頁巖油伴生氣二氧化碳濃度連續監測技術研究

李興,廉冬

(中國石化股份有限公司江蘇油田分公司 采油一廠,江蘇 揚州 225265)

頁巖油作為一種重要的非常規油氣資源,越來越受到各大油田的重視,在頁巖油開發過程中通常進行大規模壓裂來獲取較高產能[1-2]。為了降低頁巖地層的破裂壓力、提高頁巖油采收率,壓裂施工過程通過前置注入大量的CO2來降低地層的破裂壓力實現增能[3],頁巖油投產后,注入的CO2也會隨著原油和天然氣生產而分離出來。因此,在頁巖油井生產過程中,監測伴生天然氣中φ(CO2)對于生產管理、動態分析、天然氣分離、確保安全生產和環境保護至關重要。江蘇油田在某油田頁巖油開發中也進行了前置CO2注入[4],為了及時準確了解與分析CO2產出情況,開展了伴生氣中φ(CO2)在線連續監測技術研究,現場應用取得了非常好的應用效果。

1 頁巖油伴生氣中φ(CO2)檢測分析方法

該油田頁巖油產出伴生氣中φ(CO2)檢測是通過人工取樣分析的,即現場操作人員用氣囊在天然氣生產管線取樣口采集伴生氣樣氣,封裝后送至廠部化驗室,用色譜儀進行樣氣分析,測試出氣體組分及φ(CO2)。該測試分析方法在生產管理中存在以下問題： 一是人工取樣費時費力,從取樣、送樣到檢測分析周期長;二是人工取樣分析不連續、數據實時性差,無法滿足動態變化大的頁巖油生產資料錄取要求,同時對于天然氣回收利用存在極大的安全隱患。

2 頁巖油伴生氣中φ(CO2)連續監測技術原理

氣體中φ(CO2)檢測方法通常有氣相色譜法(GC)、激光光譜法、質譜法(MS)、紅外線氣體分析法(IRGA),前三者設備成本高、分析時間較長,不適合進行現場在線快速高效檢測,紅外線氣體分析法具有高靈敏度、高選擇性和快速響應等優點[5],因此該油田選擇了紅外線氣體分析法進行在線連續監測儀的開發。

紅外線氣體分析法是利用非分散紅外技術(Non-Dispersive InfraRed,NDIR)開發的基于氣體吸收理論的一種分析方法。即當紅外光通過待測氣體時,由于各氣體分子內部結構的不同,就決定了它們對不同波長光線的選擇性吸收,且其吸收關系服從朗伯-比爾定律[6-7],利用氣體體積分數與吸收強度關系來判別氣體組分并計算其體積分數。

3 CO2濃度連續監測裝置設計

在頁巖油井生產現場要實現對伴生天然氣中φ(CO2)的連續監測,必須在天然氣管路上設計相應的工藝流程,并且去除天然氣中影響檢測準確度的水分、原油等雜質,將符合檢測要求的被測氣樣送入氣體檢測模塊中分析。設計的φ(CO2)連續監測裝置由氣體檢測模塊、減壓閥、過濾器、微量氣泵、疏水閥、控制板和電源等模塊構成,核心模塊是氣體檢測模塊,該模塊由紅外光源、光路、紅外探測器、單片機電路和軟件算法組成。

為此,筆者設計了相應的氣體采樣工藝。頁巖油伴生氣通過生產分離裝置分離后進入天然氣生產管線,將φ(CO2)連續監測裝置安裝在采樣位置。采樣氣體通過采樣口進入監測裝置的減壓閥減壓,達到裝置設定壓力,再進入裝置的過濾器中去除采樣氣體中的水分、油滴、細微的固體等,水分通過疏水電磁閥進行定時排放,其他雜質留在濾芯中并定期更換,使樣氣達到分析儀需要的潔凈度,然后采樣氣體通過微量氣泵泵入氣體檢測模塊中進行檢測分析,通過井口單片機處理后得到實時的φ(CO2),在儀表盤上實時顯示,同時通過RS-485通信端口將數據實時上傳。CO2濃度連續監測裝置原理如圖1所示。

圖1 CO2濃度連續監測裝置原理示意

監測數據最終通過生產信息網絡傳輸到監控中心,由監控中心計算機對數據進行存儲、分析和處理,實現遠程自動測試,整個過程為自動化處理,不需人為干涉。

根據油氣生產現場工況及防爆技術要求,對裝置進行了集成,滿足現場快速安裝、調試與使用,裝置各部件的主要技術參數及性能見表1所列。

表1 CO2濃度監測裝置各部件主要技術參數及性能

4 現場應用及效果

某井于2023年2月壓裂,壓裂用液1.51×105m3,前置注入液態CO2共計1.28×104t,該井6月10日投產,日產氣量達1.1×104m3,為了實時掌握了解CO2返排情況、伴生氣中CO2體積分數,確保天然氣和CO2安全分離,課題組開發了CO2體積分數在線連續監測裝置,在天然氣管路上安裝,對產出天然氣中的φ(CO2)進行實時監測,數據通過油田生產網絡上傳至中心控制室實時監控。

為了分析裝置實時監測數據是否準確,筆者采用傳統的色譜法取樣分析,與實時監測值做對比,對比數據見表2所列,從采樣結果看,相對誤差均在5%以內,能夠滿足數據采集及生產管理的要求。

表2 φ(CO2)監測數據分析對比 %

5 結束語

筆者研發的CO2濃度連續監測裝置能夠實現φ(CO2)的實時、連續監測,數據準確性能達到數據采集及生產管理的要求,檢測結果快速、準確、高效,大幅降低人工勞動強度。數據傳輸至后臺數據處理系統,通過對收集到的數據進行分析和預測,可以準確地分析CO2返排情況、預測φ(CO2)的變化趨勢,為決策提供科學依據,更科學地優化頁巖油井生產參數。

根據監測數據,在天然氣和CO2分離過程中能夠實時掌握監測結果,科學安排生產,同時根據φ(CO2)變化及時進行生產預警,杜絕安全隱患。頁巖油井伴生氣中φ(CO2)連續監測技術作為一項創新技術,不僅限于頁巖油井伴生氣中φ(CO2)監測,還可以推廣應用于CO2驅、碳捕集利用與封存(CCUS)生產井伴生氣中的φ(CO2)監測,在天然氣充分利用、環境保護、生產預警等方面發揮重要作用。