范 勇 苏 川 彭明昌

（1.天津市大港油田井下作业公司特车分公司 中国 天津 300280；2.天津市大港油田井下作业公司市场生产科 中国 天津 300280）

随着技术的不断进步及行业标准的不断提高，在石油工业的发展过程中，越来越多的新技术、新工艺应用于石油开采过程中，对进一步提高油气采收率有重大的现实意义。在现代石油开采中，氮气泡沫已经广泛地用于石油领域，根据氮气不燃烧的性质，在钻井作业中，用来替代空气消除地下燃烧或爆炸的危险。利用氮气控制入井液的密度，在低压易漏失层完成各项作业工序，如混气冲砂，另外利用氮气泡沫的特性还可以完成其它施工工艺，有很好的应用前景。

空气中含氮气78%，为膜制氮技术发展提供了很好的客观物质基础。一般有两种制氮方法，一是冷却法，把空气冷却到-200℃以下，根据氮气和氧气沸点不同实行分离，但是液氮不好运输，无法用普通压缩机压缩，成本较高。二是膜制氮方法，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，直接用于膜制氮工艺施工。

1 膜制氮技术简介

1.1 膜分离法制氮原理及应用

膜制氮技术的核心部件是膜分离器，空气压缩机压缩后的空气经过多级过滤器，除去空气中的油、水、颗粒，并对过滤后的空气加热到一定温度，之后到达膜分离器。由于经过空压机压缩，到达膜分离器的空气在氮气分离膜组两侧具有一定的压力差。不同气体在膜分离器中的溶解速率和扩散系数不同，在压力差的作用下，渗透速率较快的水蒸气、氧气优先通过膜，成为富氧气体；而渗透速率较慢的氮气在滞留侧富集，成为干燥的富氮气体，就这样氮气就被分离出来。

通过膜制氮装备分离出的氮气，在实际应用中利用其不燃的特性，进行气井气举排液、扫线等施工，但是在这些简单的施工并没用发挥氮气的更大潜力。在实际应用中，氮气泡沫不但能完成气举排液和扫线施工，还能完成泡沫冲砂、洗井、排酸、泡沫压裂等工艺，应用十分广泛。

1.2 膜制氮装备的应用及发展状况

上世纪90年代后期，膜制氮技术开始在石油领域应用，近几年得到发展，但相对于国外油气领域的氮气应用，我国还处于初期。随着近几年国内油气领域的不断应用总结和经验积累，膜制氮设备的潜在优势及丰富的开发应用前景，已被国内油气领域认同和关注。特别是现在世界范围内，原油价格高企，油气资源比过去任何时候都重要。作为一种有效的技术，膜制氮技术更引起了世界各国的重视。

目前国内的膜制氮装备生产企业多数是依靠国外的技术来进行组装，自身并未掌握核心技术。国外著名的膜制氮公司有捷能（Geoeron）、普里森（Prism）、麦道（Medal）公司等，膜制氮装备的核心就是膜的类型及性能，这也是国内的差距所在。

2 氮气泡沫的产生及特性

2.1 氮气泡沫的产生

石油工程中应用的泡沫流体是以水与空气、氮气、天然气或二氧化碳等气液两相充分混合形成的两相流体。泡沫流体是气体在液体中充分分散形成，气泡分散程度越高，泡沫流体的质量越好，经过搅拌气液就可以混合。空气、天然气泡沫在油井或井场中有爆炸的危险，二氧化碳泡沫对管柱有腐蚀性。相比之下，氮气易于制得，气源方便，使用安全，而且氮气泡沫产生简单，空气经过膜制氮装置，留下纯度达到95%以上的氮气，通过给膜制氮装备增加一套泡沫发生器，通过机械搅拌或液力搅拌，使气液两项充分混合，并在搅拌过程中加入起泡剂和稳定剂，形成稳定的氮气泡沫，

2.2 氮气泡沫的特性

氮气泡沫是不溶性气体分散在液体中的多孔膜状多相分散体系。氮气是惰性气体，稳定性好，不易与其它物质发生化学反应。氮气泡沫流体密度低而且方便调节，作为入井液便于控制井底压力，减少漏失和污染，而且粘度高，携砂能力强，调剖能力强，还有遇水稳定、遇油消泡的特性。

2.2.1 密度可调性

石油工程中的泡沫流体密度范围一般为0.45-0.9g/cm3，密度可根据气体充入量的大小调节，十分方便。对于低压漏失井作业，泡沫流体作为入井液便于控制井底压力，能有效减少入井液漏失和防止地层污染。

2.2.2 泡沫流体的稳定性

从热力学角度看，泡沫有较好的稳定性，泡沫的上部和下部表面张力不同，上部表面张力大于下部表面张力，中央液体的向下运动被下部液体的回流所平衡。但是泡沫还有衰变性，在实际应用中，为了让泡沫保持更好的稳定性，常常加入稠化剂，得到较好的稳定性。

2.2.3 抗高温性和化学兼容性

在石油工程领域，泡沫流体的抗高温性几乎没有限制，在水基液体不产生沸腾的情况下，泡沫流体总是稳定。同时由于泡沫流体是水与气体的混合体，具有水的一切兼容性，几乎可以与一切能溶于水的化学处理剂相容，同时各种化学药品对泡沫基本无影响。

2.2.4 防止产层污染

泡沫流体对产层污染极小，在各种作业中调节泡沫液密度与油层压力接近，在低压井可显著降低修井液的漏失程度。初期少量泡沫进入岩石孔隙，产生气阻效应，组织了流体的继续进入，从而防止修井液对油层的伤害。

2.2.5 其它性质

泡沫流体中的气泡直径随压力和温度的变化而改变，因而在井筒中是变密度流体，流动阻力也随深度而变化。

3 膜制氮技术在石油行业中的应用

3.1 修井作业中的应用

随着石油的开采，油田的地层压力必然下降，不但严重影响生产，而且不利于修井作业。油田压力下降使近井地带压力亏空严重，直接导致修井过程中大量修井液的漏失，出现油井自吸，建立循环时间延长等现象。修井液漏失导致油井产量恢复时间延长，起泵后排液长达3-10天，而且由于某些地层对修井液的敏感，大量修井液的进入伤害地层，导致油井产能的损失（不能恢复到故障前的正常产量），将增加措施费用。究其修井液漏失的原因，一是地层压力下降，二是因为修井液密度大，液柱压力高于地层压力。因此，利用氮气泡沫密度可调的特性，低密度的泡沫修井液较常规修井液有很大的优势，密度容易控制，能有效的防止修井液的漏失，是良好的修井循环介质。

另外，在修井过程中，压井液渗入储层引起水敏、水锁对储层伤害很大。低渗油藏由于流动孔喉很细，毛管力的束缚力强，水锁引起的不利影响较难解除，高粘土矿物含量更增加了水敏的潜在危害。类似吐哈油田，油质轻，挥发性强，且埋藏较深，空气气举安全性差，常规抽汲排液速度慢，深度有限，难以满足需求。氮气气举则是一种非常有效的排液手段，它可以完成中深井的快速掏空，形成大的返排负压，激励地层回流疏通渗流孔道，加快入井液的返排，解除水锁的影响，减轻水敏伤害。同时，氮气在其它的一些修井作业，比如混气冲砂、负压洗井、混气水排液等工艺在高气油比、低压储层中也得到了成功的应用。

3.2 钻井作业中的应用

在钻井作业中，严重漏失地层多使用气体欠平衡钻井或泡沫钻井。低成本的空气钻井在经济方面颇具吸引力，但在油层中钻进时，空气很容易引起燃烧或爆炸。有时也采用天然气钻开产层，但仍潜在着很大的安全隐患。

用氮气取代空气则可消除着火和爆炸的危险，同时混气液或泡沫液密度较低，减轻了钻头载荷，提高了钻头的穿透力和钻井速度，钻成的井壁和油层都比较干净，对返出的钻屑样品的分析也更快。氮气欠平衡钻井中，气体的介入减少或取代了钻井操作中常用的钻井液，使钻井液的压力低于地层压力，能够及时发现油气显示，对油层造成的污染轻，油井可以保持较高的生产能力。90年代后，水平井、分枝井的迅速发展和连续油管钻井的崛起更为氮气在钻井方面的应用提供了广阔的空间。

3.3 在压裂作业中的应用

在压裂作业中，在注入压裂液的同时注入氮气，能提高压裂液的自身反排能力，降低毛管力的搜集作用，减轻压裂液滞留于地层所产生的伤害。这种压裂方式称为混气压裂，主要增产机理如下：第一，利用前置氮气的隔离作用，能有效避免地下原油与压裂液接触产生的伤害。第二，分散于压裂液中的气泡、泡沫随压裂液在地层中运移，在部分喉道处聚集产生贾敏效应，能够有效封堵地层中的一些大孔隙、微裂缝，阻止了后续压裂液沿高渗地带滤失，混合流体视粘度增加以及气液两相流动相渗透率的干扰，也在一定程度上抑制了压裂液的滤失。第三，依靠压缩氮气所蓄积的弹性能在卸压后体积发生膨胀，推挤压裂液流入井筒，并携带出部分残渣，气相的介入减轻了井筒中混合流体的静液柱压力，有利于压裂液自喷返排，提高了压裂液的返排速度和返出程度。

与常规压裂比较，混气压裂可提高自喷排液率2～5倍，缩短排液周期4～15天。混气压裂不但能降低低渗油藏中毛管力的影响，而且可以疏通渗流孔道，减轻粘土膨胀，可保护油层、准确反映地层液性产能。

根据氮气泡沫密度低于水、粘度高于水、携砂能力强等优点，膜制氮技术还可以用于氮气泡沫冲砂、洗井、扫线、泡沫排酸(排液)、泡沫酸酸化等很多方面。

目前，膜制氮技术在在渤海油田和胜利油田已经应用比较广泛，增油效果比较明显，尤其在低渗油田的排液、改造、储层保护及安全生产方面成效显著有很好的应用前景。纵观技术发展方向，膜制氮技术将来势必在国内油气田广泛应用，但是目前国内各大油气田应用还处于初级阶段，一方面是因为膜制氮技术成本较高、技术复杂，相信随着施工的不断优化，通过技术进步膜制氮施工自身的潜力会被进一步开发，随着应用的深入，也将成为油气田增产的常规技术之一。

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