长庆油田泡沫辅助减氧空气驱地面注入工艺

高 飞，王 斌，李欣欣，徐德权

（长庆工程设计有限公司，陕西西安 710018）

泡沫辅助减氧空气驱是将空气驱与泡沫驱有机的结合起来，用泡沫作为调剖剂，空气作为驱油剂，“边调边驱”，具有调剖和驱油的双重功能，克服了空气“气窜”的缺点。同时，空气作为泡沫辅助减氧空气驱的气源，资源充足，且成本较低，具有广阔的应用前景。

长庆油田自2009 年起陆续在靖安油田、姬塬油田、安塞油田等区块开始泡沫辅助减氧空气驱提高采收率的技术探索[1]，通过大量室内研究和现场试验，初步形成了长庆特低渗透油藏泡沫辅助减氧空气驱技术体系。

1 矿场试验现状

泡沫辅助减氧空气驱作为一种高效的驱替方式，国内学者曾进行过广泛的研究[2-5]，并已在百色、长庆、延长、吉林、中原等地进行了现场矿场试验[6-11]，取得了较好的效果。矿场试验的规模较小，大都将注入点分散在井场设置，矿场试验的地面系统形成了“低压去氧、单机单井”的地面注入工艺（见图1）。

图1 矿场试验注入工艺流程示意图

通过对井组试验的运行现状进行分析，目前井组试验采用市场化运行模式，主要存在运行成本高（单井技术服务费52.0 万元/年）、管理难度大（注入站点多、需人员值守）、自动化程度低（租赁设备种类繁多、自控水平低）等问题，不利于大规模推广应用。

2 气液两相混合注入技术

为节省地面工程投资，尽量避免地面注入系统中气相、液相注入管线分别建设，拟采用气液两相站内混合后集中注入的工艺技术（见图2），为此开展了相关前置性研究。

图2 模拟实验装置示意图

通过研究[12]，对气液两相混合流体形成了如下初步认识：

（1）对于含泡沫剂的气液两相流体，其在管道内的气液两相流型如下：水平管和倾斜向下10°、20°、30°、40°时，在实验液体流量不超过1 m3/h 和气体流量不超过4.5 m3/h 时，此时的流型为分层流；当管道为倾斜向上10°、20°、30°、40°时，在实验液体流量不超过1 m3/h和气体流量不超过4.5 m3/h 时，对应的流型为弹状流。

（2）当气液混合输送长距离压降满足实际生产时，建议选择气液混合输送，气液混合输送管道直径越大，此时压降越小。当气液混合输送不满足实际生产时，建议选择双管输送，而且管道直径越大，长距离输送气体和液体的压降就越小。

（3）倾斜向上管的压力梯度远大于水平管和倾斜向下管的压力梯度，而且，随着倾斜的角度增大，倾斜向上管的压降梯度也会成倍地增大，所以建议在铺设管路时，尽量减少倾斜向上管道的距离和减小倾斜的角度，建议修建泵站的时候，选择地势较高的地方，以减少倾斜向上管道带来的巨大压力损失。

考虑到长庆油田特殊的地形地貌，沟壑纵横、梁峁交错，管道起伏较大，不建议采用气液两相同注的注入工艺。

3 地面注入工艺

综合上述研究成果，泡沫辅助减氧空气驱地面注入系统采用空气、泡沫液分别输送，井口混合的注入工艺。

3.1 设计参数

吴起油田某先导试验区部署13 口注入井，单井注气量18～22.8 m3/d，气相总注入量276.4 m3/d（折合地面总注入量40 772 m3/d）；单井注液量8.5～12 m3/d，液相总注入量131 m3/d；发泡剂浓度为0.4%，稳泡剂浓度为0.05%，井口最大注入压力24.0 MPa。注入系统氧含量控制在5%以下。

3.2 站内系统

部署的13 口注入井分布在6 座井场，区域范围2.3 km×2.0 km，考虑在区域中心位置新建集中注入站1 座，包含气相注入系统和液相注入系统。

3.2.1 气相注入系统 气相总注入量40 772 m3/d，气相注入系统设计规模确定为43 000 m3/d；注入井的井口最大注入压力为24.0 MPa，气相注入管线的压力损失为0.16 MPa，注入系统的最大工作压力为24.16 MPa。气相注入系统站内主要由空气减氧系统、增压系统两部分组成（见图3），空气减氧系统主要由空压机、干燥净化装置、空气减氧装置组成，配套空气缓冲罐，增压系统主要由增压机组成，配套配气区、废润滑油回收罐。

图3 站内气相注入系统工艺流程示意图

3.2.1.1 减氧系统

空压机：常用空压机主要包含活塞机、轴流机、离心机、螺杆机，结合各类空压机适用的工况条件、排量范围、排气压力及冷却方式等，结合工程实际（空压机额定供气量73 m3/min，缺水地区），空压机选用螺杆机。

干燥净化装置：常用的干燥净化装置分为冷冻式和吸附式两种类型。冷冻式干燥机的产品气露点为2～10 ℃，吸附式干燥机的产品气露点为-40～-60 ℃。先导试验区地处吴起县，极端最低气温-28.5 ℃，为满足装置仪表风要求（一般需低于环境温度10 ℃），选用吸附式干燥机。

空气减氧装置：为防止注入气体与烃类物质混合发生安全事故，要求注入空气中氧含量不大于5%，注入系统需设置减氧设备。常温减氧方式分为PSA 变压吸附、MEM 集成膜两种。PSA 变压吸附减氧技术主要是利用活性碳分子筛对氧、氮分子吸附的差异进行筛选；MEM 集成膜减氧技术的核心是利用空气中不同组分在高分子材料上的扩散系数大小不同（透过率和选择性不同）而达到气体分离的物理过程。

空气缓冲罐：缓冲罐的容积一般按压缩机每分钟进气流量的10%～15%选取。本工程空压机额定供气量73 m3/min，需配套1 具15 m3氮气缓冲罐。

3.2.1.2 增压系统

增压机：选用往复式压缩机，压缩机的排气压力为25 MPa，安全阀定压为27.5 MPa，气相注入系统的设计压力按28 MPa 考虑。

配气区：在压缩机增压后端设配气区1 处，该区域具有过滤分离、气量计量、紧急截断等功能，配气区后端接站外注气干线。

废润滑油罐：减氧空气压缩机组的润滑油耗量为10.6 L/d，在压缩机增压区设置1 具1 m3废润滑油罐，用于回收压缩机组的废润滑油。

3.2.2 液相注入系统 液相总配注量131 m3/d，设计规模确定为150 m3/d，发泡剂用量1.46 t/d，稳定剂用量66.8 kg/d。井口最大注入压力24 MPa，考虑高程差的各液相注入管道的最大管损为0.05 MPa。液相注入系统设计压力25 MPa。液相注入系统站内主要由配液系统、注入系统两部分组成（见图4）。

图4 站内液相注入系统工艺流程示意图

3.2.2.1 配液系统 配液系统主要由发泡剂储存装置、稳泡剂储存装置、稳泡剂熟化装置、分散溶解喂入装置、泡沫液搅拌稀释装置等组成。

发泡剂储存装置：由1 具发泡剂原液储存罐及原液计量泵组成，将发泡剂原液卸入储存箱内，通过计量泵将发泡剂原液导入泡沫液搅拌稀释装置。

稳泡剂熟化装置：接收分散溶解单元输送来的稳泡剂溶液，通过低剪切搅拌机搅拌，在熟化槽内进行熟化，通过喂液泵输送至发泡剂稀释装置。

泡沫液搅拌稀释装置：由2 具稀释罐及搅拌机组成，将发泡剂原液、熟化后的稳泡剂母液、处理后的水在稀释罐内混合后供注入装置使用，2 具罐交替运行。

稳定剂分散装置：由储料斗、料位计、文丘里混合器、计量下料器等组成，将稳泡剂干粉采用人工方式加入储料斗，通过计量下料器控制下粉量，与恒流低压水混合，配制成目标溶液，配制过程采用自动控制方式。装置具有聚合物干粉加入、输送、储存、计量下料、混合、计量功能。

3.2.2.2 注入系统 泡沫液注入装置：集泡沫液升压、回流、计量一体化设计，将注水泵、阀门、管线及流量计等集成于一个橇座上，可整体搬迁。

3.3 站外系统

泡沫辅助减氧空气驱注入系统采用气液两相分注、井口混合的注入工艺。站外注入系统采用树枝状干管配注工艺，气液分别输送至井口处进行混合（见图5）。

图5 气液两相分注、井口混合的站外注入工艺流程示意图

3.3.1 气相注入系统 在注入井场设配气阀组，气相注入管线选择L245N 无缝钢管，注气干线规格为L245N-48×7 mm，注水支线规格为钢管L245N-34×5.5 mm。

配气阀组集减氧空气的截断、分配、调节、计量、放空等一体化设计，将配气汇管、阀门、管线及流量计、压力表等集成安装在同一橇座上，可整体搬迁。配气阀组可远程监控配气汇管及各注气支线压力、可远程调节各注气支线流量，同时可对注气支干线来气管线进行远程截断，无需人员值守。

配气阀组的注入工艺流程为：注气支干线来气经配气装置上的电动球阀进入配气汇管，通过配气汇管上的多条配气支线进行分配，每条配气支线上的流量计、电动调节阀可实现配气量的自动调节，达到配气要求后经配气支线配注至注入井，从而实现减氧空气注入。

当采出端氧含量超标时，通过远程操作配气装置上的电动球阀，远程截断注气支干线来气管线，暂停与采出端相关的注入系统，确保系统安全。待采出端氧含量恢复正常时，通过远程操作配气装置上的电动球阀，远程开启注气支干线来气管线，恢复注入系统正常运行。

3.3.2 液相注入系统 在注入井场设配液阀组，可利用井场已建的稳流配水阀组；液相注入管线选用非金属管道，注液支干线选用非金属管道DN65 PN250，注液支线选用非金属管道DN40 PN250。

3.3.3 注入井口混合装置 同一口注入井的配气支线与配液支线在注入井口前进行混合，通过安装截断阀、止回阀以及静态混合器等，以实现注入井的气液同注（见图6）。

图6 气液两相注入井口装置安装图

3.4 应用效果

第一采油厂王窑试注站已成功投运1 年多，目前整体运行良好，因止回阀失效、现场操作等原因造成的井口气液互窜，目前正在实施改造，下一步将跟踪现场应用效果，持续优化改进，解决生产难题。

4 结论

（1）井组试验中形成的“低压去氧、单机单井”的地面注入工艺，存在着管理困难、自控水平低等问题，无法满足工业化试验要求。

（2）倾斜向上管的压降梯度随着倾斜的角度增大而成倍地增大。针对长庆油田特殊的地形地貌，泡沫辅助减氧空气驱注入系统不建议采用气液两相同注的注入工艺，推荐采用气液两相分注、井口混合的注入工艺。

（3）站内气相注入系统主要由空气减氧系统、增压系统两部分组成，液相注入系统主要由配液系统、注入系统两部分组成；站外注入系统采用树枝状干管配注工艺，气液分别输送至井口处进行混合。

（4）研制的配气阀组、气液两相井口注入装置基本满足现场生产需求，下一步将跟踪现场应用效果，进一步完善地面注入工艺。