長慶油田CO2驅氣體組分監測系統研發與應用

楊金峰，趙艷艷，萬文春，楊飛濤

（中國石油長慶油田分公司第五采油廠，陜西 西安 710200）

近年來，長慶油田持續快速發展，2013年油氣當量突破5 000×104t，為實現油田長期穩產和可持續發展，急需探索和豐富提高采收率的新途徑、新方法。前期研究發現長慶油田已動用地質儲量中可實現CO2混相驅-近混相驅地質儲量為10.5×108t，預測可增加可采儲量1.14×108t。因此，開展CO2驅油項目，探索低滲油藏有效補充能量、大幅提高單井產量和采收率技術，對長慶油田可持續發展具有重要意義。但是，在CO2驅提高采收率過程中，隨著注入量的增加，油井見氣問題突出，油井見氣后對油井生產、地面集輸系統安全造成較大影響。因此，研發低滲透油藏CO2驅氣體組分在線監測系統，對提前開展氣竄防治和集輸系統安全生產具有重要意義[1-5]。

1 國內外CO2 驅現狀

國內外的攻關和實踐顯示CO2驅油與埋存技術具有較好的推廣應用前景，CO2驅作為三次采油技術可提高低滲透油藏采收率7%～18%；長慶油田三疊系注水開發油藏，水驅采收率預計達到19.2%，與國內低滲透油藏平均采收率23.3%相比，采收率有一定提升空間，見表1。按長慶油田目前地質儲量計算，采收率每提高1%，可新增可采儲量近3 000×104t，大大提升油田穩產能力。但是長慶油田在地貌、油藏地質條件、地面等方面與其他油田相比差異較大，須開展新的技術攻關。

表1 長慶油田試驗區與國內同類試驗區實施CO2 技術的基礎條件對比表

1.1 國外CO2 驅現狀

美國歷經60年的探索和實踐，形成了CO2驅油技術系列和商業模式，工業化應用年產油量超過1 500×104t，見表2、圖1。

表2 美國CO2 混相驅油藏滲透率統計表

圖1 美國熱采、氣驅、CO2 驅EOR 產量

1.2 國內CO2 驅現狀

20世紀60年代中國在大慶油田開展了CO2驅提高采收率方法探索，90年代在勝利、江蘇等多個油田陸續開展了CO2驅先導性試驗，但由于缺乏天然的CO2氣藏，同時由于驅油過程中存在氣竄嚴重和管線腐蝕等問題，沒有形成規模應用。近年來，隨著國際社會應對氣候變化與CO2減排技術的發展，中國開展了CO2捕集、驅油和封存技術的研究攻關，為CO2驅油和埋存提供了應用條件，并通過研究和試驗，在CO2驅油理論、開發技術、注采集輸工藝技術等方面取得了重要進展，CO2驅油技術步入快速發展階段。

2 長慶油田黃3 區CO2 驅試驗概況

長慶油田的低-特低滲儲量約18.74×108t。采用超前注水、溫和注水等技術開發動用了70%左右，目前暴露出的主要問題是注水補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，加劇了產量遞減，導致水驅效果變差。針對長慶油田特-超低滲透油藏水驅后的特殊性，迫切需要探索特-超低滲透油藏水驅后的CO2驅油提高采收率的全新思路、理論和技術。

2.1 試驗區基本概況

通過室內研究與現場勘查，選取姬塬油田黃3 長8 區西北部開展先導試驗（表3），黃3 區屬于東高西低的單斜構造，黃3 區長811砂體呈平面厚層連續分布，平均有效厚度13.0 m，長8 儲層平均孔隙度為7.17%，平均滲透率為0.39 mD。發育天然構造裂縫以垂直縫和高角度縫為主，傾角多分布在75°～90°。試驗區位于黃3 長8 區西北部，具有“低孔、低滲、低壓”的特征，儲層非均質性強，已進入中含水率開發期，面臨著有效驅替系統難以建立、壓力保持水平低、注采矛盾突出、水驅提高采收率空間有限等問題。

大部分有關翻轉課堂的研究采取了課堂內以小組為基礎的互動教學活動形式，這一運用是建立在Piaget 1967和Vygotsky[2]的以學生為中心的教學理論基礎之上的。而這些教學活動的本質在不同的研究中相差甚遠，這就容易產生一些認識誤區，導致翻轉課堂的標簽經常被用在一些課程當中，這些課程也會使用提前錄制的以網絡為基礎的錄像講座和封閉性問題與測試，而在許多傳統課程中，這些就是學習者得到的全部學習指導。因此，翻轉課堂不是指單純的教學活動重組，而是指課程安排的拓展。其簡易的表述見表2。

表3 長慶油田符合篩選條件區塊基本情況表

2.2 試驗進展及效果

2018年11月15日實現了“9 注37 采”試驗規模，目前配注150 t，實注142 t，平均注入壓力15.2～19.1 MPa，累計注氣17.1×104t，完成總設計量（53.5×104t）的32.0%。

試驗區對應一、二線采油井45 口，開井數39 口。與注入前相比，日產液由82.77 m3上升到89.42 m3，日產油由33.16 t 上升到40.39 t，含水率由56.9%下降到50.9%，動液面由1 946 m 上升到1 926 m，生產形勢變好。見效井35 口，見效率77.8%，見效井日增油20.2 t，見效周期142 d，累計增油2.2×104t，累計降水1.68×104m3，噸CO2增油0.11 t。

2.3 試驗過程油井見氣情況

根據油井套管氣檢測結果，黃3 試驗區外圍套管氣CO2含量為0.05%～0.526%，平均為0.293%。因此，初步確定試驗區見氣判斷界限為0.6%。2019年以來試驗區出現了同層見氣井5 口、跨層氣竄井5 口。通過動態驗證結合示蹤劑監測綜合判斷，氣竄主要方向是北東向，北西為次要方向。綜合氣體組分法、氣油比法和動態響應法，初步制定試驗區氣竄綜合判識標準，明確見氣井氣竄的臨界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 驅氣體組分在線監測系統研發

3.1 技術思路

現有氣體組分監測只能單機對單個氣體組分檢測，單井直接成本增加3～4 倍，而長慶油田叢式井眾多，因此前期一次性投資成本較高；一體機檢測空間太小，多傳感頭測試穩定性差，容易相互影響；將現有的套管氣憋壓輸入到輸油管線，套管氣壓力較高，對單井容易形成氣阻，影響產量，此時如果對套管氣取樣，由于氣體流動性差，氣體組分不能及時反映各組分的變化。

針對目前各種監測儀器的不足，借鑒前期調研試用的產品，兼顧成本與需求的關系，采用“一井一機多組分檢測”的設計思路，優化裝置結構，優選防爆殼體作為檢測腔室，并采用氣動自動增壓裝置，穩定套管氣壓力，解決高精度組分檢測等難題，研發一套適合長慶油田CO2驅井口套管氣組分自動監測裝置[6-8]。

3.2 主要組成及工藝流程

CO2驅氣體組分在線監測系統主要由固定式多功能復合檢測儀、防爆無油空氣壓縮機、壓力控制器、氣液分離器等組成，各部件技術參數如下。

（1）固定式多功能復合檢測儀技術參數：

檢測氣體：CO2，CO，H2S，Ex；

檢測原理：全裝進口傳感器，二氧化碳高精度進口紅外；

檢測范圍：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%）；

檢測方式：擴散式；

顯示方式：2.5 寸高清彩屏（LCM）實時顯示；

檢測精度：≤±3%（F.S）；

報警方式：聲光報警、視覺報警；

響應時間：小于20 s；

恢復時間：小于30 s；

工作電源：24 VDC（12～30 VDC）；

工作環境：溫度-40～+60 ℃；相對濕度≤0～99%RH。可直接檢測負壓或正壓-0.05～0.2 MPa 的氣體（超出范圍需要配外置泵或者減壓閥）；

數據存儲：標配10 萬條數據容量，更大容量可定制。支持本機實時查看、刪除或數據導出，免費上位機通訊軟件存儲功能默認為關閉狀態，可設置為開啟狀態，存儲時間間隔任意設置；

防爆類型：本質安全型防爆標志：Exia IIC T6 GA；

防護等級：IP65；

電氣接口：3/4NPT，可選M20X1.5 內螺紋，1/2NPT；

輸出信號：總線制RS485（RTU）、三（四）線制4～20 mA。

（2）防爆無油空氣壓縮機：最高輸出壓力：0.8 MPa；功率：2.2 kW，按照現場需要，設置防爆空氣壓縮機自動啟停壓力值，當空氣壓縮機管內壓力達到設置值時，空氣壓縮機自動停止工作；當空氣壓縮機管內壓力低于設置值時，空氣壓縮機自動工作，直到壓力達到設置值。

（3）壓力控制器：量程：10 MPa；精度：0.5 級。

（4）氣液分離器：設計壓力：3.2 MPa；設計溫度：50 ℃；容積：0.042 m3，利用離心力作用及濾網阻攔，將液體及雜質留置在氣液分離器底部，氣體從上部流出。液體應及時排放回收，液面太高會影響分離效果。

從采油樹套氣閥處將套氣氣體引流、通過閘閥、變徑、氣管線、阻火閥后進入氣液分離器，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，極少部分進入組分檢測，從組分儀表通過RS485 將組分數據傳輸到井場主RTU，再從井場通過光纜傳輸到作業區SCADA 系統，在SCADA 系統上進行數據處理，繪制表格、曲線等，再傳輸到采油五廠工藝研究所二氧化碳項目室監控平臺。

大部分氣體進入集氣器通過增壓泵回收進入原油管線。按照現場需要，在壓力控制器內設置自動增壓泵啟停壓力值，當集氣管壓力達到設置壓力的上限時，氣動防爆電磁閥打開，高壓空氣進入增壓泵，增壓泵驅動輸出套管氣通過單流閥進入輸油管線，當套氣壓力降到設置下限時，氣動防爆電磁閥關閉，高壓空氣關閉，增壓泵停止工作，見圖2。

圖2 工藝流程圖

3.3 技術創新點

黃3 區CO2驅氣體組分監測系統采用“一井一機多組分檢測”的設計思路，通過優化裝置結構，優選防爆殼體作為檢測腔室，采用氣動自動增壓裝置，穩定了套管氣壓力，解決了高精度組分檢測等難題，并且極大的節約了成本[9-11]。

具有以下優點：（1）實現零排放；（2）實現高清液晶彩屏顯示，相較于一般的數碼管顯示，本儀器顯示內容更加豐富，界面更加美觀、清晰；（3）人機交互良好，用戶可通過按鍵設置儀器參數，換算單位、校準零點、目標點，設置報警閾值、報警方式，查看歷史數據；（4）對外接口豐富多樣，本儀器RS485 和4～20 mA 信號可同時輸出，還可選配0～20 mA、1～5 V、0～5 V、0～10 V、頻率信號、Hart 協議等信號輸出，相較于一般的單輸出儀表，兼容性更強，可應用在更多場合；（5）精度高、誤差值小，多級校準，保證精度，本儀器誤差范圍在±2%，優于業界標準誤差±5%；（6）支持溫濕度測量，可測量環境溫濕度，并支持溫度報警。并支持多種報警方式可選，低報警、高報警、區間報警等多種方式；（7）采用本安型電路設計，本儀器主板電路設計以及電子元器件選型均滿足本安型電路要求，在電路發生故障時，不會引起周圍危險氣體發生爆燃；相較于隔爆型儀器，安全性更高，適用于對防爆要求高的場合。

4 現場應用及效果評價

通過采出井氣體組分監測系統監測35 口采出井（分布于14 座井場：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，并將數據傳送至油區數字化SCADA 系統，實現實時監測，并生成表格及曲線。

（1）誤差對比見表4，通過現場測量數據分析，所有誤差率均在±10%之內。

表4 在線組分監測數據與便攜式儀器測試數據對比表

（2）單井組分檢測數據可傳送至油區數字化SCADA系統，實現實時監測，并生成表格及曲線。

5 結論與認識

（1）研發的CO2驅采出井氣體組分監測裝置經過室內測試和現場運行，達到了設計要求，實現“一機單井多組分”自動采集、數據遠傳等功能，滿足了CO2驅試驗區各個井組氣體組分采集的需求，可實時監測CO2的變化，對氣竄防治及安全生產提供可靠依據。

（2）通過對比不同類型的泵特點，同時結合現場對排量、輸出壓力、材質、精度等的需求，選擇了防爆無油空壓機作為動力源，用氣動增壓泵控制套管氣的壓力和排量，該泵經過現場測試較好的滿足現場小排量、低維護的工況需求。

（3）為了實現“一機單井多組分”自動采集，本次執行機構采用了獨立采樣，集中處理結構設計，現場測試表明出現故障后只需維護故障支路，無需將停機整體拆卸維修，不影響其他支路執行采集操作，極大的方便了現場維護操作。