勝利油田百萬(wàn)噸級(jí)CCUS輸注采關(guān)鍵工程技術(shù)

舒華文

（中國(guó)石化勝利石油工程有限公司，山東東營(yíng) 257000）

近年來(lái)，全球氣候變暖加速，世界各地極端天氣頻發(fā)，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成了明顯影響，人類(lèi)活動(dòng)排放的溫室氣體是造成氣候變化的主要原因，尤其是溫室氣體中的CO2含量快速上升[1-3]。為此，世界各國(guó)紛紛出臺(tái)減碳政策，并相繼提出碳中和目標(biāo)[4-5]。2020年9月，習(xí)近平主席在第75 屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上提出：“采取更加有力的政策和措施，CO2排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。”碳捕集、利用與封存（CCUS）在實(shí)現(xiàn)碳永久封存的同時(shí)，可提高石油采收率，具有巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，是目前經(jīng)濟(jì)可行的碳封存途徑[4-7]。

為了響應(yīng)“雙碳”目標(biāo)，中國(guó)已投運(yùn)和規(guī)劃建設(shè)中的CCUS 示范項(xiàng)目規(guī)模正逐年擴(kuò)大[8-10]。2022年8月，中國(guó)首個(gè)百萬(wàn)噸級(jí)CCUS 項(xiàng)目——齊魯石化-勝利油田項(xiàng)目正式建成投產(chǎn)。華能集團(tuán)正在建設(shè)煤電百萬(wàn)噸級(jí)CCUS 全流程示范工程，預(yù)計(jì)建成后可捕集并封存CO2超過(guò)150×104t/a。中國(guó)石油集團(tuán)正在建設(shè)包括大慶油田140×104t/a 和吉林油田100×104t/a示范工程在內(nèi)的多個(gè)CCUS 示范項(xiàng)目，并且與油氣行業(yè)氣候倡議組織（OGCI）共同策劃的新疆CCUS 產(chǎn)業(yè)集群也在推進(jìn)中，預(yù)計(jì)2030年驅(qū)油利用與封存規(guī)模可達(dá)千萬(wàn)噸。陜西延長(zhǎng)石油集團(tuán)規(guī)劃建設(shè)500×104t/a的CCUS 項(xiàng)目。2022年6月，廣東省發(fā)改委、中海油、殼牌與埃克森美孚通過(guò)“線上+線下”共同簽署大亞灣區(qū)CO2捕集、利用與封存集群項(xiàng)目諒解備忘錄，預(yù)計(jì)年捕集和封存CO2規(guī)模將在千萬(wàn)噸級(jí)以上。2022年11月，中國(guó)石化將在華東地區(qū)啟動(dòng)中國(guó)首個(gè)開(kāi)放式千萬(wàn)噸級(jí)CCUS 項(xiàng)目，為臨近工業(yè)企業(yè)提供一體化CO2減排方案，合作方有殼牌、中國(guó)寶武、巴斯夫公司。

為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，碳捕集、利用及封存技術(shù)逐漸規(guī)模化并商業(yè)推廣，必須突破CO2長(zhǎng)距離輸送技術(shù)難題[11]。中國(guó)有關(guān)CO2運(yùn)輸技術(shù)的研究剛剛起步，尚沒(méi)有大規(guī)模的CO2輸送管線，而國(guó)外在CO2的管道輸送方面已經(jīng)積累了比較多的經(jīng)驗(yàn)，并且有超過(guò)7 000 km的CO2輸送管線，但CO2管道輸送沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)[12]。鑒于需減少向大氣中排放包括CO2在內(nèi)的溫室氣體、中國(guó)在CO2管輸技術(shù)方面的研究很少、國(guó)內(nèi)各油田陸續(xù)進(jìn)入開(kāi)發(fā)中后期容易開(kāi)采的原油越來(lái)越少等現(xiàn)狀，為提高采收率，各油田將CO2驅(qū)作為開(kāi)發(fā)油田的主要接替技術(shù)。在此背景下，CO2長(zhǎng)輸管道的建設(shè)將是解決碳運(yùn)輸必然的選擇，在國(guó)內(nèi)有良好的發(fā)展前景，且CO2管道輸送技術(shù)的研究正是實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)管輸技術(shù)的研究處于起步階段，物性模擬、水力熱力計(jì)算、管輸相態(tài)選取、安全泄放、管材止裂等方面關(guān)鍵技術(shù)欠缺。大規(guī)模、長(zhǎng)距離CO2管道投運(yùn)技術(shù)，管輸增壓泵、密相泵等關(guān)鍵設(shè)備國(guó)產(chǎn)化方面也存在空白。

注采工藝是CO2驅(qū)需優(yōu)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，起著承上啟下的作用，具有保證油藏工程方案制定的重要作用，同時(shí)還關(guān)系到地面工程的建設(shè)[13]。CO2驅(qū)注采井和完井管柱區(qū)別于常規(guī)管柱，大慶油田在1990年引進(jìn)了4 口注入井和9 口采油井的完井管柱，并于1991年開(kāi)展了CO2驅(qū)先導(dǎo)試驗(yàn)，井場(chǎng)選在薩南東部過(guò)渡帶，項(xiàng)目進(jìn)行了接近2年。為生產(chǎn)本土CO2驅(qū)注采井完井管柱，研究人員對(duì)管柱及其配套工藝做了大量的工作[14]。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期研究，中國(guó)已對(duì)CO2驅(qū)注采工藝進(jìn)行了系統(tǒng)研究與實(shí)驗(yàn)，并推廣到礦場(chǎng)，進(jìn)行先導(dǎo)試驗(yàn)。目前中國(guó)CO2驅(qū)注采工藝技術(shù)處于起步階段，與發(fā)達(dá)國(guó)家還存在差距。CO2驅(qū)注采井完井管柱的技術(shù)關(guān)鍵在于注入井管柱的氣密性和采油井管柱的防腐性[15]。早在2004年中國(guó)石化華東油氣田研制出國(guó)內(nèi)首套整體式注氣管柱，并在5口井進(jìn)行了先導(dǎo)試驗(yàn)。中國(guó)石油大慶油田設(shè)計(jì)出分體可鉆式注氣管柱以提高注入井管柱的氣密性，密封原理是用液壓坐封封隔器，這種方式可以改善封隔器的受力達(dá)到密封的作用[16-17]，此類(lèi)管柱應(yīng)用于大慶榆樹(shù)林油田，起到了較好的作用。根據(jù)CO2驅(qū)油注采井保護(hù)套管的技術(shù)思路，華東油氣田研制出“分體式采油管柱”[18]，并在草舍油田泰州組油藏CO2驅(qū)先導(dǎo)試驗(yàn)C31 等井應(yīng)用。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)油田在CO2腐蝕與防護(hù)緩蝕劑上開(kāi)展了大量科學(xué)實(shí)驗(yàn)，一系列的高效緩蝕劑被研制出來(lái)，并進(jìn)行了礦場(chǎng)試驗(yàn)，效果顯著[19-21]。影響防腐效果的因素主要取決于緩蝕劑的配方、含量及其注入工藝。

然而，由于CCUS 是復(fù)雜的龐大系統(tǒng)工程，涵蓋輸送—注入—采出—回注等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)工藝裝備難以支撐CCUS 平穩(wěn)高效運(yùn)行，且國(guó)產(chǎn)化程度低，亟須自主研發(fā)輸注采關(guān)鍵裝備，實(shí)現(xiàn)全過(guò)程CO2平穩(wěn)安全運(yùn)行。勝利油田百萬(wàn)噸級(jí)CCUS 工程建設(shè)過(guò)程中面臨長(zhǎng)距離管輸易相變、注氣壓力高、采油端氣油比高、腐蝕性強(qiáng)等問(wèn)題，經(jīng)過(guò)持續(xù)攻關(guān)，勝利油田形成了輸注采關(guān)鍵工程技術(shù)。對(duì)勝利油田百萬(wàn)噸級(jí)CCUS 輸注采工程工藝與裝備技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)與論述，以期為后續(xù)CCUS工程建設(shè)提供借鑒和指導(dǎo)。

1 長(zhǎng)距離CO2管道安全輸送工藝技術(shù)

長(zhǎng)距離CO2管道輸送受溫度、壓力、位差、組分等因素影響易發(fā)生相變[22-28]，運(yùn)行過(guò)程存在水擊、泄漏、腐蝕、水合物堵塞等安全風(fēng)險(xiǎn)，影響CO2高效安全管輸[29-33]。針對(duì)長(zhǎng)距離管道輸送CO2容易發(fā)生相變的問(wèn)題[34]，經(jīng)過(guò)持續(xù)攻關(guān)及工程實(shí)踐，建立了基于相態(tài)控制的長(zhǎng)距離CO2管道安全輸送工藝技術(shù)。

1.1 基于相態(tài)控制的CO2管輸流動(dòng)保障技術(shù)

為了研究CO2輸送管道中微量雜質(zhì)對(duì)CO2混合物相態(tài)的影響，采用蒙特卡洛分子模擬方法建立了含雜質(zhì)CO2相關(guān)物性與相特性參數(shù)庫(kù)[35]，以立方型狀態(tài)方程為框架建立CO2狀態(tài)和閃蒸計(jì)算模型，形成微量雜質(zhì)擾動(dòng)下的CO2混合物相（圖1），揭示N2對(duì)CO2物性與相特性的協(xié)同作用機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)雜質(zhì)含量逐漸上升時(shí)，含雜質(zhì)CO2的兩相區(qū)域面積增大。根據(jù)CO2管輸環(huán)境的溫壓條件，優(yōu)化控制CO2密度介于900～1 200 kg/m3，易于保證CO2相態(tài)穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)100 km內(nèi)壓降小于1.0 MPa。

圖1 不同雜質(zhì)含量CO2混合物相Fig.1 CO2 mixture phase with different impurity contents

1.2 管道安全泄放與管材止裂技術(shù)

在CO2長(zhǎng)距離管輸過(guò)程中，雜質(zhì)、溫壓、地形、操作等要素會(huì)誘發(fā)CO2溫度和壓力波動(dòng)，接近臨界點(diǎn)時(shí)，管內(nèi)氣泡不斷生成和泯滅，形成沖擊性段塞流，管內(nèi)壓力瞬間突變，造成水擊和管道震動(dòng)，管道意外發(fā)生泄漏導(dǎo)致管內(nèi)壓力瞬間突變，CO2快速發(fā)生相態(tài)變化，從密相轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀唷⒁合嗌踔粮杀亩嘞喙泊鏍顟B(tài)，管內(nèi)產(chǎn)生低溫恒壓窗口，造成管道冰堵和大范圍低溫撕裂。

通過(guò)開(kāi)展含雜質(zhì)CO2泄放試驗(yàn)，明確了不同CO2雜質(zhì)組成以及泄放條件下的流體相變特點(diǎn)和流動(dòng)參數(shù)變化規(guī)律，進(jìn)而明確對(duì)管輸工藝和管材設(shè)備的影響規(guī)律，指導(dǎo)放空系統(tǒng)管材選型。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行管道安全泄放系統(tǒng)設(shè)計(jì)，梳理超臨界CO2管道輸送過(guò)程中面臨的超壓泄放、緊急泄放、檢修泄放場(chǎng)景，制定相應(yīng)的安全泄放操作與控制流程，指導(dǎo)CO2管道的安全泄放。

基于天然氣管道裂紋擴(kuò)展控制，考慮CO2管道和天然氣管道的主要區(qū)別，結(jié)合CO2管道減壓波計(jì)算模型對(duì)比分析，完成了CO2管道斷裂減壓波計(jì)算模型優(yōu)選和含雜質(zhì)CO2減壓波速度特征調(diào)研。在選定減壓速率模型算法和關(guān)鍵系數(shù)修正基礎(chǔ)上，進(jìn)行止裂韌性評(píng)估軟件開(kāi)發(fā)，輸入條件考慮了介質(zhì)組分、設(shè)計(jì)、管材等參數(shù)，能夠評(píng)估管道能否依靠自身止裂，并可以計(jì)算出抗延性斷裂擴(kuò)展所需最小的沖擊韌性要求。

1.3 CO2管道泄漏檢測(cè)與腐蝕防護(hù)技術(shù)

基于CO2輸送管道泄漏周邊溫度場(chǎng)及振動(dòng)場(chǎng)測(cè)試分析試驗(yàn)，制定可靠的泄漏監(jiān)測(cè)方案和光纜敷設(shè)位置，形成CO2泄漏檢測(cè)技術(shù)；以超臨界CO2腐蝕機(jī)理為基礎(chǔ)，由外及里、從局部微觀到整體宏觀地建立了管道內(nèi)腐蝕規(guī)律與材料組織特性之間的構(gòu)效關(guān)系；充分調(diào)研國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)及工程經(jīng)驗(yàn)，確定管道干燥指標(biāo)及干燥介質(zhì)，降低管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。

通過(guò)埋地CO2輸送管道泄漏試驗(yàn)，得到泄漏點(diǎn)周邊溫度場(chǎng)以及感溫、感振、感聲光纖監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，明確了穿硅芯管對(duì)光纖檢測(cè)的影響，驗(yàn)證了感溫、感振、感聲光纖對(duì)泄漏參數(shù)表征的適用性，形成了埋地CO2管道泄漏檢測(cè)方案。

自主研發(fā)了基于多相流的沖蝕試驗(yàn)環(huán)道與插入式腐蝕掛片監(jiān)測(cè)探針與測(cè)試系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了井下多相流的腐蝕原位監(jiān)測(cè)與相關(guān)測(cè)試系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化，為超臨界CO2腐蝕監(jiān)測(cè)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)；開(kāi)發(fā)了基于油田采出液與井口裝置的多相流試驗(yàn)環(huán)道平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)模擬油田采出液對(duì)管路的腐蝕行為研究，相關(guān)技術(shù)可應(yīng)用于超臨界CO2宏觀腐蝕行為的研究。

1.4 CO2管輸增壓泵

針對(duì)增壓過(guò)程溫壓變化大、CO2比熱小、潤(rùn)滑性差等問(wèn)題，在離心泵結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)優(yōu)化增壓比和流道結(jié)構(gòu)來(lái)控制流速，控制增壓過(guò)程中的熵焓變化來(lái)控制升溫過(guò)程，同時(shí)選用自潤(rùn)滑性強(qiáng)且溶脹性低的聚醚醚酮（PEEK）復(fù)合材質(zhì)，解決了易相變、自潤(rùn)滑性差等問(wèn)題。CO2管輸增壓泵的排量125 m3/h，揚(yáng)程1 km，與國(guó)外相比節(jié)能10%，投產(chǎn)后運(yùn)行穩(wěn)定，運(yùn)行效率達(dá)到72%（國(guó)外同類(lèi)泵在65%左右），優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)（圖2）。

圖2 CO2管輸增壓泵Fig.2 CO2 pipeline booster pump

創(chuàng)建離心泵內(nèi)部流動(dòng)的CO2水熱力學(xué)計(jì)算和熵焓控制模型，建立最優(yōu)增壓比以及溫控界限、回流控制的計(jì)算方法，創(chuàng)新鑲嵌式蜂窩狀口環(huán)結(jié)構(gòu)和泵軸系自平衡型結(jié)構(gòu)，保證離心泵獲得優(yōu)越輸送效率和增壓過(guò)程中的振動(dòng)精準(zhǔn)控制。設(shè)計(jì)多重機(jī)械密封沖洗系統(tǒng)、動(dòng)壓性循環(huán)隔離液循環(huán)壓力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、隔離液泄漏收集裝置，自動(dòng)判別機(jī)械密封運(yùn)行狀態(tài)，確保輸送介質(zhì)CO2和隔離液“雙零”泄漏。CO2管道輸送增壓泵額定出口壓力12 MPa，額定排量125 m3/h，額定效率不小于72%，振動(dòng)位移0.6～1.3 mm，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)高效運(yùn)行。

2 CCUS地面注入工程技術(shù)

國(guó)內(nèi)外地面注入工藝不足主要表現(xiàn)為：固定注入模式不適應(yīng)區(qū)塊條件，在用CO2儲(chǔ)罐不合理，穩(wěn)定供液能力不足，增壓工藝復(fù)雜且效率低，注入系統(tǒng)易氣化，多井同注流量分配不平衡等問(wèn)題。為滿足油田大排量CO2注入的需要，本著簡(jiǎn)單、快捷、高效的原則，完成了注入設(shè)備的模塊化、系列化研發(fā)工作，并自主研發(fā)了國(guó)內(nèi)首臺(tái)套CO2高壓密相注入泵及低溫密閉注入泵。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)模式

形成模塊化設(shè)計(jì)、系列化裝備、自動(dòng)化配套、標(biāo)準(zhǔn)化制造模板：①根據(jù)注入流程的特點(diǎn)，將系統(tǒng)分成存儲(chǔ)、注入、計(jì)量控制3 個(gè)模塊，3 個(gè)模塊單獨(dú)成撬，可以靈活組合；②設(shè)計(jì)多種排量的注入模塊，配套形成注入能力互相覆蓋、互相補(bǔ)充的系列化注入系統(tǒng)，滿足區(qū)塊注入多樣化需求；③每個(gè)模塊集成自動(dòng)化、信息化功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集遠(yuǎn)傳，自動(dòng)控制；④采用統(tǒng)一的尺寸外形，標(biāo)準(zhǔn)的接口和組件，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化制造與快速拆裝，便于管理維護(hù)。

2.2 撬裝多井式計(jì)量調(diào)流裝置

創(chuàng)新體積流量的全相態(tài)CO2溫壓密度補(bǔ)償算法、CO2偏流控制技術(shù)，研發(fā)撬裝多井式計(jì)量調(diào)流裝置，計(jì)量誤差小于7%，實(shí)現(xiàn)多井精準(zhǔn)計(jì)量與分配，解決了一泵對(duì)多井同時(shí)注入的難題，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域裝備應(yīng)用的空白。該裝備配合管道CO2運(yùn)輸，實(shí)現(xiàn)管道與井口注入無(wú)縫連接。目前26 臺(tái)設(shè)備同步運(yùn)行，整體運(yùn)行平穩(wěn)。

2.3 高壓CO2密相注入泵

CO2在高壓注入過(guò)程中存在以下挑戰(zhàn)：①溫壓上升快，CO2管道出口端壓力為9 MPa，假如將CO2注入地層，需要增壓到40 MPa，壓力增加3 倍以上，此過(guò)程CO2的溫度由20 ℃快速上升到40 ℃，CO2由密相狀態(tài)快速轉(zhuǎn)變?yōu)槌R界狀態(tài)；②超臨界CO2具有較大的壓縮性，在柱塞泵往復(fù)運(yùn)行過(guò)程中CO2會(huì)被反復(fù)壓縮，占據(jù)一定體積的泵腔，使得進(jìn)入泵的密相CO2量少，呈現(xiàn)出較強(qiáng)的氣縛現(xiàn)象，泵效低；③高壓下泵的密封難度大，同時(shí)柱塞兩端壓差大、易氣化。

針對(duì)上述難題，勝利油田經(jīng)過(guò)持續(xù)攻關(guān)，研發(fā)了國(guó)內(nèi)首臺(tái)套CO2高壓密相注入泵。通過(guò)采用變直徑的柱塞結(jié)構(gòu)和低轉(zhuǎn)速控制技術(shù)，縮小柱塞遠(yuǎn)端沖程與氣缸端部空間間隙，最大限度地減少增壓過(guò)程中的氣縛現(xiàn)象。采用聚醚醚酮（PEEK）抗溶脹密封復(fù)合材料，泵頭加裝了高壓氣液分離裝置，解決高壓超臨界CO2密封問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了全過(guò)程高效密閉注入。設(shè)計(jì)特定結(jié)構(gòu)的壓力平衡管，把一部分高壓端的氣體引入低壓端，解決了壓力變化大、易氣化的問(wèn)題。該注入泵實(shí)現(xiàn)了CO2密相狀態(tài)下高壓（40 MPa）穩(wěn)定注入，礦場(chǎng)試驗(yàn)泵容積效率90%以上，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域裝備應(yīng)用的空白。

3 CO2注采工藝技術(shù)

注采工程是CCUS 的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)境，CO2驅(qū)油與封存注采工藝主要面臨高壓下安全注入困難、高氣油比條件下舉升效率低、高溫高鹽復(fù)雜條件下腐蝕控制難度大、產(chǎn)出氣處理效率低等問(wèn)題。勝利油田通過(guò)室內(nèi)研究及礦場(chǎng)試驗(yàn)，自主研發(fā)了免壓井安全注氣管柱、CO2驅(qū)多功能采油管柱、CO2驅(qū)腐蝕防護(hù)、產(chǎn)出氣回收回注等注采配套工程工藝技術(shù)，為深層低滲透油藏CO2高壓混相驅(qū)油與封存提供支撐。

3.1 免壓井安全注氣管柱

當(dāng)注氣井轉(zhuǎn)為生產(chǎn)井或其他原因需要更換管柱時(shí)，由于CO2具有較高的膨脹性使施工過(guò)程存在較大安全隱患，因此設(shè)計(jì)出了免壓井安全注氣管柱。在免壓井注氣管柱中反洗閥的功能是在正常注氣時(shí)保持油管連通和環(huán)空關(guān)閉，而在反洗井時(shí)反洗閥通過(guò)與環(huán)空連通可以替換保護(hù)液；水力錨的功能是錨定管柱；密封插頭的組成包括插頭及“O 型”圈，主要作用是與回接筒配套，把丟手管柱與密插管柱連接起來(lái)，并能發(fā)揮密封的功能；蝶板閥的工作規(guī)律是當(dāng)有上部外力作用時(shí)，蝶板可翻轉(zhuǎn)一定角度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)內(nèi)部的連通，當(dāng)施加在蝶板的外力消除后，在彈簧力的作用下蝶板可以恢復(fù)原狀，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)井內(nèi)氣體密封。

免壓井安全注氣管柱主要有4個(gè)特點(diǎn)：①運(yùn)用錨定式管柱結(jié)構(gòu)，可避免管柱蠕動(dòng)，保障正常進(jìn)行注氣作業(yè)，同時(shí)對(duì)丟手管柱上部套管進(jìn)行保護(hù)；②可用于反洗井作業(yè)時(shí)更換環(huán)空保護(hù)液，當(dāng)含有緩蝕劑的環(huán)空保護(hù)液注入油套環(huán)空時(shí)，利用反洗閥液體可以直接進(jìn)入油管，然后通過(guò)油管返出井筒，進(jìn)而起到保護(hù)油層的作用；③利用分體式丟手結(jié)構(gòu)，在上部注氣管柱需要更換時(shí)，不需要起出下部丟手管柱；④利用多功能注氣閥和蝶板單向閥可以保障上部管柱不壓井作業(yè)。

3.2 CO2驅(qū)多功能采油管柱

生產(chǎn)井采用CO2驅(qū)開(kāi)發(fā)時(shí)，隨著開(kāi)采時(shí)間的增加，氣竄和結(jié)垢等問(wèn)題會(huì)逐漸出現(xiàn)，按照油藏工程方法進(jìn)行計(jì)算，見(jiàn)氣時(shí)間因生產(chǎn)井不同而不同。針對(duì)不同階段見(jiàn)氣情況，同時(shí)考慮后期方便換泵換管，設(shè)計(jì)了兼具高氣油比、丟手、關(guān)閉等功能作用的采油管柱（圖3），該管柱可以實(shí)現(xiàn)高氣油比深抽、腐蝕監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)測(cè)壓、油層保護(hù)、安全作業(yè)等。其適用條件為：井徑介于121～125 mm，井深不大于3 500 m，油藏壓力不大于30 MPa，油藏溫度不高于150 ℃。

圖3 采油管柱結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of oil recovery pipeline

3.3 CO2驅(qū)腐蝕防護(hù)配套技術(shù)

油田開(kāi)發(fā)過(guò)程中，腐蝕是造成油管穿孔、斷脫失效的主要原因之一。在含水及CO2酸性環(huán)境下，鋼鐵腐蝕程度加劇，腐蝕速率可高達(dá)20 mm/a。隨著CO2驅(qū)油與封存礦場(chǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，生產(chǎn)井產(chǎn)出氣中CO2含量變得越來(lái)越高，大量油管因腐蝕問(wèn)題而失效。CO2驅(qū)油過(guò)程中的管柱腐蝕受多種因素影響，主要包括管材成分、CO2分壓、含水率、pH 值、溫度、原油性質(zhì)、多相流體的流速與流態(tài)等因素。根據(jù)腐蝕的形式可分為全面腐蝕和局部腐蝕2 類(lèi)。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究表明：當(dāng)含水小于30%時(shí)，管材輕度腐蝕；當(dāng)含水介于30%～50%時(shí)，腐蝕形式由均勻腐蝕轉(zhuǎn)變?yōu)榫植扛g，注采管材腐蝕速度隨溫度增加先增大后減小，在50～80 ℃達(dá)到最大值。隨CO2分壓增加，包括N80、J55、25CrMnVA 在內(nèi)的不同管材鋼種腐蝕速率整體上呈曲折上升的趨勢(shì)，這主要由于隨著CO2分壓增加，CO2在介質(zhì)中溶解量增加，CO2與水反應(yīng)生成的碳酸量增加，氫離子去極化腐蝕作用增強(qiáng)，腐蝕反應(yīng)速率加快。

基于腐蝕機(jī)理研究，形成以添加緩蝕劑為主、耐蝕材料為輔的油井防腐配套技術(shù)，優(yōu)化了油井添加緩蝕劑防腐工藝。采用計(jì)量泵加注緩蝕劑或光桿控制柱塞泵加緩蝕劑的方式，滿足井口壓力高于大氣壓力時(shí)的緩蝕劑加注需求。舉升管柱尾管下到油層以下，使緩蝕劑能流到油層部位，保護(hù)泵以下的套管。井口連續(xù)監(jiān)測(cè)Fe2+含量、緩蝕劑殘余含量，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果調(diào)整緩蝕劑注入質(zhì)量分?jǐn)?shù)、加注量。緩蝕劑溶液的運(yùn)動(dòng)黏度一般應(yīng)小于2 mm2/s。預(yù)膜的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為最佳加藥質(zhì)量分?jǐn)?shù)的5～7 倍。在超臨界CO2環(huán)境下，碳鋼表面的過(guò)剩電荷由負(fù)轉(zhuǎn)正，常規(guī)陽(yáng)離子咪唑啉CO2緩蝕劑的緩蝕性能顯著下降；原油與咪唑啉類(lèi)緩蝕劑具有協(xié)同作用，能顯著增強(qiáng)套管鋼表面的疏水性，從而顯著提升緩蝕劑緩蝕性能；常規(guī)咪唑啉緩蝕劑在高溫CO2體系會(huì)失效，是由于高溫下咪唑啉部分水解，碳鋼表面快速形成的腐蝕產(chǎn)物層阻礙了緩蝕劑的吸附。在130 ℃條件下，研發(fā)的緩蝕劑含量100 mg/L 時(shí)，管材鋼種N80 的腐蝕速率低于0.076 mm/a，緩蝕效率為91%。

3.4 CO2驅(qū)采出液回收處理工藝技術(shù)

通過(guò)分析含CO2原油發(fā)泡理論機(jī)理，微觀分析含CO2原油的泡沫特性、演變過(guò)程等，研究不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)部件對(duì)分離效率的影響，形成了氣液分離及原油密閉脫碳技術(shù)。采出油采用“熱化學(xué)沉降脫水+微正壓密閉脫碳”工藝，最大限度脫除原油中溶解CO2；采出水采用氣提脫碳工藝，脫除采出水中溶解CO2量不大于50 mg/L，用于油田開(kāi)發(fā)。通過(guò)分析飽和烴組分以及大分子瀝青質(zhì)、膠質(zhì)等對(duì)乳狀液穩(wěn)定性的影響，確定主要的影響因素并分析穩(wěn)定機(jī)理；從破乳劑加入后，乳狀液中粒徑增長(zhǎng)及遷移規(guī)律、界面張力、界面膜強(qiáng)度（界面黏度及界面黏彈性）等方面研究破乳劑的作用機(jī)理，形成了適用于CO2驅(qū)采出液的高效破乳劑，游離態(tài)CO2脫除率90.3%，游離水脫除率小于90%，水中含油率小于500 mg/L；通過(guò)分析高含CO2采出水的特性，分析采出水中CO2含量、壓力、溫度、礦化度對(duì)腐蝕速率的影響規(guī)律，形成了采出水高效氣提脫碳技術(shù)，采出水處理后游離CO2含量不大于25 mg/L；通過(guò)對(duì)壓縮機(jī)基本工作特性研究，總結(jié)壓縮機(jī)主機(jī)與機(jī)組系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)、機(jī)組系統(tǒng)控制與保護(hù)工作邏輯、級(jí)間相態(tài)控制與穩(wěn)壓匹配手段，形成了伴生氣高效處理技術(shù)，伴生氣處理及回注裝置適用的CO2含量介于30%～95%。采出氣高含CO2，開(kāi)發(fā)形成變壓吸附脫碳、低溫液化精餾、直接增壓回注的產(chǎn)出氣再利用工藝，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)出氣100%回收再利用，提高CO2利用率。

針對(duì)產(chǎn)出氣處理成本高、處理工藝復(fù)雜多樣、產(chǎn)出氣規(guī)模和CO2含量差異的問(wèn)題，形成低成本、規(guī)模化的地上地下一體化產(chǎn)出氣回收利用技術(shù)。采出液實(shí)現(xiàn)全程密閉集輸與處理，確保“油不落地，水不外排，氣不上天”。目前，上述技術(shù)已在勝利油田高89—樊142 地區(qū)CO2驅(qū)油與封存示范工程、廣利油田萊113 塊沙四上段CO2驅(qū)提高采收率先導(dǎo)試驗(yàn)工程等項(xiàng)目上進(jìn)行應(yīng)用，其中高89—樊142 項(xiàng)目已投入運(yùn)行，運(yùn)行狀況良好。

4 勝利油田百萬(wàn)噸級(jí)CCUS示范工程

2022年8月，中國(guó)石化建設(shè)的首個(gè)百萬(wàn)噸級(jí)CCUS 全產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)痉豆こ淘趧倮吞锔?9—樊142地區(qū)注氣投產(chǎn)全面建成，該工程是集CO2捕集工程、管輸工程、注入裝備、驅(qū)油封存、注采工藝、集輸回注為一體的多領(lǐng)域、多節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)工程，工程流程如圖4所示。

圖4 勝利油田百萬(wàn)噸級(jí)CCUS示范工程流程Fig.4 Process of million-ton level CCUS demonstration project of Shengli Oilfield

該工程建成國(guó)內(nèi)最長(zhǎng)超臨界壓力CO2長(zhǎng)輸管道，補(bǔ)齊了中國(guó)CCUS 全鏈條規(guī)模化技術(shù)短板，減少車(chē)輛運(yùn)輸4×104輛次，單位距離運(yùn)輸成本降低35%，減少天然氣約200×104m3。安全注氣管柱可滿足50 MPa高壓注入需求，平均有效期提高5.8 倍，礦場(chǎng)累計(jì)實(shí)施88 井次。高氣液比井防氣提效舉升技術(shù)實(shí)施68口井，平均氣油比130 m3/m3，平均泵效35.1%，比示范區(qū)常規(guī)機(jī)抽管柱泵效提高6%，滿足目前見(jiàn)氣機(jī)抽井舉升需求。

地面工程以“清潔低碳、安全環(huán)保”為原則，按照“五化建設(shè)”標(biāo)準(zhǔn)，提升工程建設(shè)水平。其中注入系統(tǒng)依托現(xiàn)有井場(chǎng)，無(wú)新增征地，新建15 座注入站；采用撬裝化裝備，實(shí)現(xiàn)快速搬遷安裝；打造區(qū)域信息化指揮中心，實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控、無(wú)人值守、機(jī)動(dòng)維保。集油系統(tǒng)依托現(xiàn)有站場(chǎng)，東西分設(shè)2 座區(qū)域中心，原油就近插輸；采出氣液實(shí)現(xiàn)全過(guò)程密閉集輸與處理，確保“油不落地、氣不上天、水不外排”。伴生氣脫水后，通過(guò)注氣壓縮機(jī)回注至正南油田。預(yù)計(jì)CO2一次封存率60%～70%，二次封存率達(dá)90%以上，多次循環(huán)回注，可實(shí)現(xiàn)CO2封存。同時(shí)完成監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)504 個(gè)，獲取了注入井、油井、管線等周邊大氣、土壤氣、淺層地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)值2 000多個(gè)，為CO2泄漏評(píng)估提供數(shù)據(jù)支撐。

2022年8月25日，國(guó)內(nèi)首個(gè)百萬(wàn)噸級(jí)CCUS 示范工程全面建成投產(chǎn)。示范區(qū)目前平均注氣壓力29 MPa，日注氣量（0.12～0.18）×104t，累計(jì)注氣量55.4×104t，日產(chǎn)油量331 t，產(chǎn)量穩(wěn)中有升，含水保持平穩(wěn)，各環(huán)節(jié)運(yùn)行良好，環(huán)境監(jiān)測(cè)無(wú)異常，實(shí)現(xiàn)“平穩(wěn)、安全、高效、綠色”運(yùn)行。

5 結(jié)論

勝利油田百萬(wàn)級(jí)CCUS 工程建設(shè)過(guò)程中面臨長(zhǎng)距離管輸易相變、注氣壓力高、采油端氣油比高、腐蝕性強(qiáng)等問(wèn)題，經(jīng)過(guò)持續(xù)攻關(guān)，勝利油田形成了輸注采關(guān)鍵工程技術(shù)，支撐了百萬(wàn)噸級(jí)CCUS 示范工程建設(shè)，為CCUS規(guī)模化推廣奠定了良好基礎(chǔ)。

1）針對(duì)壓損溫差帶來(lái)的CO2相變、長(zhǎng)距離泄漏風(fēng)險(xiǎn)，建立了基于相態(tài)控制的長(zhǎng)距離CO2管道安全輸送工藝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高效經(jīng)濟(jì)輸送。研發(fā)了國(guó)內(nèi)首臺(tái)套管道輸送泵，建成了國(guó)內(nèi)最長(zhǎng)的超臨界壓力CO2長(zhǎng)輸管道，補(bǔ)齊了中國(guó)CCUS全鏈條規(guī)模化技術(shù)短板。

2）為滿足示范工程大排量CO2高壓注入的需要，完成了注入設(shè)備的模塊化、系列化研發(fā)，研發(fā)了國(guó)內(nèi)首臺(tái)套高壓密相注入泵，實(shí)現(xiàn)了高效注入。

3）針對(duì)CCUS 示范區(qū)注氣壓力高、氣液比高、腐蝕強(qiáng)等問(wèn)題，研發(fā)了免壓井安全注氣管柱、CO2驅(qū)多功能采油管柱、CO2驅(qū)腐蝕防護(hù)和產(chǎn)出氣回收回注工藝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高效安全注入和長(zhǎng)效腐蝕防護(hù)。

4）建成了中國(guó)首個(gè)集CO2管輸工程、注入裝備、驅(qū)油封存、注采工藝、集輸回注為一體的，多領(lǐng)域、多節(jié)點(diǎn)的CCUS 示范工程，目前各環(huán)節(jié)運(yùn)行良好，實(shí)現(xiàn)“平穩(wěn)、安全、高效、綠色”運(yùn)行。