頁巖油伴生氣二氧化碳濃度連續(xù)監(jiān)測技術(shù)研究

李興,廉冬

(中國石化股份有限公司江蘇油田分公司 采油一廠,江蘇 揚州 225265)

頁巖油作為一種重要的非常規(guī)油氣資源,越來越受到各大油田的重視,在頁巖油開發(fā)過程中通常進(jìn)行大規(guī)模壓裂來獲取較高產(chǎn)能[1-2]。為了降低頁巖地層的破裂壓力、提高頁巖油采收率,壓裂施工過程通過前置注入大量的CO2來降低地層的破裂壓力實現(xiàn)增能[3],頁巖油投產(chǎn)后,注入的CO2也會隨著原油和天然氣生產(chǎn)而分離出來。因此,在頁巖油井生產(chǎn)過程中,監(jiān)測伴生天然氣中φ(CO2)對于生產(chǎn)管理、動態(tài)分析、天然氣分離、確保安全生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)至關(guān)重要。江蘇油田在某油田頁巖油開發(fā)中也進(jìn)行了前置CO2注入[4],為了及時準(zhǔn)確了解與分析CO2產(chǎn)出情況,開展了伴生氣中φ(CO2)在線連續(xù)監(jiān)測技術(shù)研究,現(xiàn)場應(yīng)用取得了非常好的應(yīng)用效果。

1 頁巖油伴生氣中φ(CO2)檢測分析方法

該油田頁巖油產(chǎn)出伴生氣中φ(CO2)檢測是通過人工取樣分析的,即現(xiàn)場操作人員用氣囊在天然氣生產(chǎn)管線取樣口采集伴生氣樣氣,封裝后送至廠部化驗室,用色譜儀進(jìn)行樣氣分析,測試出氣體組分及φ(CO2)。該測試分析方法在生產(chǎn)管理中存在以下問題： 一是人工取樣費時費力,從取樣、送樣到檢測分析周期長;二是人工取樣分析不連續(xù)、數(shù)據(jù)實時性差,無法滿足動態(tài)變化大的頁巖油生產(chǎn)資料錄取要求,同時對于天然氣回收利用存在極大的安全隱患。

2 頁巖油伴生氣中φ(CO2)連續(xù)監(jiān)測技術(shù)原理

氣體中φ(CO2)檢測方法通常有氣相色譜法(GC)、激光光譜法、質(zhì)譜法(MS)、紅外線氣體分析法(IRGA),前三者設(shè)備成本高、分析時間較長,不適合進(jìn)行現(xiàn)場在線快速高效檢測,紅外線氣體分析法具有高靈敏度、高選擇性和快速響應(yīng)等優(yōu)點[5],因此該油田選擇了紅外線氣體分析法進(jìn)行在線連續(xù)監(jiān)測儀的開發(fā)。

紅外線氣體分析法是利用非分散紅外技術(shù)(Non-Dispersive InfraRed,NDIR)開發(fā)的基于氣體吸收理論的一種分析方法。即當(dāng)紅外光通過待測氣體時,由于各氣體分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同,就決定了它們對不同波長光線的選擇性吸收,且其吸收關(guān)系服從朗伯-比爾定律[6-7],利用氣體體積分?jǐn)?shù)與吸收強度關(guān)系來判別氣體組分并計算其體積分?jǐn)?shù)。

3 CO2濃度連續(xù)監(jiān)測裝置設(shè)計

在頁巖油井生產(chǎn)現(xiàn)場要實現(xiàn)對伴生天然氣中φ(CO2)的連續(xù)監(jiān)測,必須在天然氣管路上設(shè)計相應(yīng)的工藝流程,并且去除天然氣中影響檢測準(zhǔn)確度的水分、原油等雜質(zhì),將符合檢測要求的被測氣樣送入氣體檢測模塊中分析。設(shè)計的φ(CO2)連續(xù)監(jiān)測裝置由氣體檢測模塊、減壓閥、過濾器、微量氣泵、疏水閥、控制板和電源等模塊構(gòu)成,核心模塊是氣體檢測模塊,該模塊由紅外光源、光路、紅外探測器、單片機(jī)電路和軟件算法組成。

為此,筆者設(shè)計了相應(yīng)的氣體采樣工藝。頁巖油伴生氣通過生產(chǎn)分離裝置分離后進(jìn)入天然氣生產(chǎn)管線,將φ(CO2)連續(xù)監(jiān)測裝置安裝在采樣位置。采樣氣體通過采樣口進(jìn)入監(jiān)測裝置的減壓閥減壓,達(dá)到裝置設(shè)定壓力,再進(jìn)入裝置的過濾器中去除采樣氣體中的水分、油滴、細(xì)微的固體等,水分通過疏水電磁閥進(jìn)行定時排放,其他雜質(zhì)留在濾芯中并定期更換,使樣氣達(dá)到分析儀需要的潔凈度,然后采樣氣體通過微量氣泵泵入氣體檢測模塊中進(jìn)行檢測分析,通過井口單片機(jī)處理后得到實時的φ(CO2),在儀表盤上實時顯示,同時通過RS-485通信端口將數(shù)據(jù)實時上傳。CO2濃度連續(xù)監(jiān)測裝置原理如圖1所示。

圖1 CO2濃度連續(xù)監(jiān)測裝置原理示意

監(jiān)測數(shù)據(jù)最終通過生產(chǎn)信息網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心,由監(jiān)控中心計算機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、分析和處理,實現(xiàn)遠(yuǎn)程自動測試,整個過程為自動化處理,不需人為干涉。

根據(jù)油氣生產(chǎn)現(xiàn)場工況及防爆技術(shù)要求,對裝置進(jìn)行了集成,滿足現(xiàn)場快速安裝、調(diào)試與使用,裝置各部件的主要技術(shù)參數(shù)及性能見表1所列。

表1 CO2濃度監(jiān)測裝置各部件主要技術(shù)參數(shù)及性能

4 現(xiàn)場應(yīng)用及效果

某井于2023年2月壓裂,壓裂用液1.51×105m3,前置注入液態(tài)CO2共計1.28×104t,該井6月10日投產(chǎn),日產(chǎn)氣量達(dá)1.1×104m3,為了實時掌握了解CO2返排情況、伴生氣中CO2體積分?jǐn)?shù),確保天然氣和CO2安全分離,課題組開發(fā)了CO2體積分?jǐn)?shù)在線連續(xù)監(jiān)測裝置,在天然氣管路上安裝,對產(chǎn)出天然氣中的φ(CO2)進(jìn)行實時監(jiān)測,數(shù)據(jù)通過油田生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)上傳至中心控制室實時監(jiān)控。

為了分析裝置實時監(jiān)測數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確,筆者采用傳統(tǒng)的色譜法取樣分析,與實時監(jiān)測值做對比,對比數(shù)據(jù)見表2所列,從采樣結(jié)果看,相對誤差均在5%以內(nèi),能夠滿足數(shù)據(jù)采集及生產(chǎn)管理的要求。

表2 φ(CO2)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析對比 %

5 結(jié)束語

筆者研發(fā)的CO2濃度連續(xù)監(jiān)測裝置能夠?qū)崿F(xiàn)φ(CO2)的實時、連續(xù)監(jiān)測,數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性能達(dá)到數(shù)據(jù)采集及生產(chǎn)管理的要求,檢測結(jié)果快速、準(zhǔn)確、高效,大幅降低人工勞動強度。數(shù)據(jù)傳輸至后臺數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),通過對收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和預(yù)測,可以準(zhǔn)確地分析CO2返排情況、預(yù)測φ(CO2)的變化趨勢,為決策提供科學(xué)依據(jù),更科學(xué)地優(yōu)化頁巖油井生產(chǎn)參數(shù)。

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù),在天然氣和CO2分離過程中能夠?qū)崟r掌握監(jiān)測結(jié)果,科學(xué)安排生產(chǎn),同時根據(jù)φ(CO2)變化及時進(jìn)行生產(chǎn)預(yù)警,杜絕安全隱患。頁巖油井伴生氣中φ(CO2)連續(xù)監(jiān)測技術(shù)作為一項創(chuàng)新技術(shù),不僅限于頁巖油井伴生氣中φ(CO2)監(jiān)測,還可以推廣應(yīng)用于CO2驅(qū)、碳捕集利用與封存(CCUS)生產(chǎn)井伴生氣中的φ(CO2)監(jiān)測,在天然氣充分利用、環(huán)境保護(hù)、生產(chǎn)預(yù)警等方面發(fā)揮重要作用。