中原油田CO2驱产出气分离和回注新方法

吴莎

（中国石化中原油田分公司石油工程技术研究院，河南濮阳457001）

中原油田CO2驱产出气分离和回注新方法

吴莎

（中国石化中原油田分公司石油工程技术研究院，河南濮阳457001）

针对中原油田CO2驱产出气中二氧化碳、甲烷含量及产气量波动范围大，产出的气难以直接燃烧、排放和管道输送需要进一步处理，而常规的工业脱碳方法不适用，研究了水合物分离及回注一体化方法。根据CH4和CO2生成水合物的条件存在显著差异进行分离，分离出的CH4和N2分离作为油田燃气，生成的水合物浆液可以直接回注地层，具有CO2泡沫驱和表面活性剂驱的作用，能够提高采收率。结果表明该方法有适用范围广、回收率高、流程短、能耗低等优点，适合于中原油田CO2驱产出气的处理。

CO2驱；产出气；水合物；回注

CO2驱已成为中原油田三次采油重要方法之一，国内，大庆、中原、胜利等油田先后开展了CO2驱油试验，提高采收率在4.7%～17.2%[1]。目前中原油田已在低渗油藏（胡96块）和中高渗油藏（濮城沙一下油藏）开展CO2驱先导试验，现场也取得显著的增油效果。但在注入二氧化碳实现驱油过程中，虽然部分CO2能够存储于储层中，但是当注入气量达到一定程度后，产出气中CO2含量会逐步增高，难以直接作为燃料利用，而且产出气中的二氧化碳是破坏大气层的温室气体，大量排放将造成温室效应等生态失衡现象。产出气中CO2的存在也会腐蚀运输管线，给产出气的输送和深加工带来诸多危害，必须对其进行脱除。目前工业上分离回收二氧化碳的方法主要有化学溶剂法[2，3]、物理溶剂法、吸附分离法、低温分离法[4-6]以及膜分离法等[7，8]，这些方法大多用于化工领域，与油井工况条件和产出流体组分等相差较大，由于油田产出气成分复杂、气体量波动大、油井分散等特点，传统的工业方法很难达到要求[9]。因此，需要在产出气组分分析基础上，针对中原油田CO2驱情况提出适合于中原油田CO2驱产出气回收再利用技术，从而实现经济高效的绿色开发。目前水合物分离技术作为一种新型分离方法[10-12]，以其适用范围广、流程简单、能耗低等优点[13，14]，受到国内外的广泛关注。由于CH4和CO2生成水合物的条件存在显著差异，因此可利用在水合物生成过程中实现CO2驱产出气的处理，然后对处理后的气体及水合物浆液进行回注，提高CO2驱采收率。

1 国内外CO2分离工艺分析

目前工业上分离回收CO2的方法主要有化学溶剂法，主要包括醇胺溶液法和热钾碱法，物理溶剂法、膜分离法、变压吸附法以及低温分离法等，这些方法大多用于化工领域，与油井工况条件和产出流体组分等相差较大，由于油田产出气成分复杂、气体量波动大、油井分散等特点，传统的工业方法很难达到要求，且传统方法没有考虑油田CO2驱产出气中重烃的情况，而且不同油田由于产出气组分不同，采取的工艺方法也不同。因此，需要在产出气组分分析基础上，针对中原油田的二氧化碳产出井较为分散且产出气中二氧化碳浓度及产气量变化较大的情况，研究出适合于中原油田CO2驱产出气回收再利用技术，从而实现经济高效的绿色开发。

2 中原油田CO2驱产出气分析

中原油田CO2驱产出气组分主要是由油田伴生气和CO2组成。濮城沙一下二氧化碳驱典型井产出气组成中各组分含量（见表1）及产气量变化曲线（见图1）。中原油田CO2驱产出气分离、回收装置应能灵活地适应变化的气量和组分要求。

表1 濮城沙一下二氧化碳驱产出气不同组成含量

中原油田濮城沙一下CO2驱产出气特点：

（1）H2S及其他有机硫含量极少，可以忽略不计。

（2）不同井二氧化碳、甲烷含量不同，二氧化碳在2%到97%变化，甲烷在1%到81%变化，产出气不同组分含量（见表1）。单井CO2穿透的速率较快，由典型井濮1-152、濮1-54井产出气曲线可以看出，短短三个月的时间内，CO2含量在迅速上升，氮气、甲烷、C2～C5组分比例在下降，C6及以上烷烃比例先下降后小幅上升。

（3）产出气波动幅度较大，总量较小。二氧化碳驱产出气日产气量波动幅度较大，在11 000 m3～64 000 m3范围内（见图1）。

图1 濮城沙一下二氧化碳驱产气量变化曲线

3 油田CO2驱产出气分离和回注一体化方法

由于油藏CO2气驱后，一部分埋存一部分随着油井产出物一起产出，油井产出物CO2含量上升后直接输送将对油气集输管道和处理设备产生严重腐蚀，且濮城沙一下油藏CO2气驱产出井较为分散，因此需针对油田实际生产需要，建立满足中原油田CO2驱产出气处理方法。当产出气二氧化碳浓度较高气窜时，可以采取一些封窜、改变井的工作制度等措施来维持生产，因此油田产出二氧化碳将维持在一个长时间的低浓度及合理的产气量范围内开采。一般油田气中含有甲烷、CO2、C2～C5等气体，由于驱油的需要，需要将甲烷和CO2、C2～C5等分开。目前净化气体的方法有胺法、低温法等，胺法脱除酸性气体比较有效，但将其分离开有困难，而以低温法为代表的冷法冷量消耗大，装置投资大。水合物法基于CH4和CO2生成水合物的条件存在显著差异，则可以将甲烷和CO2、C2～C5等分开。

油井大气量较低浓度的产出二氧化碳时可以采取水合物法，以油井CO2驱产生的含CH4、N2、C2～C5及C6以上烷烃的CO2驱产出气为处理对象，首先经增压冷凝分离混合气中的水蒸气及C6以上的重烃；然后处理过的气体在一定温度、压力和水合物生成促进剂条件下，采用水合物法将CO2和C2～C5与CH4和N2得到有效分离。分离后气相中的CH4和N2可以作为天然气，气体水合物及未反应的液体通过管道直接输送到CO2驱注入井，回注地层进行驱油。随着温度升高，气体水合物在注入井筒或储层中发生分解释放出CO2、C2～C5和水溶液。由于水溶液中添加的水合物生成促进剂是一种表面活性剂，具有较高的起泡能力。CO2和C2～C5气体能够与水溶液作用产生泡沫具有流度控制和洗油作用，同时C2～C5能够降低CO2驱替原油的混相压力，从而提高CO2驱的采收率。

处理方法与步骤（见图2）：

（1）产出气预处理，分离水蒸气和C6以上重烃组分。以CO2驱后产出井中产生的含CH4、N2、C2～C5及C6以上烷烃的产出气为处理对象，经输气管线依次输送到压缩机增压，增压后的气体经冷却器冷却，冷却后的流体进入气液分离器，在分离器内分离混合气中的水蒸气及C6以上的重烃。

（2）水合物驱油剂制备，将步骤（1）中分离的混合气通入含有水合物生成促进剂溶液，其中水合物生成促进剂浓度为0.1%～1%的阴离子表面活性剂，控制反应温度在4℃～9℃和压力在2 MPa～4 MPa，使混合气中的CO2和C2～C5与含有水合物生成促进剂溶液中的水发生反应生成水合物，并在水合物相中富集，形成水合物驱油剂，其反应式如下：

R+nH2O→R·nH2O，R代表CO2和C2～C5，n为水合数，n≥6.5。

而CH4和N2在此条件下不与水反应生成水合物，在气相中富集，进入外输管线。

其中阴离子表面活性剂可采用十二烷基硫酸钠或者十二烷基苯磺酸钠。

（3）水合物回注地层，将步骤（2）得到的水合物R· nH2O及未反应的液体作为驱油剂通过反应器出口经管线输送到往复泵进行增压，然后通过管线输送到注入井口，水合物R·nH2O在注入管柱中随着地层深度的增加，水合物R·nH2O发生分解，生成CO2、C2～C5和活性水，CO2、C2～C5能够与活性水生成泡沫起到驱油和流度控制作用。

图2 水合物法流程示意图

4 水合物浆液提高采收率实验研究

实验模型：用150目石英砂敲制填砂管物理模型，填砂管参数（见表2）：实验温度：85℃；原油：濮城沙一下油藏原油。CO2纯度为99.99%。

单管模型进行提高采收率实验。采用阴离子表面活性剂为十二烷基硫酸钠配制的水合物浆液，当填砂管水驱至含水98%后注CO2至气窜产气量大幅上升，接着注入水合物浆液，对CO2驱提高采收率的影响。

图3 注入量与采收率、气油比关系曲线

表2 填砂管参数表

由图3可知，水驱后CO2驱到开始气窜，气油比大幅上升后，注入水合物浆液0.06 PV，焖井后气油比下降明显，气窜时间得到延后，可以得到生成的水合物浆液回注地层，具有CO2泡沫驱和表面活性剂驱的作用，能够提高采收率。

水合物浆液提高采收率涉及到二氧化碳、C2～C5、表面活性剂，下面对各成分的驱油机理分析如下：

（1）泡沫驱和表面活性剂驱作用：在水合物生成的过程中，采用的水合物生成促进剂是一种表面活性剂，具有较高的起泡能力，CO2和C2～C5气体与水溶液作用产生泡沫，具有流度控制作用。当泡沫破裂以后，具有表面活性剂驱的作用，可以降低油水界面张力，改变岩石表面的润湿性，促使油的乳化具有洗油作用。通过泡沫驱和表面活性剂驱的综合作用，对地层中的流度差异进行调整，增大驱油效率和提高CO2驱波及体积，从而提高采收率。

（2）降低CO2驱原油的混相压力作用：CO2和C2～C5溶于原油后，原油体积膨胀，原油黏度下降；且C2～C5低碳烃的注入，有助于CO2对原油轻烃组分的萃取，有助于降低CO2驱原油的最小混相压力，从而提高采收率。

油田二氧化碳驱产出气水合物法处理及回注一体化方法，既能将CO2埋存，又能通过水合物的回注提高CO2驱采收率，可以作为油田二氧化碳驱产出气的处理，是一种绿色环保的处理方法。该回注方法具有泡沫驱和表面活性剂驱等多重优点，通过泡沫对驱油体系流动能力的降低、泡沫封堵使驱替液改向，再加上水合物生成促进剂十二烷基硫酸钠本身是一种表面活性剂，能够降低油水界面张力、改变岩石表面的润湿性，通过泡沫驱和表面活性剂驱的共同作用，实现CO2驱流度控制，增大驱油效率和波及体积，从而提高采收率。

5 结论

（1）本方法将CO2产出气分离和CO2回注地层合为一体，产出气分离后的水合物浆液直接注入地层用于提高采收率，步骤少，流程简单。

（2）通过本方法可以将CO2驱产出气中C6以上的重烃分离作为轻油，将混合气中CH4和N2分离作为油田燃气，具有重要的经济价值。

（3）采用水合物法将CO2和C2～C5生成水合物的反应条件温和，生成的水合物浆液可以直接回注地层，具有CO2泡沫驱和表面活性剂驱的作用，能够提高采收率。

（4）随着温度升高，气体水合物在注入井筒或储层中发生分解释放出CO2、C2～C5和水溶液，由于水溶液中添加的水合物生成促进剂是一种表面活性剂，具有较高的起泡能力，CO2和C2～C5气体能够与水溶液作用产生泡沫具有流度控制和洗油作用，同时C2～C5能够降低CO2驱替原油的混相压力，从而提高CO2驱的采收率。

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A new method of CO2flooding output gas separation and reinjection in Zhongyuan oilfield

WU Sha
（Petroleum Engineering Technology Research Institute of Sinopec Zhongyuan Oilfield Company，Puyang Henan 457001，China）

For CO2flooding gas production,carbon dioxide content,methane content in wide range in Zhongyuan oilfield,it is difficult to burn discharge and pipelining for output gas.The output gas need to be further treatment.The conventiona industrial decarburization method does not work.An integrated method of hydrate separation and recycle is proposed in this paper.According to the different conditions forming the hydrate from gas with methane and carbon dioxide moleculars.The separated of methane and nitrogen are excluded are used as town gas.The generated hydrate slurries can be injected into stratum and they have the effect of foam flooding and surfactant flooding to enhance oil recovery.This method possessed wide applicability,short process and low energy consumption and it is suitable for CO2flooding output gas treatment.

carbon dioxide flooding；output gas；aquo-complex；reinjection

TE357.45

A

1673-5285（2017）01-0084-05

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.01.024

2016－10-31

吴莎，女（1986-），工程师，本科，主要研究方向为气驱提高采收率，邮箱：rain_126@126.com。