CO2驱配套地面工艺技术研究现状＊

廖清云 史博会 杨蒙 王珊珊 宫敬

1中国石油大学（北京）油气管道输送安全国家工程实验室·石油工程教育部重点实验室·城市油气输配技术北京市重点实验室

2中国石油工程建设有限公司北京设计分公司

CO2的大量排放会导致温室效应，对人类的生存环境造成严重威胁，为解决这一问题，行之有效的措施是尽量避免直接排放CO2。CO2驱是最具经济性和可行性的埋存方式，同时，CO2驱可有效提高单井产量，提高采收率，动用难采储量。该方法将CO2从CO2气田和其他气源点（如天然气净化厂）输送到相应油田进行CO2驱以提高原油采收率[1]。

CO2驱配套地面工艺技术的全过程包括CO2捕集、CO2管输、CO2增压，以及CO2回注工艺。本文在充分调研国内外油田CO2驱配套地面工艺技术的基础上，系统地阐述了各项工艺的适用性及其特点。特别地，对于产出气处理系统，在优选捕集分离方法的同时，需要分析其回注的可行性。对于CO2管道输送以及注入的相态选择，需要按照行业标准并通过技术经济对比进行分析优选；对于CO2的增压过程，应控制相态以及优选增压参数。基于上述总结，本文分析CO2驱地面工艺技术现状与不足，提出未来的发展方向与建议，可为CO2驱方法的广泛应用提供重要的理论基础与技术参考。

1 CO2捕集工艺

通常使用的CO2捕集工艺包括化学吸收法、变压吸附法、膜分离法和低温分馏法[2]，各种方法的原理[3-4]、优缺点及其适用性[5-6]如表1所示。

根据表1 可知，分离CO2的捕集方法各异，且各有特点，如何确定最优工艺组合值得关注。在综合考虑来气CO2含量以及CO2富集纯度要求的同时，需要深入明确不同工艺方法的适用边界，开展多方法联用技术及多级捕集提纯技术的可行性及适用性分析，表2 列举了部分油田CO2捕集工艺的应用实例[6]。

根据表2可知，变压吸附和低温分馏工艺更适用于小到中等处理量的情况，对于大规模CO2驱项目，采用膜分离和化学吸收法捕集分离CO2有较好的效果。由此利用商用软件HYSYS 对膜分离和化学吸收法的联用技术进行研究，其中，选择中空纤维膜作为膜分离材料，选择MDEA 和DEA 组合作为化学吸收剂，其进料混合气组成如表3所示，模型流程如图1所示。

表1 CO2捕集工艺对比Tab.1 Comparison of CO2 capture technology

表2 CO2捕集工艺应用实例Tab.2 Application example of CO2 capture technology

表3 CO2混合气组成Tab.3 Composition of CO2 mixed gas 摩尔分数/%

该工艺流程可描述如下：流率为3.08×106m3/d（标况）的混合气进入中空纤维膜前进行预处理，保证全部气相进入膜单元，渗透侧的CO2浓度达98%以上，流率为2 918 kmol/h，高压侧的伴生气内含17.3%的CO2，不满足天然气进入下一单元处理的要求（CO2含量小于5%以下），因此进入胺液循环单元，化学试剂为MDEA+DEA，经再生塔中解吸的酸气中CO2含量为69.14%，将两部分CO2混合后得到回注CO2富集气，得到的混合气中CO2含量为93.38%。可以看出膜分离与化学吸收法相结合的工艺实现了对CO2的捕集，首先使用膜分离法，可节省后续醇胺法的部分能耗和投资，但得到的产品纯度仍较低，如何更好地将两种方法结合实现高效捕集是后续的研究重点。

2 CO2管道输送工艺

2.1 CO2管道设计要点及参数优化

CO2管道的相关设计要点[[7-10]如表4所示。

CO2输送管道的设计环环紧扣，需要综合多方面因素计算比选，同时应按照CO2输送管道工程设计规范[1]进行设计计算。经过初步计算得到的工艺方案需要进一步的参数优化以更好地在工程实际中应用。例如，若选择超临界CO2作为管输相态，需考虑CO2的物性参数在准临界区内波动变化较大，严重时可能发生水击现象，为保障超临界CO2管道的安全输送，需要确定合理且远离临界点的运行参数[11]。表5 列举了CO2管道参数优化的主要内容[12-13]。

图1 HYSYS模型流程图Fig.1 Flow chart of HYSYS model

表4 CO2管道设计要点Tab.4 Design key points of CO2 pipeline

表5 CO2管道参数优化Tab.5 Parameters optimization of CO2 pipeline

针对以上参数优化要点，有学者先后利用线性鲁棒优化法[14]和遗传算法[15]对所建立的CO2管道输送系统进行优化设计。其中，线性鲁棒优化法[8]考虑了管道内的温度变化，并给出了相应的研究步骤，得到的计算结果与前人的设计方法相比更加准确，故在CO2管道参数优化的过程中要充分考虑各种因素对运行参数的影响，以期得到更优的计算结果。采用的遗传算法[15]在假设管线敷设在地形平坦地区，管道沿线管径相等且中间加压站等距设置的基础上进行优化设计，充分考虑了管径模型、管道费用模型、压缩机站以及压缩系统费用模型，但仍有待结合社会、经济、环境等多种约束因素进行全面考虑，以满足工程实际要求。除此之外，也可借助如PIPESIM 等商用软件对CO2管道模型进行模拟，以优选工艺方案并优化工艺参数[16]。

2.2 CO2管道输送工艺计算

2.2.1 CO2物性参数计算

CO2物性参数的计算是进行准确CO2管道工艺计算的前提，推荐选取PR 方程进行相关的物性计算[7]。由于捕集到的CO2通常含有N2、O2、Ar、H2、H2S和H2O等杂质，CO2的物性参数会因为某些杂质的存在发生变化，可能会与纯CO2的相关物性参数相差甚远[17-18]。同时，由于管道沿线的温度压力不断变化，所输送的CO2物性参数也会产生相应的变化。为研究这两者的影响，利用HYSYS 软件，基于PR 方程计算了不同气体组成下的物性参数，以比热容为例，纯CO2在不同温度下的比热容如图2所示，摩尔分数为2%CH4及98%CO2的混合气、摩尔分数为5%CH4及95%CO2的混合气，摩尔分数为5%N2及95%CO2的混合气的比热容变化分别如图3、图4及图5所示。

图2 纯CO2比热容随温度压力的变化曲线Fig.2 Specific heat capacity change curve of pure CO2 considering temperature and pressure

由图2～图5可以看出，低温区段，比热容随温度压力变化并不明显；高温区段，相同温度下，比热容随压力升高而增大；在压力一定时，随温度的上升，比热容先增大后减小，在相态发生改变时达到最大值；CH4的存在会使相同温度、压力条件下的比热容减小，且随CH4含量增加，在低温区，比热容随CH4含量增加而增大，在高温区，比热容随CH4含量增加而减小；在相同的含量及温压条件下，N2与CH4对CO2比热容的影响有较大差别。

图3 含2%CH4的CO2比热容随温度压力的变化曲线Fig.3 Specific heat capacity change curve of CO2 with 2%CH4 considering temperature and pressure

图4 含5%CH4的CO2比热容随温度压力的变化曲线Fig.4 Specific heat capacity change curve of CO2 with 5%CH4 considering temperature and pressure

图5 含5%N2的CO2比热容随温度压力的变化曲线Fig.5 Specific heat capacity change curve of CO2 with 5%N2 considering temperature and pressure

故杂质的种类及含量以及沿线温度、压力变化对CO2物性参数的影响不可忽略，可靠的工艺计算需建立在准确的物性参数计算之上。值得注意的是，对于含杂质CO2管道，杂质不仅仅会对CO2的物性参数及相特性产生影响，若含水量较高，需关注水合物冻堵的可能性，以及腐蚀的风险，同时需借助含杂质CO2的相图分析相态的变化，控制沿线的输送相态[19]。

2.2.2 水力和热力计算

对于CO2的水力计算，不同的输送相态应选择不同的计算公式[7]，其中的超临界态CO2管道的水力计算公式适合于可压缩流体的等温稳态流动，且不考虑压差的影响，因为在等温流动下可采用平均温度进行计算从而省去能量方程，简化了方程组的求解，而在稳态流动时可认为水力摩阻系数为常数，同时，对于高差小于200 m的情况，认为克服高差而消耗的压降很小，视为水平管，可忽略高差的影响[20]。利用数值模拟的方法可以对CO2管道流动传热特性进行研究[21]，由于数值模拟涉及到网格划分和控制方程的选取，计算过程相对复杂，也可以直接借助CO2管道热力计算公式[7]进行计算。在使用相关计算公式时，要注意在不同温压条件下气体的物性参数变化以保证计算的准确性。

此外，也可利用商业软件完成CO2管道的水力计算及热力计算，利用PIPESIM软件搭建管道模型进行模拟计算。输送的气体组成如表6所示，管道模型如图6所示。

图6 PIPESIM管道模型Fig.6 Pipeline model of PIPESIM

表6 输送气体组成Tab.6 Composition of transported gas

模拟条件中设置环境温度为53 ℃，埋深处土壤温度为38 ℃，其中CLS-N 和CLS-O 站场内部的管线敷设在地面，其余管道敷设在地下。CPP起点为定流节点并设定起输温度，Ra-073、Ra-074、Ra-075 及Ra-076 为定流节点，Ra-079 及Ra-080为定压节点，模拟相态为超临界态。其中，水力计算和热力计算都使用默认设置，流体采用组分模型，状态方程选择GERG-2008 公式，水力热力计算结果见图7与图8。

图7 水力计算模拟结果Fig.7 Simulation results of hydraulic calculation

图8 热力计算模拟结果Fig.8 Simulation results of thermal calculation

由于所模拟的管道长度较短且所处地形较平坦，在夏季环境温度较高的情况下，管道在较高的起输温度下能够保持超临界输送相态，在CO2注入点也能保证较高的注入压力和注入温度，同时，保证输送相态也需要较高的起输压力，故起点处增压工艺的设计至关重要。在保证输送要求的前提下，改变管径和输送相态所需的增压工艺及相关设备设置均不同，最终输送方案应进行经济比选后综合确定。

综上，CO2输送管道的设计需要综合多方面因素计算比选，并且各参数之间具有相关关系。CO2输送管道的工艺计算，主要由热力计算和水力计算两部分构成。无论是CO2输送管道的设计还是具体的工艺计算环节，其输送相态的确定至关重要。准确预测CO2相态及物性参数是关键，CO2中的杂质含量对CO2的物理性质影响很大，杂质种类及其含量的不同都会引起CO2的物理性质发生变化。因此，有必要针对含杂质CO2的PVT 关系开展深入研究。

3 CO2增压技术与回注工艺

3.1 CO2增压技术

通常情况下，CO2需要通过多级压缩增压到管输压力再进入管道进行管输。对于压缩工艺的设计，相平衡控制和气体预处理是CO2增压工艺设计的关键[22]。如前所述，杂质的存在会增加CO2相图的两相区，在增压过程需避免气体进入两相区，故增压工艺设计的前提是绘制准确的相图，从而在多级压缩过程有效控制相态，根据相包线特性来修正压缩工艺中的相关参数，如图9所示。同时，游离水的存在对压缩设备的腐蚀和冻堵影响也不可忽略。

压缩设备的一些选型经验[23-24]见表7，而特别关注流体的组成及相态与增压设备特性间的关联，并与实际CO2驱替工艺方案相结合，是实现设备合理选型的关键。

表7 CO2增压设备选型Tab.7 Selection of CO2 booster equipments

3.2 CO2回注工艺

在CO2驱的全生命周期中，早期可能会产生较严重的气窜，中后期会产生大量的富含CO2的伴生气[25]，CO2回注工艺，即对CO2伴生气进行有效捕集并二次增压后注入地层，不仅可减少天然气损失以及温室气体排放，还可实现地层增压从而稳定产量[26]。根据伴生气中CO2含量的不同，其回注工艺的设计也不尽相同[6，25，27]，如表8所示。

表8 CO2回注工艺Tab.8 CO2 re-injection technology

图9 混合气体压缩过程相态控制曲线Fig.9 Phase control curve of mixed gas during compression process

表8中，当CO2体积分数小于72.59%时，两种注入方式都包括伴生气预处理、CO2增压及回注等多工序，两种方式都需严格控制相平衡和含水量。其中，对于分离回注，还需选取合适的CO2捕集工艺，而混合注入需在掺和前对气体进行干燥脱水以控制含水量。若伴生气中含水量较高，考虑到腐蚀和水合物冻堵风险，无论CO2含量高低，均需对气体进行分离、过滤以及干燥处理后再进行增压回注。

综上，CO2增压技术需重点关注气体的组成和相图，而回注工艺与增压技术紧密结合，需要综合考虑确定合适的工艺方案。

4 结论

本文对CO2驱配套地面工艺技术研究进展进行了系统的梳理，指明CO2驱配套地面工艺技术主要包括CO2捕集、CO2管道输送、CO2增压以及CO2回注四个方面。在CO2捕集方面，明确各工艺方法的适用性至关重要，同时需要深入研究多法联用技术及多级捕集提纯技术以适应工况的变化；在CO2管道输送工艺方面，设计的关键在于确定气源组成、输送相态及管材，优选管径、增压设备等，其中选用精度高的物性计算方法、关注杂质对管输CO2相态的影响至关重要；在CO2增压方面，相平衡控制和预处理是基础，增压设备的选型是保证工艺实现和经济性的关键；在CO2回注工艺方面，要重点关注气体组成，配合完善的增压技术进行设计。鉴于对CO2驱配套地面工艺技术的总结，提出如下建议：

（1）对于CO2捕集工艺，考虑现场CO2含量以及气源气量的波动，可考虑组合工艺以满足生产需求，需深入研究其适应性。例如将醇胺法与膜分离法相结合，当CO2含量低于40%时，可直接采用醇胺法实现捕集工艺；当CO2含量在40%～75%时，使用膜分离法后CO2纯度上升但仍未达到要求，再使用醇胺法进行捕集以达到所需的纯度；当CO2含量高于75%时，可直接采用膜分离法实现捕集工艺。

（2）对于CO2管输工艺，超临界态是目前大输量、长距离、途经人烟稀少区域的CO2管道优先采用的输送相态，故需使用PR 方程对气体进行相态及物性参数的分析计算以保证输送相态。

（3）对于CO2增压工艺，结合CO2回注工艺，由于在CO2含量高于72.59%时可以直接增压回注，需结合混合气体的相态特性，充分考虑相态变化和杂质的存在可能造成的腐蚀及冻堵等影响，以实现增压设备的选型设计，保证生产的安全稳定。