注空氣驅(qū)油地面工藝關(guān)鍵技術(shù)研究

楊婧 趙新建 王濤 郭曉東 樊春峰 趙利慶

（1.中國石油華北油田公司第一采油廠；2.中國石油華北油田公司第三采油廠；3.中國石油華北油田公司第四采油廠；4.河北雄安華油清潔能源有限公司）

0 引言

注空氣驅(qū)油技術(shù)是在地面將空氣壓縮增壓后注入油層，空氣中的氮氣對原油起到驅(qū)替作用，同時部分氧氣與原油接觸發(fā)生低溫氧化反應(yīng)，生成二氧化碳、一氧化碳等氣體，并釋放出大量的熱使得原油體積膨脹，黏度降低，形成由氮氣和二氧化碳組成的煙道氣驅(qū)。注空氣與注輕烴、二氧化碳和氮氣相比，原油采收率相差不大，但空氣氣源具有充足、價廉、易捕集等特點。目前，針對無法注水開發(fā)的低滲或特低滲透油藏，注空氣驅(qū)油技術(shù)已成為除熱采之外發(fā)展最快的三次采油技術(shù)。

國內(nèi)實施注空氣驅(qū)油技術(shù)的油田和區(qū)塊較少，可借鑒的工程實例不多，因此有必要開展地面工藝關(guān)鍵技術(shù)的研究。某注空氣驅(qū)油項目的基本注空氣工藝流程為：空氣（大氣壓力）通過空氣壓縮機（排氣量410 Nm3/min）增壓，隨后進入減氧裝置利用分離技術(shù)將空氣中的氧氣部分去除，經(jīng)流量計計量后輸至高壓注氣壓縮機（機組排氣量為30×104Nm3/d，約合208 Nm3/min）增壓至35 MPa后，通過高壓注氣管線分輸至各注氣井井場，在井場進行單井流量分配、計量后，通過注氣管柱注入地下，實現(xiàn)驅(qū)油效果。通過對該項目壓縮機選型、安全氧含量確定、減氧工藝篩選和注氣管線選擇等四個方面進行理論計算及工藝篩選，為油田注空氣驅(qū)油提供理論依據(jù)和實踐經(jīng)驗。

1 壓縮機選型

壓縮機是注空氣驅(qū)油工藝最主要的機械設(shè)備，根據(jù)不同工況，可選用往復(fù)式壓縮機、螺桿式壓縮機或離心式壓縮機［1］。在正常投產(chǎn)情況下，壓縮機組需要24 h不停運轉(zhuǎn)，壓縮機組投資成本占總投資的20%～30%，運行費用占70%以上，因此壓縮機組的選型尤為重要［2］。2014年，針對進口設(shè)備及配件價格高、供貨周期長、后期維護維修不及時等問題，中國石油勘探與生產(chǎn)分公司地面工程處開展了油氣田地面工程關(guān)鍵設(shè)備引進優(yōu)化研究，制定了《油氣田地面建設(shè)引進設(shè)備導(dǎo)則》，導(dǎo)則中提出：

（1）功率≤4 000 kW、排氣壓力≤40 MPa的往復(fù)壓縮機優(yōu)先選用國內(nèi)產(chǎn)品，原則上不允許引進；

（2）功率≤20 MW、排氣壓力≤10 MPa的離心壓縮機優(yōu)先選用國內(nèi)產(chǎn)品，原則上不允許引進；

（3）功率≤1 000 kW的燃?xì)怛?qū)動機優(yōu)先選用國內(nèi)產(chǎn)品，原則上不允許引進。

油氣田地面常用的國產(chǎn)壓縮機適用條件如下：

往復(fù)式壓縮機適用于高壓及中小排氣量系統(tǒng)，進氣流量一般不超過3 000 m3/min，流量調(diào)節(jié)范圍60%～100%，單機功率一般不超過6 000 kW，可實現(xiàn)多級增壓，每級增壓不超過7 MPa，壓縮機最高排氣壓力可達(dá)48 MPa。優(yōu)點是單級壓比大，最高可達(dá)3:1或4:1；缺點是機組龐大，往復(fù)部件多，維修量大，噪音較大。

螺桿式壓縮機適用于低壓及小排氣量系統(tǒng)，進氣流量一般不超過100 m3/min，流量調(diào)節(jié)范圍60%～100%，單機功率一般不超過1 500 kW，排氣壓力一般在3 MPa以下。優(yōu)點是運行較平穩(wěn)，不會因為進氣帶液而出現(xiàn)“液擊”，可以很好地滿足低壓氣量波動較大的工況；缺點是單機排量小、大輸量下機組數(shù)量多，操作和運行維護不方便。

離心式壓縮機適用于中壓及大排氣量系統(tǒng)，進氣流量一般在35～8 000 m3/min，流量調(diào)節(jié)范圍為70%～100%，單機功率2 000～40 000 kW。優(yōu)點是排量大，機組簡單緊湊，運轉(zhuǎn)部件少，維修量低；缺點是流量越低，效率越低，容易發(fā)生喘振現(xiàn)象，對負(fù)荷變化適應(yīng)性較差。

壓縮機選型比較見表1。

結(jié)合該項目的壓縮機的排氣量及排氣壓力、機組數(shù)量、投資成本和供貨周期等條件，前端空氣壓縮機選用離心式壓縮機，后端高壓注氣壓縮機選用往復(fù)式壓縮機。

表1 國產(chǎn)壓縮機選型比較

空壓系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)考慮在空氣壓縮機入口設(shè)置自潔式過濾器，將空氣中的固體雜質(zhì)及顆粒過濾后，進入離心式壓縮機增壓；然后進入氣液分離器、精密過濾器、冷凍式干燥機除去壓縮空氣中的液體、油霧，再經(jīng)過一級超精密過濾器和一級活性炭過濾器的過濾，脫除顆粒及油霧，將壓縮空氣中的含油量降低到0.01 mg/m3以下，同時過濾除去直徑大于0.01 μm的所有固體顆粒后進入減氧裝置，最后進入注氣壓縮機。注氣壓縮機采用往復(fù)式壓縮機，三級壓縮，出口壓力達(dá)到35 MPa（G），排氣溫度在65 ℃左右，正常工作標(biāo)準(zhǔn)排氣量為30×104Nm3/d?？諌合到y(tǒng)工藝流程圖見圖1。

圖1 空壓系統(tǒng)工藝流程圖

2 安全氧含量確定

注空氣過程中，由于空氣與原油的不完全反應(yīng)，剩余氧氣在地層、井筒及地面管線中與原油揮發(fā)出來的溶解氣混合，遇到明火時易發(fā)生燃燒或爆炸，損壞油井，影響生產(chǎn)運行，造成一定的經(jīng)濟損失［3］。因此，有必要對注空氣過程中的安全氧含量進行計算和測定，保證注氣過程的安全平穩(wěn)。

首先，選取該區(qū)塊生產(chǎn)油井的套管氣，依據(jù)GB/T 13610—2014《天然氣的組成分析 氣相色譜法》進行分析。鑒于組分中C5+所占的體積分?jǐn)?shù)較小，同時進行除去助燃?xì)怏wO2和惰性氣體N2、CO2的組分簡化，將各可燃?xì)怏w的體積濃度重組，得到100%的全組分可燃?xì)怏w，具體見表2。

表2 實測可燃?xì)怏w組分

根據(jù)Le Chatelier公式，當(dāng)已知各組分的爆炸極限時，可以計算多組分可燃?xì)怏w與空氣組合的爆炸性混合物的爆炸極限，見下式：

式中：Cm為多組分可燃?xì)饣旌衔镌诳諝饣蜓鯕庵械谋O限，%；V1，V2，……Vn為各組分在混合氣體中的體積百分?jǐn)?shù)，%，其和為100%；C1，C2，……Cn為各組分在空氣或氧氣中的爆炸極限，%。

可燃?xì)怏w在空氣或氧氣中（101.325 kPa，20 ℃）的爆炸極限參照《常用化學(xué)品安全手冊》取表3中數(shù)值。

表3 單一可燃?xì)怏w爆炸極限

將各組分的爆炸下限代入公式得到可燃?xì)怏w在空氣中的爆炸下限CLA為：

參考標(biāo)準(zhǔn)ASTM E2079—07中附錄的理論方法，由阿馬格體積定律可知，多元混合氣體中各氣體的體積分?jǐn)?shù)等于其摩爾分?jǐn)?shù)［4］，因此可以將混合氣體等效看成含C、H、O的單一氣體，分子簡式記為假設(shè)可燃?xì)怏w與氧氣充分燃燒，化學(xué)反應(yīng)式為：

依據(jù)表2數(shù)據(jù)計算得到：

此數(shù)據(jù)是基于常溫常壓（101.325 kPa，20 ℃）條件下計算而得的，對于地層和井筒中高溫高壓環(huán)境下的安全氧含量應(yīng)較常態(tài)下更為嚴(yán)格。參考國外已實施注入減氧空氣的BP、挪威石油等現(xiàn)場數(shù)據(jù)，認(rèn)為注入氧含量5%的空氣可保證安全。因此，在注氣井口應(yīng)設(shè)置氧含量檢測工藝，通過手持式氧含量檢測儀定期檢測氧濃度是否正常，當(dāng)氧含量超過5%時，應(yīng)停止空氣壓縮機運行，注氣井停注并關(guān)井。

3 減氧工藝篩選

空氣減氧實際就是空分制氮的過程，主要工藝有深冷分離法、變壓吸附法（PSA）和膜分離法（MEM）三種［5-6］。

深冷分離法是利用空氣中不同組分的沸點不同來進行分離，可在精餾塔中同時得到多種不同氣體。整套設(shè)備預(yù)處理工藝長、占地面積較大且能耗較高，設(shè)備無法隨時開停，減氧空氣的形成時間一般在10 h以上，目前只有用氣量大于1 000 Nm3/min時的經(jīng)濟性較好。深冷分離法工藝流程見圖2。

圖2 深冷分離法工藝流程圖

變壓吸附法是利用不同氣體組分在壓力變化過程中吸附和解吸的性能不同進行分離。一般設(shè)置兩個吸附罐，其中一個處于在線吸附狀態(tài)，另一個處于在線解析狀態(tài)，吸附劑（活性炭、硅膠或活性炭纖維）可對氧分子及原料氣中的其他雜質(zhì)進行選擇性吸附，減少了原料氣的預(yù)處理過程，設(shè)備的允許壓力范圍和用氣量波動范圍較寬，設(shè)備壓力損失較小（一般不超過0.05 MPa），整體能耗較低，減氧空氣的形成時間一般在40 min左右。變壓吸附法工藝流程見圖3。

圖3 變壓吸附法工藝流程圖

膜分離法是利用不同氣體組分在膜中的滲透率和擴散系數(shù)不同進行分離，其中滲透率較大的氧氣優(yōu)先通過膜，在膜的一側(cè)形成富氧區(qū)域，氮氣等滲透率較小的氣體則在另外一側(cè)富集形成減氧空氣。減氧空氣的形成時間最短一般在10 min左右，可進行高速注氣。膜分離法工藝流程見圖4。

圖4 膜分離法工藝流程圖

由于本工程氣量相對較小，經(jīng)過對變壓吸附和膜分離減氧方案進行技術(shù)經(jīng)濟比選（包括綜合前端空壓機及后端高壓注氣壓縮機），膜分離減氧工藝的設(shè)備一次性投資和折算的20年費用現(xiàn)值均低于變壓吸附法，維護費用也比變壓吸附法低5×104元。同時考慮到膜分離法運行穩(wěn)定、占地面積小，推薦采用膜分離法減氧工藝。減氧工藝方案對比見表4。

表4 減氧工藝方案對比表

4 注氣管材選擇

由于注入系統(tǒng)含有一定的氧氣，氧氣在潮濕環(huán)境下對金屬管材發(fā)生吸氧腐蝕。經(jīng)研究表明，當(dāng)注入氣水露點低于-20 ℃，即相對濕度低于40%時，鋼管腐蝕速率為0，因此壓縮機出口氣濕度等級應(yīng)滿足GB/T 13277.1—2008《壓縮空氣第一部分：污染物凈化等級》中的3級要求，即出口壓力露點低于-20 ℃。該工程注氣管線主要考慮壓降限制，由于輸送的是凈化氣體，且氣體處理過程嚴(yán)格控制了壓縮空氣的露點，無需考慮腐蝕情況。

離注氣站最遠(yuǎn)的注氣井，路徑距離約2.6 km，按照30×104Nm3/d輸氣量、壓縮機排氣壓力35 MPa、排氣溫度65 ℃的工況條件，通過Pipesim中的組分模型進行模擬計算，管道內(nèi)徑選擇結(jié)果見表5。

根據(jù)計算結(jié)果，將管輸壓降控制在0.5 MPa以下較為合理。充分考慮經(jīng)濟性因素，優(yōu)先選擇內(nèi)徑89 mm、94 mm的鋼管，同時根據(jù)管道設(shè)計壓力對壁厚進行計算，推薦選擇公稱直徑為DN100 mm的無縫鋼管。對常用的20#、Q345D、L360Q、L450Q四種材質(zhì)的鋼管進行經(jīng)濟、技術(shù)比選，比選情況詳見表6。

表5 管道內(nèi)徑選擇表

表6 管材比選方案

由表6可知，20#鋼管計算后有效內(nèi)徑＜89 mm，不推薦；Q345D直管內(nèi)徑能滿足最小有效內(nèi)徑要求，但彎頭處容易產(chǎn)生高流速氣體沖刷效應(yīng)，熱煨彎頭壁厚需提高一個等級，Q345D彎頭處內(nèi)徑將無法滿足內(nèi)徑89 mm的要求，不推薦。L450Q與L360Q鋼管投資相差不多，同時考慮到注空氣驅(qū)設(shè)計壓力較高，L360Q為微合金管線鋼，L450Q為低碳合金鋼管，L360Q止裂韌性高于L450Q，因此推薦選擇L360Q無縫鋼管，制管應(yīng)遵循GB/T 9711—2017《石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管》中PSL2等級鋼管的相關(guān)要求，交貨狀態(tài)為Q（淬火加回火）。

5 結(jié)束語

以工程項目實例為基礎(chǔ)，初步形成了一套完整的適合低滲油藏的注空氣驅(qū)油地面工藝技術(shù)，確定了以下幾點地面工藝關(guān)鍵技術(shù)：

（1）對壓縮機進行了選型，其中前端空氣壓縮機可選用離心式壓縮機，后端高壓注氣壓縮機可選用往復(fù)式壓縮機；

（2）對注空氣過程中的安全氧含量進行了測定及理論計算，得到常溫常壓狀態(tài)下安全氧含量為10.02%，為了保證地層條件下注入空氣的安全，應(yīng)控制安全氧含量不大于5%；

（3）針對三種減氧工藝從原理、適用性及經(jīng)濟性等方面進行對比，推薦采用膜分離法減氧工藝；

（4）運用Pipesim軟件對注氣管線的管徑及管材進行了篩選，推薦采用DN100、L360Q無縫鋼管。

此外，由于注空氣驅(qū)較水驅(qū)一次投資大（一般較水驅(qū)高9～10倍），運行費用高，因此在實施過程中應(yīng)充分注意油價的相應(yīng)變化，及時調(diào)整盈虧平衡點，在生產(chǎn)時率及油價較低的情況下，實行間歇采油或關(guān)井停注，以待后續(xù)開發(fā)。