火驅配套注空氣系統工藝研究

盧洪源

中油遼河工程有限公司，遼寧盤錦124010

遼河油田油品以稠油[1]為主，隨著油田開發進入中后期，遼河油田開發方式進行了多種轉換。火驅開發是提高原油采收率、性價比較好的采油方式，特別對于已開采的老區，可以使原油采收率大幅提高。

火驅開發地面配套系統主要包括：注空氣系統、油氣集輸系統、尾氣處理系統等。曙采火驅配套的注空氣系統為集中建站注氣，注氣規模為100萬m3/d。錦采火驅的配套注空氣系統為分散移動注氣，注氣規模為9.1萬m3/d。高升采油廠[2]火驅的配套注空氣系統為分散建站注氣，注氣規模為28萬m3/d。本文以高升火驅的注空氣系統為例，介紹了其主要工藝流程，分析了站內存在問題，并對站內工藝流程進行優化，滿足生產需求。

1 高升采油廠火驅注空氣系統現狀

1.1 作業區注空氣系統

高升采油廠的高3區塊、高3-6-18區塊和高2-4-6區塊三個斷塊自1977年開始陸續投入開發，歷經40年的強化開采，開發方式經歷了蒸汽吞吐、蒸汽驅和火驅。

轉火驅開發以來，先后在高3-6-18區塊、高3區塊、高2-4-6區塊建成了4座壓縮機站，1號注空氣站為高3-6-18區塊注氣（10 MPa、16 MPa）；2號注空氣站、3號注空氣站為高3區塊注氣（10 MPa）；4號注空氣站為高2-4-6區塊（16 MPa）和高3區塊注氣（10 MPa）。

目前高升火驅共包括兩個區塊：高3-6-18區塊、高3區塊。高3-6-18區塊2008年開展火驅，高3區塊2010年開展火驅，截至目前，兩個火驅區塊共有油井494口，開井237口，日產液865 t，日產油282.2 t，日產氣18萬Nm3/d。目前火井開井27口，日注氣28萬Nm3/d。

站內工藝流程均為：大氣→空壓機→緩沖罐→管道→井口。

1.2 存在問題

（1）高升火驅區塊原為合作開發，2016年移交至高升采油廠。原地上、地下的注空氣管道均未進行探傷就投產。注空氣站壓縮機及注氣管道發生過多次內燃和爆炸事故。

（2）已建空壓機生產廠家較多，維修不規范，設備故障率高，使用率低。原設備廠家的檢測結果為：已建壓縮機由于使用不當，已無法維持高壓生產，建議降壓使用。這樣，注氣壓力就不能滿足預期要求。

（3）壓縮機組未配置干燥器，配置的氣液分離器處理能力小，使用效果差，以致存在機油乳化、管道和井筒管柱腐蝕等嚴重問題。

（4）與站內壓縮機相連的各路水管內結垢嚴重，冷卻效果差，壓縮機出口超溫。

1.3 影響因素分析

（1）注空氣管道輸送介質為高壓壓縮空氣，設計壓力應大于或等于起點輸送壓力，設計溫度應考慮壓縮機出口介質溫度，一般為50℃。管道應選用耐高壓、探傷檢測合格的管道。

（2）空壓機和注空氣管道發生內燃及爆炸的主要原因是設備及管道積碳[3]。空壓機使用的潤滑油常以霧狀形態與高溫、高壓、高氧分壓的空氣或金屬催化劑接觸，導致潤滑油快速氧化變質。受熱蒸發的潤滑油中較重組分的油殘留在排氣閥腔和排氣管道中不斷受熱分解、脫氫聚合，其產物與吸入氣體中的機械雜質和/或壓縮機內金屬磨屑混合，沉積在機體表面上被進一步加熱，即成為積碳[4]。

如果積碳進入主機，由于主機的部件是非常精密的，異物進入必然會對主機造成損傷，導致主機抱死甚至報廢。當壓縮機在排氣閥及排氣管道處產生較多的積碳時，氣體溫度迅速上升，高的氣體溫度又加劇了潤滑油氧化反應，而反應熱又不能及時放出，使得排氣管道內氣體溫度繼續升高。當溫度達到潤滑油的自燃點時，積存在積碳中的潤滑油開始燃燒。不完全燃燒產物、油的熱分解產物、氣體中的油霧與空氣組成了爆炸氣體，就發生了爆炸。

空壓機的潤滑油品質對積碳影響很大，較好的潤滑油可以有效減少、減緩積碳形成。另外，定期清潔空氣過濾器并控制空壓機的環境溫度也是有效預防積碳形成的措施。

（3）空壓機應盡量選用有資質、業績好的較大廠商，同時設備規格型號應盡量相同，便于維護管理。對空壓機進行正確的維護保養，可以延長壓縮機使用壽命。

（4）干燥器可有效減少空氣中水分，防止管道、井筒腐蝕。氣液分離器可阻止機油混入壓縮空氣中，減少積碳形成。

（5）站內軟化水裝置無法正常運行，不能保證循環水指標，造成管路結垢嚴重，影響冷卻效果，造成空壓機出口氣體超溫。

2 工藝優化

2.1 注氣量預測（見表1）

表1 注氣量預測

2.2 工藝流程優化

優化后工藝流程為：大注氣→螺桿機→干燥器→緩沖罐→往復機→空氣儲罐→干線→支線→井口。

（1）空壓機進氣口可設置在室內或引出室外，壓力為大氣壓，取值0.1 MPa，進口段應設置過濾裝置，防止異物進入。

（2）油氣田用壓縮機一般為往復式壓縮機、螺桿式壓縮機和離心式壓縮機。

離心式壓縮機適用于進氣流量20 000 m3/h以上，排氣壓力70 MPa以下，但流量調節范圍小（為10%）的場合。離心式壓縮機具有輸氣量大、運轉平穩、噪音低、機組尺寸小、使用壽命長、維修工作量小的特點。對于儲氣庫、天然氣處理廠、氣田外輸增壓等氣量較大且波動幅度不大的場合，宜優先選用。當流量較小時，應選用往復式壓縮機或螺桿式壓縮機。依據對沈鼓、陜鼓、承壓等壓縮機廠家市場調研，目前在售的離心機規格大部分為100萬m3/d以上機型，最小不低于72萬m3/d。

往復式壓縮機適用于進氣流量18 000 m3/h以下，特別適用于小排量、高壓力的場合，常用規格為5、10、15和20萬m3/d，也有用10、20、30和40 m3/min來表示。單純選用往復機增壓，進口為大氣壓，如果出口壓力較高，會造成設備壓比過大、壓縮級數多、尺寸龐大。往復式壓縮機效率高，壓比大，對于壓力及流量的波動適應性較強，工況易于調節，無喘振現象，流量變化對效率的影響較小，適用于氣田分散增壓。但也有體積大、活動部件多、機組噪音大、結構復雜、輔助設備多，以及占地面積大、維護工作量大、維護費用高的特點，單機功率較低（一般不超過6 000 kW）。

螺桿壓縮機適用于中低壓力及中小排氣量，排氣壓力5 MPa以下，常用規格為5、8、10萬m3/d。螺桿式壓縮機具有可調范圍廣、操作平穩的優點，適用于油氣處理、煤層氣增壓和火驅空氣壓縮。目前遼河油田在運螺桿壓縮機，基本為進口壓力0.1 MPa，出口壓力1.0 MPa，為后端往復機供氣，減小往復機壓比。

高升火驅計算管道壓損，空壓機出口的壓力為12 MPa，輸量為60萬m3/d。依據壓力及輸量參數，考慮空壓機對火驅年注空氣量的適應性，選用“螺桿機+往復機”組合方式[5]。

（3）出站飽和空氣隨著輸送溫度的降低，有冷凝水析出，易造成注空氣管道及注氣井筒腐蝕[6]，不同溫度下的飽和空氣析出水量見表2。注空氣管道及注氣井筒腐蝕后的鐵屑等雜質隨空氣注入地下，因此必須對注空氣站出站空氣進行干燥。

表2 飽和空氣析出水量

往復機入口宜設置干燥機[7]，用于脫去氣體中水分，滿足井口注氣要求，同時防止水分進入往復機和管道發生腐蝕。干燥機分為微熱再生吸附式、無熱再生吸附式、鼓風熱再生吸附式、冷凍式、壓縮熱再生吸附式干燥機。冷凍式干燥機0.9 MPa下水露點2～10℃，不滿足工藝要求；壓縮熱再生吸附式干燥機要求進氣溫度110～140℃，工藝條件達不到。因此，針對微熱再生吸附式、無熱再生吸附式和鼓風熱再生吸附式干燥機進行比選，見表3。

表3 干燥機選用對比

經比選，微熱再生式干燥器再生耗氣量較小、設備價格低，且費用年值最低。因此推薦選用微熱再生吸附式干燥機。

（4）螺桿空壓機和往復空壓機之間設置緩沖罐，保證往復空壓機的吸氣穩定。緩沖罐的數量可以“一對一”，也可以“多對多”。

（5）往復空壓機出口設置空氣儲罐，對高壓氣體進行儲存和緩沖，減少下游管道氣流脈動。空氣儲罐的設置與緩沖罐類似，可以“一對一”，也可以“多對多”。

（6）螺桿壓縮機運行過程中無潤滑油消耗，但需定期更換，不需設置潤滑油補充系統。往復壓縮機持續消耗潤滑油，需設置潤滑油補充系統。潤滑油補充系統由潤滑油罐和潤滑油泵組成。

（7）空壓機組安全放空、緩沖罐超壓放空，均通過放空管道引至站內放空管。

（8）壓縮機橇內的排污系統采用自動排污控制，級間分離器排污通過管路聯接匯總，各排污口通過氣動球閥控制排放油水。站內干燥機和空氣緩沖罐等非標設備的排污采用手動控制，通過排污管道接入排污系統。為便于排污介質集中回收和處理，一般設置常壓排污罐，排污罐配套設有排污泵。

（9）壓縮空氣通過注氣干線、支線輸至注氣井口，井口設置流量計，就地/遠程顯示。單井注空氣量通過角式調節閥手動調節。

（10）空壓機常用冷卻方式分為風冷和水冷，選用設備為空冷器和冷卻水循環系統。參照遼河油田其他注空氣站生產經驗，風冷機型的空壓機機房室內溫度較高，不利于設備運行和溫度控制，同時也給工人操作帶來不便，而水冷機型具有冷卻效果較好、運行成本低、工程造價低等優點。

冷卻水循環[8]系統包括水泵、循環水池、冷卻塔、污水池等設備設施。常見冷卻水循環系統有開式循環和閉式循環。相對于閉式循環，開式循環具有造價低、便于維修管理等優點，但水體易受污染，造成管路結垢，影響冷卻效果。而閉式循環雖然造價略高，但對于空壓機穩定運行、水系統的維護管理均有很好的效果。為防止水循環管路結垢，冷卻水采用處理后的軟化水，因此冷卻水循環系統一般配備軟化水裝置。

2.3 工藝方案

利用原注氣2站站址新建高采注空氣站1座，規模為60萬m3/d，工藝參數見表4。

正常生產流程：常壓空氣→螺桿空壓機→干燥器→緩沖罐→往復空壓機→空氣儲罐→出站。

排污流程：螺桿機、干燥器、空氣緩沖罐、往復機中低壓排污→污油污水回收裝置；往復機、空氣儲罐高壓排污→污油污水回收裝置。

表4 注空氣站工藝參數

放空流程：空壓機、干燥器、緩沖罐、空氣儲罐→放空管。

潤滑油流程：潤滑油罐→潤滑油泵→往復機。

循環冷卻水流程：冷卻水塔來水→螺桿/空壓機→冷卻水回冷卻水塔；注空氣站→注氣干線→注氣支線→注氣井（井口計量）。

空壓機是注空氣工藝的核心設備，推薦注空氣壓縮機采用螺桿空壓機+往復機空壓機的組合方式。

對高升區塊注氣量（如圖1所示）的分析表明，該區塊近10年的注氣量為（35.91～48.74） 萬m3/d。壓縮機建設分2期實施：1期工程新建20萬Nm3/d往復機3臺（2用1備），配套10萬Nm3/d螺桿機6臺；2期工程新建20萬Nm3/d往復機1臺（后期注氣量達到60萬Nm3/d），配套10萬Nm3/d螺桿機2臺。

圖1 高升區塊注氣量

3 結束語

通過對遼河油田火驅配套注空氣系統概況，并以高升采油廠火驅注空氣系統為例，對目前存在的問題進行分析，優化注空氣系統工藝流程，著重研究了注空氣系統中空壓機及配套設備上設施選用，提出技術可行、經濟合理的注空氣方案，保障注空氣系統平穩、安全運行，為其他火驅區塊配套注空氣系統建設提供參考和借鑒。

[1]任芳祥，孫洪軍，戶昶昊.遼河油田稠油開發技術與實踐[J].特種油氣藏，2012，19（1）：1-8.

[2]金兆勛.高升油田火燒油層過程控制技術研究[J].鉆采工藝，2012，35（6）：41-44.

[3]伍曙光.積碳引起的空壓機后冷卻器自燃原因分析及預防措施[J].裝備維修技術，2009（2）：40-44.

[4]王柏華.空氣壓縮機積碳形成與排氣溫度控制[J].煤礦機電，2006（5）：84-85.

[5]孫國成，廖興沖.組合式空氣壓縮機組在新疆油田火驅采油工程中的應用[J].新疆石油天然氣，2012，8（3）：78-81.

[6]韓霞.鄭408塊火燒驅油注氣井腐蝕原因分析及對策 [J].腐蝕科學與防護技術，2010，22（3）：247-250.

[7]趙斌.吸附式壓縮空氣干燥機的對比分析[J].玻璃，2011，38（8）：13-19.

[8]申林.空壓站冷卻水循環系統改造[J].礦山機械，2011，39（5）：122-123.

[9]梁建軍，陳龍，計玲，等.火驅注氣燃燒工藝在新疆油田的應用[J].新疆石油天然氣，2014，10（3）：61-63.?