N2輔助蒸汽驅開發分析與研究

◇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油氣資源勘探開發的熱點，但是在開發中后期階段，常規的蒸汽驅開發技術存在一定問題。本文主要對N2輔助蒸汽驅開發進行了分析與研究，首先對蒸汽驅技術進行了簡要介紹，然后分析了蒸汽驅開發中后期存在的幾點問題，最后重點闡述了N2輔助蒸汽驅的作用機理，并且結合數值模擬驗證了該方法的有效性。

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

我國的稠油資源十分豐富，分布也非常廣泛，在多個油田中都發現了稠油，如遼河、勝利、克拉瑪依等。我國各大油田已經發現的稠油儲量達到了16億噸，其中陸上稠油的年產量占石油總產量的10%，稠油開發具有非常大的潛力。由于稠油特殊的物理、化學特性，稠油油藏通常都需要采用比較特殊的技術才可以有效開發。目前，稠油開發技術主要有6種：①蒸汽吞吐；②蒸汽驅；③熱水驅；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，蒸汽驅是提高稠油采油率最有效、應用范圍最廣泛的開發技術，我國80%的稠油都是采用該技術。但是，隨著開發程度不斷加深，單純的蒸汽驅開發方式弊端日益凸顯，嚴重影響了稠油開發的產量，因此如何改善稠油油藏中后期的開發效果，提高稠油產量，是目前廣大石油工作人員亟待解決的難題。

1 蒸汽驅簡介

通常情況之下，在使用蒸汽驅技術進行稠油開發之前，首先應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，能量也會持續消耗，并且井底周邊的含水飽和度會逐漸增加，稠油的產量將會銳減，開發的效果日益變差，最后稠油的有效開發就會終止，蒸汽吞吐技術的采收率一般不大于30%。因此，僅僅使用蒸汽吞吐的技術來開發稠油，提高最終采收率和產量的程度是十分有限的。如果要想進一步提高稠油的采收率，必須使用蒸汽驅開發，進而補充地層的能量，提高驅替的壓力，最終達到開發稠油的目的[2-3]。

蒸汽驅也稱蒸汽驅油法，是一種提高稠油油藏采收率的驅替式熱采方法，該方法是利用蒸汽發生器，形成高溫、高壓的濕蒸汽，然后通過注汽井持續注入到地層之中，這些蒸汽會釋放出相應的汽化潛熱，持續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入熱水帶，最后連同冷凝水一起進入周邊的生產井，從而可以開發稠油[3-4]。

圖1 蒸汽驅機理示意圖

2 蒸汽驅開發中后期存在的問題

目前，蒸汽驅技術是一種十分成熟而且有效的稠油開發技術，在國內外各大油田中都得到了廣泛的應用，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，該技術已經成為了一種通用的開發方式。如果地層中的蒸汽帶可以連續并且穩定的存在，蒸汽驅的驅油機理就可以持續發揮作用[4-5]。但是，隨著稠油油藏開發時間的增加，蒸汽驅技術會存在很多問題，嚴重影響了稠油的開發效果。在注入的蒸汽、原油以及水的不斷滲流過程之中，因為蒸汽、原油以及水之間的密度差異比較懸殊，產生了十分顯著的重力分異現象，蒸汽、原油以及水會出現一定程度的分離，地層中的蒸汽會竄到油層的頂部，出現“超覆”舌進的現象，導致蒸汽在地層中很難均勻地向前推進，嚴重影響了蒸汽驅技術的波及效果。

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，油層膠結疏松，孔隙度比較大，滲透率也非常高，非均性也比較強。與稠油相比，注入的蒸汽以及冷凝水的粘度比較小，導致蒸汽驅過程中指進情況比較嚴重，特別是在非均質性較強的油藏中，會出現“竄流”現象，降低了蒸汽的熱效率值，也減小了蒸汽的波及范圍，嚴重影響蒸汽驅技術的驅油效率，使剩余油的分布差異十分顯著。在稠油開發的中后期，“竄流”和“超覆”的現象的情況會更為嚴重，使得蒸汽驅的開發效果更差，從而嚴重影響了稠油的正常開發。

3 N2輔助蒸汽驅開發分析與研究

3.1 作用機理

N2（氮氣）輔助蒸汽驅開發是在注入蒸汽時加入一些N2，通過優化蒸汽驅的注入剖面，使得注入的蒸汽能夠在地層之中均勻不斷地推進，可以防止出現蒸汽的“超覆”和“竄槽”的現象，進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輔助蒸汽驅開發的主要機理有以下4個方面：①減小熱量損失，增強蒸餾效應。在注入蒸汽時，少量N2在一定程度上會影響蒸汽凝結換熱的質量和效率。在通常的冷凝溫差之下，如果N2的體積分數超過1%時，其表面的導熱系數會比較小，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得到有效地增強；②壓縮膨脹作用。在地層中，注入的N2會形成氣泡，進而容易被包裹進稠油之中，在高溫高壓的作用之下，N2會出現膨脹，進而使地層中連續的油相分散，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的膨脹可以促進油相段塞的運移，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，能夠迅速占據地層的上部，使得后面注入的蒸汽轉向地層的中下部，進而防止蒸汽出現“超覆”現象，從而可以提高縱向波及范圍；④補充地層的彈性能量[6-7]。N2的壓縮系數比較大，可以使地層中的壓力長時間保存在一定范圍之內，從而補充地層的能量。

3.2 數值模擬

結合某油田區塊的開發情況，優選合適的參數，運用數值模擬的方式來模擬稠油蒸汽驅開發。圖2為蒸汽驅數值模擬溫度場，從圖2（a）中可以看出：高溫高壓的蒸汽“超覆”現象十分嚴重。在重力分異作用之下，蒸汽沿著地層的上部往生產井的方向進行竄流，導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；而地層中下部的原油開發程度較低，基本沒有得到有效動用，右下角區域沒有受到波及，進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展，溫度低的區域明顯減小，剩余油也變少了，從而可以說明N2輔助蒸汽驅可以有效提高稠油的采收率。

圖2 稠油蒸汽驅開發數值模擬的溫度場

4 結束語

（1）N2輔助蒸汽驅可以有效擴大蒸汽的波及范圍，減小原油的黏度，進而可以改善稠油的開發效果。

（2）N2輔助蒸汽驅可以抑制蒸汽的“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，而且可以減小生產井的含水率。

（3）單純的蒸汽驅會出現“超覆”和“竄槽”現象，熱效率較低，而N2輔助蒸汽的開發技術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。