火驱配套注空气系统工艺研究

2018-04-26卢洪源

石油工程建设 2018年2期

卢洪源

中油辽河工程有限公司，辽宁盘锦124010

辽河油田油品以稠油[1]为主，随着油田开发进入中后期，辽河油田开发方式进行了多种转换。火驱开发是提高原油采收率、性价比较好的采油方式，特别对于已开采的老区，可以使原油采收率大幅提高。

火驱开发地面配套系统主要包括：注空气系统、油气集输系统、尾气处理系统等。曙采火驱配套的注空气系统为集中建站注气，注气规模为100万m3/d。锦采火驱的配套注空气系统为分散移动注气，注气规模为9.1万m3/d。高升采油厂[2]火驱的配套注空气系统为分散建站注气，注气规模为28万m3/d。本文以高升火驱的注空气系统为例，介绍了其主要工艺流程，分析了站内存在问题，并对站内工艺流程进行优化，满足生产需求。

1 高升采油厂火驱注空气系统现状

1.1 作业区注空气系统

高升采油厂的高3区块、高3-6-18区块和高2-4-6区块三个断块自1977年开始陆续投入开发，历经40年的强化开采，开发方式经历了蒸汽吞吐、蒸汽驱和火驱。

转火驱开发以来，先后在高3-6-18区块、高3区块、高2-4-6区块建成了4座压缩机站，1号注空气站为高3-6-18区块注气（10 MPa、16 MPa）；2号注空气站、3号注空气站为高3区块注气（10 MPa）；4号注空气站为高2-4-6区块（16 MPa）和高3区块注气（10 MPa）。

目前高升火驱共包括两个区块：高3-6-18区块、高3区块。高3-6-18区块2008年开展火驱，高3区块2010年开展火驱，截至目前，两个火驱区块共有油井494口，开井237口，日产液865 t，日产油282.2 t，日产气18万Nm3/d。目前火井开井27口，日注气28万Nm3/d。

站内工艺流程均为：大气→空压机→缓冲罐→管道→井口。

1.2 存在问题

（1）高升火驱区块原为合作开发，2016年移交至高升采油厂。原地上、地下的注空气管道均未进行探伤就投产。注空气站压缩机及注气管道发生过多次内燃和爆炸事故。

（2）已建空压机生产厂家较多，维修不规范，设备故障率高，使用率低。原设备厂家的检测结果为：已建压缩机由于使用不当，已无法维持高压生产，建议降压使用。这样，注气压力就不能满足预期要求。

（3）压缩机组未配置干燥器，配置的气液分离器处理能力小，使用效果差，以致存在机油乳化、管道和井筒管柱腐蚀等严重问题。

（4）与站内压缩机相连的各路水管内结垢严重，冷却效果差，压缩机出口超温。

1.3 影响因素分析

（1）注空气管道输送介质为高压压缩空气，设计压力应大于或等于起点输送压力，设计温度应考虑压缩机出口介质温度，一般为50℃。管道应选用耐高压、探伤检测合格的管道。

（2）空压机和注空气管道发生内燃及爆炸的主要原因是设备及管道积碳[3]。空压机使用的润滑油常以雾状形态与高温、高压、高氧分压的空气或金属催化剂接触，导致润滑油快速氧化变质。受热蒸发的润滑油中较重组分的油残留在排气阀腔和排气管道中不断受热分解、脱氢聚合，其产物与吸入气体中的机械杂质和/或压缩机内金属磨屑混合，沉积在机体表面上被进一步加热，即成为积碳[4]。

如果积碳进入主机，由于主机的部件是非常精密的，异物进入必然会对主机造成损伤，导致主机抱死甚至报废。当压缩机在排气阀及排气管道处产生较多的积碳时，气体温度迅速上升，高的气体温度又加剧了润滑油氧化反应，而反应热又不能及时放出，使得排气管道内气体温度继续升高。当温度达到润滑油的自燃点时，积存在积碳中的润滑油开始燃烧。不完全燃烧产物、油的热分解产物、气体中的油雾与空气组成了爆炸气体，就发生了爆炸。

空压机的润滑油品质对积碳影响很大，较好的润滑油可以有效减少、减缓积碳形成。另外，定期清洁空气过滤器并控制空压机的环境温度也是有效预防积碳形成的措施。

（3）空压机应尽量选用有资质、业绩好的较大厂商，同时设备规格型号应尽量相同，便于维护管理。对空压机进行正确的维护保养，可以延长压缩机使用寿命。

（4）干燥器可有效减少空气中水分，防止管道、井筒腐蚀。气液分离器可阻止机油混入压缩空气中，减少积碳形成。

（5）站内软化水装置无法正常运行，不能保证循环水指标，造成管路结垢严重，影响冷却效果，造成空压机出口气体超温。

2 工艺优化

2.1 注气量预测（见表1）

表1 注气量预测

2.2 工艺流程优化

优化后工艺流程为：大注气→螺杆机→干燥器→缓冲罐→往复机→空气储罐→干线→支线→井口。

（1）空压机进气口可设置在室内或引出室外，压力为大气压，取值0.1 MPa，进口段应设置过滤装置，防止异物进入。

（2）油气田用压缩机一般为往复式压缩机、螺杆式压缩机和离心式压缩机。

离心式压缩机适用于进气流量20 000 m3/h以上，排气压力70 MPa以下，但流量调节范围小（为10%）的场合。离心式压缩机具有输气量大、运转平稳、噪音低、机组尺寸小、使用寿命长、维修工作量小的特点。对于储气库、天然气处理厂、气田外输增压等气量较大且波动幅度不大的场合，宜优先选用。当流量较小时，应选用往复式压缩机或螺杆式压缩机。依据对沈鼓、陕鼓、承压等压缩机厂家市场调研，目前在售的离心机规格大部分为100万m3/d以上机型，最小不低于72万m3/d。

往复式压缩机适用于进气流量18 000 m3/h以下，特别适用于小排量、高压力的场合，常用规格为5、10、15和20万m3/d，也有用10、20、30和40 m3/min来表示。单纯选用往复机增压，进口为大气压，如果出口压力较高，会造成设备压比过大、压缩级数多、尺寸庞大。往复式压缩机效率高，压比大，对于压力及流量的波动适应性较强，工况易于调节，无喘振现象，流量变化对效率的影响较小，适用于气田分散增压。但也有体积大、活动部件多、机组噪音大、结构复杂、辅助设备多，以及占地面积大、维护工作量大、维护费用高的特点，单机功率较低（一般不超过6 000 kW）。

螺杆压缩机适用于中低压力及中小排气量，排气压力5 MPa以下，常用规格为5、8、10万m3/d。螺杆式压缩机具有可调范围广、操作平稳的优点，适用于油气处理、煤层气增压和火驱空气压缩。目前辽河油田在运螺杆压缩机，基本为进口压力0.1 MPa，出口压力1.0 MPa，为后端往复机供气，减小往复机压比。

高升火驱计算管道压损，空压机出口的压力为12 MPa，输量为60万m3/d。依据压力及输量参数，考虑空压机对火驱年注空气量的适应性，选用“螺杆机+往复机”组合方式[5]。

（3）出站饱和空气随着输送温度的降低，有冷凝水析出，易造成注空气管道及注气井筒腐蚀[6]，不同温度下的饱和空气析出水量见表2。注空气管道及注气井筒腐蚀后的铁屑等杂质随空气注入地下，因此必须对注空气站出站空气进行干燥。

表2 饱和空气析出水量

往复机入口宜设置干燥机[7]，用于脱去气体中水分，满足井口注气要求，同时防止水分进入往复机和管道发生腐蚀。干燥机分为微热再生吸附式、无热再生吸附式、鼓风热再生吸附式、冷冻式、压缩热再生吸附式干燥机。冷冻式干燥机0.9 MPa下水露点2～10℃，不满足工艺要求；压缩热再生吸附式干燥机要求进气温度110～140℃，工艺条件达不到。因此，针对微热再生吸附式、无热再生吸附式和鼓风热再生吸附式干燥机进行比选，见表3。

表3 干燥机选用对比

经比选，微热再生式干燥器再生耗气量较小、设备价格低，且费用年值最低。因此推荐选用微热再生吸附式干燥机。

（4）螺杆空压机和往复空压机之间设置缓冲罐，保证往复空压机的吸气稳定。缓冲罐的数量可以“一对一”，也可以“多对多”。

（5）往复空压机出口设置空气储罐，对高压气体进行储存和缓冲，减少下游管道气流脉动。空气储罐的设置与缓冲罐类似，可以“一对一”，也可以“多对多”。

（6）螺杆压缩机运行过程中无润滑油消耗，但需定期更换，不需设置润滑油补充系统。往复压缩机持续消耗润滑油，需设置润滑油补充系统。润滑油补充系统由润滑油罐和润滑油泵组成。

（7）空压机组安全放空、缓冲罐超压放空，均通过放空管道引至站内放空管。

（8）压缩机橇内的排污系统采用自动排污控制，级间分离器排污通过管路联接汇总，各排污口通过气动球阀控制排放油水。站内干燥机和空气缓冲罐等非标设备的排污采用手动控制，通过排污管道接入排污系统。为便于排污介质集中回收和处理，一般设置常压排污罐，排污罐配套设有排污泵。

（9）压缩空气通过注气干线、支线输至注气井口，井口设置流量计，就地/远程显示。单井注空气量通过角式调节阀手动调节。

（10）空压机常用冷却方式分为风冷和水冷，选用设备为空冷器和冷却水循环系统。参照辽河油田其他注空气站生产经验，风冷机型的空压机机房室内温度较高，不利于设备运行和温度控制，同时也给工人操作带来不便，而水冷机型具有冷却效果较好、运行成本低、工程造价低等优点。

冷却水循环[8]系统包括水泵、循环水池、冷却塔、污水池等设备设施。常见冷却水循环系统有开式循环和闭式循环。相对于闭式循环，开式循环具有造价低、便于维修管理等优点，但水体易受污染，造成管路结垢，影响冷却效果。而闭式循环虽然造价略高，但对于空压机稳定运行、水系统的维护管理均有很好的效果。为防止水循环管路结垢，冷却水采用处理后的软化水，因此冷却水循环系统一般配备软化水装置。

2.3 工艺方案

利用原注气2站站址新建高采注空气站1座，规模为60万m3/d，工艺参数见表4。

正常生产流程：常压空气→螺杆空压机→干燥器→缓冲罐→往复空压机→空气储罐→出站。

排污流程：螺杆机、干燥器、空气缓冲罐、往复机中低压排污→污油污水回收装置；往复机、空气储罐高压排污→污油污水回收装置。

表4 注空气站工艺参数

放空流程：空压机、干燥器、缓冲罐、空气储罐→放空管。

润滑油流程：润滑油罐→润滑油泵→往复机。

循环冷却水流程：冷却水塔来水→螺杆/空压机→冷却水回冷却水塔；注空气站→注气干线→注气支线→注气井（井口计量）。

空压机是注空气工艺的核心设备，推荐注空气压缩机采用螺杆空压机+往复机空压机的组合方式。

对高升区块注气量（如图1所示）的分析表明，该区块近10年的注气量为（35.91～48.74）万m3/d。压缩机建设分2期实施：1期工程新建20万Nm3/d往复机3台（2用1备），配套10万Nm3/d螺杆机6台；2期工程新建20万Nm3/d往复机1台（后期注气量达到60万Nm3/d），配套10万Nm3/d螺杆机2台。