我國(guó)CO2驅(qū)油注采工藝技術(shù)現(xiàn)狀及下步研究方向

錢衛(wèi)明，曹力元，胡文東，張金煥，張露曼，韓超

（中國(guó)石化華東油氣分公司泰州采油廠，江蘇泰州225300）

CO2驅(qū)油具有良好的驅(qū)油效果和廣泛的適應(yīng)性，可以實(shí)現(xiàn)碳捕集封存和提高原油采收率的雙重目的（CCUS），是國(guó)外油田EOR（三次采油）的主要措施[1-4]。CO2驅(qū)油技術(shù)在國(guó)外已有六十多年的發(fā)展歷史，技術(shù)比較成熟。近二十年來國(guó)內(nèi)大慶、勝利、吉林、中原、華東等油田相繼開展了不同規(guī)模的CO2驅(qū)油先導(dǎo)試驗(yàn)，探索不同類型油藏CO2驅(qū)油的可行性，并已取得較好的效果[5-7]。

注采工藝是CO2驅(qū)油技術(shù)的關(guān)鍵組成環(huán)節(jié)，起著承上啟下的重要作用，是完成油藏工程方案提出開發(fā)技術(shù)的保證，也是地面工程建設(shè)的依據(jù)和出發(fā)點(diǎn)。鑒于CO2驅(qū)油注采井完井管柱的特殊性，1990年大慶油田從國(guó)外引進(jìn)了四口注入井和九口采油井的完井管柱，并于1991年7月至1993年3月成功開展了薩南東部過渡帶井區(qū)CO2驅(qū)油先導(dǎo)試驗(yàn)[8]。

為加快CO2驅(qū)油注采井完井管柱的國(guó)產(chǎn)化，我國(guó)三大石油公司在國(guó)家“973”、“863”、“油氣重大專項(xiàng)”和“股份公司重大先導(dǎo)”等項(xiàng)目的支持下，研究人員對(duì)CO2驅(qū)注采井完井管柱及配套工藝開展了大量的研究和試驗(yàn)，取得了許多研究成果，極大地推動(dòng)了我國(guó)CO2驅(qū)注采井完井管柱的發(fā)展[9]。在介紹CO2驅(qū)注采井完井管柱的技術(shù)難點(diǎn)基礎(chǔ)上，系統(tǒng)闡述了國(guó)內(nèi)CO2驅(qū)注采井完井管柱的研究思路、技術(shù)現(xiàn)狀以及面臨的主要技術(shù)難點(diǎn)，指出了我國(guó)CO2驅(qū)注采工藝的下步研究方向。

1 技術(shù)難點(diǎn)

1.1 腐蝕性

CO2遇H2O后會(huì)發(fā)生電化學(xué)腐蝕，對(duì)注采井的管材具有很強(qiáng)的腐蝕性。在CO2注采井中，由于H2O的存在，極易導(dǎo)致套管、油管及封隔器等井下工具產(chǎn)生嚴(yán)重的電化學(xué)腐蝕，危及注采井的安全生產(chǎn)。目前國(guó)內(nèi)外油田已經(jīng)開展了大量的防CO2腐蝕的研究和實(shí)踐，主要防腐措施包括：選用耐腐蝕的金屬材料、涂層和非金屬材料以及注CO2緩蝕劑等[10-13]。

1.2 氣蝕性

CO2驅(qū)油注采井完井管柱的另一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)是井下工具的密封件易受CO2的氣蝕。井下高溫高壓CO2能夠滲入橡膠密封件材料內(nèi)部，并在其內(nèi)部的空隙集中。當(dāng)井筒CO2壓力發(fā)生波動(dòng)時(shí)，這部分CO2的膨脹產(chǎn)生大于橡膠件抵抗破壞能力，降低封隔器密封性能。研究表明，氫化丁腈橡膠密封件比其他橡膠件更耐CO2的氣蝕。因此，CO2驅(qū)封隔器的膠筒和密封件廣泛采用以氫化丁腈為主的橡膠材料[14,15]。

2 注采井完井管柱現(xiàn)狀

鑒于國(guó)內(nèi)油田CO2驅(qū)油注采井多為原注水井或采油井，油套管的鋼級(jí)多為普通油套管（N-80 或P-110），普通油套管不能夠抗CO2腐蝕。據(jù)此，CO2驅(qū)油注采井的研究重點(diǎn)是采取防腐措施保護(hù)套管。

CO2驅(qū)注采井套管保護(hù)的技術(shù)思路是：一是由于注入井完井管柱承受高壓CO2，通過防腐封隔器封隔注入層上部套管環(huán)空，并在油套環(huán)空添加保護(hù)液，這就要求注入井套管保護(hù)管柱必須具有極高的氣密性；二是采油井在見CO2后，面臨CO2腐蝕、高套壓、高氣油比和低泵效等問題，需要研究防腐防氣的采油完井管柱。

2.1 注入井完井管柱的優(yōu)化

2.1.1 整體式管柱

借鑒國(guó)外注CO2的做法，早在2004年華東油氣田在國(guó)內(nèi)首次研制出“整體式注CO2管柱”，并在CS油田TZ組油藏C21等五口井開展先導(dǎo)試驗(yàn)。

整體式注氣完井管柱主要由氣密封油管、滑套開關(guān)、水力錨、Y221 封隔器及喇叭口等組成（圖1）。Y221封隔器位于注入層上部20 m左右，旋轉(zhuǎn)坐封；環(huán)空預(yù)先充填保護(hù)液；水力錨可有效防止管柱蠕動(dòng)；當(dāng)需要更換環(huán)空保護(hù)液及檢管時(shí)，滑套開關(guān)可以完成洗井和壓井等工藝措施；掛片裝置可以檢查防腐效果；考慮測(cè)吸入剖面的需要，管柱底部連接喇叭口。

圖1 整體式注入完井管柱Fig.1 Integrated injection and completion string

該完井管柱中Y221 封隔器及配套工具選用13Cr 不銹鋼材質(zhì)，膠筒及其他密封圈選用改進(jìn)的丁腈混煉膠。整個(gè)完井管柱采用最簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工具數(shù)量少，密封點(diǎn)少，能夠?qū)崿F(xiàn)可錨定、可反洗井和測(cè)吸入剖面的要求。

整體式注氣管柱應(yīng)用于CS 油田TZ 組油藏CO2驅(qū)等先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)，取得較好的效果。但由于管柱中封隔器的坐封力來自于油管的重量，當(dāng)注氣井不能夠連續(xù)注入，油管存在升縮，導(dǎo)致封隔器坐封力波動(dòng)，降低了整趟管柱的氣密性。

2.1.2 分體可鉆式管柱

為提高注入井管柱的氣密性，大慶油田設(shè)計(jì)出分體可鉆式注氣管柱（圖2），封隔器采用液壓座封，以改善封隔器的受力方式[16，17]。

分體式注氣管柱主要由Y443 可鉆式封隔器丟手管柱和插入密封管柱兩部分組成。Y443可鉆式封隔器的材質(zhì)采用鎳磷鍍層處理，密封件為經(jīng)過優(yōu)化的氫化丁腈橡膠。Y443可鉆式封隔器丟手管柱由可鉆式防腐封隔器、延伸工作筒、XN型工作筒、測(cè)試導(dǎo)向頭等工具組成，主要作用是利用可鉆式封隔器承受壓差高、可銑可鉆、耐腐蝕、壽命長(zhǎng)及密封性能可靠等特點(diǎn)，與插入管柱配合，封隔注入層上部套管環(huán)形空間，以保證套管不受CO2腐蝕。

該管柱應(yīng)用于大慶榆樹林油田CO2驅(qū)油試驗(yàn)區(qū)，獲得較好的效果。

圖2 分體可鉆式完井管柱Fig.2 Separated drillable completion string

2.1.3 可回收式管柱

針對(duì)可鉆式注氣管柱作業(yè)，需要上鉆具、鉆銑和沖砂等環(huán)節(jié)，存在工作量大、施工周期長(zhǎng)、作業(yè)成本高等問題。勝利油田研制出CO2驅(qū)可回收式注氣管柱[18-20]，可回收式注氣管柱既可以直接上提解封，也可通過投球液壓、轉(zhuǎn)動(dòng)管柱等兩種方式丟手，丟手后下?lián)泼?，打撈整個(gè)坐封機(jī)構(gòu)（圖3）。

可回收式注氣管柱主要由氣密封油管、循環(huán)滑套、Y445 封隔器和多功能注氣閥等組成。多功能注氣閥具有坐封封隔器、提供注氣通道、防止注入氣返吐和循環(huán)環(huán)空保護(hù)液等作用。

為提高注氣封隔器的密封性，進(jìn)一步改進(jìn)了封隔器的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)：

圖3 可回收式注氣完井管柱Fig.3 Retrievable gas injection string for well completion

①封隔器及配套工具材質(zhì)為13Cr，膠筒等密封件選取優(yōu)化的氫化丁腈橡膠。

②設(shè)置液壓和管柱加載對(duì)膠筒進(jìn)行兩次壓縮的坐封機(jī)制，以提高膠筒與套管內(nèi)壁的接觸應(yīng)力強(qiáng)度和均勻性，從而適應(yīng)注氣井的高效封隔要求和更長(zhǎng)的有效期。

③采用雙卡瓦錨定機(jī)構(gòu)，使封隔器在完成液壓坐封后即具有了雙向承壓能力。二次加載坐封的設(shè)計(jì)，不僅使完井管柱加壓在封隔器上的載荷給膠筒提供持續(xù)壓縮力，也可一定程度抵消管柱伸縮的蠕動(dòng)。

該管柱廣泛應(yīng)用于勝利高升89區(qū)塊和長(zhǎng)慶油田黃3區(qū)等區(qū)塊CO2驅(qū)等先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)，效果良好。

2.2 采油井管柱的優(yōu)化

2.2.1 采油井管柱

根據(jù)CO2驅(qū)油注采井保護(hù)套管的技術(shù)思路，針對(duì)草舍油田泰州組油藏CO2驅(qū)先導(dǎo)試驗(yàn)采油井出CO2氣，華東油氣田研制出“分體式采油管柱”[21]，并在C31等井應(yīng)用。C31見CO2采油井采用分體式采油完井管柱后，套壓為0，所采出CO2氣全部進(jìn)入油管，經(jīng)抽油泵將CO2氣、油和水舉升至井口，有效保護(hù)了CO2對(duì)套管環(huán)空的腐蝕。由于“分體式采油管柱”套管環(huán)空已經(jīng)封隔，管柱適用于CO2驅(qū)采油井見CO2氣的初期階段，此時(shí)氣液比小于100 m3/t，當(dāng)氣液比大于100 m3/t，CO2氣體會(huì)大幅度減低泵效。

CO2驅(qū)采油井見CO2后，氣液比會(huì)不斷增大，當(dāng)氣液比大于100 m3/t，分體式采油管柱已不能滿足采油井的正常采油。為滿足采油井防腐防氣的要求，目前國(guó)內(nèi)油田CO2驅(qū)采油井普遍采用“防腐防氣一體化采油管柱”[22，23]（圖4）。通過注CO2緩蝕劑、內(nèi)涂層油管和耐腐蝕泵等防腐措施，可以降低CO2對(duì)井下管柱及工具的腐蝕；將尾管置于油層以下，對(duì)產(chǎn)出CO2氣進(jìn)行首次分離，大部分CO2進(jìn)入套管環(huán)空；安裝井下氣液分離器，對(duì)進(jìn)入油管的CO2進(jìn)行二次分離，盡可能降低進(jìn)入抽油泵的CO2；此外，在井下90～150 m處油管上安裝氣舉閥，并根據(jù)合理套壓設(shè)定氣舉閥的打開壓力，實(shí)現(xiàn)氣舉控壓，有助于降低CO2緩蝕劑的濃度，又有效控制了CO2對(duì)油套管的腐蝕速度[24]。當(dāng)套壓高于氣舉閥設(shè)定壓力時(shí)，CO2經(jīng)過氣舉閥進(jìn)入油管，降低了油管內(nèi)流體的密度，實(shí)現(xiàn)攜液舉升，提高了抽油泵的舉升能力。

圖4 防腐防氣一體化采油管柱Fig.4 Integrated anti-corrosion and gas-proof string

2.2.2 CO2緩蝕劑

注CO2緩蝕劑能夠在油管和套管壁上形成吸附膜，是降低CO2對(duì)油管和套管腐蝕的有效方法。近年來國(guó)內(nèi)油田對(duì)CO2腐蝕與防護(hù)用緩蝕劑進(jìn)行了大量研究工作，研制生產(chǎn)了一系列的高效CO2緩蝕劑，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果顯著[25-27]。

1）緩蝕劑的選擇

某油田CO2試驗(yàn)區(qū)參照腐蝕環(huán)境，優(yōu)選出咪唑啉類緩蝕劑，碳鋼緩蝕率達(dá)到95%以上（表1）。低含水階段采用油溶性緩蝕劑；含水大于60%后，采用水溶性緩蝕劑。礦場(chǎng)初次添加CO2緩蝕劑的濃度根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果確定。

表1 J55失重掛片試驗(yàn)結(jié)果（溫度70 ℃，CO2分壓1.2 MPa）Table 1 Test results of weightlessness hang-parcel J55（Temperature is 70 ℃,partial pressure of CO2 is 1.2 MPa）

2）緩蝕劑的加注工藝

緩蝕劑的加注方式包括從油套環(huán)空連續(xù)注入或周期注入，并在油管和套管壁形成吸附膜?，F(xiàn)場(chǎng)管壁吸附膜可分為預(yù)膜和補(bǔ)膜兩個(gè)階段（表2）。預(yù)膜完全形成階段緩蝕劑通常在7 h內(nèi)時(shí)，并在其后24 h 內(nèi)穩(wěn)固。在之后的采油過程中，由于采出流體的沖刷，需要不斷補(bǔ)充緩蝕劑，加固已經(jīng)形成的穩(wěn)固預(yù)膜。

3）合理緩蝕劑的濃度

現(xiàn)場(chǎng)初次加注CO2緩蝕劑的濃度是依據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果而定。通過測(cè)試產(chǎn)出水中總鐵含量和掛片的腐蝕速度，可以評(píng)價(jià)出CO2緩蝕劑的防腐效果。如果效果防腐效果達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[28]，在檢測(cè)采出液中CO2緩蝕劑的殘余濃度后，繼而優(yōu)化出現(xiàn)場(chǎng)合理的加注CO2緩蝕劑濃度。

某井初期加注CO2緩蝕劑濃度為300 mg/L，加注CO2緩蝕劑后的總鐵和殘余緩蝕劑濃度見圖5 和圖6。CO2緩蝕劑的殘余濃度在160 mg/L 左右，腐蝕速度為0.05 mm/a，則該井CO2緩蝕劑的合理濃度為140 mg/L。

表2 緩蝕劑加注工藝Table 2 Corrosion inhibitor injection process

圖5 某井采出液檢測(cè)的總鐵含量Fig.5 Iron content in produced fluid in a well

圖6 某井采出液檢測(cè)的殘余CO2緩蝕劑濃度Fig.6 Concentration of residual CO2 corrosion inhibitor in produced fluid in a well

3 配套工藝

3.1 注氣井管柱的氣密性

為保證注氣井整趟管柱的氣密性，除不斷地完善封隔器外，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)還需要對(duì)每一根入井的氣密扣油管進(jìn)行扭矩儀檢測(cè)，保持每一根氣密扣油管上扣扭矩達(dá)到最佳扭矩范圍。

此外，為防止氣密扣油管CO2滲漏，近年來還引進(jìn)氣密封檢測(cè)技術(shù)，對(duì)氣密扣進(jìn)行氣密封檢測(cè)，以確保整趟管柱的密封性能[29]?，F(xiàn)場(chǎng)對(duì)絲扣進(jìn)行氣密封檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，即使氣密扣油管已經(jīng)嚴(yán)格按照最佳扭矩進(jìn)行上扣，但仍存在3%～6%的油管出現(xiàn)氣密封檢測(cè)不合格的現(xiàn)象（表3），若不采用絲扣氣密封檢測(cè)技術(shù)發(fā)現(xiàn)并整改，這些不合格絲扣就會(huì)影響管柱的最終氣密封性。由表4可知，經(jīng)過氣密封檢測(cè)的注入井均未出現(xiàn)套壓，說明在絲扣氣密性得到保證，提高了注入井完井管柱的氣密封性。

3.2 采油井的檢管

當(dāng)CO2驅(qū)采油井需要維護(hù)時(shí)，由于井筒內(nèi)存在大量CO2，常規(guī)擠注法壓井對(duì)油層存在嚴(yán)重傷害，已經(jīng)探索出檢管作業(yè)的優(yōu)化工序[30]。采用放溢降壓—熱洗井—循環(huán)壓井—?jiǎng)庸苤鳂I(yè)—防腐完井的方法，既可以降低對(duì)油層的傷害實(shí)現(xiàn)檢管，又確保井筒流體可控制，為安全作業(yè)提供了保障。

表3 某油田3口井絲扣氣密封檢測(cè)Table 3 Thread gas seal test of 3 wells in a field

表4 某油田3口CO2注入井參數(shù)（截至2018年12月）Table 4 Parameters of 3 CO2 injected wells in a field(Until December 2018)

4 下步研究方向

經(jīng)過近二十年的研究，國(guó)產(chǎn)CO2驅(qū)注采工藝已基本滿足礦場(chǎng)試驗(yàn)要求，但隨著CO2驅(qū)試驗(yàn)規(guī)模的擴(kuò)大，也暴露出一些亟待解決的問題。

4.1 注氣井油管和套管的脆斷

目前國(guó)內(nèi)CO2驅(qū)油試驗(yàn)區(qū)已經(jīng)有多口油管和套管出現(xiàn)脆斷現(xiàn)象，迫使注氣井無法注入。通過化學(xué)成分、金像宏觀、SEM微觀、力學(xué)性能、韌脆轉(zhuǎn)變溫度和有限元計(jì)算等方法分析認(rèn)為[30]，在低溫注入條件下，井下油管和套管材料呈現(xiàn)低溫脆性，油管和套管內(nèi)表面局部應(yīng)力集中，導(dǎo)致油管和套管的斷裂；而通過斷口形貌、金相、微觀形貌及能譜等分析認(rèn)為[31]，是H2S 引起的應(yīng)力腐蝕導(dǎo)致油管和套管的斷裂。究竟是什么原因?qū)е掠凸芎吞坠艿拇鄶啵杂写钊胙芯俊?/p>

4.2 老井固井水泥的失效

目前國(guó)內(nèi)CO2注入井多為原注水井或采油井，所采用的固井水泥沒有考慮CO2可能帶來的負(fù)面影響。常規(guī)固井水泥的主要成分是Ca（OH）2、3CaO·2SiO2·3H2O、3CaO·Al2O3·6H2O 和SiO2。特別是其中大量的Ca（OH）2易和CO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，破壞固井水泥的原有組成和結(jié)構(gòu)，使固井水泥的抗壓強(qiáng)度降低，滲透率增大，導(dǎo)致CO2注入井所注入的CO2進(jìn)入其他層位[32]。

針對(duì)CO2可能存在的水泥失效情況，為防止CO2進(jìn)入其他非注入層位，需要定期檢測(cè)CO2注入層鄰近層位的吸氣剖面。當(dāng)發(fā)現(xiàn)CO2進(jìn)入其他非注入層位，必須立即停注CO2，并研究解決措施。

4.3 分層注氣工藝

目前國(guó)內(nèi)注氣井普遍采用籠統(tǒng)注氣。鑒于儲(chǔ)層的不均質(zhì)性，為防止CO2氣竄，分層注氣更有助于實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層的均勻動(dòng)用。由于CO2介質(zhì)的特殊性，常規(guī)注水用流量計(jì)不能滿足注CO2的測(cè)試和調(diào)配，需要研制新型CO2的流量計(jì)，并解決好分層注CO2的測(cè)試和調(diào)配問題。

4.4 采油工作制度的優(yōu)化

為實(shí)現(xiàn)CO2驅(qū)采油井優(yōu)化設(shè)計(jì)，已有多篇文獻(xiàn)研究了采油井合理的工作制度[33-36]，但現(xiàn)場(chǎng)跟蹤采油井產(chǎn)出CO2氣產(chǎn)量和油產(chǎn)量發(fā)現(xiàn)，無論CO2驅(qū)應(yīng)用于低滲還是高滲油層，所采出的CO2氣量和油量呈現(xiàn)周期變化，不斷出現(xiàn)CO2氣產(chǎn)量和油產(chǎn)量的高峰和低峰。由于油層產(chǎn)出CO2氣量和油量呈現(xiàn)周期交替的特點(diǎn)，需要進(jìn)一步深化理論研究，優(yōu)化采油井的工作制度和合理的產(chǎn)油量。

5 結(jié)論

1）經(jīng)過近二十年的努力，國(guó)內(nèi)油田已對(duì)CO2驅(qū)油注采工藝進(jìn)行了系統(tǒng)研究、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和礦場(chǎng)先導(dǎo)試驗(yàn)，初步形成了的CO2驅(qū)注采工藝技術(shù)系列，縮短了與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家同類工藝的技術(shù)水平，為國(guó)內(nèi)CCUS的順利推廣提供了技術(shù)保障。

2）注氣井完井管柱的氣密封性能和采油完井管柱的防腐防氣性能是CO2驅(qū)油注采井完井管柱的關(guān)鍵。通過優(yōu)化井下封隔器及橡膠件、驗(yàn)證注入管柱的氣密性和采取防腐防氣措施，可以滿足注采井完井管柱的需求。

3）注緩蝕劑防止CO2腐蝕的有效方法，CO2緩蝕劑配方、注入濃度和注入工藝是影響防腐效果的主要因素。

4）繼續(xù)加大對(duì)存在問題和瓶頸技術(shù)的攻關(guān)，不斷提高我國(guó)CO2驅(qū)油注采工藝的技術(shù)水平。