長慶油田泡沫輔助減氧空氣驅(qū)地面注入工藝

高 飛，王 斌，李欣欣，徐德權(quán)

（長慶工程設(shè)計有限公司，陜西西安 710018）

泡沫輔助減氧空氣驅(qū)是將空氣驅(qū)與泡沫驅(qū)有機(jī)的結(jié)合起來，用泡沫作為調(diào)剖劑，空氣作為驅(qū)油劑，“邊調(diào)邊驅(qū)”，具有調(diào)剖和驅(qū)油的雙重功能，克服了空氣“氣竄”的缺點(diǎn)。同時，空氣作為泡沫輔助減氧空氣驅(qū)的氣源，資源充足，且成本較低，具有廣闊的應(yīng)用前景。

長慶油田自2009 年起陸續(xù)在靖安油田、姬塬油田、安塞油田等區(qū)塊開始泡沫輔助減氧空氣驅(qū)提高采收率的技術(shù)探索[1]，通過大量室內(nèi)研究和現(xiàn)場試驗(yàn)，初步形成了長慶特低滲透油藏泡沫輔助減氧空氣驅(qū)技術(shù)體系。

1 礦場試驗(yàn)現(xiàn)狀

泡沫輔助減氧空氣驅(qū)作為一種高效的驅(qū)替方式，國內(nèi)學(xué)者曾進(jìn)行過廣泛的研究[2-5]，并已在百色、長慶、延長、吉林、中原等地進(jìn)行了現(xiàn)場礦場試驗(yàn)[6-11]，取得了較好的效果。礦場試驗(yàn)的規(guī)模較小，大都將注入點(diǎn)分散在井場設(shè)置，礦場試驗(yàn)的地面系統(tǒng)形成了“低壓去氧、單機(jī)單井”的地面注入工藝（見圖1）。

圖1 礦場試驗(yàn)注入工藝流程示意圖

通過對井組試驗(yàn)的運(yùn)行現(xiàn)狀進(jìn)行分析，目前井組試驗(yàn)采用市場化運(yùn)行模式，主要存在運(yùn)行成本高（單井技術(shù)服務(wù)費(fèi)52.0 萬元/年）、管理難度大（注入站點(diǎn)多、需人員值守）、自動化程度低（租賃設(shè)備種類繁多、自控水平低）等問題，不利于大規(guī)模推廣應(yīng)用。

2 氣液兩相混合注入技術(shù)

為節(jié)省地面工程投資，盡量避免地面注入系統(tǒng)中氣相、液相注入管線分別建設(shè)，擬采用氣液兩相站內(nèi)混合后集中注入的工藝技術(shù)（見圖2），為此開展了相關(guān)前置性研究。

圖2 模擬實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

通過研究[12]，對氣液兩相混合流體形成了如下初步認(rèn)識：

（1）對于含泡沫劑的氣液兩相流體，其在管道內(nèi)的氣液兩相流型如下：水平管和傾斜向下10°、20°、30°、40°時，在實(shí)驗(yàn)液體流量不超過1 m3/h 和氣體流量不超過4.5 m3/h 時，此時的流型為分層流；當(dāng)管道為傾斜向上10°、20°、30°、40°時，在實(shí)驗(yàn)液體流量不超過1 m3/h和氣體流量不超過4.5 m3/h 時，對應(yīng)的流型為彈狀流。

（2）當(dāng)氣液混合輸送長距離壓降滿足實(shí)際生產(chǎn)時，建議選擇氣液混合輸送，氣液混合輸送管道直徑越大，此時壓降越小。當(dāng)氣液混合輸送不滿足實(shí)際生產(chǎn)時，建議選擇雙管輸送，而且管道直徑越大，長距離輸送氣體和液體的壓降就越小。

（3）傾斜向上管的壓力梯度遠(yuǎn)大于水平管和傾斜向下管的壓力梯度，而且，隨著傾斜的角度增大，傾斜向上管的壓降梯度也會成倍地增大，所以建議在鋪設(shè)管路時，盡量減少傾斜向上管道的距離和減小傾斜的角度，建議修建泵站的時候，選擇地勢較高的地方，以減少傾斜向上管道帶來的巨大壓力損失。

考慮到長慶油田特殊的地形地貌，溝壑縱橫、梁峁交錯，管道起伏較大，不建議采用氣液兩相同注的注入工藝。

3 地面注入工藝

綜合上述研究成果，泡沫輔助減氧空氣驅(qū)地面注入系統(tǒng)采用空氣、泡沫液分別輸送，井口混合的注入工藝。

3.1 設(shè)計參數(shù)

吳起油田某先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)部署13 口注入井，單井注氣量18～22.8 m3/d，氣相總注入量276.4 m3/d（折合地面總注入量40 772 m3/d）；單井注液量8.5～12 m3/d，液相總注入量131 m3/d；發(fā)泡劑濃度為0.4%，穩(wěn)泡劑濃度為0.05%，井口最大注入壓力24.0 MPa。注入系統(tǒng)氧含量控制在5%以下。

3.2 站內(nèi)系統(tǒng)

部署的13 口注入井分布在6 座井場，區(qū)域范圍2.3 km×2.0 km，考慮在區(qū)域中心位置新建集中注入站1 座，包含氣相注入系統(tǒng)和液相注入系統(tǒng)。

3.2.1 氣相注入系統(tǒng) 氣相總注入量40 772 m3/d，氣相注入系統(tǒng)設(shè)計規(guī)模確定為43 000 m3/d；注入井的井口最大注入壓力為24.0 MPa，氣相注入管線的壓力損失為0.16 MPa，注入系統(tǒng)的最大工作壓力為24.16 MPa。氣相注入系統(tǒng)站內(nèi)主要由空氣減氧系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)兩部分組成（見圖3），空氣減氧系統(tǒng)主要由空壓機(jī)、干燥凈化裝置、空氣減氧裝置組成，配套空氣緩沖罐，增壓系統(tǒng)主要由增壓機(jī)組成，配套配氣區(qū)、廢潤滑油回收罐。

圖3 站內(nèi)氣相注入系統(tǒng)工藝流程示意圖

3.2.1.1 減氧系統(tǒng)

空壓機(jī)：常用空壓機(jī)主要包含活塞機(jī)、軸流機(jī)、離心機(jī)、螺桿機(jī)，結(jié)合各類空壓機(jī)適用的工況條件、排量范圍、排氣壓力及冷卻方式等，結(jié)合工程實(shí)際（空壓機(jī)額定供氣量73 m3/min，缺水地區(qū)），空壓機(jī)選用螺桿機(jī)。

干燥凈化裝置：常用的干燥凈化裝置分為冷凍式和吸附式兩種類型。冷凍式干燥機(jī)的產(chǎn)品氣露點(diǎn)為2～10 ℃，吸附式干燥機(jī)的產(chǎn)品氣露點(diǎn)為-40～-60 ℃。先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)地處吳起縣，極端最低氣溫-28.5 ℃，為滿足裝置儀表風(fēng)要求（一般需低于環(huán)境溫度10 ℃），選用吸附式干燥機(jī)。

空氣減氧裝置：為防止注入氣體與烴類物質(zhì)混合發(fā)生安全事故，要求注入空氣中氧含量不大于5%，注入系統(tǒng)需設(shè)置減氧設(shè)備。常溫減氧方式分為PSA 變壓吸附、MEM 集成膜兩種。PSA 變壓吸附減氧技術(shù)主要是利用活性碳分子篩對氧、氮分子吸附的差異進(jìn)行篩選；MEM 集成膜減氧技術(shù)的核心是利用空氣中不同組分在高分子材料上的擴(kuò)散系數(shù)大小不同（透過率和選擇性不同）而達(dá)到氣體分離的物理過程。

空氣緩沖罐：緩沖罐的容積一般按壓縮機(jī)每分鐘進(jìn)氣流量的10%～15%選取。本工程空壓機(jī)額定供氣量73 m3/min，需配套1 具15 m3氮?dú)饩彌_罐。

3.2.1.2 增壓系統(tǒng)

增壓機(jī)：選用往復(fù)式壓縮機(jī)，壓縮機(jī)的排氣壓力為25 MPa，安全閥定壓為27.5 MPa，氣相注入系統(tǒng)的設(shè)計壓力按28 MPa 考慮。

配氣區(qū)：在壓縮機(jī)增壓后端設(shè)配氣區(qū)1 處，該區(qū)域具有過濾分離、氣量計量、緊急截斷等功能，配氣區(qū)后端接站外注氣干線。

廢潤滑油罐：減氧空氣壓縮機(jī)組的潤滑油耗量為10.6 L/d，在壓縮機(jī)增壓區(qū)設(shè)置1 具1 m3廢潤滑油罐，用于回收壓縮機(jī)組的廢潤滑油。

3.2.2 液相注入系統(tǒng) 液相總配注量131 m3/d，設(shè)計規(guī)模確定為150 m3/d，發(fā)泡劑用量1.46 t/d，穩(wěn)定劑用量66.8 kg/d。井口最大注入壓力24 MPa，考慮高程差的各液相注入管道的最大管損為0.05 MPa。液相注入系統(tǒng)設(shè)計壓力25 MPa。液相注入系統(tǒng)站內(nèi)主要由配液系統(tǒng)、注入系統(tǒng)兩部分組成（見圖4）。

圖4 站內(nèi)液相注入系統(tǒng)工藝流程示意圖

3.2.2.1 配液系統(tǒng) 配液系統(tǒng)主要由發(fā)泡劑儲存裝置、穩(wěn)泡劑儲存裝置、穩(wěn)泡劑熟化裝置、分散溶解喂入裝置、泡沫液攪拌稀釋裝置等組成。

發(fā)泡劑儲存裝置：由1 具發(fā)泡劑原液儲存罐及原液計量泵組成，將發(fā)泡劑原液卸入儲存箱內(nèi)，通過計量泵將發(fā)泡劑原液導(dǎo)入泡沫液攪拌稀釋裝置。

穩(wěn)泡劑熟化裝置：接收分散溶解單元輸送來的穩(wěn)泡劑溶液，通過低剪切攪拌機(jī)攪拌，在熟化槽內(nèi)進(jìn)行熟化，通過喂液泵輸送至發(fā)泡劑稀釋裝置。

泡沫液攪拌稀釋裝置：由2 具稀釋罐及攪拌機(jī)組成，將發(fā)泡劑原液、熟化后的穩(wěn)泡劑母液、處理后的水在稀釋罐內(nèi)混合后供注入裝置使用，2 具罐交替運(yùn)行。

穩(wěn)定劑分散裝置：由儲料斗、料位計、文丘里混合器、計量下料器等組成，將穩(wěn)泡劑干粉采用人工方式加入儲料斗，通過計量下料器控制下粉量，與恒流低壓水混合，配制成目標(biāo)溶液，配制過程采用自動控制方式。裝置具有聚合物干粉加入、輸送、儲存、計量下料、混合、計量功能。

3.2.2.2 注入系統(tǒng) 泡沫液注入裝置：集泡沫液升壓、回流、計量一體化設(shè)計，將注水泵、閥門、管線及流量計等集成于一個橇座上，可整體搬遷。

3.3 站外系統(tǒng)

泡沫輔助減氧空氣驅(qū)注入系統(tǒng)采用氣液兩相分注、井口混合的注入工藝。站外注入系統(tǒng)采用樹枝狀干管配注工藝，氣液分別輸送至井口處進(jìn)行混合（見圖5）。

圖5 氣液兩相分注、井口混合的站外注入工藝流程示意圖

3.3.1 氣相注入系統(tǒng) 在注入井場設(shè)配氣閥組，氣相注入管線選擇L245N 無縫鋼管，注氣干線規(guī)格為L245N-48×7 mm，注水支線規(guī)格為鋼管L245N-34×5.5 mm。

配氣閥組集減氧空氣的截斷、分配、調(diào)節(jié)、計量、放空等一體化設(shè)計，將配氣匯管、閥門、管線及流量計、壓力表等集成安裝在同一橇座上，可整體搬遷。配氣閥組可遠(yuǎn)程監(jiān)控配氣匯管及各注氣支線壓力、可遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)各注氣支線流量，同時可對注氣支干線來氣管線進(jìn)行遠(yuǎn)程截斷，無需人員值守。

配氣閥組的注入工藝流程為：注氣支干線來氣經(jīng)配氣裝置上的電動球閥進(jìn)入配氣匯管，通過配氣匯管上的多條配氣支線進(jìn)行分配，每條配氣支線上的流量計、電動調(diào)節(jié)閥可實(shí)現(xiàn)配氣量的自動調(diào)節(jié)，達(dá)到配氣要求后經(jīng)配氣支線配注至注入井，從而實(shí)現(xiàn)減氧空氣注入。

當(dāng)采出端氧含量超標(biāo)時，通過遠(yuǎn)程操作配氣裝置上的電動球閥，遠(yuǎn)程截斷注氣支干線來氣管線，暫停與采出端相關(guān)的注入系統(tǒng)，確保系統(tǒng)安全。待采出端氧含量恢復(fù)正常時，通過遠(yuǎn)程操作配氣裝置上的電動球閥，遠(yuǎn)程開啟注氣支干線來氣管線，恢復(fù)注入系統(tǒng)正常運(yùn)行。

3.3.2 液相注入系統(tǒng) 在注入井場設(shè)配液閥組，可利用井場已建的穩(wěn)流配水閥組；液相注入管線選用非金屬管道，注液支干線選用非金屬管道DN65 PN250，注液支線選用非金屬管道DN40 PN250。

3.3.3 注入井口混合裝置 同一口注入井的配氣支線與配液支線在注入井口前進(jìn)行混合，通過安裝截斷閥、止回閥以及靜態(tài)混合器等，以實(shí)現(xiàn)注入井的氣液同注（見圖6）。

圖6 氣液兩相注入井口裝置安裝圖

3.4 應(yīng)用效果

第一采油廠王窯試注站已成功投運(yùn)1 年多，目前整體運(yùn)行良好，因止回閥失效、現(xiàn)場操作等原因造成的井口氣液互竄，目前正在實(shí)施改造，下一步將跟蹤現(xiàn)場應(yīng)用效果，持續(xù)優(yōu)化改進(jìn)，解決生產(chǎn)難題。

4 結(jié)論

（1）井組試驗(yàn)中形成的“低壓去氧、單機(jī)單井”的地面注入工藝，存在著管理困難、自控水平低等問題，無法滿足工業(yè)化試驗(yàn)要求。

（2）傾斜向上管的壓降梯度隨著傾斜的角度增大而成倍地增大。針對長慶油田特殊的地形地貌，泡沫輔助減氧空氣驅(qū)注入系統(tǒng)不建議采用氣液兩相同注的注入工藝，推薦采用氣液兩相分注、井口混合的注入工藝。

（3）站內(nèi)氣相注入系統(tǒng)主要由空氣減氧系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)兩部分組成，液相注入系統(tǒng)主要由配液系統(tǒng)、注入系統(tǒng)兩部分組成；站外注入系統(tǒng)采用樹枝狀干管配注工藝，氣液分別輸送至井口處進(jìn)行混合。

（4）研制的配氣閥組、氣液兩相井口注入裝置基本滿足現(xiàn)場生產(chǎn)需求，下一步將跟蹤現(xiàn)場應(yīng)用效果，進(jìn)一步完善地面注入工藝。