注氮气提高采收率

由于氮气抽提作用使岩心中地层油的轻烃和中间组分再汽化，
原油的重质组分含量增加，使得氮气在地层油中的溶解度下降， 从而随着氮气注入量的增加，引起地层油气油比降低。
之上，以避免出现反凝析或溶解气逸出而降低凝析油和原油的采
收率。
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注氮气提高采收率
1.注氮气开采机理 2.注氮气对地层流体PVT相态特征的影响 3.适合注氮气的油气藏条件 4.现场注氮气设备 5.注氮气现场应用 6.氮气在油田的应用
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2.注氮气对地层流体PVT相态特征的影响
2.1 氮气的溶解—抽提(蒸发)效应
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用N2作为驱替剂有如下几个特点： N2作为驱替剂在工艺上不存在防腐问题； 在相同的温度和压力下， N 2的密度小于油藏气顶气的密度，粘度 则与气顶气接近(即使在地层压力高达42MPa以上时仍能保持此特性)， 这种特性适合于块状油藏和倾斜油藏采用顶部注气按重力分异方式驱 替原油，并有利于缓和重力驱过程中出现的粘性指进现象； N2的偏差系数比气顶气、CO2大，并且它不溶于水，较少溶于油， 这使得 N 2在驱油过程中具有良好的膨胀性，形成的弹性能量大，特别 有利于气顶油藏采用气顶注 N 2以保持压力的方式同时开发气顶气和油 环油； N 2能抽提(蒸发 )原油中的轻烃和中间烃组分，使自己得到富化， 使其物性逐渐趋向于原油，这一特性就有利于富含轻烃和中间烃的轻 质油藏、挥发油藏、凝析气藏采用注 N 2以混相或非混相蒸发气驱的方 式开采原油； N2资源充足，且已形成一整套从空气中制N2→注N2→脱N2的工业化 流程和配套设备，使得注N2成本低廉。
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1.注氮气开采机理
由于注入气与原油间存在很大的密度差，因此应低速开采，
使重力足以让密度较小的气体与原油分离，以便当气体指进欲形 成时得以抑制。同时要求油层具有足够高的垂向渗透率，以便使 油气在垂向方向能有效地分异和移动。此外，注气速度还应当小 于临界速度。由于临界速度与气液密度差成正比，因此注氮气重
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1.注氮气开采机理
1.1混相驱 1.1.1 连续注入氮气混相驱
氮气很难与油藏原油发生一次接触混相，但在足够高的压力
下可与许多油藏原油达到蒸发气驱动态混相，即注入的氮气与油藏 原油之间经过多次接触和多次抽提，原油中的中间烃组分不断蒸发
到气相中，当气相富化到一定程度时便与原油达成混相。
图1-1 氮气蒸发气驱混相过程图
图2-8 氮气注入量对原油密度的影响
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2.注氮气对地层流体PVT相态特征的影响
2.3.3地层原油粘度变化
由于氮气的抽提作用可导致地层油组成变重，在岩心驱替
过程中注氮气量的增加必然导致原油粘度增加，正如图所示。
图2-9 氮气注入量对原油粘度的影响
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2.注氮气对地层流体PVT相态特征的影响
2.3.4 地层原油气油比变化
2.60
2.50 3.87 1.59 2.42 1.59 1.48 1.83 60.19 100.00

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2.注氮气对地层流体PVT相态特征的影响
2.3.2 地层原油密度变化
通过实验可以观测到，随着注氮增大，显然这是由于地层原油中的中间组 分再汽化作用所至(图2—8给出了实验观测结果）。
图2-5 不同注氮气比例对油气体系体积系数的影响
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2.注氮气对地层流体PVT相态特征的影响
2.2.4 气油比
据注入不同比例氮气和富气后地层原油的气油比变化数据分 析，当注入的氮气和富气摩尔百分含量相同时，在饱和压力下， 注氮气使原油气油比增加的程度小于注富气使原油气油比增加的 程度，如图2-6所示：
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1.注氮气开采机理
其主要增产作用机理如下： （1） 改变流动方向，驱替裂缝通道中的残余油 油田经底部注水后改用顶部注氮气，改变了渗流空间的压力 分布，可能“疏通”某些被阻塞的“死油”和“剥脱”裂缝面上 的部分粘附油，从而降低裂缝通道网络中的残余油量。 （2）通过原油体积膨胀排出残余油 溶解氮气后，残余油体积膨胀，使得部分的残余油从其滞留 的空间“溢出”而形成可采出油；另一方面，原油在含油流动空 间中膨胀排挤一部分水而形成油排水过程，可改善油的相对渗透 率。 此外，原油溶气后，粘度明显降低，这也有利于原油的流动 和开采。
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1.注氮气开采机理
1.1.3 交替注氮气注水混相驱
在注氮气驱过程中，由于氮气的粘度远低于油藏原油，产生 的流度比会造成前缘气体的粘性指进。为了减少气窜的不利影响， 保持驱替前沿混相带的稳定性，改进波及效率，在注入工艺上可 采用交替注水注氮气驱替方式。
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1.注氮气开采机理
交替注水注氮气驱替方式主要用于混相驱，也可用于非混 相驱。虽然交替注水注氮气混相驱可将注水和注气混相驱的优 点有效地结合在一起，但在现场实施中，会出现注入气因重力 作用而产生超覆现象，注入的水则会因重力作用而下沉，形成 垂向上的粘性指进现象。因此针对不同的油藏，需通过长岩心
图2-6 不同注氮气比例对油气体系气油比的影响
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2.注氮气对地层流体PVT相态特征的影响
2.2.5脱气原油密度
注氮气或注富气时，随气体注入比例的增加，饱和压力下地
层原油性质相对变好，其轻质组分含量逐渐增多，当对溶气原油 进行闪蒸分离时，由于轻质组分的影响，使闪蒸分离所得的地面 脱气原油相对变重。图2-7是氮气的注入引起脱气原油密度增加的 程度明显高于注入富气的情况， 这正是氮气对原油产生强 烈的闪蒸抽提作用所引起的结 果；相反，富气由于含有较多 的中间烃组分，对原油的闪蒸 抽提作用要弱得多。
图2-1 氮气-油藏原油体系溶解-抽提组成变化
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2.注氮气对地层流体PVT相态特征的影响
图2-2 氮气-油藏原油体系抽提组成变化
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2.注氮气对地层流体PVT相态特征的影响
2.2 氮气溶解对地层原油PVT相态特性的影响
氮气在地层原油中的溶解度对原油PVT相态特性的影响，可 通过氮气—地层原油体系的PVT相态实验观测得到。对氮气驱影 响较大的因素包括：在地层原油中注入不同比例氮气时，氮气
45.02
12.45 8.93 2.62 3.41 1.63 1.39 1.44 22.44 100.00
35.97
11.81 9.12 2.79 3.71 1.83 1.58 1.32 26.47 100.00
15.68
9.81 9.52 3.2 4.47 2.41 2.14 1.87 37.89 100.00
有资源丰富、价格低廉的优点。为了充分利用CO2和烃类气体易 混相的特点，同时也为了降低使用CO2和烃类气体的成本，可通 过注氮气推动CO2或烃类气体段塞混相驱来提高采收率，其开采 机理与CO2和烃类气体混相驱机理相似。如果易混相气体段塞的 尺寸选择合理，则用氮气推动混相段塞的驱油效果会比连续注 入氮气效果较好，经济效益会更高。
对地层原油饱和压力的影响，以及饱和压力下氮气对地层原油
粘度、体积系数、气油比和脱气油密度的影响。 现以一典型的油藏原油体系为例来进行说明。已知该油藏 的地层温度为82.0℃，地层压力为26.5MPa；原油的溶解气油比 为174m3/m3。向原油中注入不同比例的工业氮气，通过实验可观
测到注氮气量对原油PVT性质的影响。
驱替试验和油藏模拟来研究确定合理的气水比及气水段塞尺寸，
以减少重力分异。对交替注水注氮气非混相驱，只要在合理的 水氮气比及合理的注入速度下进行，就能采出数量可观的水驱
剩余油，但其油量在很大程度上取决于油层岩石的相对渗透率
特性。
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1.注氮气开采机理
1.2 非混相驱机理
当原油与驱替流体之间存在有界面，即存在界面张力时候 驱替过程称之为非混相驱替。 当油藏注水开发到一定程度时，就会产生油藏高含水、水 驱采收率较低、注水困难而残余油饱和度较高等不利情况。这 时，可以采用注氮气开采剩余原油。
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氮气气源
空气中 78% 为氮气 , 是氮气的主要来源 , 但如何从空气中分离出纯净
的氮气,一直是技术上的难题。目前基本上采用2 种方法： 一是利用冷却技术：根据氧气与氮气不同的沸点 , 把空气冷却至 200 ℃以下液化,使二者分离开 ,这样获得的低温液氮具有纯度高、膨胀 体积大的特点,但它无法使用普通压缩机作业,必需专用的液氮设备,而且 液氮在常温条件下储存、运输都较为困难,成本也比较高；
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注氮气提高采收率
1.注氮气开采机理 2.注氮气对地层流体PVT相态特征的影响 3.适合注氮气的油气藏条件 4.现场注氮气设备 5.注氮气提高采收率应用实例 6.氮气在油田的应用
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1.注氮气开采机理
注氮气开发油田通常通过以下机理来提高原油采收率： （1）多次接触混相驱(包括作为驱替CO2、富气或其它驱替剂 与地层原油混相段塞的后缘注入或者气水交替注入混相驱)； （2）多次接触非混相驱或近混相驱； （3）循环注气保持地层压力； （4）顶部重力驱。 混相驱或非混相驱适于油层物性较差、原油中含一定溶解气、 原油重度在38～51º API(0.8348～0.7753)、油气藏埋藏较深的轻 质油藏；循环注气保持地层压力，适于注水效果差、低孔隙、低 渗透、原油重度在31～60º API范围、埋藏较浅的油藏；而重力驱 适合于油层物性好、埋藏较深、闭合高度大的盐丘或背斜油藏。
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1.注氮气开采机理
如果用气液两相组成的变化来表示这一过程，其驱替机理可 用下图给出的组成三元相图来描述。
图1-2 氮气多次接触汽化气驱前缘混相机理
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1.注氮气开采机理
1.1.2 注氮气推动易混相气体段塞混相驱
注氮气要求原油的轻烃和中间烃含量高，故一般来说实施
的难度比较大且适用范围较窄，但却较之于注CO2和烃类气体具
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1.注氮气开采机理
1.3 重力稳定驱
氮气在原油及地层水中的溶解度都很低，因此其主要驱油 机理并不是改变油的流动特性，而是依靠自身优越的条件通过 在适宜的地层中控制粘性指进和重力舌进来达到提高采收率的
目的。
注气重力驱是指对倾斜、垂向渗透率较高的地层，在含油 气构造顶部注气，利用重力分异作用保持压力或部分保持压力 开采原油和天然气，其采收率是所有非混相驱中最高的。
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2.注氮气对地层流体PVT相态特征的影响
表2-2 注氮气量对地层油组成的影响(mol%)
组 分 注氮气前 0.02 0.65 注0.14倍PV的 氮 气 0.00 5.40 注0.5倍PV的 氮 气 0.00 13.31 注1.5倍PV的 氮 气 0.00 21.95
CO2 N2
C1
C2 C3 iC4 nC4 iC5 NC5 C6 C7+
力稳定驱时，临界速度越大，对注入速度的限制就越小。
根据开采方式，可将重力驱分为两种形式，即向含油构造顶 部注气和向含油气构造的油柱注气。
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1.注氮气开采机理
1.4 保持地层压力
对于凝析油田，若用衰竭法开采，由于压力降到露点压力之 下会在油液内残留大量的反凝析油，因而采收率很低。凝析气液 一般需要在保持压力下开采，挥发性油藏和许多重质油藏也需要 保持压力来改善开采效果。 注氮气保持压力的目的是使油气藏的压力保持在露点或泡点
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2.注氮气对地层流体PVT相态特征的影响
2.2.1 地层油的饱和压力
图2-3 不同注氮气比例对油气体系饱和压力的影响
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2.注氮气对地层流体PVT相态特征的影响
2.2.2 地层油粘度的变化
图2-4 不同注氮气比例对油气体系粘度的影响
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2.注氮气对地层流体PVT相态特征的影响
2.2.3容胀特性
图2-7 不同注氮气比例对脱气油密度的影响
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2.注氮气对地层流体PVT相态特征的影响
2.3 氮气抽提作用对地层油PVT相态特性的影响 2.3.1 地层油组成变化
在实验中取一含地层原油的岩心样品，在温度为60℃ 、 压力为21MPa的条件下向岩心中注入氮气，表2—2分别给出了 注入0.14、0.50和1.5倍孔隙体积(PV)的氮气后，岩心中原油 组成所发生的变化。
二是利用先进的分子膜技术：在常温条件下直接从空气中分离出氮
气, 优点是方便 ,无氮源远近之限制 ,制备出的氮气可直接用于普通压缩 机处理,省去了液氮运输花费和不便 ,更为经济 ,但它供气能力有限 ,需多
组并联使用,短时间内无法满足压裂、酸化等大液量、高压力的工作需求
此外,还可利用化学方法生成氮气 ,大多工艺复杂、成本高、生成量小 ,应用范围仅限于部分特殊需求。