注氣法

注氣法是為了提高原油採收率而進行的油藏注氣工藝過程。通過一系列注入井，將工作劑(天然氣或空氣)注入油藏，藉以將殘餘原油驅入周圍的生產井中，注氣過程應分散地進行。

基本介紹

• 中文名：注氣法
• 外文名：Gasinjection
• 領域：石油開採
• 適用油層：厚度大連通性好正韻律發育的油層
• 學科：石油與天然氣地質學
• 套用：採油，採煤氣

釋義

注氣法是為提高油田採收率，將氣體(天然氣、二氧化碳、氮氣或空氣)通過注入井注入到油層中，以補充和保持油層能量的方法。

常用的方法有頂部注氣和面積注氣兩種。注氣法的發展趨向是注入濕氣、液化氣和二氧化碳氣。以便在增加驅油動力的同時。造成混相驅動或改善油的流動性能，提高採收率。

頂部注氣是注氣方法之一。即在油田開發期間向油層頂部注氣，使油藏在開採過程中能量不斷得到補充。

面積注氣，屬二次採油法，用於油田開採末期，同的在於采出近於枯竭油田中的殘存油。面積注氣井的布置與面積注水井的布置相同。

分類

烴類混相驅

注氣法是工程師使用的最古老的提高採收率方法之一，它的使用最近有所增加，儘管大多數新的擴展用法來自非烴氣體。由於對CO₂、氮氣或煙道氣方法的興趣增加，因此將它們從烴類氣體混相法中分離了出來。

烴類混相驅可以進一步細分為三個不同的方法，而且它們已經進行了油田實驗或進一步的作業。對於LPG段塞或者溶劑驅，也就是富氣(凝析氣)驅和高壓氣(揮發氣)驅，需要獲得系統中產生混相的壓力(以及深度)。

除非油藏特徵是有利的，早期突破和大量油的繞流已經影響了很多油田項目。另外，處理必要的烴類是有價值的，當有人質疑第二輪能采出多大比例的注入烴類時，人們越來越不情願將它們注回到地下。因此，美國最近幾年將重點轉移到價值較低的非烴類氣體，比如CO₂、氮氣和煙道氣。儘管氮氣和煙道氣不能像烴類氣體(液體)能采出那么多油，但總經濟性可能在一定程度上是有利的。

氮氣和煙道氣驅

由於經濟性，氮氣和煙道氣(大約87%的氮氣和12%的CO₂)有時用來替代烴類氣體。氮氣在一些條件下由於相同的原因而與CO₂進行競爭。氮氣的經濟吸引力不僅來源於它較低的每1000ft的成本，也是由於它的壓縮性更低。

因此，在標準條件下一定量的氣體，在油藏壓力下氮氣比CO₂占據更多的空問，甚至也比甲烷在相同條件下占據更多的空問。然而，從原油採收率這個角度來看，氮氣和煙道氣都要比烴類氣體略遜一籌(比CO₂要更差一些)。氮氣有較低的黏度和在油中低的溶解度，而且需要更高的壓力來產生或形成混相。需要增加的壓力與甲烷相比是可觀的，當與CO₂相比時是非常大的(4～5倍)。因此，當氮氣用來作為甲烷的跟蹤氣時不會減少太多驅油效率，但是如果油藏壓力調整為CO₂驅所需的混相壓力，它能導致CO₂驅效率在很大程度上減低。確實，即使甲烷在氮氣驅中被認為是理想的“輕烴”或者“中間的”，但是甲烷在適度壓力下對CO₂驅獲得混相是有害的。

CO2驅

CO₂有很多原因對提高原油採收率是有效的。通常，CO₂在油藏壓力下是非常容易溶於原油的；因此，它增加了原油的淨體積，並且即使是在汽化氣驅機理獲得混相之前也會減少原油黏度。隨著達到混相，由於低的界面張力，油相和CO₂相(包括很多原油的中間組分)可以一起流動，並且與水相相比相對增加了CO₂和油相混合物的總體積。然而，油和CO₂生成的混相仍然是最重要的機理，並且只要壓力足夠高，它將發生在CO₂-原油系統。

套用：注氣法開採煤層氣

注氣法開採煤層氣就是向儲層注入N₂、CO₂、煙道氣等氣體，其實質是向煤層注入能量，改變壓力傳導特性，增大或保持擴散速率不變，從而達到提高單井產量和氣藏採收率的目的。按照注氣方式的不同，分為先注氣後採氣的間斷性注氣模式和邊注邊采的連續注氣模式。我國學者吳世躍等依據擴散滲流理論和多組分吸附平衡理論，通過室內試驗認為：間斷性注氣在吸附平衡後煤層部分採氣區的原始壓力增加，開採時壓力梯度增加，滲流速度增加，衰減時間延長；連續性注氣保持了維持煤層氣流動的壓力梯度不變，相對提高了滲流速度。另外，注氣造成的滲流速度增加又引起裂隙系統中煤層氣分壓下降速度加快，由此引起更多的吸附煤層氣參與解吸，解吸擴散速率的增大又反過來促使滲流速度加快。煤層與混合氣體達到吸附平衡後，每一組分的吸附量都小於其在相同分壓下單獨吸附時的吸附量。注氣後，競爭吸附置換，必然使一部分吸附的煤層氣解吸擴散，從而引起擴散速率、滲流速度和採收率提高。

我國對注氣驅替提高煤層氣採收率進行了較為充分的研究。從甲烷在煤層中的運移機理人手，分析了甲烷在煤層中的流動規律、煤對不同氣體的吸附特性和注氣對煤層氣擴散、滲流的影響，從理論上和實驗中都說明了注入二氧化碳和氦氣驅替煤層氣的機理，並論證了注入二氧化碳的效果要優於氮氣。通過注氣驅替來提高煤層氣採收率的機理是：一方面注入氣體後，能增加並維持儲層的能量，對煤層氣流動產生驅動並維持流動的效果；另一方面也可以發生替代作用，使甲烷解吸加深而提高採收率。注氣驅替法是技術上先進、經濟上合理的抽取煤層氣及提高煤層氣採收率的新措施。

注C02開採煤層氣

①機理

煤對C0₂的吸附能力大於對CH₄的吸附能力，而且C0₂的吸附速度也快於CH₄。當煤層中注人C0₂這種惰性氣體後，由於C0₂的強吸附力，它與煤基質微孔隙中的CH₄產生了競爭吸附。

因此，注CO₂適合於先注氣後採氣的開採模式，這是由於CO₂與CH₄的競爭吸附需要一定的時間才能完成此過程。所以注入CO₂後，要封閉井筒一段時間後再採氣，CO₂的置換效果會比較明顯。採用CO₂置換CH₄與採用常規降壓產氣相比，前者可以回收90%以上的煤層氣，而後者只能回收30%～70%。綜上所述，注CO₂開採煤層氣的機理可歸納為以下兩點：

一是“置換”，即注入的CO₂與CH₄競爭吸附，置換CH₄分子，促進CH₄解吸，同時降低CH₄的分壓，進一步促使CH₄解吸；

二是“驅趕”，驅替氣體的注入維持了比單純抽氣更高的壓力梯度，起到增加流體流速的作用，驅趕CH₄流向生產井。

②注CO₂開採煤層氣的缺點

純CO₂作為驅替氣體也存在缺點：

降低煤層的滲透性。美國的Coal-Seq現場試驗結果顯示了很明顯的提高煤層氣採收率的效果，但是試驗過程中發現，CO₂注入後，煤層滲透率降低了近2個數量級。這主要是由於煤吸附氣體後會膨脹，煤層對CO₂的吸附能力強於對CH₄的吸附能力，所以CO₂置換CH₄後煤層會膨脹，導致滲透率降低。對於國外滲透率較高的煤層，滲透率降低2個數量級對於CO₂的注入可能影響不大，但是如果煤層初始的滲透率較低，那么注入CO₂後煤層滲透率降低可能會導致CO₂無法注入，使驅替無法進行下去。

高濃度CO₂注入煤層後，其突出風險遠遠高於原含CH₄煤層，增大採煤困難甚至使煤層變得不可開採。這對於對煤炭依存度小的已開發國家不是問題，而對於煤炭資源極為寶貴、可采與不可采界限不明的煤區來說卻難以接受。

目前CO₂提純設備產能小、成本高，大規模純CO₂氣源難以保證。

總之，CO₂驅替煤層氣技術比較適合於高滲透、不可開採煤層，對於我國低滲透、可開採煤層有較大局限性。

注N2開採煤層氣

煤對N₂的吸附能力比對CH4的吸附能力弱，而且N₂的吸附速度也比CH₄的慢，N₂是不能與CH₄進行競爭吸附的，即N₂不能從煤的基質微孔隙中把CH₄“擠”出來。注氮適合邊抽邊注氣的開採模式，在此開採模式中，向煤的割理中注入氮氣，一方面可以保持煤的高割理壓力，另一方面提供了驅動游離CH₄的動力，從而加速了游離氣的運移，因此降低了CH₄的分壓。實驗室測試表明，等溫吸附線是受CH₄分壓控制，而不是受總的儲層系統壓力控制。由於CH₄分壓的降低，破壞了CH₄的吸附平衡，CH₄從煤體中解吸出來，向裂隙中擴散，在割理和裂隙系統中，在壓力梯度作用下流向排采井。

混合氣體驅替煤層氣

①機理

混合氣體驅替煤層氣的機理既包含CO₂驅替煤層氣的機理又包含N₂驅替煤層氣的機理。採用富含N₂的混合氣體驅替煤層氣的機理可以歸納為：

(1)發揮CO₂的競爭吸附能力。煤對CO₂的吸附能力比CH₄強，注入混合氣體中的CO₂可以促進CH₄脫附。當然，注入混合氣體中的N₂會降低CH₄在煤層中的分壓，也能起到一定的促進CH₄脫附的作用。

(2)發揮N₂的增滲作用。注入混合氣體中的N₂驅替CH₄後，煤層產生收縮變形，有增大滲透性的作用。這對於我國低滲透煤層的煤層氣開發尤為重要。

②混合氣體驅替煤層氣的優點

採用富含N₂的混合氣體驅替煤層氣有以下優點：

N₂的突出危險遠小於CH₄和CO₂相同氣壓下，煤層吸附的N₂量遠小於CH₄和CO₂。

混合氣體直接採用煙道氣、工業廢氣、空氣或者它們的混合氣體，提純濃度要求低或者不需提純，大幅度降低了氣源成本和混合氣體驅替煤層氣的總成本；煤田附近有各種組分的排放源，不需要遠距離輸送，可大幅度減少輸送成本。

總之，混合氣體驅替煤層氣技術兼顧CO₂的優勢吸附和N₂的增滲、減災效果。混合氣體驅替煤層氣的主要目的是：在提高煤層氣的採收率和單產量的同時減排CO₂和CH₄。煤田一般賦存數層到數十層煤，可開採儲量占地質儲量的20%左右。對於不可開採煤層，CO₂將長期封存於煤層中；對於可開採煤層，CO₂最終要釋放出來，但預先抽出CH₄，減少了CH₄排放量，減排效果十分顯著。同時也有減少CH₄突出風險、提高採煤效率的效果，具有現實意義，適用於低滲透煤層。