二氧化碳集氣工藝優化探討

王興權 大慶油田二氧化碳驅項目經理部

二氧化碳集氣工藝優化探討

王興權 大慶油田二氧化碳驅項目經理部

大慶油田已經在多個區塊開展了CO2驅油試驗，先后投產了部分氣源井、集氣站、液化站和集氣管道，以氣源井供氣、集氣站處理、液化站制冷液化為主的CO2驅油工業化試驗的工藝體系基本成型，但在CO2集氣生產過程中，卻發現設備腐蝕、凍堵管線、井口排液困難等情況，導致集氣系統無法正常運行，因此開展了集氣工藝的研究。

二氧化碳；集氣工藝；優化

大慶油田已經在多個區塊開展了二氧化碳（CO2）驅油試驗，先后投產了部分氣源井、集氣站、液化站和集氣管道，以氣源井供氣、集氣站處理、液化站制冷液化為主的CO2驅油工業化試驗的工藝體系基本成型，但在CO2集氣生產過程中，卻發現設備腐蝕、凍堵管線、井口排液困難等情況，導致集氣系統無法正常運行，因此開展了集氣工藝的研究。

1 集氣工藝

從2003年開始，為了解決二氧化碳驅油試驗氣源供給問題，大慶油田先后投產了多口CO2氣源井、多個集氣站和液化站，建成了3種主要集氣工藝：①井口節流加熱工藝，見圖1；②站內加熱節流工藝，見圖2；③保溫集氣工藝，流程為集氣站或凈化廠?液化站。

圖1 井口節流加熱工藝

圖2 站內加熱節流工藝

在集氣過程中，3種工藝不同程度存在腐蝕、集氣管線凍堵和排液勞動強度大等問題，影響氣體外輸量，嚴重時導致關井或停站。各井站集氣工藝見表1。

表1 各井站集氣工藝

2 工藝存在的問題

2.1 集氣工藝管道凍堵

單井集氣支線凍堵主要原因是采出CO2中含有水、烴、殘余壓井液等雜質，隨CO2氣體進入管道，由于CO2集氣過程中發生相變吸熱降溫，導致發生凍堵[1]。昌德氣田芳深9—1井壓裂后，由于完井過程中壓井液返排率低，后期生產過程中，壓井液堵塞輸氣管道導致無法開井。

集氣干線凍堵主要是受集氣站工藝設備能力的限制，外輸氣態CO2中存在一定量的飽和水和烴類氣體，隨著長輸管線內CO2介質的壓降和溫降，將析出一定量的飽和水，形成結晶狀的水合物，輸氣管道縮徑最終造成減輸或停輸。芳深9集氣站到芳48液化站的集氣干線冬季運行經常發生凍堵，該管道長18.7 km，集氣站外輸口的壓力約為4.8 MPa，溫度為20℃，露點為-56℃以下。而在芳48液化站末端口的壓力為3.2 MPa，溫度為5℃，在整條集氣管道中，存在水合物析出的堵塞點（該點溫度約為9℃，壓力約為3.6 MPa），如圖3所示，導致凍堵情況經常發生。

圖3CO2與甲烷的混合氣體水合物形成曲線

2.2 管線和設備CO2腐蝕

CO2腐蝕為電化學腐蝕，在陰極和陽極處表現不同，在陽極處鐵不斷溶解導致了均勻腐蝕或局部腐蝕，表現為金屬設施壁厚逐漸變薄或點蝕穿孔等局部腐蝕破壞；在陰極處二氧化碳溶解于水中形成碳酸，釋放出氫離子，促進陽極鐵溶解而導致腐蝕，同時氫原子進入鋼中，導致金屬構件的開裂。CO2腐蝕主要受CO2分壓、溫度、pH值、流速、腐蝕產物膜等環境因素影響[2]。

目前CO2集氣單井管線采用的材質為316L，集氣干線采用的材質為普通碳鋼，集氣設備如電加熱器、鍋爐盤管采用的材質大多為316L，具有較強的抗腐蝕能力，但由于部分工藝設備處于高濃度Clˉ和H2S的地層水的侵蝕環境中，腐蝕程度將大大增強，蘇6—2井口電加熱盤管在高溫底水的作用下，造成不到半年設備報廢。

2.3 氣源井排液工藝不合理

海拉爾的氣源井采用井口節流降壓加熱輸送的集氣工藝，存在兩方面問題：一是集氣工藝分散，每個井口都需要單獨架設分離器和電加熱器，管理的點多面廣；二是工藝操作的工作量大，井口排污罐容積僅為2 m3，分離出的底水需要定時排出、定期拉走，導致員工在井口操作頻度大，尤其冬季處于半停產狀態。

3 工藝優化的思路和建議

3.1 輸氣工藝防凍堵的思路

一是優化外輸管道的設計，綜合考慮凍堵的各種影響因素，對于長距離輸氣管道，可以考慮增設管道加熱點，提高輸氣過程溫度，避開水合物生成點；二是優選高效脫水工藝，尤其要提高分子篩的效率，降低外輸氣的露點，減少CO2含水量；三是摸索水合物抑制劑的加注規律，降低水合物生成的溫度，防止凍堵的發生。研究表明，甲醇抑制水合物的效果要優于乙二醇，且成本較低。

3.2 緩蝕劑與選材相結合的防腐的思路

一是采用固定式緩蝕劑加注工藝和臨時移動式加藥裝置相結合的綜合防腐措施，有效減緩腐蝕；二是優選管道和容器的內襯材質，選用防腐效果好、價格低的耐腐蝕合金鋼襯里、環氧樹脂內涂層的管材，增加抗腐蝕性能。各種防腐方式優缺點見表2。

表2 各種防腐方式優缺點

3.3 優化采氣工藝流程的思路

對于CO2生產井較少的氣源開發區塊，可采取井口節流加熱分離工藝；對于開發井較多的區塊，適合采取站內集中加熱節流分離工藝。一是改變目前海拉爾的集氣工藝，井口節流加熱分離工藝改為站內加熱節流分離工藝，井口和集氣干線鋪設電熱帶伴熱，統一輸送到液化站進行分離和液化，操作管理方便；二是對井口集氣工藝進行優化，對于目前海拉爾集氣工藝進行改造，擴大井口分離罐的容積，同時增加液位遠傳、自動排污遠傳控制，員工在液化站內就能進行排液操作，降低員工勞動強度。

目前，CO2驅油處于現場試驗階段，CO2集氣工藝種類較多，沒有完全固化，隨著大慶外圍油田工業化驅油的推廣，CO2的需求量逐年增長，應該規劃在大慶內部建設穩定、充足的氣源供應點，形成CO2統一集輸管網，滿足工業化驅油的需求。

[1]Teng H，Masutani S M，et al．Solubility of CO2in the Ocean and ItsEffectonCO2Dissolution[J]．EnergyConversionandManagement，1996，37（6-8）：1 029-1 038．

[2]周琦，王建剛，周毅．二氧化碳的腐蝕規律及研究進展[J]．甘肅科學學報，2005，17（1）：37-40.

（欄目主持張秀麗）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.5.014