N2辅助蒸汽驱开发分析与研究

◇中国石油辽河油田分公司钻采工艺研究院 张西子

稠油油藏是目前世界各国非常规油气资源勘探开发的热点，但是在开发中后期阶段，常规的蒸汽驱开发技术存在一定问题。本文主要对N2辅助蒸汽驱开发进行了分析与研究，首先对蒸汽驱技术进行了简要介绍，然后分析了蒸汽驱开发中后期存在的几点问题，最后重点阐述了N2辅助蒸汽驱的作用机理，并且结合数值模拟验证了该方法的有效性。

近些年以来，全球范围内的常规油气储量日益减少，稠油、页岩气、天然气水合物等非常规油气资源的勘探开发越来越受到重视，其中稠油的开发正是其中的热点[1-2]。在全球范围内，稠油的分布十分广泛，并且资源量巨大，在非常规油气资源中占有非常重要的地位，甚至有可能超过常规油气资源的储量。

我国的稠油资源十分丰富，分布也非常广泛，在多个油田中都发现了稠油，如辽河、胜利、克拉玛依等。我国各大油田已经发现的稠油储量达到了16亿吨，其中陆上稠油的年产量占石油总产量的10%，稠油开发具有非常大的潜力。由于稠油特殊的物理、化学特性，稠油油藏通常都需要采用比较特殊的技术才可以有效开发。目前，稠油开发技术主要有6种：①蒸汽吞吐；②蒸汽驱；③热水驱；④多元热流体吞吐；⑤火烧油层；⑥蒸汽辅助重力泄油[1-2]。其中，蒸汽驱是提高稠油采油率最有效、应用范围最广泛的开发技术，我国80%的稠油都是采用该技术。但是，随着开发程度不断加深，单纯的蒸汽驱开发方式弊端日益凸显，严重影响了稠油开发的产量，因此如何改善稠油油藏中后期的开发效果，提高稠油产量，是目前广大石油工作人员亟待解决的难题。

1 蒸汽驱简介

通常情况之下，在使用蒸汽驱技术进行稠油开发之前，首先应该采用蒸汽吞吐的方式在不同井之间形成热连通。但是，随着蒸汽吞吐时间的延长，地层中的压力会不断减小，能量也会持续消耗，并且井底周边的含水饱和度会逐渐增加，稠油的产量将会锐减，开发的效果日益变差，最后稠油的有效开发就会终止，蒸汽吞吐技术的采收率一般不大于30%。因此，仅仅使用蒸汽吞吐的技术来开发稠油，提高最终采收率和产量的程度是十分有限的。如果要想进一步提高稠油的采收率，必须使用蒸汽驱开发，进而补充地层的能量，提高驱替的压力，最终达到开发稠油的目的[2-3]。

蒸汽驱也称蒸汽驱油法，是一种提高稠油油藏采收率的驱替式热采方法，该方法是利用蒸汽发生器，形成高温、高压的湿蒸汽，然后通过注汽井持续注入到地层之中，这些蒸汽会释放出相应的汽化潜热，持续加热井筒附近的地层，随着蒸汽的不断加热，地层中会形成3个带：①蒸汽带；②热水带；③冷油带（图1）。蒸汽带的温度非常高，可以减少原油的粘度，形成可流动的原油，之后这些流动的原油会进入热水带，最后连同冷凝水一起进入周边的生产井，从而可以开发稠油[3-4]。

图1 蒸汽驱机理示意图

2 蒸汽驱开发中后期存在的问题

目前，蒸汽驱技术是一种十分成熟而且有效的稠油开发技术，在国内外各大油田中都得到了广泛的应用，并且确定了比较显著的效果，尤其是在开采重度高、粘度大以及孔隙度大的稠油油藏时，该技术已经成为了一种通用的开发方式。如果地层中的蒸汽带可以连续并且稳定的存在，蒸汽驱的驱油机理就可以持续发挥作用[4-5]。但是，随着稠油油藏开发时间的增加，蒸汽驱技术会存在很多问题，严重影响了稠油的开发效果。在注入的蒸汽、原油以及水的不断渗流过程之中，因为蒸汽、原油以及水之间的密度差异比较悬殊，产生了十分显著的重力分异现象，蒸汽、原油以及水会出现一定程度的分离，地层中的蒸汽会窜到油层的顶部，出现“超覆”舌进的现象，导致蒸汽在地层中很难均匀地向前推进，严重影响了蒸汽驱技术的波及效果。

我国的稠油油藏分布比较广泛，但是主要分布在一些疏松砂岩的地层之中，油层胶结疏松，孔隙度比较大，渗透率也非常高，非均性也比较强。与稠油相比，注入的蒸汽以及冷凝水的粘度比较小，导致蒸汽驱过程中指进情况比较严重，特别是在非均质性较强的油藏中，会出现“窜流”现象，降低了蒸汽的热效率值，也减小了蒸汽的波及范围，严重影响蒸汽驱技术的驱油效率，使剩余油的分布差异十分显著。在稠油开发的中后期，“窜流”和“超覆”的现象的情况会更为严重，使得蒸汽驱的开发效果更差，从而严重影响了稠油的正常开发。

3 N2辅助蒸汽驱开发分析与研究

3.1 作用机理

N2（氮气）辅助蒸汽驱开发是在注入蒸汽时加入一些N2，通过优化蒸汽驱的注入剖面，使得注入的蒸汽能够在地层之中均匀不断地推进，可以防止出现蒸汽的“超覆”和“窜槽”的现象，进而可以提高热能的利用效率，最终提高稠油油藏的采收率[4-5]。N2辅助蒸汽驱开发的主要机理有以下4个方面：①减小热量损失，增强蒸馏效应。在注入蒸汽时，少量N2在一定程度上会影响蒸汽凝结换热的质量和效率。在通常的冷凝温差之下，如果N2的体积分数超过1%时，其表面的导热系数会比较小，只有纯蒸汽的33%。因此，注入一定量的N2可以降低蒸汽温度以及干度的下降速率，进而可以增加蒸汽与原油之间的热交换效率，从而能够使蒸馏效应得到有效地增强；②压缩膨胀作用。在地层中，注入的N2会形成气泡，进而容易被包裹进稠油之中，在高温高压的作用之下，N2会出现膨胀，进而使地层中连续的油相分散，成为油相段塞。N2气泡的阻隔可以提高原油的流动能力，而且N2的膨胀可以促进油相段塞的运移，从而增加原油的流动性；③抑制蒸汽的“超覆”。相比于注入的蒸汽，N2的密度比较低，能够迅速占据地层的上部，使得后面注入的蒸汽转向地层的中下部，进而防止蒸汽出现“超覆”现象，从而可以提高纵向波及范围；④补充地层的弹性能量[6-7]。N2的压缩系数比较大，可以使地层中的压力长时间保存在一定范围之内，从而补充地层的能量。

3.2 数值模拟

结合某油田区块的开发情况，优选合适的参数，运用数值模拟的方式来模拟稠油蒸汽驱开发。图2为蒸汽驱数值模拟温度场，从图2（a）中可以看出：高温高压的蒸汽“超覆”现象十分严重。在重力分异作用之下，蒸汽沿着地层的上部往生产井的方向进行窜流，导致地层中下部的波及范围减小，使得地层上部的大部分原油被开发；而地层中下部的原油开发程度较低，基本没有得到有效动用，右下角区域没有受到波及，进而存在大量的剩余油，从而影响了稠油的采收率。从图2（b）中可以看出，注入蒸汽的波及范围显著增加，蒸汽向地层的中下部得到有效扩展，温度低的区域明显减小，剩余油也变少了，从而可以说明N2辅助蒸汽驱可以有效提高稠油的采收率。

图2 稠油蒸汽驱开发数值模拟的温度场

4 结束语

（1）N2辅助蒸汽驱可以有效扩大蒸汽的波及范围，减小原油的黏度，进而可以改善稠油的开发效果。

（2）N2辅助蒸汽驱可以抑制蒸汽的“超覆”和“窜槽”作用，增加原油的动用程度，不但能够提高稠油的采收率，而且可以减小生产井的含水率。

（3）单纯的蒸汽驱会出现“超覆”和“窜槽”现象，热效率较低，而N2辅助蒸汽的开发技术能够降低地层上部的热量损失，从而有效改善单纯蒸汽波及不均匀的问题。