CO2驅配套地面工藝技術研究現狀＊

廖清云 史博會 楊蒙 王珊珊 宮敬

1中國石油大學（北京）油氣管道輸送安全國家工程實驗室·石油工程教育部重點實驗室·城市油氣輸配技術北京市重點實驗室

2中國石油工程建設有限公司北京設計分公司

CO2的大量排放會導致溫室效應，對人類的生存環境造成嚴重威脅，為解決這一問題，行之有效的措施是盡量避免直接排放CO2。CO2驅是最具經濟性和可行性的埋存方式，同時，CO2驅可有效提高單井產量，提高采收率，動用難采儲量。該方法將CO2從CO2氣田和其他氣源點（如天然氣凈化廠）輸送到相應油田進行CO2驅以提高原油采收率[1]。

CO2驅配套地面工藝技術的全過程包括CO2捕集、CO2管輸、CO2增壓，以及CO2回注工藝。本文在充分調研國內外油田CO2驅配套地面工藝技術的基礎上，系統地闡述了各項工藝的適用性及其特點。特別地，對于產出氣處理系統，在優選捕集分離方法的同時，需要分析其回注的可行性。對于CO2管道輸送以及注入的相態選擇，需要按照行業標準并通過技術經濟對比進行分析優選；對于CO2的增壓過程，應控制相態以及優選增壓參數。基于上述總結，本文分析CO2驅地面工藝技術現狀與不足，提出未來的發展方向與建議，可為CO2驅方法的廣泛應用提供重要的理論基礎與技術參考。

1 CO2捕集工藝

通常使用的CO2捕集工藝包括化學吸收法、變壓吸附法、膜分離法和低溫分餾法[2]，各種方法的原理[3-4]、優缺點及其適用性[5-6]如表1所示。

根據表1 可知，分離CO2的捕集方法各異，且各有特點，如何確定最優工藝組合值得關注。在綜合考慮來氣CO2含量以及CO2富集純度要求的同時，需要深入明確不同工藝方法的適用邊界，開展多方法聯用技術及多級捕集提純技術的可行性及適用性分析，表2 列舉了部分油田CO2捕集工藝的應用實例[6]。

根據表2可知，變壓吸附和低溫分餾工藝更適用于小到中等處理量的情況，對于大規模CO2驅項目，采用膜分離和化學吸收法捕集分離CO2有較好的效果。由此利用商用軟件HYSYS 對膜分離和化學吸收法的聯用技術進行研究，其中，選擇中空纖維膜作為膜分離材料，選擇MDEA 和DEA 組合作為化學吸收劑，其進料混合氣組成如表3所示，模型流程如圖1所示。

表1 CO2捕集工藝對比Tab.1 Comparison of CO2 capture technology

表2 CO2捕集工藝應用實例Tab.2 Application example of CO2 capture technology

表3 CO2混合氣組成Tab.3 Composition of CO2 mixed gas 摩爾分數/%

該工藝流程可描述如下：流率為3.08×106m3/d（標況）的混合氣進入中空纖維膜前進行預處理，保證全部氣相進入膜單元，滲透側的CO2濃度達98%以上，流率為2 918 kmol/h，高壓側的伴生氣內含17.3%的CO2，不滿足天然氣進入下一單元處理的要求（CO2含量小于5%以下），因此進入胺液循環單元，化學試劑為MDEA+DEA，經再生塔中解吸的酸氣中CO2含量為69.14%，將兩部分CO2混合后得到回注CO2富集氣，得到的混合氣中CO2含量為93.38%。可以看出膜分離與化學吸收法相結合的工藝實現了對CO2的捕集，首先使用膜分離法，可節省后續醇胺法的部分能耗和投資，但得到的產品純度仍較低，如何更好地將兩種方法結合實現高效捕集是后續的研究重點。

2 CO2管道輸送工藝

2.1 CO2管道設計要點及參數優化

CO2管道的相關設計要點[[7-10]如表4所示。

CO2輸送管道的設計環環緊扣，需要綜合多方面因素計算比選，同時應按照CO2輸送管道工程設計規范[1]進行設計計算。經過初步計算得到的工藝方案需要進一步的參數優化以更好地在工程實際中應用。例如，若選擇超臨界CO2作為管輸相態，需考慮CO2的物性參數在準臨界區內波動變化較大，嚴重時可能發生水擊現象，為保障超臨界CO2管道的安全輸送，需要確定合理且遠離臨界點的運行參數[11]。表5 列舉了CO2管道參數優化的主要內容[12-13]。

圖1 HYSYS模型流程圖Fig.1 Flow chart of HYSYS model

表4 CO2管道設計要點Tab.4 Design key points of CO2 pipeline

表5 CO2管道參數優化Tab.5 Parameters optimization of CO2 pipeline

針對以上參數優化要點，有學者先后利用線性魯棒優化法[14]和遺傳算法[15]對所建立的CO2管道輸送系統進行優化設計。其中，線性魯棒優化法[8]考慮了管道內的溫度變化，并給出了相應的研究步驟，得到的計算結果與前人的設計方法相比更加準確，故在CO2管道參數優化的過程中要充分考慮各種因素對運行參數的影響，以期得到更優的計算結果。采用的遺傳算法[15]在假設管線敷設在地形平坦地區，管道沿線管徑相等且中間加壓站等距設置的基礎上進行優化設計，充分考慮了管徑模型、管道費用模型、壓縮機站以及壓縮系統費用模型，但仍有待結合社會、經濟、環境等多種約束因素進行全面考慮，以滿足工程實際要求。除此之外，也可借助如PIPESIM 等商用軟件對CO2管道模型進行模擬，以優選工藝方案并優化工藝參數[16]。

2.2 CO2管道輸送工藝計算

2.2.1 CO2物性參數計算

CO2物性參數的計算是進行準確CO2管道工藝計算的前提，推薦選取PR 方程進行相關的物性計算[7]。由于捕集到的CO2通常含有N2、O2、Ar、H2、H2S和H2O等雜質，CO2的物性參數會因為某些雜質的存在發生變化，可能會與純CO2的相關物性參數相差甚遠[17-18]。同時，由于管道沿線的溫度壓力不斷變化，所輸送的CO2物性參數也會產生相應的變化。為研究這兩者的影響，利用HYSYS 軟件，基于PR 方程計算了不同氣體組成下的物性參數，以比熱容為例，純CO2在不同溫度下的比熱容如圖2所示，摩爾分數為2%CH4及98%CO2的混合氣、摩爾分數為5%CH4及95%CO2的混合氣，摩爾分數為5%N2及95%CO2的混合氣的比熱容變化分別如圖3、圖4及圖5所示。

圖2 純CO2比熱容隨溫度壓力的變化曲線Fig.2 Specific heat capacity change curve of pure CO2 considering temperature and pressure

由圖2～圖5可以看出，低溫區段，比熱容隨溫度壓力變化并不明顯；高溫區段，相同溫度下，比熱容隨壓力升高而增大；在壓力一定時，隨溫度的上升，比熱容先增大后減小，在相態發生改變時達到最大值；CH4的存在會使相同溫度、壓力條件下的比熱容減小，且隨CH4含量增加，在低溫區，比熱容隨CH4含量增加而增大，在高溫區，比熱容隨CH4含量增加而減小；在相同的含量及溫壓條件下，N2與CH4對CO2比熱容的影響有較大差別。

圖3 含2%CH4的CO2比熱容隨溫度壓力的變化曲線Fig.3 Specific heat capacity change curve of CO2 with 2%CH4 considering temperature and pressure

圖4 含5%CH4的CO2比熱容隨溫度壓力的變化曲線Fig.4 Specific heat capacity change curve of CO2 with 5%CH4 considering temperature and pressure

圖5 含5%N2的CO2比熱容隨溫度壓力的變化曲線Fig.5 Specific heat capacity change curve of CO2 with 5%N2 considering temperature and pressure

故雜質的種類及含量以及沿線溫度、壓力變化對CO2物性參數的影響不可忽略，可靠的工藝計算需建立在準確的物性參數計算之上。值得注意的是，對于含雜質CO2管道，雜質不僅僅會對CO2的物性參數及相特性產生影響，若含水量較高，需關注水合物凍堵的可能性，以及腐蝕的風險，同時需借助含雜質CO2的相圖分析相態的變化，控制沿線的輸送相態[19]。

2.2.2 水力和熱力計算

對于CO2的水力計算，不同的輸送相態應選擇不同的計算公式[7]，其中的超臨界態CO2管道的水力計算公式適合于可壓縮流體的等溫穩態流動，且不考慮壓差的影響，因為在等溫流動下可采用平均溫度進行計算從而省去能量方程，簡化了方程組的求解，而在穩態流動時可認為水力摩阻系數為常數，同時，對于高差小于200 m的情況，認為克服高差而消耗的壓降很小，視為水平管，可忽略高差的影響[20]。利用數值模擬的方法可以對CO2管道流動傳熱特性進行研究[21]，由于數值模擬涉及到網格劃分和控制方程的選取，計算過程相對復雜，也可以直接借助CO2管道熱力計算公式[7]進行計算。在使用相關計算公式時，要注意在不同溫壓條件下氣體的物性參數變化以保證計算的準確性。

此外，也可利用商業軟件完成CO2管道的水力計算及熱力計算，利用PIPESIM軟件搭建管道模型進行模擬計算。輸送的氣體組成如表6所示，管道模型如圖6所示。

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

表6 輸送氣體組成Tab.6 Composition of transported gas

模擬條件中設置環境溫度為53 ℃，埋深處土壤溫度為38 ℃，其中CLS-N 和CLS-O 站場內部的管線敷設在地面，其余管道敷設在地下。CPP起點為定流節點并設定起輸溫度，Ra-073、Ra-074、Ra-075 及Ra-076 為定流節點，Ra-079 及Ra-080為定壓節點，模擬相態為超臨界態。其中，水力計算和熱力計算都使用默認設置，流體采用組分模型，狀態方程選擇GERG-2008 公式，水力熱力計算結果見圖7與圖8。

圖7 水力計算模擬結果Fig.7 Simulation results of hydraulic calculation

圖8 熱力計算模擬結果Fig.8 Simulation results of thermal calculation

由于所模擬的管道長度較短且所處地形較平坦，在夏季環境溫度較高的情況下，管道在較高的起輸溫度下能夠保持超臨界輸送相態，在CO2注入點也能保證較高的注入壓力和注入溫度，同時，保證輸送相態也需要較高的起輸壓力，故起點處增壓工藝的設計至關重要。在保證輸送要求的前提下，改變管徑和輸送相態所需的增壓工藝及相關設備設置均不同，最終輸送方案應進行經濟比選后綜合確定。

綜上，CO2輸送管道的設計需要綜合多方面因素計算比選，并且各參數之間具有相關關系。CO2輸送管道的工藝計算，主要由熱力計算和水力計算兩部分構成。無論是CO2輸送管道的設計還是具體的工藝計算環節，其輸送相態的確定至關重要。準確預測CO2相態及物性參數是關鍵，CO2中的雜質含量對CO2的物理性質影響很大，雜質種類及其含量的不同都會引起CO2的物理性質發生變化。因此，有必要針對含雜質CO2的PVT 關系開展深入研究。

3 CO2增壓技術與回注工藝

3.1 CO2增壓技術

通常情況下，CO2需要通過多級壓縮增壓到管輸壓力再進入管道進行管輸。對于壓縮工藝的設計，相平衡控制和氣體預處理是CO2增壓工藝設計的關鍵[22]。如前所述，雜質的存在會增加CO2相圖的兩相區，在增壓過程需避免氣體進入兩相區，故增壓工藝設計的前提是繪制準確的相圖，從而在多級壓縮過程有效控制相態，根據相包線特性來修正壓縮工藝中的相關參數，如圖9所示。同時，游離水的存在對壓縮設備的腐蝕和凍堵影響也不可忽略。

壓縮設備的一些選型經驗[23-24]見表7，而特別關注流體的組成及相態與增壓設備特性間的關聯，并與實際CO2驅替工藝方案相結合，是實現設備合理選型的關鍵。

表7 CO2增壓設備選型Tab.7 Selection of CO2 booster equipments

3.2 CO2回注工藝

在CO2驅的全生命周期中，早期可能會產生較嚴重的氣竄，中后期會產生大量的富含CO2的伴生氣[25]，CO2回注工藝，即對CO2伴生氣進行有效捕集并二次增壓后注入地層，不僅可減少天然氣損失以及溫室氣體排放，還可實現地層增壓從而穩定產量[26]。根據伴生氣中CO2含量的不同，其回注工藝的設計也不盡相同[6，25，27]，如表8所示。

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

圖9 混合氣體壓縮過程相態控制曲線Fig.9 Phase control curve of mixed gas during compression process

表8中，當CO2體積分數小于72.59%時，兩種注入方式都包括伴生氣預處理、CO2增壓及回注等多工序，兩種方式都需嚴格控制相平衡和含水量。其中，對于分離回注，還需選取合適的CO2捕集工藝，而混合注入需在摻和前對氣體進行干燥脫水以控制含水量。若伴生氣中含水量較高，考慮到腐蝕和水合物凍堵風險，無論CO2含量高低，均需對氣體進行分離、過濾以及干燥處理后再進行增壓回注。

綜上，CO2增壓技術需重點關注氣體的組成和相圖，而回注工藝與增壓技術緊密結合，需要綜合考慮確定合適的工藝方案。

4 結論

本文對CO2驅配套地面工藝技術研究進展進行了系統的梳理，指明CO2驅配套地面工藝技術主要包括CO2捕集、CO2管道輸送、CO2增壓以及CO2回注四個方面。在CO2捕集方面，明確各工藝方法的適用性至關重要，同時需要深入研究多法聯用技術及多級捕集提純技術以適應工況的變化；在CO2管道輸送工藝方面，設計的關鍵在于確定氣源組成、輸送相態及管材，優選管徑、增壓設備等，其中選用精度高的物性計算方法、關注雜質對管輸CO2相態的影響至關重要；在CO2增壓方面，相平衡控制和預處理是基礎，增壓設備的選型是保證工藝實現和經濟性的關鍵；在CO2回注工藝方面，要重點關注氣體組成，配合完善的增壓技術進行設計。鑒于對CO2驅配套地面工藝技術的總結，提出如下建議：

（1）對于CO2捕集工藝，考慮現場CO2含量以及氣源氣量的波動，可考慮組合工藝以滿足生產需求，需深入研究其適應性。例如將醇胺法與膜分離法相結合，當CO2含量低于40%時，可直接采用醇胺法實現捕集工藝；當CO2含量在40%～75%時，使用膜分離法后CO2純度上升但仍未達到要求，再使用醇胺法進行捕集以達到所需的純度；當CO2含量高于75%時，可直接采用膜分離法實現捕集工藝。

（2）對于CO2管輸工藝，超臨界態是目前大輸量、長距離、途經人煙稀少區域的CO2管道優先采用的輸送相態，故需使用PR 方程對氣體進行相態及物性參數的分析計算以保證輸送相態。

（3）對于CO2增壓工藝，結合CO2回注工藝，由于在CO2含量高于72.59%時可以直接增壓回注，需結合混合氣體的相態特性，充分考慮相態變化和雜質的存在可能造成的腐蝕及凍堵等影響，以實現增壓設備的選型設計，保證生產的安全穩定。