氣混注的兩種情況下的近井地帶的壓力場分布，結果表明，蒸汽與氮氣混注的近井地帶的壓力要高于僅注蒸汽的。氮氣注入地層后，能局部提高地層壓力，有利于保持地層彈性能量。同時溶解在原油中的氮氣改善原油中的滲流阻力，呈游離狀態的氮氣形成彈性驅，增加了驅動能量，補充地層能量，有利于回采。

表1 注氮氣后樣品的體積分數變化 %

1.3 擴大蒸汽波及體積，提高熱利用率

應用CMG 軟件模擬了氮氣輔助蒸汽吞吐結束后與常規蒸汽吞吐結束后的溫度場，對比結果表明，氮氣輔助蒸汽吞吐時，由于氮氣與蒸汽間的密度差，其會將向上超覆的蒸汽與油層頂部的頁巖蓋層隔離開，從而減少了向上覆蓋層的熱損失，提高注入熱量利用率［9-11］。同時氮氣攜帶部分熱量迅速進入油層深部和上部，增加了蒸汽的波及體積，使井間油層內的剩余油區得到動用。

2 氮氣輔助蒸汽吞吐數值模擬研究

2.1 氮氣與蒸汽的注入方式研究

模擬計算了3種注入方式即：只注蒸汽、先注氮氣后注蒸汽、氮氣與蒸汽同時注入。計算結果表明（表2），蒸汽和氮氣同時混注并不是最好的注入方式。這是由于在開始時氮氣未與蒸汽完全混合，不能滲入地層深部，采氣率較高，所以增產效果不如先注氮氣后注蒸汽。通過數值模擬研究得出，先注氮氣后注蒸汽開發效果最好，比氮氣與蒸汽同時注入增油125 m3，比只注蒸汽的增油679 m3。

2.2 氮氣與蒸汽配比研究

為了確定加氮氣量，模擬了氮氣與蒸汽體積比分別為：15∶1，20∶1，25∶1，30∶1，35∶1，40∶1，45∶1時累積產油量，如表3所示。計算結果表明，隨著混溶比的增加，產油量不斷增加，當混溶比超過35∶1時，隨著混溶比的增加，增產幅度下降，最佳混溶比為35∶1。

2.3 氮氣合理注入速度研究

模擬了4 種注氮速度，即2 000 Nm3／d，3 000 Nm3／d，4 000 Nm3／d，5 000 Nm3／d的吞吐效果，見表4。可見氮氣以3 000 Nm3／d的速度注入時，產油量最大。

表2 氮氣與蒸汽的注入方式對開發效果的影響

表3 氮氣與蒸汽的配比對開發效果的影響

表4 氮氣注入速度對開發效果的影響

3 礦場試驗效果分析

在室內實驗及數值模擬研究的基礎上，在大慶油田富拉爾基稠油區塊進行了礦場試驗。選擇原油粘度為4 000 mPa·s（20 ℃），吞吐5～7周期的油井。根據油井條件，確定設計參數，求出氮氣用量，保證混溶比在35∶1左右，注汽速度為3 000 Nm3／d。截止到2010年12月現場共試驗16井次。與上周期對比，實施油井注氮氣措施后，周期產油、油汽比都有大幅度提高，措施效果顯著。措施井注氮前大部分生產效果極差，周期油汽比低于開采經濟極限油汽比。實施注氮氣后，增加了周期產油量，生產天數延長了51 d，油汽比提高了0.105～0.137，回采水率提高12%～141%，與注氮氣前油井生產效果相比，取得了較好的效果（如圖1、圖2、表5）。

4 結論

（1）氮氣輔助蒸汽吞吐時，溶解在原油中的氮氣改善原油中的滲流阻力，呈游離狀態的氮氣形成彈性驅，增加了驅動能量，補充地層能量，有利于回采。

圖1 Well 1井氮氣輔助蒸汽吞吐與單注蒸汽吞吐產油量對比

圖2 Well 2井氮氣輔助蒸汽吞吐與單注蒸汽吞吐產油量對比

表5 well1井和well2井氮氣輔助蒸汽吞吐增油量

（2）氮氣輔助蒸汽吞吐時，氮氣攜帶部分熱量迅速進入油層深部和上部，增加了蒸汽的波及體積。

（3）氮氣輔助蒸汽吞吐降低蒸汽吞吐熱損失。氮氣導熱系數低，注蒸汽過程中，由光油管注入蒸汽，油套環空注入氮氣，可減小井筒熱損失。同時由于氮氣與蒸汽間的密度差，氮氣會將向上超覆的蒸汽與油層頂部的頁巖蓋層隔離開，從而減少了向上覆蓋層的熱損失。

（4）氮氣輔助蒸汽吞吐時按照以下參數開發效果最好：先注氮氣后注蒸汽，氮氣與蒸汽的注入體積比例30∶1～35∶1，氮氣的注汽速度3 000 m3／d。

［1］ 萬仁溥.采油工程手冊［M］.北京：石油工業出版社，2000：87-90.

［2］ 劉文章.稠油注蒸汽熱采工程［M］.北京：石油工業出版社，1997：120-130.

［3］ 紀佑軍，程林松，劉志波，等.SAGD 過程注氮氣改善開發效果實驗研究［J］.西南石油大學學報（自然科學版），2010，32（2）：108-111.

［4］ 陳曉源.氮氣輔助蒸汽吞吐工藝在面120區的應用研究［J］.鉆采工藝，2004，27（6）：53-54.

［5］ 陳榮燦，霍進，郭新和.稠油注蒸汽加氮氣吞吐試驗研究［J］.特種油氣藏，1999，6（3）：59-64.

［6］ 霍進，黃偉強.淺層特超稠油油藏氮氣輔助蒸汽吞吐提高采收率研究與應用［J］.新疆石油科技，2007，7（4）：17-18.

［7］ 彭通曙，鄭愛萍，趙剛，等.新疆淺層稠油油藏氮氣輔助蒸汽吞吐提高采收率研究與應用［J］.新疆石油天然氣，2009，（3）：45-47.

［8］ 李允，王嘉淮.注氮氣改善稠油蒸汽吞吐后期開采效果［J］.西南石油大學學報，2002，（3）：60-64.

［9］ 陳榮燦，霍進.稠油注蒸汽加氮氣吞吐實驗研究［J］.特種油氣藏，1999，6（3）：32-36.

［10］ 王嘉淮，馬新民，李桂霞.克拉瑪依油田九1 區蒸汽吞吐歷史擬合及加注天然氣的效果預測［A］／／稠油熱采技術論文集［C］.北京：石油工業出版社，1993.

［11］ 王喜泉.氮氣助排在冷42塊提高蒸汽吞吐效果上的應用［J］.鉆采工藝，2005，28（1）：56-57.