中原油田CO2驅產出氣分離和回注新方法

吳莎

（中國石化中原油田分公司石油工程技術研究院，河南濮陽457001）

中原油田CO2驅產出氣分離和回注新方法

吳莎

（中國石化中原油田分公司石油工程技術研究院，河南濮陽457001）

針對中原油田CO2驅產出氣中二氧化碳、甲烷含量及產氣量波動范圍大，產出的氣難以直接燃燒、排放和管道輸送需要進一步處理，而常規的工業脫碳方法不適用，研究了水合物分離及回注一體化方法。根據CH4和CO2生成水合物的條件存在顯著差異進行分離，分離出的CH4和N2分離作為油田燃氣，生成的水合物漿液可以直接回注地層，具有CO2泡沫驅和表面活性劑驅的作用，能夠提高采收率。結果表明該方法有適用范圍廣、回收率高、流程短、能耗低等優點，適合于中原油田CO2驅產出氣的處理。

CO2驅；產出氣；水合物；回注

CO2驅已成為中原油田三次采油重要方法之一，國內，大慶、中原、勝利等油田先后開展了CO2驅油試驗，提高采收率在4.7%～17.2%[1]。目前中原油田已在低滲油藏（胡96塊）和中高滲油藏（濮城沙一下油藏）開展CO2驅先導試驗，現場也取得顯著的增油效果。但在注入二氧化碳實現驅油過程中，雖然部分CO2能夠存儲于儲層中，但是當注入氣量達到一定程度后，產出氣中CO2含量會逐步增高，難以直接作為燃料利用，而且產出氣中的二氧化碳是破壞大氣層的溫室氣體，大量排放將造成溫室效應等生態失衡現象。產出氣中CO2的存在也會腐蝕運輸管線，給產出氣的輸送和深加工帶來諸多危害，必須對其進行脫除。目前工業上分離回收二氧化碳的方法主要有化學溶劑法[2，3]、物理溶劑法、吸附分離法、低溫分離法[4-6]以及膜分離法等[7，8]，這些方法大多用于化工領域，與油井工況條件和產出流體組分等相差較大，由于油田產出氣成分復雜、氣體量波動大、油井分散等特點，傳統的工業方法很難達到要求[9]。因此，需要在產出氣組分分析基礎上，針對中原油田CO2驅情況提出適合于中原油田CO2驅產出氣回收再利用技術，從而實現經濟高效的綠色開發。目前水合物分離技術作為一種新型分離方法[10-12]，以其適用范圍廣、流程簡單、能耗低等優點[13，14]，受到國內外的廣泛關注。由于CH4和CO2生成水合物的條件存在顯著差異，因此可利用在水合物生成過程中實現CO2驅產出氣的處理，然后對處理后的氣體及水合物漿液進行回注，提高CO2驅采收率。

1 國內外CO2分離工藝分析

目前工業上分離回收CO2的方法主要有化學溶劑法，主要包括醇胺溶液法和熱鉀堿法，物理溶劑法、膜分離法、變壓吸附法以及低溫分離法等，這些方法大多用于化工領域，與油井工況條件和產出流體組分等相差較大，由于油田產出氣成分復雜、氣體量波動大、油井分散等特點，傳統的工業方法很難達到要求，且傳統方法沒有考慮油田CO2驅產出氣中重烴的情況，而且不同油田由于產出氣組分不同，采取的工藝方法也不同。因此，需要在產出氣組分分析基礎上，針對中原油田的二氧化碳產出井較為分散且產出氣中二氧化碳濃度及產氣量變化較大的情況，研究出適合于中原油田CO2驅產出氣回收再利用技術，從而實現經濟高效的綠色開發。

2 中原油田CO2驅產出氣分析

中原油田CO2驅產出氣組分主要是由油田伴生氣和CO2組成。濮城沙一下二氧化碳驅典型井產出氣組成中各組分含量（見表1）及產氣量變化曲線（見圖1）。中原油田CO2驅產出氣分離、回收裝置應能靈活地適應變化的氣量和組分要求。

表1 濮城沙一下二氧化碳驅產出氣不同組成含量

中原油田濮城沙一下CO2驅產出氣特點：

（1）H2S及其他有機硫含量極少，可以忽略不計。

（2）不同井二氧化碳、甲烷含量不同，二氧化碳在2%到97%變化，甲烷在1%到81%變化，產出氣不同組分含量（見表1）。單井CO2穿透的速率較快，由典型井濮1-152、濮1-54井產出氣曲線可以看出，短短三個月的時間內，CO2含量在迅速上升，氮氣、甲烷、C2～C5組分比例在下降，C6及以上烷烴比例先下降后小幅上升。

（3）產出氣波動幅度較大，總量較小。二氧化碳驅產出氣日產氣量波動幅度較大，在11 000 m3～64 000 m3范圍內（見圖1）。

圖1 濮城沙一下二氧化碳驅產氣量變化曲線

3 油田CO2驅產出氣分離和回注一體化方法

由于油藏CO2氣驅后，一部分埋存一部分隨著油井產出物一起產出，油井產出物CO2含量上升后直接輸送將對油氣集輸管道和處理設備產生嚴重腐蝕，且濮城沙一下油藏CO2氣驅產出井較為分散，因此需針對油田實際生產需要，建立滿足中原油田CO2驅產出氣處理方法。當產出氣二氧化碳濃度較高氣竄時，可以采取一些封竄、改變井的工作制度等措施來維持生產，因此油田產出二氧化碳將維持在一個長時間的低濃度及合理的產氣量范圍內開采。一般油田氣中含有甲烷、CO2、C2～C5等氣體，由于驅油的需要，需要將甲烷和CO2、C2～C5等分開。目前凈化氣體的方法有胺法、低溫法等，胺法脫除酸性氣體比較有效，但將其分離開有困難，而以低溫法為代表的冷法冷量消耗大，裝置投資大。水合物法基于CH4和CO2生成水合物的條件存在顯著差異，則可以將甲烷和CO2、C2～C5等分開。

油井大氣量較低濃度的產出二氧化碳時可以采取水合物法，以油井CO2驅產生的含CH4、N2、C2～C5及C6以上烷烴的CO2驅產出氣為處理對象，首先經增壓冷凝分離混合氣中的水蒸氣及C6以上的重烴；然后處理過的氣體在一定溫度、壓力和水合物生成促進劑條件下，采用水合物法將CO2和C2～C5與CH4和N2得到有效分離。分離后氣相中的CH4和N2可以作為天然氣，氣體水合物及未反應的液體通過管道直接輸送到CO2驅注入井，回注地層進行驅油。隨著溫度升高，氣體水合物在注入井筒或儲層中發生分解釋放出CO2、C2～C5和水溶液。由于水溶液中添加的水合物生成促進劑是一種表面活性劑，具有較高的起泡能力。CO2和C2～C5氣體能夠與水溶液作用產生泡沫具有流度控制和洗油作用，同時C2～C5能夠降低CO2驅替原油的混相壓力，從而提高CO2驅的采收率。

處理方法與步驟（見圖2）：

（1）產出氣預處理，分離水蒸氣和C6以上重烴組分。以CO2驅后產出井中產生的含CH4、N2、C2～C5及C6以上烷烴的產出氣為處理對象，經輸氣管線依次輸送到壓縮機增壓，增壓后的氣體經冷卻器冷卻，冷卻后的流體進入氣液分離器，在分離器內分離混合氣中的水蒸氣及C6以上的重烴。

（2）水合物驅油劑制備，將步驟（1）中分離的混合氣通入含有水合物生成促進劑溶液，其中水合物生成促進劑濃度為0.1%～1%的陰離子表面活性劑，控制反應溫度在4℃～9℃和壓力在2 MPa～4 MPa，使混合氣中的CO2和C2～C5與含有水合物生成促進劑溶液中的水發生反應生成水合物，并在水合物相中富集，形成水合物驅油劑，其反應式如下：

R+nH2O→R·nH2O，R代表CO2和C2～C5，n為水合數，n≥6.5。

而CH4和N2在此條件下不與水反應生成水合物，在氣相中富集，進入外輸管線。

其中陰離子表面活性劑可采用十二烷基硫酸鈉或者十二烷基苯磺酸鈉。

（3）水合物回注地層，將步驟（2）得到的水合物R· nH2O及未反應的液體作為驅油劑通過反應器出口經管線輸送到往復泵進行增壓，然后通過管線輸送到注入井口，水合物R·nH2O在注入管柱中隨著地層深度的增加，水合物R·nH2O發生分解，生成CO2、C2～C5和活性水，CO2、C2～C5能夠與活性水生成泡沫起到驅油和流度控制作用。

圖2 水合物法流程示意圖

4 水合物漿液提高采收率實驗研究

實驗模型：用150目石英砂敲制填砂管物理模型，填砂管參數（見表2）：實驗溫度：85℃；原油：濮城沙一下油藏原油。CO2純度為99.99%。

單管模型進行提高采收率實驗。采用陰離子表面活性劑為十二烷基硫酸鈉配制的水合物漿液，當填砂管水驅至含水98%后注CO2至氣竄產氣量大幅上升，接著注入水合物漿液，對CO2驅提高采收率的影響。

圖3 注入量與采收率、氣油比關系曲線

表2 填砂管參數表

由圖3可知，水驅后CO2驅到開始氣竄，氣油比大幅上升后，注入水合物漿液0.06 PV，燜井后氣油比下降明顯，氣竄時間得到延后，可以得到生成的水合物漿液回注地層，具有CO2泡沫驅和表面活性劑驅的作用，能夠提高采收率。

水合物漿液提高采收率涉及到二氧化碳、C2～C5、表面活性劑，下面對各成分的驅油機理分析如下：

（1）泡沫驅和表面活性劑驅作用：在水合物生成的過程中，采用的水合物生成促進劑是一種表面活性劑，具有較高的起泡能力，CO2和C2～C5氣體與水溶液作用產生泡沫，具有流度控制作用。當泡沫破裂以后，具有表面活性劑驅的作用，可以降低油水界面張力，改變巖石表面的潤濕性，促使油的乳化具有洗油作用。通過泡沫驅和表面活性劑驅的綜合作用，對地層中的流度差異進行調整，增大驅油效率和提高CO2驅波及體積，從而提高采收率。

（2）降低CO2驅原油的混相壓力作用：CO2和C2～C5溶于原油后，原油體積膨脹，原油黏度下降；且C2～C5低碳烴的注入，有助于CO2對原油輕烴組分的萃取，有助于降低CO2驅原油的最小混相壓力，從而提高采收率。

油田二氧化碳驅產出氣水合物法處理及回注一體化方法，既能將CO2埋存，又能通過水合物的回注提高CO2驅采收率，可以作為油田二氧化碳驅產出氣的處理，是一種綠色環保的處理方法。該回注方法具有泡沫驅和表面活性劑驅等多重優點，通過泡沫對驅油體系流動能力的降低、泡沫封堵使驅替液改向，再加上水合物生成促進劑十二烷基硫酸鈉本身是一種表面活性劑，能夠降低油水界面張力、改變巖石表面的潤濕性，通過泡沫驅和表面活性劑驅的共同作用，實現CO2驅流度控制，增大驅油效率和波及體積，從而提高采收率。

5 結論

（1）本方法將CO2產出氣分離和CO2回注地層合為一體，產出氣分離后的水合物漿液直接注入地層用于提高采收率，步驟少，流程簡單。

（2）通過本方法可以將CO2驅產出氣中C6以上的重烴分離作為輕油，將混合氣中CH4和N2分離作為油田燃氣，具有重要的經濟價值。

（3）采用水合物法將CO2和C2～C5生成水合物的反應條件溫和，生成的水合物漿液可以直接回注地層，具有CO2泡沫驅和表面活性劑驅的作用，能夠提高采收率。

（4）隨著溫度升高，氣體水合物在注入井筒或儲層中發生分解釋放出CO2、C2～C5和水溶液，由于水溶液中添加的水合物生成促進劑是一種表面活性劑，具有較高的起泡能力，CO2和C2～C5氣體能夠與水溶液作用產生泡沫具有流度控制和洗油作用，同時C2～C5能夠降低CO2驅替原油的混相壓力，從而提高CO2驅的采收率。

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A new method of CO2flooding output gas separation and reinjection in Zhongyuan oilfield

WU Sha
（Petroleum Engineering Technology Research Institute of Sinopec Zhongyuan Oilfield Company，Puyang Henan 457001，China）

For CO2flooding gas production,carbon dioxide content,methane content in wide range in Zhongyuan oilfield,it is difficult to burn discharge and pipelining for output gas.The output gas need to be further treatment.The conventiona industrial decarburization method does not work.An integrated method of hydrate separation and recycle is proposed in this paper.According to the different conditions forming the hydrate from gas with methane and carbon dioxide moleculars.The separated of methane and nitrogen are excluded are used as town gas.The generated hydrate slurries can be injected into stratum and they have the effect of foam flooding and surfactant flooding to enhance oil recovery.This method possessed wide applicability,short process and low energy consumption and it is suitable for CO2flooding output gas treatment.

carbon dioxide flooding；output gas；aquo-complex；reinjection

TE357.45

A

1673-5285（2017）01-0084-05

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.01.024

2016－10-31

吳莎，女（1986-），工程師，本科，主要研究方向為氣驅提高采收率，郵箱：rain_126@126.com。