煙道氣驅(qū)油機(jī)理與技術(shù)綜述

李憲騰，趙東亞，李兆敏，楊建平.中國石油大學(xué)（華東） 化學(xué)工程學(xué)院，山東青島66580.中國石油大學(xué)（華東） 石油工程學(xué)院，山東青島66580.中國石油遼河油田公司，遼寧盤錦400

專題綜述

煙道氣驅(qū)油機(jī)理與技術(shù)綜述

李憲騰1，趙東亞1，李兆敏2，楊建平3
1.中國石油大學(xué)（華東） 化學(xué)工程學(xué)院，山東青島266580
2.中國石油大學(xué)（華東） 石油工程學(xué)院，山東青島266580
3.中國石油遼河油田公司，遼寧盤錦124010

近年來，石油行業(yè)對節(jié)能減排的要求越來越高，煙道氣驅(qū)EOR技術(shù)得到了較快發(fā)展。目前國際與國內(nèi)對煙道氣驅(qū)油的機(jī)理與工藝技術(shù)已經(jīng)開展了一些研究，但缺乏系統(tǒng)的歸納和總結(jié)。對煙道氣驅(qū)油的機(jī)理，包括增溶、降黏、重力分異、混相抽提、加強(qiáng)滲透和蒸餾等進(jìn)行了較為全面的介紹，同時對煙道氣驅(qū)涉及的主要工藝——煙道氣脫硫脫硝、除塵干燥、注入防腐和檢測控制等現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)分析，可為研究和現(xiàn)場技術(shù)人員提供參考。

煙道氣；驅(qū)油機(jī)理；EOR技術(shù)；驅(qū)油技術(shù)

20世紀(jì)60年代，天然氣價(jià)格上漲，人們開始探索煙道氣驅(qū)油技術(shù)。但由于煙道氣驅(qū)油效果不如CO2，經(jīng)濟(jì)成本不如N2，因此煙道氣驅(qū)發(fā)展一直比較緩慢。近年來國際社會限制溫室氣體排放的呼聲越來越高，我國也制訂了2020年CO2排放比2005年下降40%的目標(biāo)。因此煙道氣驅(qū)EOR技術(shù)又重新為人們所重視。煙道氣的主要來源為油田現(xiàn)場伴生氣燃燒的尾氣以及燃煤電廠排放的廢氣。與CO2驅(qū)相比，煙道氣驅(qū)EOR技術(shù)省去了提純CO2的復(fù)雜工藝和高昂成本，同時也能夠?qū)崿F(xiàn)CO2氣體的封存，可有效降低溫室氣體排放，實(shí)現(xiàn)資源的合理利用。

煙道氣屬于非凝析氣體，具有可壓縮性、溶解性、可混相性及腐蝕性。煙道氣驅(qū)一般分為非混相驅(qū)和重力驅(qū)［1］，通常適用于低滲透油藏、凝析氣藏、稠油油藏和陡構(gòu)造油藏等［2］，其驅(qū)油效果與CO2等氣體的含量密切相關(guān)。國際上煙道氣驅(qū)的研究與應(yīng)用主要以加拿大為代表［3-5］，國內(nèi)主要以遼河油田和克拉瑪依油田為代表［6-8］。煙道氣驅(qū)油機(jī)理主要包括：增溶作用、降黏作用、重力分異作用、混相抽提效應(yīng)、增強(qiáng)巖石滲透作用以及強(qiáng)化蒸餾作用。煙道氣驅(qū)EOR關(guān)鍵技術(shù)包括煙氣凈化、煙氣注入、設(shè)備防腐以及檢測監(jiān)控等。

現(xiàn)有資料表明，目前已實(shí)施的項(xiàng)目類型包括煙道氣輔助蒸汽吞吐提高稠油、超稠油采收率；煙道氣輔助SAGD技術(shù)提高稠油、超稠油采收率；煙道氣吞吐提高低滲透油藏采收率；煙道氣輔助蒸汽吞吐提高輕質(zhì)高含水油藏采收率；煙道氣吞吐提高水敏性油藏采收率等。注入方式包括蒸汽轉(zhuǎn)連續(xù)煙道氣驅(qū)、蒸汽轉(zhuǎn)氣-汽同注、蒸汽轉(zhuǎn)煙道氣段塞驅(qū)、注水轉(zhuǎn)煙道氣吞吐和氣水同注等。

1　煙道氣驅(qū)油機(jī)理

1.1增溶

氣體在原油中的溶解度直接影響煙道氣的驅(qū)油效果：溶解度越高，原油體積膨脹越大，獲得的彈性能量就越高。相比蒸汽，煙道氣中的有效成分CO2和N2的增溶作用能夠使得原油獲得大量的彈性能量。通過開采井高壓注入的煙道氣在油藏內(nèi)迅速膨脹，為提高原油采收率提供了驅(qū)油動力。文獻(xiàn)［7］采用閃蒸法測得N2和CO2在稠油中的溶解度，實(shí)驗(yàn)溫度為100℃，結(jié)果見圖1。

圖1　CO2與N2在稠油中溶解度與壓力關(guān)系

結(jié)果顯示，100℃的情況下，壓力由2 MPa升至18 MPa時，CO2在原油中溶解度增大了11.96倍，N2在原油中的溶解度增大了22.85倍。兩種氣體均具有較強(qiáng)的增溶作用。

1.2降黏

煙道氣中的CO2與原油有很好的互溶性。CO2溶于原油會降低原油黏度，且原油中溶解氣越多，降黏效果越明顯。研究表明，煙道氣的降黏作用可以改善流度比，提高重質(zhì)原油采收率，是重質(zhì)油藏的主要驅(qū)油機(jī)理［9-10］。文獻(xiàn)［11］將煙道氣溶于稠油，并針對不同氣油比的油氣混合物采用落球黏度計(jì)進(jìn)行黏度測定，結(jié)果見圖2。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，65℃時，油氣混合物的黏度下降了97.7%；110℃時，油氣混合物黏度下降了95.8%。表明同一溫度下，隨著煙道氣溶解度的增加，油氣混合物的黏度大大降低。

圖2　　煙道氣-稠油混合物黏度變化曲線

1.3重力分異

在垂向連續(xù)滲透率較好的油藏中，由于重力與浮力的作用，油藏內(nèi)部流體按照密度分異形成氣頂、油柱和底水的分異分布，這種現(xiàn)象稱為重力分異。當(dāng)向油藏頂部或已形成的氣頂或者油柱注入煙道氣時，原油與煙道氣因密度差異產(chǎn)生重力分異作用，油藏內(nèi)部流體的運(yùn)動和分布均發(fā)生改變，氣頂膨脹推動油氣界面下移，達(dá)到重力泄油的效果。此過程與注蒸汽相比，相同的注氣速度下，煙道氣可以改善蒸汽前緣，增大蒸汽垂向波及體積（見圖3、圖4）［12-14］。

圖3　注蒸汽前緣

1.4混相抽提

圖4　　蒸汽煙道氣混注前緣

在煙道氣驅(qū)油過程中，氣體與原油反復(fù)接觸，不斷進(jìn)行富化。在一定的壓力與溫度下，前緣氣體被富化到一定程度會與原油之間形成溶解，達(dá)到抽提過程的動態(tài)平衡，進(jìn)而達(dá)到混相狀態(tài)?；煜酄顟B(tài)下界面張力大大降低，殘余油有效地被驅(qū)替并隨油氣混合物流動產(chǎn)出，采收率得以提高［15］?；煜喑樘徇^程見圖5。圖5中，O代表原油，Gi代表不斷富化的煙道氣，Li為不斷被抽提的原油。兩者互相溶解抽提，最終達(dá)到混相。

圖5　　煙道氣與原油混相抽提示意

1.5增強(qiáng)巖石滲透

煙道氣中的CO2溶于地層水中可形成碳酸。碳酸能夠溶蝕巖石中的一些礦物成分，從而使得礦物顆?？紫蹲兇?，油層滲透率提高，促進(jìn)了氣體的驅(qū)替，提高了采收率。文獻(xiàn)［16］中用掃描電鏡觀察到由CO2水溶液溶蝕的鐵白云石（見圖6），可以看到溶蝕后的巖石孔隙明顯變大。

1.6強(qiáng)化蒸餾

圖6　　飽和CO2水驅(qū)實(shí)驗(yàn)前后的巖心掃描電鏡照片

在稠油開采過程中，當(dāng)溫度高于或者等于稠油初餾點(diǎn)時，稠油中的輕質(zhì)組分會以氣態(tài)形式分離，產(chǎn)生蒸餾作用。溫度越高，蒸餾出的輕質(zhì)組分越多。蒸餾作用的強(qiáng)弱也和壓力以及稠油特性密切相關(guān)。注蒸汽開采時，受蒸汽的影響，相同溫度下餾出量增加［17］。混注煙道氣時，油水混合物汽化壓力減小，更容易達(dá)到油層當(dāng)前壓力產(chǎn)生蒸餾。同時煙道氣較差的傳熱性會使得蒸汽攜熱能力增強(qiáng)，熱損減少，能夠進(jìn)一步地強(qiáng)化對原油的蒸餾作用［18］。文獻(xiàn)［19-20］通過蒸餾實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了混注煙道氣強(qiáng)化蒸餾的效果。

2　煙道氣驅(qū)EOR技術(shù)

煙道氣驅(qū)油EOR技術(shù)涵蓋了油藏工程、鉆井工程和采油工程三個相互獨(dú)立又相互銜接的工程領(lǐng)域，涉及流體力學(xué)、電化學(xué)、自動化以及地質(zhì)學(xué)等多種學(xué)科。理論上講，煙道氣驅(qū)EOR技術(shù)涵蓋煙道氣的產(chǎn)生、運(yùn)輸、處理以及注入油藏的每一個環(huán)節(jié)，包括工藝的制訂、設(shè)備的選取以及檢測系統(tǒng)的集成等。本文針對煙道氣驅(qū)過程中的幾個工藝進(jìn)行探討。

2.1煙道氣驅(qū)工藝

從流程上講，煙道氣驅(qū)工藝主要分為煙道氣的前處理和煙道氣的注入兩個過程，工藝流程見圖7。其中煙道氣的前處理過程包括煙道氣的采集、凈化、脫水等，是為驅(qū)油提供高質(zhì)量的煙道氣所做的必要準(zhǔn)備，直接關(guān)系到設(shè)備的正常運(yùn)行。煙道氣的注入過程包括增壓、加藥、計(jì)量和分配等，直接影響驅(qū)油效果。煙道氣有多種不同的注入方式，要根據(jù)油藏特性和實(shí)際工況進(jìn)行選擇［6］。

圖7　煙道氣驅(qū)工藝流程

2.2煙道氣脫硫技術(shù)

煙道氣中的SO2含量不高，但其能夠和煙道氣中的氧生成SO3，進(jìn)而與水混合產(chǎn)生酸性溶液，這些酸性溶液會對設(shè)備和地下管網(wǎng)產(chǎn)生腐蝕作用。研究表明，煙氣中硫酸冷凝是煙道氣具有強(qiáng)腐蝕性的主要原因，而且SO3濃度越高，越容易造成腐蝕［21］。因而新生成的煙道氣一定要進(jìn)行脫硫處理。在現(xiàn)階段，煙道氣脫硫工藝主要分為干法脫硫、半干法脫硫、濕法脫硫以及一系列新型脫硫方法［22-24］。

在眾多的脫硫工藝中，濕法脫硫技術(shù)的效率較高，是目前應(yīng)用最廣的脫硫方法，約占世界上現(xiàn)有煙道氣脫硫裝置的85%左右［25］。其中，石灰石/石灰工藝占到煙氣脫硫總量的83%左右。濕法脫硫大致可以分為石膏法和拋棄法兩種。與拋棄法相比，石膏法不但能夠產(chǎn)生脫硫副產(chǎn)品——石膏，而且能有效地控制結(jié)垢和堵塞，因此石灰石/石膏法的應(yīng)用越來越廣泛［26］。煙氣驅(qū)EOR技術(shù)一般也優(yōu)先選取此工藝進(jìn)行脫硫處理。

目前多數(shù)脫硫工藝主要是針對高濃度SO2的脫除，低濃度SO2的脫除仍富有挑戰(zhàn)性。煙氣驅(qū)EOR過程中的脫硫技術(shù)也將脫除低濃度SO2作為一個重要研究方向。

2.3煙道氣脫硝技術(shù)

通常煙道氣中含有少量氮氧化物。這些氮氧化物一般由空氣中的氮分子和氧分子結(jié)合生成，或者由燃料中原有的氮氧化物燃燒氧化生成。氮氧化物可以與水結(jié)合生成硝酸，進(jìn)而對設(shè)備管道形成腐蝕。煙氣脫硝也是煙氣前處理的重要步驟。

常規(guī)燃煤電廠脫硝工藝中，應(yīng)用最多的是選擇性催化還原法。選擇性催化還原法是最早實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用的氮氧化物脫除技術(shù)，也是國際上應(yīng)用最多，技術(shù)最成熟的技術(shù)。其主要原理是在一定的溫度和催化劑的催化作用下，用氨作為催化反應(yīng)的還原劑使氮氧化物轉(zhuǎn)換成無害的氮?dú)夂退魵?。一般來說催化劑不同，反應(yīng)溫度也不同。

在煙道氣驅(qū)EOR技術(shù)中，由于煙道氣產(chǎn)生過程中為了保證燃料的充分燃燒，往往會通入過量空氣，煙道氣中必定殘留一些氧氣。這些氧氣的存在會產(chǎn)生加劇腐蝕等諸多問題，因此應(yīng)盡量降低煙道氣中氧含量。出于降低氧含量的考慮，煙道氣驅(qū)EOR技術(shù)中煙道氣脫硝過程多選擇使用非催化選擇性還原法［27］，該方法反應(yīng)原理與選擇性催化還原法類似，但不需要催化劑，故反應(yīng)溫度要求較高，因此控制好反應(yīng)溫度是關(guān)鍵。與選擇性催化還原法相比，該方法設(shè)備投資較小，氨液消耗量較多。

2.4煙道氣除塵與干燥技術(shù)

煙道氣中通常含有少量粉塵。粉塵會影響設(shè)備運(yùn)行效率，加劇設(shè)備腐蝕，造成油層污染。因此注入煙道氣時，要進(jìn)行除塵處理，降低粉塵濃度并使得殘余粉塵粒徑小于1 μ m。燃煤電廠通常使用的電除塵技術(shù)或者袋式除塵技術(shù)在煙道氣驅(qū)EOR技術(shù)中可以直接應(yīng)用，重力除塵技術(shù)、旋風(fēng)除塵技術(shù)、離心濕式除塵技術(shù)等在滿足煙道氣驅(qū)要求的情況下也可選擇使用［28］。

此外，煙道氣中的少量水分為煙道氣中的各種酸性氣體提供了良好的成酸環(huán)境，對設(shè)備造成腐蝕隱患。一般來說，煙道氣中的水含量應(yīng)該小于0.2%。除塵脫硫裝置中的脫水器通常難以滿足要求，需繼續(xù)進(jìn)行干燥處理。在眾多干燥處理方法中應(yīng)用最為廣泛的是冷凍式和吸附式［29-30］。冷凍式是通過對氣體降溫，使得氣體的溫度低于露點(diǎn)溫度而析出水分；吸附式利用異相分子與主體分子之間的密度差產(chǎn)生的吸附作用實(shí)現(xiàn)氣液分離。兩種方法都可用于煙氣驅(qū)EOR過程。

2.5煙道氣注入技術(shù)

煙道氣的注入方式有很多。由于煙道氣主要由CO2和N2組成，理論上CO2和N2的注入方式對煙道氣均適用。常見的注入方式主要有煙道氣吞吐、水氣交替注入、汽氣交替注入和煙道氣雙注，即水氣或者氣汽同時注入。煙道氣吞吐主要應(yīng)用于高含水油藏和水敏性油藏。采油過程是在油井注入一定量的煙道氣后關(guān)閉油井，使煙道氣在原油中充分溶解，再開啟油井進(jìn)行開采。采油效果主要受注入速度、周期注入量以及悶井時間等因素的影響［31-32］。水氣交替注入以及汽氣交替注入能夠提高波及系數(shù)，提高能量利用效率，是典型蒸汽吞吐后期增加采收率的有效采油注入方式［33］。

煙道氣雙注采油主要是針對稠、稀油區(qū)塊的開采提出的，通常分為兩種工藝：一種是煙道氣和高壓蒸汽同時注入，煙道氣從油管和管套之間注入井下與從油管注入的高壓蒸汽在油井底部混合進(jìn)入油層；另一種是煙道氣和含油污水同時注入，煙道氣與含油污水混合后從油管注入，主要用于非混相驅(qū)［34］。除此之外，文獻(xiàn)［7］提出了“一注三采”的技術(shù)路線，從煙道氣中提取CO2以及N2，并合理利用鍋爐中產(chǎn)生的水蒸氣，通過氣體調(diào)配系統(tǒng)分別注入井中，該工藝充分利用了鍋爐資源，具有較大的環(huán)境經(jīng)濟(jì)效益。煙道氣的注入還要根據(jù)油層注氣的具體情況加入泡沫劑或者緩蝕劑，根據(jù)注煙氣井?dāng)?shù)和煙氣注入量配置調(diào)節(jié)閥組?？偠灾瑹煹罋庾⑷氲墓に囘x擇要根據(jù)油藏特點(diǎn)以及其他限制因素綜合考慮，合理布局。

2.6煙道氣驅(qū)防腐技術(shù)

煙道氣中含有大量CO2酸性氣體，以及少量SO3、O2和H2O，極易形成對設(shè)備的腐蝕。海上采油過程中設(shè)備處于潮濕環(huán)境，更容易產(chǎn)生腐蝕。石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定油管腐蝕速度不大于0.076 mm/a。在煙道氣驅(qū)過程中對設(shè)備的防腐工作必不可少。

目前常用的防腐措施主要有以下幾種：

（1）設(shè)備管道使用抗腐蝕性較好的合金管材，如1Cr、9Cr、13Cr等，提高設(shè)備耐腐蝕性能。

（2）在金屬設(shè)備表面涂油漆等非金屬涂層，隔絕酸性環(huán)境。

（3）在油井管道下部加裝犧牲陽極，保護(hù)井下管道。

（4）在注入煙道氣和蒸汽或者水膠體時，注入柴油等隔離液，以防止煙道氣與蒸汽或水接觸。

（5）在煙道氣中加入緩蝕劑，如咪唑啉、硫脲等［35-36］。文獻(xiàn)［37］針對不同油田腐蝕環(huán)境中緩蝕劑的合成和復(fù)配性能進(jìn)行研究，為緩蝕劑的選取提供了參考。文獻(xiàn)［38］通過實(shí)驗(yàn)研究了不同的煙道氣樣品和腐蝕抑制劑對低碳鋼的腐蝕作用，為實(shí)現(xiàn)濕煙道氣提高采收率提供了依據(jù)，對于海上油田煙道氣驅(qū)具有重要意義。

研究表明，煙道氣溫度低于酸露點(diǎn)致使其中硫酸冷凝是煙道氣具有強(qiáng)腐蝕性的主要原因［39］。因而確定煙氣酸凝結(jié)點(diǎn)溫度是避免低溫酸腐蝕，提高煙道氣驅(qū)油安全性的關(guān)鍵。文獻(xiàn)［40］建立了煙道氣在井筒中的流動與傳熱模型，計(jì)算了不同煙道氣成分和注入?yún)?shù)下煙道氣沿井筒深度的酸凝結(jié)點(diǎn)，分析得到不同注入介質(zhì)對酸凝結(jié)點(diǎn)的影響規(guī)律，為煙道氣驅(qū)油的防腐提供了一定的指導(dǎo)。研究表明提高注入溫度和流量，降低注入壓力，對煙道氣進(jìn)行有效的脫酸、脫水處理，可以防止井筒內(nèi)出現(xiàn)酸凝結(jié)。

2.7煙道氣驅(qū)檢測與控制技術(shù)

煙道氣驅(qū)油過程較為復(fù)雜，為了保障設(shè)備的正常運(yùn)行，避免事故的發(fā)生，需要對全流程各個環(huán)節(jié)進(jìn)行檢測控制。PLC控制系統(tǒng)專為工業(yè)環(huán)境設(shè)計(jì)，操作靈活方便，自動手動模式可自由切換，并且能夠在線監(jiān)控運(yùn)行過程。煙道氣驅(qū)工藝過程用PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行檢測控制，保證設(shè)備安全運(yùn)作。文獻(xiàn)［41］針對新疆克拉瑪依油田設(shè)計(jì)的鍋爐煙道氣注入地層采油地面工藝裝置，采用了PLC控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程自動化。該系統(tǒng)對整個工藝流程的七個控制點(diǎn)采取順序延時啟動、逆序延時停機(jī)的開關(guān)控制方法；對煙道氣中氧含量、空氣中煙道氣濃度、儲氣罐壓力等都進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，并將這些信息直接轉(zhuǎn)化為對注氣量、報(bào)警系統(tǒng)以及管道閥門等的控制；急停程序也可以自如地應(yīng)對突發(fā)故障，保證人身安全。整個控制系統(tǒng)高效可靠，確保了設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定與安全。

此外，文獻(xiàn)［39］針對某氣體驅(qū)油項(xiàng)目具體的工況與監(jiān)控要求，自主設(shè)計(jì)開發(fā)了自動調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，為煙道氣驅(qū)油工藝的監(jiān)控提供了較好的借鑒作用。

3　結(jié)束語

煙道氣驅(qū)EOR技術(shù)不但可以提高原油采收率，而且可以降低溫室氣體排放，是一個值得深入研究的課題。當(dāng)前關(guān)于煙道氣驅(qū)機(jī)理以及工藝操作等方面的研究正逐步趨于成熟，其經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益也逐漸凸顯。

（1）煙道氣驅(qū)EOR機(jī)理除了常被人們提及的增溶降黏作用外，還有重力分異、強(qiáng)化蒸餾、混相抽提以及增強(qiáng)巖石滲透等作用。提高油藏采收率可從多方面考慮。

（2）煙道氣驅(qū)EOR技術(shù)的關(guān)鍵是煙道氣處理，主要包括煙道氣脫硫、脫硝、干燥和除塵。注入方式多種多樣，注入?yún)?shù)靈活多變，應(yīng)根據(jù)實(shí)際工況制訂具體方案實(shí)施。

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國家自然科學(xué)基金（61273188，61473312）；國家科技重大專項(xiàng)“渤海灣盆地遼河坳陷中深層稠油開發(fā)技術(shù)示范工程”（2011ZX05053）。

An Overview ofFlue Gas Flooding EORTechnology

LIXianteng1，ZHAO Dongya1，LIZhaomin2，YANG Jianping3
1.College of ChemicalEngineering，China University of Petroleum，Qingdao 266580，China
2.Schoolof Petroleum Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266580，China
3.PetroChina Liaohe Oilfield Company，Panjin 124010，China

In recent years，the oil industry has made increasing demands for energy conservation.Flue gas flooding EOR technology has been developed rapidly.By far，the internationaland domestic researchers have carried out some researches on flue gas EOR technology.However，there is lack of systematic conclusion and summary in current studies.This article introduces the mechanisms of flue gas flooding and the main processes.The mechanisms include solubilization，viscosity，gravity segregation，mixed phase extraction，strengthened penetration and distillation.The main processes are flue gas desulfurization，flue gas denitrification，dedust，evaporation，injection，detection of corrosion and control.The summary and analysis of the current situation are presented.This can provide a reference for the staff engaging in the study and field work.

flue gas；flooding mechanism；EOR technology；flooding technology

10.3969/j.issn.1001-2206.2016.01.001

李憲騰（1992-），男，山東聊城人，2014級中國石油大學(xué)（華東）動力工程及工程熱物理專業(yè)在讀碩士，主要從事石油天然氣開采建模與評價(jià)研究工作。Email：534117279@qq.com

2015-07-21；

2015-12-10