長慶油田泡沫輔助減氧空氣驅地面注入工藝

高 飛，王 斌，李欣欣，徐德權

（長慶工程設計有限公司，陜西西安 710018）

泡沫輔助減氧空氣驅是將空氣驅與泡沫驅有機的結合起來，用泡沫作為調剖劑，空氣作為驅油劑，“邊調邊驅”，具有調剖和驅油的雙重功能，克服了空氣“氣竄”的缺點。同時，空氣作為泡沫輔助減氧空氣驅的氣源，資源充足，且成本較低，具有廣闊的應用前景。

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

1 礦場試驗現狀

泡沫輔助減氧空氣驅作為一種高效的驅替方式，國內學者曾進行過廣泛的研究[2-5]，并已在百色、長慶、延長、吉林、中原等地進行了現場礦場試驗[6-11]，取得了較好的效果。礦場試驗的規模較小，大都將注入點分散在井場設置，礦場試驗的地面系統形成了“低壓去氧、單機單井”的地面注入工藝（見圖1）。

圖1 礦場試驗注入工藝流程示意圖

通過對井組試驗的運行現狀進行分析，目前井組試驗采用市場化運行模式，主要存在運行成本高（單井技術服務費52.0 萬元/年）、管理難度大（注入站點多、需人員值守）、自動化程度低（租賃設備種類繁多、自控水平低）等問題，不利于大規模推廣應用。

2 氣液兩相混合注入技術

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

圖2 模擬實驗裝置示意圖

通過研究[12]，對氣液兩相混合流體形成了如下初步認識：

（1）對于含泡沫劑的氣液兩相流體，其在管道內的氣液兩相流型如下：水平管和傾斜向下10°、20°、30°、40°時，在實驗液體流量不超過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；當管道為傾斜向上10°、20°、30°、40°時，在實驗液體流量不超過1 m3/h和氣體流量不超過4.5 m3/h 時，對應的流型為彈狀流。

（2）當氣液混合輸送長距離壓降滿足實際生產時，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。當氣液混合輸送不滿足實際生產時，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地面注入系統采用空氣、泡沫液分別輸送，井口混合的注入工藝。

3.1 設計參數

吳起油田某先導試驗區部署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；發泡劑濃度為0.4%，穩泡劑濃度為0.05%，井口最大注入壓力24.0 MPa。注入系統氧含量控制在5%以下。

3.2 站內系統

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

3.2.1 氣相注入系統 氣相總注入量40 772 m3/d，氣相注入系統設計規模確定為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，注入系統的最大工作壓力為24.16 MPa。氣相注入系統站內主要由空氣減氧系統、增壓系統兩部分組成（見圖3），空氣減氧系統主要由空壓機、干燥凈化裝置、空氣減氧裝置組成，配套空氣緩沖罐，增壓系統主要由增壓機組成，配套配氣區、廢潤滑油回收罐。

圖3 站內氣相注入系統工藝流程示意圖

3.2.1.1 減氧系統

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

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。冷凍式干燥機的產品氣露點為2～10 ℃，吸附式干燥機的產品氣露點為-40～-60 ℃。先導試驗區地處吳起縣，極端最低氣溫-28.5 ℃，為滿足裝置儀表風要求（一般需低于環境溫度10 ℃），選用吸附式干燥機。

空氣減氧裝置：為防止注入氣體與烴類物質混合發生安全事故，要求注入空氣中氧含量不大于5%，注入系統需設置減氧設備。常溫減氧方式分為PSA 變壓吸附、MEM 集成膜兩種。PSA 變壓吸附減氧技術主要是利用活性碳分子篩對氧、氮分子吸附的差異進行篩選；MEM 集成膜減氧技術的核心是利用空氣中不同組分在高分子材料上的擴散系數大小不同（透過率和選擇性不同）而達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每分鐘進氣流量的10%～15%選取。本工程空壓機額定供氣量73 m3/min，需配套1 具15 m3氮氣緩沖罐。

3.2.1.2 增壓系統

增壓機：選用往復式壓縮機，壓縮機的排氣壓力為25 MPa，安全閥定壓為27.5 MPa，氣相注入系統的設計壓力按28 MPa 考慮。

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

廢潤滑油罐：減氧空氣壓縮機組的潤滑油耗量為10.6 L/d，在壓縮機增壓區設置1 具1 m3廢潤滑油罐，用于回收壓縮機組的廢潤滑油。

3.2.2 液相注入系統 液相總配注量131 m3/d，設計規模確定為150 m3/d，發泡劑用量1.46 t/d，穩定劑用量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。液相注入系統設計壓力25 MPa。液相注入系統站內主要由配液系統、注入系統兩部分組成（見圖4）。

圖4 站內液相注入系統工藝流程示意圖

3.2.2.1 配液系統 配液系統主要由發泡劑儲存裝置、穩泡劑儲存裝置、穩泡劑熟化裝置、分散溶解喂入裝置、泡沫液攪拌稀釋裝置等組成。

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

穩泡劑熟化裝置：接收分散溶解單元輸送來的穩泡劑溶液，通過低剪切攪拌機攪拌，在熟化槽內進行熟化，通過喂液泵輸送至發泡劑稀釋裝置。

泡沫液攪拌稀釋裝置：由2 具稀釋罐及攪拌機組成，將發泡劑原液、熟化后的穩泡劑母液、處理后的水在稀釋罐內混合后供注入裝置使用，2 具罐交替運行。

穩定劑分散裝置：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 泡沫液注入裝置：集泡沫液升壓、回流、計量一體化設計，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

泡沫輔助減氧空氣驅注入系統采用氣液兩相分注、井口混合的注入工藝。站外注入系統采用樹枝狀干管配注工藝，氣液分別輸送至井口處進行混合（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 在注入井場設配氣閥組，氣相注入管線選擇L245N 無縫鋼管，注氣干線規格為L245N-48×7 mm，注水支線規格為鋼管L245N-34×5.5 mm。

配氣閥組集減氧空氣的截斷、分配、調節、計量、放空等一體化設計，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。配氣閥組可遠程監控配氣匯管及各注氣支線壓力、可遠程調節各注氣支線流量，同時可對注氣支干線來氣管線進行遠程截斷，無需人員值守。

配氣閥組的注入工藝流程為：注氣支干線來氣經配氣裝置上的電動球閥進入配氣匯管，通過配氣匯管上的多條配氣支線進行分配，每條配氣支線上的流量計、電動調節閥可實現配氣量的自動調節，達到配氣要求后經配氣支線配注至注入井，從而實現減氧空氣注入。

當采出端氧含量超標時，通過遠程操作配氣裝置上的電動球閥，遠程截斷注氣支干線來氣管線，暫停與采出端相關的注入系統，確保系統安全。待采出端氧含量恢復正常時，通過遠程操作配氣裝置上的電動球閥，遠程開啟注氣支干線來氣管線，恢復注入系統正常運行。

3.3.2 液相注入系統 在注入井場設配液閥組，可利用井場已建的穩流配水閥組；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行混合，通過安裝截斷閥、止回閥以及靜態混合器等，以實現注入井的氣液同注（見圖6）。

圖6 氣液兩相注入井口裝置安裝圖

3.4 應用效果

第一采油廠王窯試注站已成功投運1 年多，目前整體運行良好，因止回閥失效、現場操作等原因造成的井口氣液互竄，目前正在實施改造，下一步將跟蹤現場應用效果，持續優化改進，解決生產難題。

4 結論

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

（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注入系統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）站內氣相注入系統主要由空氣減氧系統、增壓系統兩部分組成，液相注入系統主要由配液系統、注入系統兩部分組成；站外注入系統采用樹枝狀干管配注工藝，氣液分別輸送至井口處進行混合。

（4）研制的配氣閥組、氣液兩相井口注入裝置基本滿足現場生產需求，下一步將跟蹤現場應用效果，進一步完善地面注入工藝。