空氣驅(qū)地面工藝技術(shù)優(yōu)化研究與現(xiàn)場應(yīng)用

田文龍

大慶油田海拉爾石油勘探開發(fā)指揮部規(guī)劃設(shè)計中心，內(nèi)蒙古呼倫貝爾 021000

空氣驅(qū)地面工藝技術(shù)優(yōu)化研究與現(xiàn)場應(yīng)用

田文龍

大慶油田海拉爾石油勘探開發(fā)指揮部規(guī)劃設(shè)計中心，內(nèi)蒙古呼倫貝爾 021000

在海拉爾油田BZ區(qū)塊特低滲透、低豐度油藏開展注空氣驅(qū)試驗無經(jīng)驗可循，在國內(nèi)也尚屬首次，同時注空氣還面臨著高腐蝕性、高爆炸風(fēng)險等問題，因此需要開展配套地面工藝技術(shù)研究。簡要介紹了工程面臨的技術(shù)難題，較詳細(xì)闡述了優(yōu)選注空氣壓縮機(jī)組、優(yōu)化工藝流程及管材、優(yōu)選減氧工藝等技術(shù)優(yōu)化措施及實施效果，并對空氣驅(qū)工程試驗的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了評價。最后指出，空氣驅(qū)礦場試驗建立了一整套較為成熟的，適用于高寒少雨多風(fēng)沙地區(qū)特低滲透油藏的空氣驅(qū)地面工藝技術(shù)，填補(bǔ)了技術(shù)空白；但在油價走低、注入時率無法保證的條件下，在特低滲透、低豐度油藏，采用空氣驅(qū)采油是不具備經(jīng)濟(jì)開發(fā)價值的。

低滲透油藏；空氣驅(qū)；地面工藝技術(shù)；優(yōu)化；壓縮機(jī)組；減氧工藝

海拉爾油田空氣驅(qū)礦場試驗2011年在BZ區(qū)塊全面展開，總體規(guī)模為20口井（4口注空氣井、16口采油井），2011年為1注6采，2012年底以后為4注16采。BZ區(qū)塊油藏平均空氣滲透率為2.64× 10-3μ m，屬特低滲透油藏[1]，儲量豐度低，注入?yún)?shù)要求高，且所在地區(qū)自然環(huán)境惡劣，在此條件下開展注空氣驅(qū)試驗無經(jīng)驗可循，在國內(nèi)也尚屬首次，同時注空氣還面臨著高腐蝕性、高爆炸風(fēng)險等問題，因此，迫切需要開展配套地面工藝技術(shù)研究。

1 工程面臨的技術(shù)難題

（1）對注空氣壓縮機(jī)組要求高。其一，注空氣井要求注入壓力高，達(dá)到了38 MPa，比注水系統(tǒng)的最高注入壓力整整高出10 MPa；其二，對注入速度要求高，需要達(dá)到2.16萬Nm3/d（15 Nm3/min）。

（2）空氣驅(qū)自然環(huán)境惡劣。第一，氣溫低，BZ區(qū)塊所在地區(qū)緯度高（47°48′），西伯利亞寒流常光顧，冬季干冷而漫長，年氣溫極值低至-47.5℃；第二，缺水少雨風(fēng)沙大，該地區(qū)年降水量245 mm，而年蒸發(fā)量高達(dá)551 mm，屬中溫帶大陸性干旱氣候。

（3）注空氣井筒內(nèi)可能發(fā)生爆炸。在停止注空氣或重新啟動設(shè)備向注入井注入空氣時，地層的原油、天然氣等輕烴混合物可能向注入井筒回流，與注入井筒內(nèi)的高溫、高壓空氣混合而發(fā)生化學(xué)爆炸。

（4）注空氣地面工藝管道可能發(fā)生腐蝕?？諝庵泻械母邼舛妊鯕庠谝欢l件下易對管道產(chǎn)生較嚴(yán)重的電化學(xué)腐蝕。

（5）集油系統(tǒng)面臨著高爆炸風(fēng)險。注入地層的空氣可能通過連通關(guān)系從油井采出，如果集輸工藝選擇不恰當(dāng)或不合理，極易給集油系統(tǒng)帶來爆炸危險。

（6）空氣驅(qū)采油的經(jīng)濟(jì)性需深入論證。在低豐度、特低滲透油藏進(jìn)行注氣開發(fā)是否具有效益，需要從建設(shè)投資、運(yùn)行成本、能耗等方面進(jìn)行綜合分析。

2 技術(shù)優(yōu)化措施及實施效果

2.1 優(yōu)選注空氣壓縮機(jī)組

（1）試驗初期壓縮機(jī)組的運(yùn)行情況。壓縮機(jī)組作為試驗最核心的設(shè)備，是試驗?zāi)芊襁B續(xù)進(jìn)行的關(guān)鍵所在。試驗初期，在調(diào)研的基礎(chǔ)上選用了在國內(nèi)其他油田應(yīng)用相對成熟、造價較低的2臺W-7/400型（排量1萬Nm3/d，壓力40 MPa）壓縮機(jī)組，并聯(lián)使用（1運(yùn)1備），并采用室外橇裝的安裝方式，為第1口注空氣井X17-70注氣。該型機(jī)組結(jié)構(gòu)為五級往復(fù)活塞式，冷卻方式為水冷。W-7/400型壓縮機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 W-7/400型壓縮機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)

在2011年近2個月的短期試注期間，X18-70井累計注入空氣 19.1萬 Nm3，最高注氣壓力31 MPa，最大注入速率6 000 Nm3/d，見圖1。后期因注空氣站的建設(shè)而停止注入。

圖1 W-7/400型壓縮機(jī)組運(yùn)行曲線

通過近兩月的現(xiàn)場運(yùn)行，橇裝的2臺壓縮機(jī)組在能力方面較好地滿足了注空氣試驗的需要。但在運(yùn)行中出現(xiàn)了冷卻系統(tǒng)補(bǔ)水困難，開始運(yùn)行時風(fēng)沙極易進(jìn)入橇體內(nèi)部的較大安全隱患等問題（見圖2），因此現(xiàn)有的安裝和冷卻方式很難適應(yīng)缺水、高寒、多風(fēng)沙的自然環(huán)境，也不方便冬季檢修，且單臺設(shè)備排量偏低，4口井至少需要8臺以上的該型設(shè)備，將給生產(chǎn)管理帶來極大的不便。因此，需對壓縮機(jī)組作進(jìn)一步的優(yōu)化。

（2）壓縮機(jī)組的優(yōu)選及運(yùn)行情況。為解決上述問題，在與數(shù)家壓縮機(jī)廠方技術(shù)人員就大排量、高壓力（2萬Nm3/d、40 MPa）的壓縮機(jī)組的相關(guān)問題進(jìn)行了多次深入的技術(shù)交流后，結(jié)合W-7/400型機(jī)組運(yùn)行經(jīng)驗和現(xiàn)場氣候特點，優(yōu)選出了4臺LG.V-15/400型復(fù)合式壓縮機(jī)組，為4口注氣井注氣。這種壓縮機(jī)組采用占地面積小[2]的低壓一級螺桿+中高壓四級活塞組合式結(jié)構(gòu)、管理方便的室內(nèi)安裝方式、適應(yīng)性更強(qiáng)的主風(fēng)冷輔水冷冷卻方式。見圖3、表2。

圖2 W-7/400型壓縮機(jī)組冷卻水箱補(bǔ)液口

2012年下半年開始，4臺新型壓縮機(jī)組陸續(xù)投入運(yùn)行，為4口注氣井注氣。2012-2016年，4臺壓縮機(jī)組累計為 4口井 （X18-70、X15-67、X15-69、X15-71）注入空氣764.33萬Nm3，最高注氣壓力38.4 MPa，最大注入速率1.6萬Nm3/d。見圖4～6。

圖3 V-15/400型復(fù)合式壓縮機(jī)組

表2 L G.V-15/400型復(fù)合型壓縮機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)

圖4 L G.V-15/400型復(fù)合型壓縮機(jī)組注氣量曲線

圖5 L G.V-15/400型復(fù)合型壓縮機(jī)組注氣壓力曲線

圖6 L G.V-15/400型復(fù)合型壓縮機(jī)組注氣速度曲線

新型壓縮機(jī)組的能力充分滿足了試驗的需要，但是還存在生產(chǎn)時率嚴(yán)重偏低的問題。統(tǒng)計4臺壓縮機(jī)組從投注以來的運(yùn)行天數(shù)，生產(chǎn)時率最高的為21.5%（X15-71），最低的僅為3.9%（X15-69），這樣低的生產(chǎn)時率嚴(yán)重影響了對試驗效果的準(zhǔn)確判斷。見表3。

表3 L G.V-15/400型復(fù)合型壓縮機(jī)組生產(chǎn)時率統(tǒng)計（2011-2016年）

造成時率偏低的原因是多方面的，主要有注入井因井筒腐蝕堵塞而頻繁作業(yè)、壓縮機(jī)組設(shè)備故障、連通油井含氧量超標(biāo)等。這其中以井筒腐蝕作業(yè)為主，因為氣井作業(yè)周期長達(dá)幾個月，另外嚴(yán)冬條件下作業(yè)困難，因此要提高注入時率就須解決和克服這些問題。

2.2 優(yōu)化工藝流程及管材

（1）為防止注空氣井筒內(nèi)可能發(fā)生的爆炸，除了基本的注氣工藝以外，還配套了注水工藝。它可以實現(xiàn)在注氣停止時，第一時間向井筒內(nèi)注入液體段塞，將高溫、高壓空氣推入地層，阻止輕烴混合物和空氣在井筒內(nèi)混合。見圖7。

圖7 注空氣和注水工藝流程示意

（2）為提高注水工藝運(yùn)行的可靠性，采取了以下措施：第一，供水水源多樣化，采用管輸為主，輔以固定水罐和移動水罐車供水；第二，注水泵供電電源組合化，采用雙10 kV電力線路和250 kW柴油發(fā)電機(jī)組組合的供電方式；第三，注水管道保護(hù)多重化，采用3.5 m深埋、電伴熱，外加掃線的工藝。

（3）為有效減緩注入管道的腐蝕，注氣和注水采用了獨立雙管流程，避免了空氣和水在地面工藝管道中的混合。

（4）為提高注入管道在高寒、高壓下運(yùn)行的可靠性，采用低溫性能良好、拉伸性能更優(yōu)異的16Mn無縫鋼管替代常規(guī)的20號無縫鋼管[3]。

（5）優(yōu)化集輸工藝。通過對油井常規(guī)單井罐集油工藝的優(yōu)化改進(jìn)，確保了集油工藝滿足空氣驅(qū)礦場試驗的需要，也有效避免了發(fā)生爆炸的風(fēng)險。具體優(yōu)化措施為：密閉罐改為敞口罐，燃?xì)饧訜岣臑殡娂訜?，自壓裝車改為高架自流裝車，油井產(chǎn)出氣用于燃燒和裝車改為全部放空。見圖8。

上述工藝流程及管材的優(yōu)化為試驗的安全、平穩(wěn)進(jìn)行提供了有力的保障。在2012-2016年的試驗周期內(nèi)，地面工藝、設(shè)備等沒有任何爆炸、凍堵和腐蝕的情況發(fā)生。

2.3 優(yōu)選減氧工藝

在優(yōu)化工藝流程的基礎(chǔ)上，為從源頭上根除氧烴混合爆炸的問題，將進(jìn)入注空氣壓縮機(jī)組的空氣氧含量從21%（體積分?jǐn)?shù)）降低至不會發(fā)生爆炸的安全限值10%以內(nèi)。因此，從工藝上在注空氣壓縮機(jī)組前端增加了減氧流程。

空氣減氧是制取低純度氮氣的過程，它將空氣中的部分氧氣與氮氣通過物理方法進(jìn)行分離，根據(jù)生產(chǎn)要求獲得較低氧濃度的空氣。工業(yè)上氮氣的制取方法主要有深冷法、變壓吸附法（PSA） 及膜分離法（MEM），其中膜分離法（MEM）見圖9。

圖8 空氣驅(qū)油井單井罐集輸工藝流程示意及現(xiàn)場安裝圖

圖9 MEM法流程示意

由于BZ區(qū)塊空氣驅(qū)瞬時需求規(guī)模小，氮氣純度要求低，因而排除了經(jīng)濟(jì)性較差、工藝設(shè)備復(fù)雜、操作復(fù)雜、供氣平穩(wěn)性較差的深冷法和PSA法，而優(yōu)選出了MEM法制取低氧空氣的LOA/M10-15/QN型減氧設(shè)備。該設(shè)備具有技術(shù)先進(jìn)、體積小[4]、管理方便、運(yùn)行可靠等特點。見圖10。

2014年減氧設(shè)備投入生產(chǎn)，經(jīng)過400多天的運(yùn)行，其產(chǎn)出氣的氧含量（體積分?jǐn)?shù)）介于4.6%～9.4%之間，達(dá)到了<10%的預(yù)期設(shè)計目標(biāo)，滿足了注氣驅(qū)試驗的需要。見圖11。

圖10 L OA/M10-15/QN型減氧設(shè)備現(xiàn)場安裝

圖11 L OA/M10-15/QN型減氧設(shè)備產(chǎn)出氣氧含量

3 經(jīng)濟(jì)效益評價

自空氣驅(qū)礦場試驗在BZ區(qū)塊開展以來，實現(xiàn)了在特低滲透油藏的空氣有效注入，并取得了一定的增油效果?，F(xiàn)從收入和投入兩方面對空氣驅(qū)進(jìn)行簡單經(jīng)濟(jì)評價。第一，投入方面?；ㄍ顿Y為7 500萬元（一次性投資），運(yùn)行費用為1 388萬元/a（無論是壓縮機(jī)組，還是減氧機(jī)的耗電量、機(jī)油消耗及維護(hù)費用，數(shù)字都十分驚人）。第二，收入方面。2011-2016年，6年共產(chǎn)油8 563 t，實現(xiàn)總收入3 596萬元，平均僅為599萬元/a。見表4、表5。

因此，在國際油價持續(xù)低迷的大背景下，在注入時率很低的情況下，在特低滲透、低儲量豐度的油田是無法取得經(jīng)濟(jì)效益的。另外需要說明的是，在同等油藏條件下，注空氣開發(fā)成本是注水開發(fā)成本的9倍多，見表5。

表4 空氣驅(qū)產(chǎn)油量統(tǒng)計（2011-2016年）

表5 空氣驅(qū)運(yùn)行成本計算

4 結(jié)束語

以海拉爾油田BZ區(qū)塊開展的空氣驅(qū)礦場試驗為平臺，通過技術(shù)優(yōu)化措施，基本定型采用一級螺桿+四級活塞復(fù)合式結(jié)構(gòu)、主風(fēng)冷輔水冷冷卻方式的注空氣壓縮機(jī)組，初步形成了以注水為安全保障、16Mn材質(zhì)獨立雙管和高架敞口電加熱罐為基本流程的空氣驅(qū)注入和采出工藝，進(jìn)一步完善了以MEM法為主的減氧工藝，最終建立了一整套較為成熟的，適用于高寒少雨多風(fēng)沙地區(qū)特低滲透油藏的空氣驅(qū)地面工藝技術(shù)，填補(bǔ)了技術(shù)空白，積累了寶貴經(jīng)驗。必須說明，在油價走低、注入時率無法保證的條件下，在特低滲透、低豐度油藏，采用空氣驅(qū)采油是不具備經(jīng)濟(jì)開發(fā)價值的。

[1]SY/T6169-1995，油藏分類[S].

[2]沈斌，劉曉紅，張萍.談空氣壓縮機(jī)的性能分析、比較與選型[J].玻璃，2006（6）：28-30.

[3]GB/T8163-2008，輸送流體用無縫鋼管[S].

[4]汪治平，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（12）：141-143.

Optimization studyand application ofsurface process technologyofair flooding

TIAN Wenlong
Planning and Design Center of Daqing Oilfield Hailar Petroleum Exploration and Development Headquarters，Hulunbeier 021000，China

There was no experience referable for air flooding test of ultra low permeability and low abundance oil reservoir in BZ blocks of Hailar Oilfield，and it was the first test conducted in China.Besides，the air flooding test faced the risks of high corrosion and explosion.It was necessary to conduct the research on surface process matching technology.This paper introducesthe technical difficultproblemsin the surface process of air flooding and describes the technical countermeasures such as air compressor unit optimal selection，process flow and pipe material selection，and oxygen reduction process.It also presents the implementation results and evaluates the economic benefits.The surface process technology of air flooding is suitable for ultra low permeability oilreservoir in high，cold and dry area with strong sandy wind. But it does not possess the economic value if oilprice declines continuously and air injection time rate is not ensured.

low permeability oil reservoir；air flooding；surface process technology；optimization；compressor unit；oxygen reduction process

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.03.003

田文龍（1983-），男，四川蓬溪人，工程師，2006年畢業(yè)于西南石油大學(xué)油氣儲運(yùn)工程專業(yè)，現(xiàn)從事油田地面工程規(guī)劃工作。

2017-02-09；

2017-04-03

Email：h_tianwl@petrochina.com.cn