長(zhǎng)慶油田CO2驅(qū)氣體組分監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用

楊金峰，趙艷艷，萬(wàn)文春，楊飛濤

（中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第五采油廠，陜西 西安 710200）

近年來(lái)，長(zhǎng)慶油田持續(xù)快速發(fā)展，2013年油氣當(dāng)量突破5 000×104t，為實(shí)現(xiàn)油田長(zhǎng)期穩(wěn)產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展，急需探索和豐富提高采收率的新途徑、新方法。前期研究發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)慶油田已動(dòng)用地質(zhì)儲(chǔ)量中可實(shí)現(xiàn)CO2混相驅(qū)-近混相驅(qū)地質(zhì)儲(chǔ)量為10.5×108t，預(yù)測(cè)可增加可采儲(chǔ)量1.14×108t。因此，開(kāi)展CO2驅(qū)油項(xiàng)目，探索低滲油藏有效補(bǔ)充能量、大幅提高單井產(chǎn)量和采收率技術(shù)，對(duì)長(zhǎng)慶油田可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。但是，在CO2驅(qū)提高采收率過(guò)程中，隨著注入量的增加，油井見(jiàn)氣問(wèn)題突出，油井見(jiàn)氣后對(duì)油井生產(chǎn)、地面集輸系統(tǒng)安全造成較大影響。因此，研發(fā)低滲透油藏CO2驅(qū)氣體組分在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)提前開(kāi)展氣竄防治和集輸系統(tǒng)安全生產(chǎn)具有重要意義[1-5]。

1 國(guó)內(nèi)外CO2 驅(qū)現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外的攻關(guān)和實(shí)踐顯示CO2驅(qū)油與埋存技術(shù)具有較好的推廣應(yīng)用前景，CO2驅(qū)作為三次采油技術(shù)可提高低滲透油藏采收率7%～18%；長(zhǎng)慶油田三疊系注水開(kāi)發(fā)油藏，水驅(qū)采收率預(yù)計(jì)達(dá)到19.2%，與國(guó)內(nèi)低滲透油藏平均采收率23.3%相比，采收率有一定提升空間，見(jiàn)表1。按長(zhǎng)慶油田目前地質(zhì)儲(chǔ)量計(jì)算，采收率每提高1%，可新增可采儲(chǔ)量近3 000×104t，大大提升油田穩(wěn)產(chǎn)能力。但是長(zhǎng)慶油田在地貌、油藏地質(zhì)條件、地面等方面與其他油田相比差異較大，須開(kāi)展新的技術(shù)攻關(guān)。

表1 長(zhǎng)慶油田試驗(yàn)區(qū)與國(guó)內(nèi)同類試驗(yàn)區(qū)實(shí)施CO2 技術(shù)的基礎(chǔ)條件對(duì)比表

1.1 國(guó)外CO2 驅(qū)現(xiàn)狀

美國(guó)歷經(jīng)60年的探索和實(shí)踐，形成了CO2驅(qū)油技術(shù)系列和商業(yè)模式，工業(yè)化應(yīng)用年產(chǎn)油量超過(guò)1 500×104t，見(jiàn)表2、圖1。

表2 美國(guó)CO2 混相驅(qū)油藏滲透率統(tǒng)計(jì)表

圖1 美國(guó)熱采、氣驅(qū)、CO2 驅(qū)EOR 產(chǎn)量

1.2 國(guó)內(nèi)CO2 驅(qū)現(xiàn)狀

20世紀(jì)60年代中國(guó)在大慶油田開(kāi)展了CO2驅(qū)提高采收率方法探索，90年代在勝利、江蘇等多個(gè)油田陸續(xù)開(kāi)展了CO2驅(qū)先導(dǎo)性試驗(yàn)，但由于缺乏天然的CO2氣藏，同時(shí)由于驅(qū)油過(guò)程中存在氣竄嚴(yán)重和管線腐蝕等問(wèn)題，沒(méi)有形成規(guī)模應(yīng)用。近年來(lái)，隨著國(guó)際社會(huì)應(yīng)對(duì)氣候變化與CO2減排技術(shù)的發(fā)展，中國(guó)開(kāi)展了CO2捕集、驅(qū)油和封存技術(shù)的研究攻關(guān)，為CO2驅(qū)油和埋存提供了應(yīng)用條件，并通過(guò)研究和試驗(yàn)，在CO2驅(qū)油理論、開(kāi)發(fā)技術(shù)、注采集輸工藝技術(shù)等方面取得了重要進(jìn)展，CO2驅(qū)油技術(shù)步入快速發(fā)展階段。

2 長(zhǎng)慶油田黃3 區(qū)CO2 驅(qū)試驗(yàn)概況

長(zhǎng)慶油田的低-特低滲儲(chǔ)量約18.74×108t。采用超前注水、溫和注水等技術(shù)開(kāi)發(fā)動(dòng)用了70%左右，目前暴露出的主要問(wèn)題是注水補(bǔ)充地層能量的能力不足，裂縫溝通程度逐漸變高，波及程度不斷變差，加劇了產(chǎn)量遞減，導(dǎo)致水驅(qū)效果變差。針對(duì)長(zhǎng)慶油田特-超低滲透油藏水驅(qū)后的特殊性，迫切需要探索特-超低滲透油藏水驅(qū)后的CO2驅(qū)油提高采收率的全新思路、理論和技術(shù)。

2.1 試驗(yàn)區(qū)基本概況

通過(guò)室內(nèi)研究與現(xiàn)場(chǎng)勘查，選取姬塬油田黃3 長(zhǎng)8 區(qū)西北部開(kāi)展先導(dǎo)試驗(yàn)（表3），黃3 區(qū)屬于東高西低的單斜構(gòu)造，黃3 區(qū)長(zhǎng)811砂體呈平面厚層連續(xù)分布，平均有效厚度13.0 m，長(zhǎng)8 儲(chǔ)層平均孔隙度為7.17%，平均滲透率為0.39 mD。發(fā)育天然構(gòu)造裂縫以垂直縫和高角度縫為主，傾角多分布在75°～90°。試驗(yàn)區(qū)位于黃3 長(zhǎng)8 區(qū)西北部，具有“低孔、低滲、低壓”的特征，儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)，已進(jìn)入中含水率開(kāi)發(fā)期，面臨著有效驅(qū)替系統(tǒng)難以建立、壓力保持水平低、注采矛盾突出、水驅(qū)提高采收率空間有限等問(wèn)題。

大部分有關(guān)翻轉(zhuǎn)課堂的研究采取了課堂內(nèi)以小組為基礎(chǔ)的互動(dòng)教學(xué)活動(dòng)形式，這一運(yùn)用是建立在Piaget 1967和Vygotsky[2]的以學(xué)生為中心的教學(xué)理論基礎(chǔ)之上的。而這些教學(xué)活動(dòng)的本質(zhì)在不同的研究中相差甚遠(yuǎn)，這就容易產(chǎn)生一些認(rèn)識(shí)誤區(qū)，導(dǎo)致翻轉(zhuǎn)課堂的標(biāo)簽經(jīng)常被用在一些課程當(dāng)中，這些課程也會(huì)使用提前錄制的以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的錄像講座和封閉性問(wèn)題與測(cè)試，而在許多傳統(tǒng)課程中，這些就是學(xué)習(xí)者得到的全部學(xué)習(xí)指導(dǎo)。因此，翻轉(zhuǎn)課堂不是指單純的教學(xué)活動(dòng)重組，而是指課程安排的拓展。其簡(jiǎn)易的表述見(jiàn)表2。

表3 長(zhǎng)慶油田符合篩選條件區(qū)塊基本情況表

2.2 試驗(yàn)進(jìn)展及效果

2018年11月15日實(shí)現(xiàn)了“9 注37 采”試驗(yàn)規(guī)模，目前配注150 t，實(shí)注142 t，平均注入壓力15.2～19.1 MPa，累計(jì)注氣17.1×104t，完成總設(shè)計(jì)量（53.5×104t）的32.0%。

試驗(yàn)區(qū)對(duì)應(yīng)一、二線采油井45 口，開(kāi)井?dāng)?shù)39 口。與注入前相比，日產(chǎn)液由82.77 m3上升到89.42 m3，日產(chǎn)油由33.16 t 上升到40.39 t，含水率由56.9%下降到50.9%，動(dòng)液面由1 946 m 上升到1 926 m，生產(chǎn)形勢(shì)變好。見(jiàn)效井35 口，見(jiàn)效率77.8%，見(jiàn)效井日增油20.2 t，見(jiàn)效周期142 d，累計(jì)增油2.2×104t，累計(jì)降水1.68×104m3，噸CO2增油0.11 t。

2.3 試驗(yàn)過(guò)程油井見(jiàn)氣情況

根據(jù)油井套管氣檢測(cè)結(jié)果，黃3 試驗(yàn)區(qū)外圍套管氣CO2含量為0.05%～0.526%，平均為0.293%。因此，初步確定試驗(yàn)區(qū)見(jiàn)氣判斷界限為0.6%。2019年以來(lái)試驗(yàn)區(qū)出現(xiàn)了同層見(jiàn)氣井5 口、跨層氣竄井5 口。通過(guò)動(dòng)態(tài)驗(yàn)證結(jié)合示蹤劑監(jiān)測(cè)綜合判斷，氣竄主要方向是北東向，北西為次要方向。綜合氣體組分法、氣油比法和動(dòng)態(tài)響應(yīng)法，初步制定試驗(yàn)區(qū)氣竄綜合判識(shí)標(biāo)準(zhǔn)，明確見(jiàn)氣井氣竄的臨界CO2含量為55%，氣油比為300 m3/m3。目前裂縫性氣竄井3 口（塬29-104、塬31-105（水）、塬29-102），高滲型氣竄井1 口（塬27-102）。

3 CO2 驅(qū)氣體組分在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研發(fā)

3.1 技術(shù)思路

現(xiàn)有氣體組分監(jiān)測(cè)只能單機(jī)對(duì)單個(gè)氣體組分檢測(cè)，單井直接成本增加3～4 倍，而長(zhǎng)慶油田叢式井眾多，因此前期一次性投資成本較高；一體機(jī)檢測(cè)空間太小，多傳感頭測(cè)試穩(wěn)定性差，容易相互影響；將現(xiàn)有的套管氣憋壓輸入到輸油管線，套管氣壓力較高，對(duì)單井容易形成氣阻，影響產(chǎn)量，此時(shí)如果對(duì)套管氣取樣，由于氣體流動(dòng)性差，氣體組分不能及時(shí)反映各組分的變化。

針對(duì)目前各種監(jiān)測(cè)儀器的不足，借鑒前期調(diào)研試用的產(chǎn)品，兼顧成本與需求的關(guān)系，采用“一井一機(jī)多組分檢測(cè)”的設(shè)計(jì)思路，優(yōu)化裝置結(jié)構(gòu)，優(yōu)選防爆殼體作為檢測(cè)腔室，并采用氣動(dòng)自動(dòng)增壓裝置，穩(wěn)定套管氣壓力，解決高精度組分檢測(cè)等難題，研發(fā)一套適合長(zhǎng)慶油田CO2驅(qū)井口套管氣組分自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置[6-8]。

3.2 主要組成及工藝流程

CO2驅(qū)氣體組分在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由固定式多功能復(fù)合檢測(cè)儀、防爆無(wú)油空氣壓縮機(jī)、壓力控制器、氣液分離器等組成，各部件技術(shù)參數(shù)如下。

（1）固定式多功能復(fù)合檢測(cè)儀技術(shù)參數(shù)：

檢測(cè)氣體：CO2，CO，H2S，Ex；

檢測(cè)原理：全裝進(jìn)口傳感器，二氧化碳高精度進(jìn)口紅外；

檢測(cè)范圍：CO2（0～100%），CO（0～0.1%），H2S（0～0.01%），Ex（0～100%）；

分辨率：CO2（0.01%），CO（0.0001%），H2S（0.000001%），Ex（0.01%）；

檢測(cè)方式：擴(kuò)散式；

顯示方式：2.5 寸高清彩屏（LCM）實(shí)時(shí)顯示；

檢測(cè)精度：≤±3%（F.S）；

報(bào)警方式：聲光報(bào)警、視覺(jué)報(bào)警；

響應(yīng)時(shí)間：小于20 s；

恢復(fù)時(shí)間：小于30 s；

工作電源：24 VDC（12～30 VDC）；

工作環(huán)境：溫度-40～+60 ℃；相對(duì)濕度≤0～99%RH?？芍苯訖z測(cè)負(fù)壓或正壓-0.05～0.2 MPa 的氣體（超出范圍需要配外置泵或者減壓閥）；

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：標(biāo)配10 萬(wàn)條數(shù)據(jù)容量，更大容量可定制。支持本機(jī)實(shí)時(shí)查看、刪除或數(shù)據(jù)導(dǎo)出，免費(fèi)上位機(jī)通訊軟件存儲(chǔ)功能默認(rèn)為關(guān)閉狀態(tài)，可設(shè)置為開(kāi)啟狀態(tài)，存儲(chǔ)時(shí)間間隔任意設(shè)置；

防爆類型：本質(zhì)安全型防爆標(biāo)志：Exia IIC T6 GA；

防護(hù)等級(jí)：IP65；

電氣接口：3/4NPT，可選M20X1.5 內(nèi)螺紋，1/2NPT；

輸出信號(hào)：總線制RS485（RTU）、三（四）線制4～20 mA。

（2）防爆無(wú)油空氣壓縮機(jī)：最高輸出壓力：0.8 MPa；功率：2.2 kW，按照現(xiàn)場(chǎng)需要，設(shè)置防爆空氣壓縮機(jī)自動(dòng)啟停壓力值，當(dāng)空氣壓縮機(jī)管內(nèi)壓力達(dá)到設(shè)置值時(shí)，空氣壓縮機(jī)自動(dòng)停止工作；當(dāng)空氣壓縮機(jī)管內(nèi)壓力低于設(shè)置值時(shí)，空氣壓縮機(jī)自動(dòng)工作，直到壓力達(dá)到設(shè)置值。

（3）壓力控制器：量程：10 MPa；精度：0.5 級(jí)。

（4）氣液分離器：設(shè)計(jì)壓力：3.2 MPa；設(shè)計(jì)溫度：50 ℃；容積：0.042 m3，利用離心力作用及濾網(wǎng)阻攔，將液體及雜質(zhì)留置在氣液分離器底部，氣體從上部流出。液體應(yīng)及時(shí)排放回收，液面太高會(huì)影響分離效果。

從采油樹(shù)套氣閥處將套氣氣體引流、通過(guò)閘閥、變徑、氣管線、阻火閥后進(jìn)入氣液分離器，氣液分離器將套氣中的液體與氣體分離，將液體留置在氣液分離器底部，氣體從上部流出，極少部分進(jìn)入組分檢測(cè)，從組分儀表通過(guò)RS485 將組分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)骄畧?chǎng)主RTU，再?gòu)木畧?chǎng)通過(guò)光纜傳輸?shù)阶鳂I(yè)區(qū)SCADA 系統(tǒng)，在SCADA 系統(tǒng)上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，繪制表格、曲線等，再傳輸?shù)讲捎臀鍙S工藝研究所二氧化碳項(xiàng)目室監(jiān)控平臺(tái)。

大部分氣體進(jìn)入集氣器通過(guò)增壓泵回收進(jìn)入原油管線。按照現(xiàn)場(chǎng)需要，在壓力控制器內(nèi)設(shè)置自動(dòng)增壓泵啟停壓力值，當(dāng)集氣管壓力達(dá)到設(shè)置壓力的上限時(shí)，氣動(dòng)防爆電磁閥打開(kāi)，高壓空氣進(jìn)入增壓泵，增壓泵驅(qū)動(dòng)輸出套管氣通過(guò)單流閥進(jìn)入輸油管線，當(dāng)套氣壓力降到設(shè)置下限時(shí)，氣動(dòng)防爆電磁閥關(guān)閉，高壓空氣關(guān)閉，增壓泵停止工作，見(jiàn)圖2。

圖2 工藝流程圖

3.3 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

黃3 區(qū)CO2驅(qū)氣體組分監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用“一井一機(jī)多組分檢測(cè)”的設(shè)計(jì)思路，通過(guò)優(yōu)化裝置結(jié)構(gòu)，優(yōu)選防爆殼體作為檢測(cè)腔室，采用氣動(dòng)自動(dòng)增壓裝置，穩(wěn)定了套管氣壓力，解決了高精度組分檢測(cè)等難題，并且極大的節(jié)約了成本[9-11]。

具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）實(shí)現(xiàn)零排放；（2）實(shí)現(xiàn)高清液晶彩屏顯示，相較于一般的數(shù)碼管顯示，本儀器顯示內(nèi)容更加豐富，界面更加美觀、清晰；（3）人機(jī)交互良好，用戶可通過(guò)按鍵設(shè)置儀器參數(shù)，換算單位、校準(zhǔn)零點(diǎn)、目標(biāo)點(diǎn)，設(shè)置報(bào)警閾值、報(bào)警方式，查看歷史數(shù)據(jù)；（4）對(duì)外接口豐富多樣，本儀器RS485 和4～20 mA 信號(hào)可同時(shí)輸出，還可選配0～20 mA、1～5 V、0～5 V、0～10 V、頻率信號(hào)、Hart 協(xié)議等信號(hào)輸出，相較于一般的單輸出儀表，兼容性更強(qiáng)，可應(yīng)用在更多場(chǎng)合；（5）精度高、誤差值小，多級(jí)校準(zhǔn)，保證精度，本儀器誤差范圍在±2%，優(yōu)于業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)誤差±5%；（6）支持溫濕度測(cè)量，可測(cè)量環(huán)境溫濕度，并支持溫度報(bào)警。并支持多種報(bào)警方式可選，低報(bào)警、高報(bào)警、區(qū)間報(bào)警等多種方式；（7）采用本安型電路設(shè)計(jì)，本儀器主板電路設(shè)計(jì)以及電子元器件選型均滿足本安型電路要求，在電路發(fā)生故障時(shí)，不會(huì)引起周圍危險(xiǎn)氣體發(fā)生爆燃；相較于隔爆型儀器，安全性更高，適用于對(duì)防爆要求高的場(chǎng)合。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及效果評(píng)價(jià)

通過(guò)采出井氣體組分監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)35 口采出井（分布于14 座井場(chǎng)：塬30-100、塬28-99、塬26-100、坊108-93、沙107、塬32-103、塬30-104、塬32-105、塬檢29-100、塬32-101、塬32-100、塬26-104、塬26-107、塬25-106）氣體組分CO2、H2S、CO、Ex 含量，并將數(shù)據(jù)傳送至油區(qū)數(shù)字化SCADA 系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并生成表格及曲線。

（1）誤差對(duì)比見(jiàn)表4，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)分析，所有誤差率均在±10%之內(nèi)。

表4 在線組分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與便攜式儀器測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比表

（2）單井組分檢測(cè)數(shù)據(jù)可傳送至油區(qū)數(shù)字化SCADA系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并生成表格及曲線。

5 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

（1）研發(fā)的CO2驅(qū)采出井氣體組分監(jiān)測(cè)裝置經(jīng)過(guò)室內(nèi)測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)“一機(jī)單井多組分”自動(dòng)采集、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳等功能，滿足了CO2驅(qū)試驗(yàn)區(qū)各個(gè)井組氣體組分采集的需求，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)CO2的變化，對(duì)氣竄防治及安全生產(chǎn)提供可靠依據(jù)。

（2）通過(guò)對(duì)比不同類型的泵特點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)對(duì)排量、輸出壓力、材質(zhì)、精度等的需求，選擇了防爆無(wú)油空壓機(jī)作為動(dòng)力源，用氣動(dòng)增壓泵控制套管氣的壓力和排量，該泵經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試較好的滿足現(xiàn)場(chǎng)小排量、低維護(hù)的工況需求。

（3）為了實(shí)現(xiàn)“一機(jī)單井多組分”自動(dòng)采集，本次執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用了獨(dú)立采樣，集中處理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明出現(xiàn)故障后只需維護(hù)故障支路，無(wú)需將停機(jī)整體拆卸維修，不影響其他支路執(zhí)行采集操作，極大的方便了現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)操作。