江汉油田注氮气提高采收率研究

江汉油田注氮气提高采收率研究

张书平 何建华

摘要 本文从氮气性质、氮气注入对原油性质的影响等方面着手，探讨了注氮气提高采收率机理；总结了氮气非混相驱筛选标准；通过注氮气提高采收率室内实验，进行注氮气影响因素及配套工艺技术研究；最后介绍了黄场油田黄16井区注氮提高采收率研究及水气交替注氮现场试验情况。

关键词 氮气；提高采收率；非混相驱；水气交替

一 注氮气提高采收率机理 1 氮气性质

在常温常压下，N2为无色无味的气体。N2的临界温度为-146.80℃，熔点为-209.89℃，沸点为-195.78℃，临界压力为3.398MPa。当压力为0.1MPa，温度为0℃时，N2的密度为1.25kg/m3，动力粘度为0.0169mPa.s。N2化学性质极不活泼，在常态下表现出很大的惰性。它不易燃烧、干燥、无爆炸性、无毒、无腐蚀性。

氮气的密度随压力升高而增加，随温度的升高而降低。氮气粘度总的趋势是随压力升高而升高；氮气的粘度受温度的影响较小。

氮气在水中的溶解性很微弱；含盐量越高，溶解度越小；压力增加，氮气的溶解度提高。氮气在原油中的溶解性也较弱，且对轻质原油的溶性比对重质原油好。

氮气与二氧化碳、烟道气等气体相比，具有以下特点：①、在相同压力、温度条件下，氮气的压缩系数比二氧化碳、烟道气大。②、氮气对大多数液体的溶解性差，对原油的降粘作用比二氧化碳效果差。③、氮气是惰性气体，而二氧化碳、烟道气具有腐蚀性；④、氮气气源充足且价廉，且氮气无需特殊处理，注入流程简单，副作用少，易于实施。因此注氮气开采油气技术越来越受到重视并得到迅速发展。 2 注氮气对原油性质的影响

当氮气注入油层时，它与地层油接触，产生溶解-抽提传质过程，氮气被富化，导致气-油两相间的界面张力则会不断降低；而地层原油性质因溶解氮气或逐渐失去轻烃和中间组分而发生变化。

通过对黄35-1井潜43原油体系进行注入氮气对原油性质的影响实验研究，得出以下结论：①、随着氮气注入比例的增加，重质组分比例越来越少，原油越来越轻。②、在饱和压力下地层原油粘度、密度明显下降。③、地层原油体积膨胀能量增大，且注入氮气比例越大，原油膨胀能力越强。④、原油体系的饱和压力升高。⑤、原油体积系数注入氮气后增加约9.48%。⑥、随注入氮气摩尔百分含量的增加，原油溶解气量逐渐增

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大。这表明注氮后原油体系的弹性能增加，有利于保持地层压力。 3 注氮气提高采收率机理

从氮气驱替机理分，注氮提高采收率可分为氮气混相驱和氮气非混相驱二种类型。 3.1氮气混相驱

氮气混相驱是多次接触混相过程，其主要机理是：在高压下通过蒸发作用从原油中提取轻烃和中间烃，达到与原油混相。氮气与原油的最低混相压力（64MP）很高，所以氮气混相驱一般只适应于深层油藏压力高的油藏，另外要求原油中轻烃含量高。

3.2氮气非混相驱

氮气非混相驱包括单纯注氮气非混相驱、水气交替注氮非混相驱等多种形式。氮气非混相驱机理主要体现在以下几方面：

①、氮气压缩系数大，注入氮气可有效补充地层能量和保持油藏压力,且由于氮气有良好的膨胀性，使其具有良好的驱替、气举和助排等作用；氮气能进入水难以进入的低渗透层段和小孔道，水驱后留在油层中的不可动残余油随氮气进入而替换出小孔道，使残余油饱和度变小。

②、氮气对原油有限量的蒸发和抽提作用。注入氮气与油藏原油接触过程中，原油中的中间烃产生蒸发、氮气产生抽提作用，气相不断被富化，注入气体更易产生近混相作用，提高驱油效率。

③、氮气部分溶解于原油，有一定的使原油膨胀作用和降低原油粘度作用。同时,氮气溶解使原油体积膨胀，膨胀油将水挤出孔隙空间，使排驱的油相相对渗透率高于吸吮时的水相相对渗透率，发生相对渗透率转换，形成有利的油流动环境。

注入氮气后，氮气在开采压力下降过程中产生溶解气驱作用。

水气交替注氮气提高采收率，除以上氮气非混相驱提高采收率机理外还有其特殊性。气水交替方式注氮把水驱和气驱的优点有效地结合在一起，不仅可以改善由于气水粘度差异造成的粘性指进，使驱替前沿相对均匀，而且由于渗吸作用，对低渗透层剩余油的驱替更有利。水相主要驱扫油层中下部，注入的气相由于重力分异作用向上超覆主要驱扫油层上部，气液交替驱扫不同含油孔道，有效提高驱油效率。 二 氮气非混相驱筛选标准

在广泛调研国内外开展的氮气驱主要是氮气非混相驱的现场试验情况基础上，参照J.J.Taber制订的非混相气驱筛选标准和KLINS制订的二氧化碳非混相驱筛选标准，

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结合氮气非混相驱室内实验研究成果，综合制订了江汉油田氮气非混相驱的油藏筛选标准（表1）。

表1 氮气非混相驱油藏筛选标准（江汉油田）

油藏地质流体参数 密度 原油 粘度，mPa.s 成分 含油饱和度，% 推荐的标准Ⅰ 推荐的标准Ⅱ ≤0.8498 ≤0.8498 ≤100，最好≤10 ≤100，最好≤10 轻烃的高百分比 轻烃的高百分比 ≥40 ≥40 砂岩或碳酸盐岩，允许有砂岩或碳酸盐岩，允许有地层类型 少量裂缝 少量裂缝 比较薄，除非地层是倾斜比较薄，除非地层是倾斜有效厚度，m 的 的 -32平均渗透率，10μm ≤500，最好≤100 500＜K＜2000 深度，m ＞550 ＞550 温度，℃ 不重要 不重要 0地层倾角， 倾角较大有利，最好≥10 ≥20 地层韵律 正韵律或复合韵律为好 正韵律或复合韵律为好 裂 缝 无大裂缝 无大裂缝 倾斜陡的油层驱替过程中往往出现重力分异作用，但是具有不利的流度比，对非混相驱强化重力泄油来说，倾斜油层是成功的关键。 油藏 备注 推荐的氮气非混相驱筛选标准Ⅰ、标准Ⅱ是针对渗透率高低不同的油藏而言，对渗透率小于500×10-3μm2的油藏要求其倾角相对小，对渗透率大于500×10-3μm2的油藏要求其倾角相对大些。

三 注氮气提高采收率室内实验研究 1、 氮气混相能力研究

选用广35井潜34油层原油，通过细管实验、经验公式预测方法进行氮气混相能力研究。

实验温度为115℃，分别在28.4MPa和36.3MPa下进行细管驱替实验,第二个压力36.3MPa已经高出地层压力2MPa。实验结果表明，在高于地层压力2MPa的条件下，注入氮气到0.6PV时气体已经突破，最终采收率不到60%，说明没有达到混相。

根据Abbas Firoozabadi和Khalid Aziz关于氮气和贫气的最小混相压力计算公式，按广35井原油组分计算表明，混相压力为64.59MPa，远大于原始地层压力。 2、 水气交替注氮提高采收率室内实验研究

通过开展平面模型和长岩心注氮气提高采收率实验，研究各种条件下注氮方式、注氮参数对氮气非混相驱提高采收率的影响。

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2.1、平面模型实验

根据需要，压制了均质、平面非均质、纵向非均质三类平面模型（图1），整个平面模型用环氧树脂浇铸密封，并装入特制的高压容器模型中，以模拟油层的上覆压力环境等，高压实验容器最高耐压50MPa。单层模型基本规格：250×150×20mm；多层模型基本规格：250×150×30mm。

图1 高压平面模型示意图

高渗 低渗

复合韵律平 2.1.1、地层韵律对水气交替注氮影响

高渗

低渗

高渗

平面非均质针对正韵律和反韵律纵向非均质模型开展了水气交替注氮驱油实验结果表明，无论采用高渗层注低渗层采、低渗层注高渗层采，还是合注合采形式，正韵律油藏比反韵律油藏水气交替注氮气开采效果要好。

分析认为，对于正韵律模型，稳定注水时，注入水容易首先进入下部的高渗透层，上部低渗透层水的波及程度低，当后续进行气-水交替注入时因重力分异作用，将上部低渗透层未动用或动用程度低的原油驱出，从而提高原油采收率较多；相反，对于反韵律模型，稳定注水时，注入水易首先进入上部的高渗透层，后续进行气-水注入时重力分异作用造成注入气仍然进入上部的高渗透层，对下部低渗层仍然未得到充分动用。因此，正韵律油藏比反韵律油藏水气交替注氮气提高采收率效果要好。

2.1.2、注气位置对水气交替注氮效果影响

采用低渗透平面模型，在倾角300的情况下开展了水气交替方式注氮驱油实验。实验结果表明，在水驱油基础上采用高部位、低部位水气交替二种方式注氮提高采收率差别相差7.75%，说明高部位注氮较为有利。因为在高部位注气，可在构造高部位形成次生气顶，低部位形成剩余油富集区，使低部位的油井产量增加，可获得较好的采收率。

2.1.3、气液比对水气交替注氮效果影响

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不同气液比的水气交替注氮实验采用平面非均质模型。图2所示实验结果表明，1:1是比较合适的气液比，能最大限度提高原油采收率。

提高采收率（%）20161284000.5:11:12:13:1气液比图2 气液比与提高采收率关系曲线

2.2、注氮气提高采收率长岩心驱油实验研究

长岩心模型是用黄场油田潜43三组油层小岩心按调和平均方法排列而成，实验油样为按气油比33.2m3/t、泡点压力5.10MPa配制的黄场油田模拟原油，驱替氮气为商品氮气，地层水和注入水根据现场实际配制。

2.2.1 地层倾角对氮气/水交替驱油的影响

采用平均渗透率57.53×10-3μm2的长岩心开展了不同倾角的水气交替注氮长岩心驱油实验。实验结果(图3)表明，地层倾角对水气交替注氮有较大影响，地层倾角越大，提高采收率值越高；地层倾角10°以下对注氮没有明显影响，地层倾角20°以上则其影响相对较大。

采收率提高值（%）108642001020304050地层倾角°

图3 地层倾角对水气交替注氮的影响

2.2.2 原油粘度对氮气/水交替驱油的影响

采用平均渗透率110.42×10μm的长岩心，开展了21.3°倾角下不同粘度原油的

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