空气驱地面工艺技术优化研究与现场应用

田文龙

大庆油田海拉尔石油勘探开发指挥部规划设计中心，内蒙古呼伦贝尔 021000

空气驱地面工艺技术优化研究与现场应用

田文龙

大庆油田海拉尔石油勘探开发指挥部规划设计中心，内蒙古呼伦贝尔 021000

在海拉尔油田BZ区块特低渗透、低丰度油藏开展注空气驱试验无经验可循，在国内也尚属首次，同时注空气还面临着高腐蚀性、高爆炸风险等问题，因此需要开展配套地面工艺技术研究。简要介绍了工程面临的技术难题，较详细阐述了优选注空气压缩机组、优化工艺流程及管材、优选减氧工艺等技术优化措施及实施效果，并对空气驱工程试验的经济效益进行了评价。最后指出，空气驱矿场试验建立了一整套较为成熟的，适用于高寒少雨多风沙地区特低渗透油藏的空气驱地面工艺技术，填补了技术空白；但在油价走低、注入时率无法保证的条件下，在特低渗透、低丰度油藏，采用空气驱采油是不具备经济开发价值的。

低渗透油藏；空气驱；地面工艺技术；优化；压缩机组；减氧工艺

海拉尔油田空气驱矿场试验2011年在BZ区块全面展开，总体规模为20口井（4口注空气井、16口采油井），2011年为1注6采，2012年底以后为4注16采。BZ区块油藏平均空气渗透率为2.64× 10-3μ m，属特低渗透油藏[1]，储量丰度低，注入参数要求高，且所在地区自然环境恶劣，在此条件下开展注空气驱试验无经验可循，在国内也尚属首次，同时注空气还面临着高腐蚀性、高爆炸风险等问题，因此，迫切需要开展配套地面工艺技术研究。

1 工程面临的技术难题

（1）对注空气压缩机组要求高。其一，注空气井要求注入压力高，达到了38 MPa，比注水系统的最高注入压力整整高出10 MPa；其二，对注入速度要求高，需要达到2.16万Nm3/d（15 Nm3/min）。

（2）空气驱自然环境恶劣。第一，气温低，BZ区块所在地区纬度高（47°48′），西伯利亚寒流常光顾，冬季干冷而漫长，年气温极值低至-47.5℃；第二，缺水少雨风沙大，该地区年降水量245 mm，而年蒸发量高达551 mm，属中温带大陆性干旱气候。

（3）注空气井筒内可能发生爆炸。在停止注空气或重新启动设备向注入井注入空气时，地层的原油、天然气等轻烃混合物可能向注入井筒回流，与注入井筒内的高温、高压空气混合而发生化学爆炸。

（4）注空气地面工艺管道可能发生腐蚀。空气中含有的高浓度氧气在一定条件下易对管道产生较严重的电化学腐蚀。

（5）集油系统面临着高爆炸风险。注入地层的空气可能通过连通关系从油井采出，如果集输工艺选择不恰当或不合理，极易给集油系统带来爆炸危险。

（6）空气驱采油的经济性需深入论证。在低丰度、特低渗透油藏进行注气开发是否具有效益，需要从建设投资、运行成本、能耗等方面进行综合分析。

2 技术优化措施及实施效果

2.1 优选注空气压缩机组

（1）试验初期压缩机组的运行情况。压缩机组作为试验最核心的设备，是试验能否连续进行的关键所在。试验初期，在调研的基础上选用了在国内其他油田应用相对成熟、造价较低的2台W-7/400型（排量1万Nm3/d，压力40 MPa）压缩机组，并联使用（1运1备），并采用室外橇装的安装方式，为第1口注空气井X17-70注气。该型机组结构为五级往复活塞式，冷却方式为水冷。W-7/400型压缩机组主要技术参数见表1。

表1 W-7/400型压缩机组主要技术参数

在2011年近2个月的短期试注期间，X18-70井累计注入空气 19.1万 Nm3，最高注气压力31 MPa，最大注入速率6 000 Nm3/d，见图1。后期因注空气站的建设而停止注入。

图1 W-7/400型压缩机组运行曲线

通过近两月的现场运行，橇装的2台压缩机组在能力方面较好地满足了注空气试验的需要。但在运行中出现了冷却系统补水困难，开始运行时风沙极易进入橇体内部的较大安全隐患等问题（见图2），因此现有的安装和冷却方式很难适应缺水、高寒、多风沙的自然环境，也不方便冬季检修，且单台设备排量偏低，4口井至少需要8台以上的该型设备，将给生产管理带来极大的不便。因此，需对压缩机组作进一步的优化。

（2）压缩机组的优选及运行情况。为解决上述问题，在与数家压缩机厂方技术人员就大排量、高压力（2万Nm3/d、40 MPa）的压缩机组的相关问题进行了多次深入的技术交流后，结合W-7/400型机组运行经验和现场气候特点，优选出了4台LG.V-15/400型复合式压缩机组，为4口注气井注气。这种压缩机组采用占地面积小[2]的低压一级螺杆+中高压四级活塞组合式结构、管理方便的室内安装方式、适应性更强的主风冷辅水冷冷却方式。见图3、表2。

图2 W-7/400型压缩机组冷却水箱补液口

2012年下半年开始，4台新型压缩机组陆续投入运行，为4口注气井注气。2012-2016年，4台压缩机组累计为 4口井 （X18-70、X15-67、X15-69、X15-71）注入空气764.33万Nm3，最高注气压力38.4 MPa，最大注入速率1.6万Nm3/d。见图4～6。

图3 V-15/400型复合式压缩机组

表2 L G.V-15/400型复合型压缩机组主要技术参数

图4 L G.V-15/400型复合型压缩机组注气量曲线

图5 L G.V-15/400型复合型压缩机组注气压力曲线

图6 L G.V-15/400型复合型压缩机组注气速度曲线

新型压缩机组的能力充分满足了试验的需要，但是还存在生产时率严重偏低的问题。统计4台压缩机组从投注以来的运行天数，生产时率最高的为21.5%（X15-71），最低的仅为3.9%（X15-69），这样低的生产时率严重影响了对试验效果的准确判断。见表3。

表3 L G.V-15/400型复合型压缩机组生产时率统计（2011-2016年）

造成时率偏低的原因是多方面的，主要有注入井因井筒腐蚀堵塞而频繁作业、压缩机组设备故障、连通油井含氧量超标等。这其中以井筒腐蚀作业为主，因为气井作业周期长达几个月，另外严冬条件下作业困难，因此要提高注入时率就须解决和克服这些问题。

2.2 优化工艺流程及管材

（1）为防止注空气井筒内可能发生的爆炸，除了基本的注气工艺以外，还配套了注水工艺。它可以实现在注气停止时，第一时间向井筒内注入液体段塞，将高温、高压空气推入地层，阻止轻烃混合物和空气在井筒内混合。见图7。

图7 注空气和注水工艺流程示意

（2）为提高注水工艺运行的可靠性，采取了以下措施：第一，供水水源多样化，采用管输为主，辅以固定水罐和移动水罐车供水；第二，注水泵供电电源组合化，采用双10 kV电力线路和250 kW柴油发电机组组合的供电方式；第三，注水管道保护多重化，采用3.5 m深埋、电伴热，外加扫线的工艺。

（3）为有效减缓注入管道的腐蚀，注气和注水采用了独立双管流程，避免了空气和水在地面工艺管道中的混合。

（4）为提高注入管道在高寒、高压下运行的可靠性，采用低温性能良好、拉伸性能更优异的16Mn无缝钢管替代常规的20号无缝钢管[3]。

（5）优化集输工艺。通过对油井常规单井罐集油工艺的优化改进，确保了集油工艺满足空气驱矿场试验的需要，也有效避免了发生爆炸的风险。具体优化措施为：密闭罐改为敞口罐，燃气加热改为电加热，自压装车改为高架自流装车，油井产出气用于燃烧和装车改为全部放空。见图8。

上述工艺流程及管材的优化为试验的安全、平稳进行提供了有力的保障。在2012-2016年的试验周期内，地面工艺、设备等没有任何爆炸、冻堵和腐蚀的情况发生。

2.3 优选减氧工艺

在优化工艺流程的基础上，为从源头上根除氧烃混合爆炸的问题，将进入注空气压缩机组的空气氧含量从21%（体积分数）降低至不会发生爆炸的安全限值10%以内。因此，从工艺上在注空气压缩机组前端增加了减氧流程。

空气减氧是制取低纯度氮气的过程，它将空气中的部分氧气与氮气通过物理方法进行分离，根据生产要求获得较低氧浓度的空气。工业上氮气的制取方法主要有深冷法、变压吸附法（PSA） 及膜分离法（MEM），其中膜分离法（MEM）见图9。

图8 空气驱油井单井罐集输工艺流程示意及现场安装图

图9 MEM法流程示意

由于BZ区块空气驱瞬时需求规模小，氮气纯度要求低，因而排除了经济性较差、工艺设备复杂、操作复杂、供气平稳性较差的深冷法和PSA法，而优选出了MEM法制取低氧空气的LOA/M10-15/QN型减氧设备。该设备具有技术先进、体积小[4]、管理方便、运行可靠等特点。见图10。

2014年减氧设备投入生产，经过400多天的运行，其产出气的氧含量（体积分数）介于4.6%～9.4%之间，达到了<10%的预期设计目标，满足了注气驱试验的需要。见图11。

图10 L OA/M10-15/QN型减氧设备现场安装

图11 L OA/M10-15/QN型减氧设备产出气氧含量

3 经济效益评价

自空气驱矿场试验在BZ区块开展以来，实现了在特低渗透油藏的空气有效注入，并取得了一定的增油效果。现从收入和投入两方面对空气驱进行简单经济评价。第一，投入方面。基建投资为7 500万元（一次性投资），运行费用为1 388万元/a（无论是压缩机组，还是减氧机的耗电量、机油消耗及维护费用，数字都十分惊人）。第二，收入方面。2011-2016年，6年共产油8 563 t，实现总收入3 596万元，平均仅为599万元/a。见表4、表5。

因此，在国际油价持续低迷的大背景下，在注入时率很低的情况下，在特低渗透、低储量丰度的油田是无法取得经济效益的。另外需要说明的是，在同等油藏条件下，注空气开发成本是注水开发成本的9倍多，见表5。

表4 空气驱产油量统计（2011-2016年）

表5 空气驱运行成本计算

4 结束语

以海拉尔油田BZ区块开展的空气驱矿场试验为平台，通过技术优化措施，基本定型采用一级螺杆+四级活塞复合式结构、主风冷辅水冷冷却方式的注空气压缩机组，初步形成了以注水为安全保障、16Mn材质独立双管和高架敞口电加热罐为基本流程的空气驱注入和采出工艺，进一步完善了以MEM法为主的减氧工艺，最终建立了一整套较为成熟的，适用于高寒少雨多风沙地区特低渗透油藏的空气驱地面工艺技术，填补了技术空白，积累了宝贵经验。必须说明，在油价走低、注入时率无法保证的条件下，在特低渗透、低丰度油藏，采用空气驱采油是不具备经济开发价值的。

[1]SY/T6169-1995，油藏分类[S].

[2]沈斌，刘晓红，张萍.谈空气压缩机的性能分析、比较与选型[J].玻璃，2006（6）：28-30.

[3]GB/T8163-2008，输送流体用无缝钢管[S].

[4]汪治平，张波.膜制氮技术及在油气田的应用[J].天然气工业，2007，27（12）：141-143.

Optimization studyand application ofsurface process technologyofair flooding

TIAN Wenlong
Planning and Design Center of Daqing Oilfield Hailar Petroleum Exploration and Development Headquarters，Hulunbeier 021000，China

There was no experience referable for air flooding test of ultra low permeability and low abundance oil reservoir in BZ blocks of Hailar Oilfield，and it was the first test conducted in China.Besides，the air flooding test faced the risks of high corrosion and explosion.It was necessary to conduct the research on surface process matching technology.This paper introducesthe technical difficultproblemsin the surface process of air flooding and describes the technical countermeasures such as air compressor unit optimal selection，process flow and pipe material selection，and oxygen reduction process.It also presents the implementation results and evaluates the economic benefits.The surface process technology of air flooding is suitable for ultra low permeability oilreservoir in high，cold and dry area with strong sandy wind. But it does not possess the economic value if oilprice declines continuously and air injection time rate is not ensured.

low permeability oil reservoir；air flooding；surface process technology；optimization；compressor unit；oxygen reduction process

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.03.003

田文龙（1983-），男，四川蓬溪人，工程师，2006年毕业于西南石油大学油气储运工程专业，现从事油田地面工程规划工作。

2017-02-09；

2017-04-03

Email：h_tianwl@petrochina.com.cn