一、氮气物理化学性质

在常温常压下，N2为无色无味的气体，其相对密度约为空气的0．97 倍。N2的临界温度为126．35K，临界压力为3．398MPa。当压力为0．1MPa，温度为273．15K时，N2的密度为1．25kg／m ，导热系数为0．02392J／（m·s·），动力粘度系数为0．0169mPa·s。在不同条件下，N2也可以气、液、因三种状态存在。在常压下，温度为77．37K 时，氮气变成无色透明的液体。当温度为63．15K 时，氮凝固成雪状的固体。N2化学性质极不活泼，在常态下表现出很大的惰性。它不易燃烧、干燥、无爆炸性、无毒、无腐蚀性，因而使用安全可靠。对氮气的各种特性参数，可用与CO2相同的方法来确定。表2－5 给出氮气的一些性质。

（一）氮气的密度

1．氮气的密度

与大多数其它气体类似，N2的密度随压力升高而增加，随温度的升高而降低。在相同的压力、温度条件下，氮气的密度比CO2小，比甲烷高，但比某些烃类气体低。一般情况大，氮气的密度低于气顶气密度，因而有利于采取N2重力驱开发凝析气田。

2．液氮的密度

与液体CO2性质相似，液氮的密度主要随温度的升高而减小。

3．固氮的密度固氮的密度受压力的影响甚微，但随温度的升高有所减小，见表2－6。

（二）氮气的粘度

1．氮气的粘度

氮气的粘度与气顶气接近，略高于甲烷。在压力接近41MPa 时，氮气的粘度与甲烷相近。N2的粘度与温度、压力的关系。可见，N2粘度总的趋势是随压力升高而增加。当压力较高时，其粘度随温度升高而降低；而当压力较低时，则随温度升高而升高。在相同的油层压力和温度条件下，N2粘度比CO2和天然气都低，因而重力驱气顶油藏适宜注入N2开采。

2．液氮的粘度

与液体CO2相似，液氮的粘度受压力的影响不大，但随温度的升高粘度值减小。

（三）氮气的偏差系数

氮气的偏差系数随压力的升高而增加，受温度的影响较小。在相同条件下，氮气的偏差系数比CO2、天然气的该值高，约为CO2的3 倍，这种较大的膨胀性有利于驱油。氮气的粘度受温度的影响较小，其原因是氮气的临界温度较低。在相同条件下，它的偏差系数比天然气高。

（四）氮气的溶解性

氮气在淡水和盐水中的溶解性都很微弱，比二氧化碳和天然气更不易溶于水。该特性有利于采用注氮气来保持油藏压力。另外，由于地层温度比较稳定，故认为地层温度对氮气的溶解性不起主要作用。与此相反，压力和含盐量对氮气在水中的溶解起主要影响作用，含盐量越高，溶解度越小，压力增加，氮气的溶解度提高。

（五）氮气的临界性质

蒸汽压曲线lg始于气液团三相点Tr，终于临界点Co当温度为63．15K，压力为0．0124MPa 时，气、液、固三相呈平衡状态。在临界点C 附近，气液两相形成连续的流体相区，此时它既不同于一般的气相，也不同于一般的液相。

二、氮气驱油工艺

氮气驱提高原油采收率主要机理包括混相驱替、重力驱替和注气保持油减压力。另外，氮气还可以作为驱替二氧化碳、富气或其他驱替剂与原油的混相段塞的驱替段塞。

1．混相驱替

注氮的气混相驱替过程是多次接触动态混相过程，氮气驱混相机理与高压于气温相驱相似。注入的氮气在高压下通过蒸发（汽化）作用从原油中抽提轻烃和中间烃类。当驱替前缘蒸发到足够的轻烃和中间烃时，能与油藏原油混相而达到混相驱替。向地层中注入氮气时，氮气与原油接触抽提原油中的轻烃组分而富化，富化的氮气段塞继续向前移动与“新”的原油接触，按照抽提、移动、再抽提、再移动方式进行。随着氮气的不断注入，氮气不断地蒸发原油中的轻烃以及中间烃，气体中的轻烃比例增高。从注入带到驱替前缘，氮气被不断地加富，而液态原油中剩余的重烃组分比例增大，直到临界点时，气态和液态达到平衡而混相。为了保证油藏内混相驱替过程得以不断进行，需要不断地注入氮气，以达到充分混相。由于氮气与原油混相所需的最小棍相压力很高，所以，氮气温相驱只能用于深层油藏或高压油藏。另外，达到混相要求原油中轻烃的含量高，氮气不能混相驱替重质原油。N 混相驱所需的混相压力较高，如果注入N2后油藏压力仍不能达到混相压力，可以通过N 前注入一个CO2段塞（因CO2的混相压力低于N2），这样能从原油中提出更重的烃类。氮气—原油系统的混相过程可用三元相图来描述。在拟三元相图中，如果油藏原油的组成点位于A 点，注入气体为100％纯氮气，氮气与原油的动态混相按如下过程进行。

（1）氮气与原油第一次接触，形成新体系 M1；

（2）新体系 M1位于两相驱内，具有一个平衡气相G1和一个平衡液相L1；

（3）由于气相G1比液相L1的流动能力大，因而气相G1与前面的原油进行第二次接触，形成新体系 M2；

（4）相应地，存在平衡气相G2和平衡液相L2，C2与前面原油进行第三次接触，形成体系 M3；

（5）随着接触次数的增加，接触后气相的组成点沿 G1，G2，G3，…，Gn发展，气相中C2～C6的中间组分越来越多，最终达到临界点C，达到混相。

2．重力驱替

重力驱替是指依靠注入气体与原油间重力分异作用，在油气构造顶部或大倾角油层的上部注气，以保持或部分保持气顶压力开采原油及天然气的方法。当向含油构造顶部注入氮气时，由于氮气的密度小于气顶气的密度，氮气将处于油层气顶的顶部，而且，氮气还具有非常有利的体积系数（较大的膨胀性），因此，注入的氮气可以保持甚至加大气顶的压力而驱替原油流动。当向较深的油气藏（压力接近于42MPa）注氮气时，氮气的粘度和甲烷的粘度相近，密度和气顶气的密度相近，这一特性有利于保持气顶压力而同时开采石油和天然气。重力驱替主要用于倾斜油藏和垂向渗透率高（高于0．2μm2）的地层。但在重力驱替开采原油的过程中，由于注入的氮气与原油的粘度相差较大，如果注入速度不加以控制，极易发生粘性指进。

3．保持油藏压力

保持油藏压力可以大大提高原油的采收率。对于封闭地层，将油藏压力保持在露点压力以上是非常有效的。例如在凝析油气田的开发中，当油藏压力低于露点压力时，会出现反凝析现象而降低凝析油的采收率。向地层中注入氮气时，氮气在原油及地层水中的溶解性非常差及其良好的膨胀性，有利于保持油藏的压力，使油藏压力高于露点压力，避免反凝析现象的发生，从而提高凝析油的采收率。另外，在油藏压力达到一定程度时，氮气与原油能发生多级接触混相，混相驱替可进一步提高采收率。与衰竭法开采凝析油气田相比，注气保持压力开采可提高采收率45 ％。值得注意的是，注纯氮气会导致露点压力上升，从而引起地层中液体的析出。解决这一问题的方法是先注入一个氮气和天然气的缓冲段塞。

三、最小温相压力的预测

1．Sebastian 等人的方法

2．Hanssen 方法

氮气的最小混相压力取决于原油中轻烃和中间烃的含量、油藏温度以及注入氮气的杂质（如CO2）。随着原油中的轻烃和中间组分含量的增加，氮气的最小混相压力降低。注入氮气中如果含有CO2等杂质，也会降低氮气的最小混相压力。温度对最小混相压力的影响比较复杂。

四、注氮气油藏选择

一般来说，一个油藏要注气最关键的条件是油藏要有良好的封闭性，这样注入气不致漏窜，注氮气开采原油也不例外。然后根据油藏的地质、构造和油藏流体特征，选择不同的驱管机理，确定注入方式及注入压力等施工参数。注氮气油藏选择主要考虑以下几点。

1．原油的组分和性质

影响氮气驱的机理和效果最主要因素是原油性质：原油的粘度和API 重度。低粘度和高API 重度的原油有利于氮气混相驱。氮气在API 重度高的原油中的溶解度大于在低API 重度原油中的溶解度；API 重度高的原油中的轻烃和中烃（C2～C6）含量高且粘度低。API 重度高的原油一方面有利于高压下氮气对原油的蒸发作用（汽化轻烃和中间烷轻（C2～C6）作用产生混相），另一方面，较高的轻质烷烃和中间烷烃含量，可以降低原油粘度，缩小注入氮气与原油的粘度差，减少粘性指进而提高波及效率。因此，高压下注氮气混相驱或保持压力开采的主要对象是35°API及以上的原油，而对于注氮气推动二氧化碳混相段塞，要求的原油的API 重度要低一些。

2．油藏性质

进气油藏的选择依据注氮方式或驱替机理的不同而有不同的标准，表2－2 列出了油藏性质对气体注入方式的影响结果。

（1）构造条件：若利用重力驱替作用注气开采原油，要求油藏的构造中具有比较陡的地层倾角，以利于发挥油气分离作用。同时要求地层的垂向渗透性要好（垂向渗透率大于0．2μm2）。

（2）油层深度：氮气混相驱要求很高的混相压力，而浅的油层不能经受高压，因此深油层更适合于注氮气混相驱。一般要求注氮气温相驱的油层深度大于7500ft，而对注氮气非混相驱则无此要求。

（3）渗透率：对于注气来说，低渗透性的油藏的效果会更好，因为低渗透油藏可以提供充分的混相条件，高渗透性油层会导致高的流度比而产生早期气窜，降低驱油效果。一般来说，注气要求的渗透率极限为0．01μm2。若利用重力分离作用开采原油则恰恰相反．要求更高的垂向渗透率（大于0．2μm2）。

（4）含油饱和度：要求含油饱和度（Φ·So）大于10％～25％，否则达不到预期的效果。

（5）油层压力：油层压力的大小决定着注氮气开采的机理（温相驱或非混相驱）。对于注氮气温相驱，要求的油层压力应大于4500lb／in2；对于注氮气推动二氧化碳混相段塞要求的压力只有13001b／in2。而注氮气非混相驱则无此要求。

（6）非均质性和裂缝：一般来说，裂缝油藏或非均质油藏不适合于注气开采。

五、氮气注入工艺

1．氮气制备

氮气的主要来源是空气。从空气中获取氮气的原理是根据空气中各气体组分（主要是氧气和氮气）的沸点差异（氮气的沸点为－195．78，氧气的沸点为－147．22），采用空气冷冻分离法将氮气从空气中分离出来，可获得纯度达99．999％以上的氮气。

2．注氮气工艺流程

由于注氮需要较高的压力，氮气必须经多级压缩后，才能达到注入压力的要求。根据注入层的要求，可以选用不同级数的压缩机组。例如，在太阳公司的福多奇油田的注氮工艺过程中，采用三级压缩。通过三级压缩机组，把氮气的压力分别从1100psi 升至1800psi，从1800psi 升至3500psi，再从3500psi 升至8300psi。达到要求的8300psi 后，才注入到井内。

3．产出气脱氮工艺

在注氮气开发油气田的过程中，生产井产出气中的含氮量不断上升，不但影响了注入氮气的利用效率和经济效果，而且降低了产出的天然气的热值和液化气的质量。因此，产出的气体要经过脱氮处理。天然气的脱氮过程是，在深冷条件下通过蒸馏作用从富含甲烷的天然气中析出氮气。脱氮装置一般包括三个部分：

（1）预处理：除去硫化氢和水；

（2）脱氮冷却箱：一般需要双蒸馏塔；

（3）再压缩：脱出的氮气一般要回注到油层中，再压缩的压力根据回注压力确定。

六、氮气驱的特点

1．氮气驱的优点

（1）适应的油藏类型多。对于挥发性油藏、凝析油藏采用注氮气方法可以获得较高的采收率；对于带气顶油藏和油环的油藏，注氮气可缩短开采期，提高经济效益；对于灰岩油藏，注氮气的成功率也很高。

（2）提高采收率机理多。由于注氮气不仅可以发展为混相驱，而且也可以利用重力排驱和保持油藏压力机理，提高采收率。因此，即使不能在油藏条件下达到混相驱，采收率的提高幅度也十分明显。

（3）氮气（或烟道气）的成本低。氮气与天然气及二氧化碳相比成本低得多，在美国注氮气成本为天然气的1／4，是CO2的1／3～1／2。人们可以从空气中制氮，其资源充足且不受地理条件限制。此外在能源利用上，氮气比天然气更合理，更安全，更可靠。

2．注氮气的缺点

（1）需要很高的压力才能使氮气与原油达到很相。在相同条件下，氮气与原油的最小混相压力比CO2和天然气的最小混相压力高得多。

（2）如果注入的是工厂废弃的烟道气，会带来较为严重的腐蚀问题，采用烟道气分离技术会增加注气的成本。