范 勇 蘇 川 彭明昌

（1.天津市大港油田井下作業(yè)公司特車(chē)分公司 中國(guó) 天津 300280；2.天津市大港油田井下作業(yè)公司市場(chǎng)生產(chǎn)科 中國(guó) 天津 300280）

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，在石油工業(yè)的發(fā)展過(guò)程中，越來(lái)越多的新技術(shù)、新工藝應(yīng)用于石油開(kāi)采過(guò)程中，對(duì)進(jìn)一步提高油氣采收率有重大的現(xiàn)實(shí)意義。在現(xiàn)代石油開(kāi)采中，氮?dú)馀菽呀?jīng)廣泛地用于石油領(lǐng)域，根據(jù)氮?dú)獠蝗紵男再|(zhì)，在鉆井作業(yè)中，用來(lái)替代空氣消除地下燃燒或爆炸的危險(xiǎn)。利用氮?dú)饪刂迫刖旱拿芏?，在低壓易漏失層完成各?xiàng)作業(yè)工序，如混氣沖砂，另外利用氮?dú)馀菽奶匦赃€可以完成其它施工工藝，有很好的應(yīng)用前景。

空氣中含氮?dú)?8%，為膜制氮技術(shù)發(fā)展提供了很好的客觀物質(zhì)基礎(chǔ)。一般有兩種制氮方法，一是冷卻法，把空氣冷卻到-200℃以下，根據(jù)氮?dú)夂脱鯕夥悬c(diǎn)不同實(shí)行分離，但是液氮不好運(yùn)輸，無(wú)法用普通壓縮機(jī)壓縮，成本較高。二是膜制氮方法，在常溫條件下直接從空氣中分離出氮?dú)?，?yōu)點(diǎn)是方便，無(wú)氮源遠(yuǎn)近之限制，制備出的氮?dú)饪芍苯佑糜谄胀▔嚎s機(jī)處理，直接用于膜制氮工藝施工。

1 膜制氮技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 膜分離法制氮原理及應(yīng)用

膜制氮技術(shù)的核心部件是膜分離器，空氣壓縮機(jī)壓縮后的空氣經(jīng)過(guò)多級(jí)過(guò)濾器，除去空氣中的油、水、顆粒，并對(duì)過(guò)濾后的空氣加熱到一定溫度，之后到達(dá)膜分離器。由于經(jīng)過(guò)空壓機(jī)壓縮，到達(dá)膜分離器的空氣在氮?dú)夥蛛x膜組兩側(cè)具有一定的壓力差。不同氣體在膜分離器中的溶解速率和擴(kuò)散系數(shù)不同，在壓力差的作用下，滲透速率較快的水蒸氣、氧氣優(yōu)先通過(guò)膜，成為富氧氣體；而滲透速率較慢的氮?dú)庠跍魝?cè)富集，成為干燥的富氮?dú)怏w，就這樣氮?dú)饩捅环蛛x出來(lái)。

通過(guò)膜制氮裝備分離出的氮?dú)?，在?shí)際應(yīng)用中利用其不燃的特性，進(jìn)行氣井氣舉排液、掃線等施工，但是在這些簡(jiǎn)單的施工并沒(méi)用發(fā)揮氮?dú)獾母鬂摿?。在?shí)際應(yīng)用中，氮?dú)馀菽坏芡瓿蓺馀e排液和掃線施工，還能完成泡沫沖砂、洗井、排酸、泡沫壓裂等工藝，應(yīng)用十分廣泛。

1.2 膜制氮裝備的應(yīng)用及發(fā)展?fàn)顩r

上世紀(jì)90年代后期，膜制氮技術(shù)開(kāi)始在石油領(lǐng)域應(yīng)用，近幾年得到發(fā)展，但相對(duì)于國(guó)外油氣領(lǐng)域的氮?dú)鈶?yīng)用，我國(guó)還處于初期。隨著近幾年國(guó)內(nèi)油氣領(lǐng)域的不斷應(yīng)用總結(jié)和經(jīng)驗(yàn)積累，膜制氮設(shè)備的潛在優(yōu)勢(shì)及豐富的開(kāi)發(fā)應(yīng)用前景，已被國(guó)內(nèi)油氣領(lǐng)域認(rèn)同和關(guān)注。特別是現(xiàn)在世界范圍內(nèi)，原油價(jià)格高企，油氣資源比過(guò)去任何時(shí)候都重要。作為一種有效的技術(shù)，膜制氮技術(shù)更引起了世界各國(guó)的重視。

目前國(guó)內(nèi)的膜制氮裝備生產(chǎn)企業(yè)多數(shù)是依靠國(guó)外的技術(shù)來(lái)進(jìn)行組裝，自身并未掌握核心技術(shù)。國(guó)外著名的膜制氮公司有捷能（Geoeron）、普里森（Prism）、麥道（Medal）公司等，膜制氮裝備的核心就是膜的類(lèi)型及性能，這也是國(guó)內(nèi)的差距所在。

2 氮?dú)馀菽漠a(chǎn)生及特性

2.1 氮?dú)馀菽漠a(chǎn)生

石油工程中應(yīng)用的泡沫流體是以水與空氣、氮?dú)?、天然氣或二氧化碳等氣液兩相充分混合形成的兩相流體。泡沫流體是氣體在液體中充分分散形成，氣泡分散程度越高，泡沫流體的質(zhì)量越好，經(jīng)過(guò)攪拌氣液就可以混合?？諝狻⑻烊粴馀菽谟途蚓畧?chǎng)中有爆炸的危險(xiǎn)，二氧化碳泡沫對(duì)管柱有腐蝕性。相比之下，氮?dú)庖子谥频?，氣源方便，使用安全，而且氮?dú)馀菽a(chǎn)生簡(jiǎn)單，空氣經(jīng)過(guò)膜制氮裝置，留下純度達(dá)到95%以上的氮?dú)猓ㄟ^(guò)給膜制氮裝備增加一套泡沫發(fā)生器，通過(guò)機(jī)械攪拌或液力攪拌，使氣液兩項(xiàng)充分混合，并在攪拌過(guò)程中加入起泡劑和穩(wěn)定劑，形成穩(wěn)定的氮?dú)馀菽?/p>

2.2 氮?dú)馀菽奶匦?/h3>

氮?dú)馀菽遣蝗苄詺怏w分散在液體中的多孔膜狀多相分散體系。氮?dú)馐嵌栊詺怏w，穩(wěn)定性好，不易與其它物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。氮?dú)馀菽黧w密度低而且方便調(diào)節(jié)，作為入井液便于控制井底壓力，減少漏失和污染，而且粘度高，攜砂能力強(qiáng)，調(diào)剖能力強(qiáng)，還有遇水穩(wěn)定、遇油消泡的特性。

2.2.1 密度可調(diào)性

石油工程中的泡沫流體密度范圍一般為0.45-0.9g/cm3，密度可根據(jù)氣體充入量的大小調(diào)節(jié)，十分方便。對(duì)于低壓漏失井作業(yè)，泡沫流體作為入井液便于控制井底壓力，能有效減少入井液漏失和防止地層污染。

2.2.2 泡沫流體的穩(wěn)定性

從熱力學(xué)角度看，泡沫有較好的穩(wěn)定性，泡沫的上部和下部表面張力不同，上部表面張力大于下部表面張力，中央液體的向下運(yùn)動(dòng)被下部液體的回流所平衡。但是泡沫還有衰變性，在實(shí)際應(yīng)用中，為了讓泡沫保持更好的穩(wěn)定性，常常加入稠化劑，得到較好的穩(wěn)定性。

2.2.3 抗高溫性和化學(xué)兼容性

在石油工程領(lǐng)域，泡沫流體的抗高溫性幾乎沒(méi)有限制，在水基液體不產(chǎn)生沸騰的情況下，泡沫流體總是穩(wěn)定。同時(shí)由于泡沫流體是水與氣體的混合體，具有水的一切兼容性，幾乎可以與一切能溶于水的化學(xué)處理劑相容，同時(shí)各種化學(xué)藥品對(duì)泡沫基本無(wú)影響。

2.2.4 防止產(chǎn)層污染

泡沫流體對(duì)產(chǎn)層污染極小，在各種作業(yè)中調(diào)節(jié)泡沫液密度與油層壓力接近，在低壓井可顯著降低修井液的漏失程度。初期少量泡沫進(jìn)入巖石孔隙，產(chǎn)生氣阻效應(yīng)，組織了流體的繼續(xù)進(jìn)入，從而防止修井液對(duì)油層的傷害。

2.2.5 其它性質(zhì)

泡沫流體中的氣泡直徑隨壓力和溫度的變化而改變，因而在井筒中是變密度流體，流動(dòng)阻力也隨深度而變化。

3 膜制氮技術(shù)在石油行業(yè)中的應(yīng)用

3.1 修井作業(yè)中的應(yīng)用

隨著石油的開(kāi)采，油田的地層壓力必然下降，不但嚴(yán)重影響生產(chǎn)，而且不利于修井作業(yè)。油田壓力下降使近井地帶壓力虧空嚴(yán)重，直接導(dǎo)致修井過(guò)程中大量修井液的漏失，出現(xiàn)油井自吸，建立循環(huán)時(shí)間延長(zhǎng)等現(xiàn)象。修井液漏失導(dǎo)致油井產(chǎn)量恢復(fù)時(shí)間延長(zhǎng)，起泵后排液長(zhǎng)達(dá)3-10天，而且由于某些地層對(duì)修井液的敏感，大量修井液的進(jìn)入傷害地層，導(dǎo)致油井產(chǎn)能的損失（不能恢復(fù)到故障前的正常產(chǎn)量），將增加措施費(fèi)用。究其修井液漏失的原因，一是地層壓力下降，二是因?yàn)樾蘧好芏却?，液柱壓力高于地層壓力。因此，利用氮?dú)馀菽芏瓤烧{(diào)的特性，低密度的泡沫修井液較常規(guī)修井液有很大的優(yōu)勢(shì)，密度容易控制，能有效的防止修井液的漏失，是良好的修井循環(huán)介質(zhì)。

另外，在修井過(guò)程中，壓井液滲入儲(chǔ)層引起水敏、水鎖對(duì)儲(chǔ)層傷害很大。低滲油藏由于流動(dòng)孔喉很細(xì)，毛管力的束縛力強(qiáng)，水鎖引起的不利影響較難解除，高粘土礦物含量更增加了水敏的潛在危害。類(lèi)似吐哈油田，油質(zhì)輕，揮發(fā)性強(qiáng)，且埋藏較深，空氣氣舉安全性差，常規(guī)抽汲排液速度慢，深度有限，難以滿足需求。氮?dú)鈿馀e則是一種非常有效的排液手段，它可以完成中深井的快速掏空，形成大的返排負(fù)壓，激勵(lì)地層回流疏通滲流孔道，加快入井液的返排，解除水鎖的影響，減輕水敏傷害。同時(shí)，氮?dú)庠谄渌囊恍┬蘧鳂I(yè)，比如混氣沖砂、負(fù)壓洗井、混氣水排液等工藝在高氣油比、低壓儲(chǔ)層中也得到了成功的應(yīng)用。

3.2 鉆井作業(yè)中的應(yīng)用

在鉆井作業(yè)中，嚴(yán)重漏失地層多使用氣體欠平衡鉆井或泡沫鉆井。低成本的空氣鉆井在經(jīng)濟(jì)方面頗具吸引力，但在油層中鉆進(jìn)時(shí)，空氣很容易引起燃燒或爆炸。有時(shí)也采用天然氣鉆開(kāi)產(chǎn)層，但仍潛在著很大的安全隱患。

用氮?dú)馊〈諝鈩t可消除著火和爆炸的危險(xiǎn)，同時(shí)混氣液或泡沫液密度較低，減輕了鉆頭載荷，提高了鉆頭的穿透力和鉆井速度，鉆成的井壁和油層都比較干凈，對(duì)返出的鉆屑樣品的分析也更快。氮?dú)馇菲胶忏@井中，氣體的介入減少或取代了鉆井操作中常用的鉆井液，使鉆井液的壓力低于地層壓力，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)油氣顯示，對(duì)油層造成的污染輕，油井可以保持較高的生產(chǎn)能力。90年代后，水平井、分枝井的迅速發(fā)展和連續(xù)油管鉆井的崛起更為氮?dú)庠阢@井方面的應(yīng)用提供了廣闊的空間。

3.3 在壓裂作業(yè)中的應(yīng)用

在壓裂作業(yè)中，在注入壓裂液的同時(shí)注入氮?dú)猓芴岣邏毫岩旱淖陨矸磁拍芰?，降低毛管力的搜集作用，減輕壓裂液滯留于地層所產(chǎn)生的傷害。這種壓裂方式稱(chēng)為混氣壓裂，主要增產(chǎn)機(jī)理如下：第一，利用前置氮?dú)獾母綦x作用，能有效避免地下原油與壓裂液接觸產(chǎn)生的傷害。第二，分散于壓裂液中的氣泡、泡沫隨壓裂液在地層中運(yùn)移，在部分喉道處聚集產(chǎn)生賈敏效應(yīng)，能夠有效封堵地層中的一些大孔隙、微裂縫，阻止了后續(xù)壓裂液沿高滲地帶濾失，混合流體視粘度增加以及氣液兩相流動(dòng)相滲透率的干擾，也在一定程度上抑制了壓裂液的濾失。第三，依靠壓縮氮?dú)馑罘e的彈性能在卸壓后體積發(fā)生膨脹，推擠壓裂液流入井筒，并攜帶出部分殘?jiān)?，氣相的介入減輕了井筒中混合流體的靜液柱壓力，有利于壓裂液自噴返排，提高了壓裂液的返排速度和返出程度。

與常規(guī)壓裂比較，混氣壓裂可提高自噴排液率2～5倍，縮短排液周期4～15天?；鞖鈮毫巡坏芙档偷蜐B油藏中毛管力的影響，而且可以疏通滲流孔道，減輕粘土膨脹，可保護(hù)油層、準(zhǔn)確反映地層液性產(chǎn)能。

根據(jù)氮?dú)馀菽芏鹊陀谒⒄扯雀哂谒?、攜砂能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，膜制氮技術(shù)還可以用于氮?dú)馀菽瓫_砂、洗井、掃線、泡沫排酸(排液)、泡沫酸酸化等很多方面。

目前，膜制氮技術(shù)在在渤海油田和勝利油田已經(jīng)應(yīng)用比較廣泛，增油效果比較明顯，尤其在低滲油田的排液、改造、儲(chǔ)層保護(hù)及安全生產(chǎn)方面成效顯著有很好的應(yīng)用前景。縱觀技術(shù)發(fā)展方向，膜制氮技術(shù)將來(lái)勢(shì)必在國(guó)內(nèi)油氣田廣泛應(yīng)用，但是目前國(guó)內(nèi)各大油氣田應(yīng)用還處于初級(jí)階段，一方面是因?yàn)槟ぶ频夹g(shù)成本較高、技術(shù)復(fù)雜，相信隨著施工的不斷優(yōu)化，通過(guò)技術(shù)進(jìn)步膜制氮施工自身的潛力會(huì)被進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，隨著應(yīng)用的深入，也將成為油氣田增產(chǎn)的常規(guī)技術(shù)之一。

［1］楊成生.氮?dú)馀菽滤谟吞锏膽?yīng)用研究[J].新疆化工，2010（3）：27-31.

［2］劉文章.油田注氮?dú)庑录夹g(shù)應(yīng)用前景[R].北京：中國(guó)石油學(xué)會(huì)注氮?dú)庥途霎a(chǎn)技術(shù)研討會(huì)，1999.

［3］旺治平，張波.膜制氮技術(shù)及在油氣田的應(yīng)用[J].天然氣工業(yè)，2007（27）：141-143.

［4］張艷玉.注氮?dú)馓岣卟墒章蔥R].中國(guó)石油大學(xué)（華東）.

［5］全球石油網(wǎng).膜制氮：未來(lái)石油開(kāi)發(fā)新技術(shù)[OL].http://china.cippe.net/news_sec/11091.htm.