CO2驅油與封存的地面注入工藝技術

王維波，黃春霞，江紹靜，湯瑞佳

陜西延長石油（集團）有限責任公司研究院，西安710075

CO2驅油與封存的地面注入工藝技術

王維波，黃春霞，江紹靜，湯瑞佳

陜西延長石油（集團）有限責任公司研究院，西安710075

延長油田靖邊喬家洼油區開展了CO2驅油與封存先導試驗，初步建成單井CO2注入能力為10～20 t/d的地面注入系統。該系統主要由低溫儲罐、屏蔽泵、注入泵、水浴式汽化器及閥門儀表組成，儲罐為系統連續供液，屏蔽泵為注入泵預增壓，水浴式汽化器為儲罐增壓。運行初期發現儲罐充液速度慢，注入泵進口壓力低、預冷周期長、易氣阻。通過工藝改造和操作優化，該系統逐步實現了正常注入，為低滲油藏中小規模CO2注入工藝積累了經驗。

CO2；驅油；封存；注入工藝；采收率

0 引言

CO2捕集、利用與封存（CCUS）和CO2提高采收率（CO2-EOR）是近年來國內外備受關注的溫室氣體減排及提高原油采收率技術。美國、澳大利亞、加拿大等國已實現大規模管輸埋存驅油，管道輸送技術比較成熟[1]；國內大慶、吉林等油田也進行了CO2捕集、液化、輸送、儲存、注入、回收等一系列技術實踐［2-4］，并走在了CO2埋存與驅油技術的前列。

CO2地面注入工藝技術的難點在于工藝流程設計要合理，設備運行參數要匹配。延長油田通過前期地質研究和油藏評價，2012年在靖邊喬家洼油區開展了CO2驅油與封存的地面注入工藝先導試驗，并逐漸向規模性注入工藝發展。

1 試驗區概況

靖邊喬家洼CO2驅試驗區位于鄂爾多斯盆地中部，含油層位為三疊系延長組長6層，油層埋深1 409.0～1 661.0 m，油層溫度44℃，原始地層壓力12 MPa；探明地質儲量339.95萬t，油層有效厚度12.3 m，平均滲透率1.22×10-3μm2，平均孔隙度8.18%，屬典型的低孔、低滲巖性油藏。由于注水開發收效不明顯，為有效動用低滲透油藏儲量，采取CO2驅油提高采收率并實現溫室氣體地質埋存。

2 地面工藝流程

目前試驗區設計注入井5口，地面工藝流程主要由臥式低溫儲罐、出口配套的屏蔽泵、水浴式汽化器及多臺并聯注入泵等設備構成。

設備參數如下：

液態CO2儲罐：有效容積為50 m3，設計壓力為2.5 MPa，設計溫度-40℃。

水浴式汽化器：汽化量為2 m3/h，設計壓力為2.0 MPa。

屏蔽電泵：排量10～15 m3/h，揚程為40 m，出口壓力為2.0～3.0 MPa。

注入泵：進口壓力為2～3 MPa，出口壓力為20 MPa，理論排量1.2 m3/h。

低溫罐車將化工廠捕集、壓縮、液化后的液態CO2運輸至井場并卸入固定儲罐中，由儲罐出來的CO2經屏蔽泵加壓送至注入泵再被注入井中。屏蔽泵后的汽化器在儲罐內壓力不足的情況下啟用，可以將CO2氣化并返回至儲罐的氣相空間增壓，注入泵后的回流管道將注入泵出口多余排量回流至儲罐，維持注入泵出口壓力恒定。

注入初期的井口注入壓力為2～3 MPa，注入壓力隨注入量的增加逐步上升到8 MPa左右，單井注入能力為10～20 t/d。

3 運行中存在的問題及優化

3.1 注入泵進口壓力不足

流程中采用的注入泵為往復高壓泵，理論排量為1.2 m3/h，要求進口壓力2～3 MPa、出口壓力20 MPa。往復高壓泵雖有自吸能力，但其吸真空高度隨泵安裝地區的大氣壓力、液體的性質和溫度而變化，而儲罐壓力一般維持在1.8～2.0 MPa，當儲罐內CO2剩余不足，壓力降低時，注入泵便無法啟動。為解決注入泵進口壓力不足問題，在儲罐出口、注入泵之前加裝屏蔽泵（見圖1），可起到預增壓的作用，水浴式汽化器可利用氣化后的CO2返回儲罐氣相空間增壓，這樣即可滿足注入泵對進口壓力的要求。

圖1 CO2驅單井注入流程示意

3.2 儲罐充液速度慢

CO2運輸罐車往儲罐充液時，隨著儲罐中壓力的上升，充液速度變慢，甚至充不進液。經過摸索探討，充液時在罐車儲槽與儲罐氣相容器之間連接一根管子，使兩壓力容器間的氣相循環，借此平衡壓力，達到快速充液的目的。

3.3 注入泵預冷周期長

注入泵及進出口管道充分預冷才能保證優良的泵況，連續出液。夏季外界溫度高，管道開始預冷到結霜往往需要30 min甚至更長時間。由于管道、泵體溫降速度與其中通過流體的流量和流速成正比，預冷時，將進出口管道上的排氣閥打開，并將柱塞泵上的排氣孔打開，逐步緩慢增大管道中的液體流量，加快液體循環，可以加快預冷速度，縮短啟泵時間。

3.4 注入泵氣阻不出液

注入泵進口壓力要求2.0 MPa以上，運行中經常遇到泵出口不升壓或壓力波動，嚴重時泵內有液體沖擊聲，甚至泵體振動，無法工作。這是由于泵內液體大量氣化而堵塞流道造成的。液體的氣化溫度與壓力有關：壓力越低（或越高），所對應的氣化溫度也越低（或越高），如果進到泵內的液體溫度高于進口壓力所對應的氣化溫度，則部分液體會產生氣化，形成氣泡。理論上要避免氣阻，應該對流體采取加壓降溫的措施，將其溫度、壓力維持在P-T相圖的液相區。

實際操作時，啟泵之前充分預冷管道、泵體，盡量減少液態CO2在管道中吸熱氣化；泵在正常運轉時，不定期將柱塞的排氣孔打開放空，減少泵腔氣堵的可能性。另外低溫儲罐不宜充裝過滿，否則罐內壓力升高，泵出口回流難以回壓至儲罐中，泵體容易憋壓。泵本身也要避免空轉，防止產生氣化現象。

4 認識及建議

注入系統自投入運行以來，已成功注入液態CO2達1.0萬t以上。注入工藝操作靈活、注入平穩、安全可靠，特別適合中小規模或者不便建站的區塊開展注氣，同時可以滿足不同地質條件、不同壓力下的注入需要。在井口加裝放噴管道和放噴罐，單井注入系統也適用于CO2吞吐采油。如果對現有流程進行必要的改造，該系統也可適用于脈沖式注入或水氣交替注入。

設備選型時要特別注意屏蔽泵與注入泵排量要匹配，避免“大馬拉小車”或“小馬拉大車”。屏蔽泵排量過大會造成大量液體回流，降低注入效率；屏蔽泵排量小，注入泵進口供液不足會嚴重影響配注量。另外對于注入壓力、溫度、流量等數據的采集目前主要依靠人工，建議采用數據自動化采集系統，以增大數據采集量、提高數據準確性，為規模化注入實施提供技術積累。

[1]Bert Metz，Ogunlade Davidson，Heleen de Coninck，et al.IPCC Special Report on Carbon Dioxide Capture and Storage[R]. Cambridge，UK：Cambridge University Press，2005：179-192.

[2]谷延斌.低滲透油田二氧化碳注入工藝研究及認識[J].油氣田地面工程，2005，24（6）：21-22．

[3]倪雙明，胡梅，解飛.二氧化碳驅礦場試驗效果[J].油氣田地面工程，2013，32（2）：20-21．

[4]孫銳艷，王憲中，馬曉紅，等.黑59區塊二氧化碳驅地面工程技術[J].油氣田地面工程，2012，31（2）:37-38.

Surface Injection Technologyfor CO2Flooding and Sequestration

Wang Weibo，Huang Chunxia，Jiang Shaojing，Tang Ruijia
Research Institute of Shaanxi Yanchang Petroleum（Group）Co.，Ltd.，Xi’an 710075，China

The pilot experiment of CO2flooding and sequestration was conducted in Qiaojiawa Block of Yanchang Oilfield and the surface injection system with CO2injection capacity of 10～20 t/d for single well was built preliminarily.The system consists of a low temperature storage tank，a shielding pump，an injection pump，a water bath vaporizer，valves and instruments.The storage tank supplies liquid continually for the system，the shielding pump pressurizes the injection pump in advance，the water bath vaporizer pressurizes the storage tank.Some problems were found in primary operation stage，such as the slow liquid filling rate of the storage tank，the low pressure，long pre-cooling period and prone to air lock at the injection pump inlet.Through process reformation and operation optimization，the injection system realizes normal injection gradually.The experience accumulated from the practice is useful for medium or small scale CO2injection into low permeability oilreservoirs.

CO2；flooding；sequestration；injection process；recovery rate

圖片報道：中亞管道某大型壓縮機站

國家科技支撐計劃“陜北煤化工CO2捕集、埋存與提高采收率技術示范”（2012BAC26B00）

10.3969/j.issn.1001-2206.2015.02.011

王維波（1982-），男，陜西扶風人，2012年畢業于西安石油大學油氣田開發工程專業，碩士，主要從事提高采收率理論與技術研究工作。

2014-09-14