李新彩 張光宇 申文鵬 袁玉曉

（1.中國石油華北油田分公司工程技術部；2.中國石油大學（北京）；3.中國石油工程建設有限公司華北分公司）

0 引言

華北蒙古林油田于1990年6月正式投入開發(fā)。截至 2019年 12月，礫巖生產總井數 95口，開井78口，日產液1 393 t，綜合含水91.83%，累計產油248.3×104t；水井總數31口，開井14口，日均注水1 129.2 m3，累計注水2 319.3×104m3；月注采比0.676，累計注采比0.943地質儲量采出程度18.05%?，F處于“雙高”開發(fā)階段，原有水驅提高采收率的方法效率降低，亟需研究新油藏開發(fā)方式，即火驅開發(fā)方式進行油藏開采。

本火驅開發(fā)先導試驗原理是利用空氣作為注氣氣源，先由低壓壓縮機增壓，干燥機干燥，再進入高壓壓縮機增壓至15 MPa。通過枝狀注氣管網向油層內注入高壓空氣。利用原油中 10%～15%的重質組分作為燃料就地燃燒，燃燒產生的熱量、氣體、水蒸氣、氣態(tài)烴等形成混相驅，把原油驅向生產井。生產井將采出液和伴生氣通過集輸管道混輸進油氣處理站，經過油、氣、水分離后，原油進入蒙一聯(lián)外輸泵外輸，分離出的伴生氣和煙道氣低壓輸送到其他油田區(qū)塊有效利用，采出水進行有效回注。

1 注氣站壓縮機選型及流程設計

1.1 火驅注氣特點

火驅試驗要求試驗期間注氣中止時間不超過24小時，特別是點火初期應控制在 12小時以內。點火階段單井注氣量調整幅度較大，需要控制所注空氣水露點，防止注氣管道腐蝕。本試驗注入氣為空氣，設計注氣壓力15 MPa下空氣水露點為-5 ℃。參考GB 50251—2015《輸氣管道工程設計規(guī)范》要求，“進入輸氣管道的氣體水露點應比輸送條件下最低環(huán)境溫度低5 ℃”，由于本試驗注氣管道敷設在冰凍層以下，環(huán)境溫度大于0 ℃，氣體的水露點需≤-5 ℃即可，換算成干燥機出口壓力露點為-33.9 ℃（0.95 MPa）。根據干燥機選型要求，并參考GB/T 13277.1—2008《壓縮空氣 第1部分：污染物凈化等級》規(guī)定空氣濕度等級，低壓壓縮機后處理干燥設備出口空氣壓力露點控制為-40 ℃（1.0 MPa）。濕度等級劃分如表1所示。

表1 濕度等級表

1.2 注氣參數

火驅試驗區(qū)塊共有6口注氣井采用逐一點火方式將油層點燃，點火階段單井注氣量0.6×104m3/d。整個生產期注氣壓力在10.8 MPa以上，其他見表2。

表2 注氣參數表

表中數據可以看出，整個過程注氣量呈現先上升后下降的特點，氣量變化范圍較大。

1.3 壓縮機選型及注氣工藝

本試驗中注氣地層壓力為10.8 MPa，考慮沿程壓損及注氣后期地層壓力升高等因素，壓縮機出口壓力定為15 MPa。由于單一機型無法實現本項目工況要求，因此采用低壓壓縮機+高壓壓縮機組合的形式滿足注氣要求。

1.3.1 低壓壓縮機選型

根據注氣期內氣量變化范圍較大的特點，低壓壓縮機選用的是4臺螺桿壓縮機（3用1備），具體運行工況如圖1。

圖1 低壓壓縮機運行工況

螺桿壓縮機具有結構簡單，流量調節(jié)范圍廣，占地面積小等優(yōu)點。壓縮機單臺排氣量為 8.8×104Nm3/d，進口溫度-40～39.7 ℃，進口壓力常壓，出口溫度40～50 ℃，出口壓力1.0 MPa。

根據前7個月注氣量3.6×104～7.2×104Nm3/d，開啟1臺變頻螺桿機即可，需要注意的是點火工況下，第一口井的點火注氣量為0.6×104Nm3/d，此時需部分氣體放空；在6口注氣井全部點燃后基本不再放空，靠氣量調節(jié)運行一臺壓縮機。當注氣至8～108個月時，注氣量18×104～24×104Nm3/d，開啟2臺工頻和 1臺變頻螺桿壓縮機進行氣量調節(jié)。109～120個月，注氣量下降，開啟1臺工頻和1臺變頻壓縮機即可滿足注氣需求。

1.3.2 高壓壓縮機選型

高壓壓縮機選用3臺往復壓縮機（2用1備），往復壓縮機具有排氣壓力高、氣量調節(jié)范圍大、總功率低、占地面積小、投資少等特點。單臺壓縮機排氣量 12×104Nm3/d，進口溫度 40～50 ℃，進口壓力 0.95 MPa，出口溫度經過級間冷卻后控制在50 ℃，出口壓力15 MPa，具體運行工況如圖2。

圖2 高壓壓縮機運行工況

從圖中可以看出，前 7個月注氣量 3.6×104～7.2×104Nm3/d，開啟1臺變頻往復機，氣量調節(jié)范圍 6.6×104～12×104Nm3/d；點火工況和前期需有部分空氣放空，當氣量需求達到6.6×104Nm3/d時，不再放空，可根據氣量需求進行調節(jié)。注氣8～120個月時，注氣量16.5×104～24×104Nm3/d，開啟1臺工頻和1臺變頻壓縮機進行氣量調節(jié)。

1.3.3 注氣站工藝流程

利用空氣作為注氣氣源，進入壓縮機后經自潔式過濾網將空氣中的固體雜質及顆粒過濾，隨后經過增壓、變頻調節(jié)和恒壓控制（出口壓力1.0 MPa），冷卻后（排氣溫度≤50 ℃）進入空氣干燥系統(tǒng)（水露點控制在-40 ℃，1.0 MPa），再進入高壓壓縮機增壓至出口壓力15 MPa，冷卻后（排氣溫度≤55 ℃），進入高壓緩沖罐穩(wěn)壓后出站。

1.3.4 注氣管網

高壓注氣管道采用枝狀連接方式，將壓縮空氣輸至各單井井場，通過流量計量和流量分配后注入地下（投產初期油、套管同時注氣，以防可燃氣體竄入井筒）。井口設置流量調節(jié)閥，流量調節(jié)閥與流量計連鎖，合理分配單井注氣量。在注氣井場單井注氣管道上設置止回閥，防止地下高壓氣體反竄造成壓縮機及管道損壞，進站管道上設置截斷閥，實現站內外系統(tǒng)截斷。具體流程如圖3。

圖3 注氣井工藝流程圖

2 油氣集輸及處理工藝

2.1 油氣集輸工藝

根據原油物性（見表3）和產量預測（見表4），經過模擬計算，先導試驗期22口生產井采用枝狀串接方式，將油氣混輸至蒙一聯(lián)新建油水處理站。

表3 蒙古林油田斷塊原油物性

產量預測如表4。

表4 火驅試驗產量預測表

采用一級布站單管集輸工藝，井口回壓小于1.5 MPa，集輸溫度正常值在37～60 ℃范圍內，井口溫度達到80 ℃關井。共設計4條集油干線，集油干線采用變徑管，根據串接井數逐漸變多，管徑逐級變大，保證端點井正常生產。

鑒于采出氣量比較大，為避免管道出現氣阻憋壓影響單井產量，對油氣集輸方式進行了比選（如表 5）。

表5 集輸方案對比表

根據對比結果，油氣混輸井口回壓較低，管網投資較低，因此選擇油氣混輸方案。

圖4為油氣井集輸工藝流程圖，油氣井工藝流程設計為井口采出液采用功圖量油，預留標定口定期標定功圖量油精確度；井口套管氣管道上安裝孔板流量計，在線計量套管氣量。

圖4 油氣井集輸工藝流程圖

2.2 油氣處理工藝

油氣處理采用分離器進行分離，分離出的伴生氣+煙道氣輸送至其他區(qū)塊回注地層；分離出的原油隨蒙一聯(lián)原油一并輸走；采出水與蒙一聯(lián)采出水一并輸往其他區(qū)塊回注地層。

鑒于生產氣量較大，站內設兩級分離。油氣混輸進站后先進行氣液分離，控制壓力0.6 MPa。分離出的液相進入三相分離器進行二級分離，控制壓力0.3 MPa；兩級分離的氣相在干燥機干燥后，伴生氣和煙道氣低壓輸送至其他區(qū)塊回注。

3 設備及管道材質選擇

3.1 煙道氣配置

在蒙一聯(lián)加熱爐獲取煙道氣，按氣體成分比例配置試驗用煙道氣：H2S（0.08%）、CO2（15%）、O2（3%）、CO（5%）。采用蒙古林M10-13井采出液，用配制出的煙道氣進行飽和。

3.2 地面集輸管道模擬環(huán)境

1）油氣混輸管道：試驗壓力2.0 MPa；試驗溫度 50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃；試驗介質為含水 70%乳狀液（飽和煙道氣）；材質采用20號鋼、304L、316L三種。

2）煙道氣集氣管道（濕氣）：試驗壓力2.0 MPa；試驗溫度50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃；采用20號鋼、304L、316L、2205、625五種材質。

3.3 油氣混輸管道掛片試驗

通過室內試驗，304L鋼、316L鋼腐蝕等級均為低級，20號鋼腐蝕等級為中級至高級。其中，20號鋼在70%含水乳化液中（飽和煙道氣），在試驗溫度為50 ℃時的平均腐蝕速率為0.100 2 mm/a，腐蝕等級為中級；鑒于試驗煙道氣組分H2S為極端高值，且實際生產運行溫度為37～50 ℃，低于試驗溫度，因此，油氣混輸管道可采用20號鋼（根據在其他油田調研結果也是多采用20號鋼）。

3.4 伴生氣（煙道氣）管道掛片試驗

通過室內試驗，2205鋼、625鋼、316L鋼、304L鋼的腐蝕等級均為低級，20號鋼腐蝕等級為嚴重級。鑒于試驗中煙道氣腐蝕氣體組分為極端高值，考慮316L鋼材耐腐蝕性較強，確定伴生氣管道選用316L。

3.5 注氣管道（空氣）材質

根據注氣工藝參數，通過干燥機控制壓縮空氣露點-40 ℃（1.0 MPa），當井口壓力14.6 MPa，井口溫度為30 ℃時，沒有游離水析出。但由于介質輸送壓力較高，本試驗注氣管道選用L360Q無縫鋼管。

3.6 設備材質及防腐

油氣處理站主要設備有氣液分離器、三相分離器等，根據掛片試驗結果，對設備內填料采用316L材質；設備筒體、封頭等采用Q345R壓力容器專用鋼板。設備內表面采用非碳系淺色環(huán)氧導靜電涂料防腐，外防腐采用酚醛環(huán)氧涂料。

4 研究結論

華北油田火驅油層先導試驗試點工程具有注氣量逐年變化，變化范圍大的特點，造成了壓縮機選型困難。經過大量調研得出，選用低壓螺桿機和高壓往復機匹配，在點火階段少量放空空氣，正常生產期低注氣量情況下，可通過調節(jié)壓縮機啟動臺數和變頻功能，實現正常運行。另外，火燒油層產生的煙道氣含 H2S、CO2、O2、CO等腐蝕氣體，易腐蝕設備和管道，通過大量室內掛片試驗模擬生產狀況，優(yōu)選出了適合生產需要的設備和管材，為生產穩(wěn)定運行提供幫助。

本次工藝技術試驗，在火驅開發(fā)項目中有關壓縮機選型和管材選用方面取得了一定的經驗。對提高華北油田普通稠油開發(fā)技術水平，特別是提高普通稠油老區(qū)采收率，形成經濟有效接替技術，推動油田持續(xù)發(fā)展等方面具有十分重要的意義。對今后華北油田其他類似項目和開展大規(guī)模注空氣火驅項目具有指導意義。