梁艷（中石化江漢石油工程設(shè)計(jì)有限公司 湖北 武漢 430223）

引言

阿爾及利亞扎爾則油田經(jīng)過40多年的開發(fā)，已進(jìn)入油田開發(fā)的后期階段，為了保持油田的穩(wěn)產(chǎn)，提高原油采收率，建立了I A區(qū)和I V區(qū)2個(gè)輕烴混相驅(qū)注先導(dǎo)試驗(yàn)站開展混相驅(qū)先導(dǎo)試驗(yàn)。烴氣混相驅(qū)注采用天然氣和液化氣為原料，按一定比例在高壓下進(jìn)行混合，形成液態(tài)混合物代替水注入地下目的層位，以補(bǔ)充油藏壓力，提高原油采收率。本文以I A區(qū)注入站為例，簡(jiǎn)要介紹天然氣與液化氣在高壓下混合后注入地下的混合工藝。

一、混合工藝

1.注入條件

地質(zhì)部門在實(shí)驗(yàn)室對(duì)地下油藏情況進(jìn)行長(zhǎng)細(xì)管模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果要求注入地下的混合烴相態(tài)為全液相，流量為300 m3/d，LPG與天然氣的比例為40%：60%，注入壓力為13.5M Pa。地面混合工藝設(shè)計(jì)必須滿足地下試驗(yàn)的要求。

2.原料氣來源

混合輕烴的原料為干天然氣和液化氣。I A注入站干氣來自附近油田天然氣管網(wǎng)，進(jìn)站溫度為30℃，壓力為6.0 M Pa。液化氣來自80 k m外的阿爾拉天然氣處理廠，采用汽車?yán)\(yùn)的方式運(yùn)輸?shù)阶⑷胝镜囊夯瘹鈨?chǔ)罐儲(chǔ)存，儲(chǔ)存溫度約16℃，壓力約0.5～0.6 M p a。

3.混合工藝

根據(jù)地下注入要求，在混合輕烴注入前，液化氣和干氣都需要增壓，基于存在增壓和混合兩個(gè)步驟，可選擇的混合工藝分兩種：一是先將液化氣和天然氣混合，混合物增壓后注入地下；二是將液化氣和天然氣分別增壓到13.5M Pa后進(jìn)行混合，再注入地下。

混合工藝一：先混合后增壓

通過H Y SY S軟件對(duì)介質(zhì)相態(tài)的模擬計(jì)算，無論是將LPG增壓到6 M p a后與干氣混合，還是將干氣降壓到0.5～0.6 M p a與LPG混合，混合介質(zhì)均為氣液兩相狀態(tài)。對(duì)于介質(zhì)增壓，目前國(guó)內(nèi)外采用的增壓設(shè)備主要分為兩類：一類是壓縮機(jī)增壓，適用于氣相介質(zhì)，且介質(zhì)較干凈，不含雜質(zhì)或雜質(zhì)含量非常少，增壓設(shè)備前一般需要安裝過濾/分離設(shè)備，除去介質(zhì)中的凝液、固體懸浮物等雜質(zhì)。本工藝需要增壓的介質(zhì)是氣液兩相狀態(tài)，不能將液相作為雜質(zhì)分離出去，因此不適用這類增壓設(shè)備。另一類是采用泵增壓，主要用于液體增壓，輸送的介質(zhì)不含氣體。其中混輸泵可用于含少量氣體的兩相介質(zhì)的增壓，但混輸泵運(yùn)行時(shí)氣液分開輸送，在氣體含量較高情況下，即使能提高介質(zhì)壓力，增壓后仍為兩相，不能滿足地質(zhì)部門的“氣液不分開”的注入要求，因此不能采用該混合工藝，應(yīng)分別增壓后再混合。

混合工藝二：先分別增壓后混合

LPG和干氣分別增壓到13.5M p a后，按照40%：60%的比例在混合器混合后，注入地下層位，工藝流程如下：

混烴管道

（液態(tài)）

（1）干氣增壓工藝

從站外管網(wǎng)來的天然氣分離出雜質(zhì)后，利用壓縮機(jī)增壓到13.5M Pa，經(jīng)冷卻、分離、計(jì)量后進(jìn)入靜態(tài)混合器與LPG混合。天然氣進(jìn)站溫度約30℃，經(jīng)壓縮機(jī)增壓后，出口溫度超過70℃，需進(jìn)行冷卻。鑒于注入站地處撒哈拉沙漠，白天氣溫高，水源緊張，本工程壓縮機(jī)冷卻系統(tǒng)采用空氣/水冷相結(jié)合的冷卻方式，冷卻后的干氣溫度比空氣溫度高約5℃。為了準(zhǔn)確計(jì)量注入的干氣流量，本工程采用高精度的整體孔板流量計(jì)，流量的控制采用氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制，調(diào)節(jié)閥安裝在孔板流量計(jì)之后混合器之前，控制信號(hào)取自流量計(jì)，根據(jù)流量計(jì)的信號(hào)調(diào)節(jié)閥門開度以控制注入的干氣流量。

（2）液化氣增壓工藝

LPG通過罐車運(yùn)送到注入站儲(chǔ)罐內(nèi)，再由增壓泵將罐內(nèi)LPG增壓到13.5M Pa，計(jì)量后送入靜態(tài)混合器中與干氣混合。LPG進(jìn)站溫度約為16℃左右，壓力為0.5～0.6 M Pa。根據(jù)LPG的特點(diǎn)，增壓泵選用隔膜泵，出口壓力高，排量小，滿足本工程注入壓力和注入量的要求。但由于隔膜泵所需氣蝕余量較高，LPG儲(chǔ)罐的安裝高度不能滿足增壓泵所需的氣蝕余量要求，因此在增壓泵前增加喂料泵。LPG的注入量由流量調(diào)節(jié)閥控制，控制信號(hào)取自安裝于閥前的質(zhì)量流量計(jì)，根據(jù)流量計(jì)采集的信號(hào)調(diào)節(jié)閥門開度以達(dá)到控制混合器中的LPG流量的目的。

（3）高壓混合

增壓后的LPG和干氣通過混合器的混合元件充分混合，形成液態(tài)混合烴，通過管線輸送到注入站附近的注入井?；旌虾蟮慕橘|(zhì)為液態(tài)，在注入溫度壓力條件下無氣態(tài)存在。

二、設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題

如何讓LPG和干氣在高壓下充分混合是保證形成全液相的關(guān)鍵，因此模擬軟件模型的建立、設(shè)備的選型等方面是混合工藝設(shè)計(jì)過程中的重點(diǎn)。

1.HYSYS軟件誤差

油氣處理領(lǐng)域普遍使用HYSIS軟件進(jìn)行模擬計(jì)算。軟件通過輸入LPG/干氣的組分和摩爾含量等參數(shù)，建立與實(shí)際流體組分一致的模型，進(jìn)行實(shí)時(shí)注入相態(tài)分析，也可找出經(jīng)濟(jì)的注入比例。將該軟件計(jì)算結(jié)果與長(zhǎng)細(xì)管試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者存在誤差。在低溫低壓條件下，兩者計(jì)算結(jié)果幾乎一致，隨著溫度和壓力的升高，兩者誤差越來越大，在氣體臨界點(diǎn)前后，誤差最大，約為2%。出現(xiàn)誤差的主要原因如下：

（1）LPG和天然氣組分改變

LPG和天然氣本身都是多組分混合介質(zhì)。LPG和天然氣分別來自不同的天然氣處理站和凈化廠，各自產(chǎn)品的組分也是經(jīng)常改變的。HYSYS軟件需要的組分化驗(yàn)樣品與長(zhǎng)細(xì)管試驗(yàn)用的樣品不是同一個(gè)樣品，其組分肯定存在一定差異，導(dǎo)致模擬出來的流體特性略有差別。

（2）計(jì)算公式中采用的狀態(tài)方程不同。

HYSYS軟件模擬本工程的流體時(shí)采用的計(jì)算公式是Peng-Robinson（PR）狀態(tài)方程。由于公式本身就是半經(jīng)驗(yàn)方程，其計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果也會(huì)存在誤差。

鑒于HYSYS軟件模擬只將一種設(shè)計(jì)條件作為輸入?yún)?shù)，對(duì)臨時(shí)的、突發(fā)的、偶然的現(xiàn)象無法預(yù)測(cè)模擬，而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況又很復(fù)雜，不定因素多，因此在實(shí)際注入過程中，為保守起見，將LPG注入量調(diào)高了2%，以確保驅(qū)注試驗(yàn)的成功。

2.關(guān)鍵設(shè)備選型

（1）高效混合器

常用的高效混合設(shè)備主要有吸收塔和靜態(tài)混合器。

吸收塔工作原理：LPG從塔頂進(jìn)入塔內(nèi)，天然氣從塔底進(jìn)入，兩者在塔內(nèi)逆流接觸達(dá)到混合的目的，混合效率可達(dá)99.5%，但由于塔體高度的原因，在13.5M Pa高壓下，設(shè)備的制造費(fèi)用很高，采用吸收塔作為混合設(shè)備經(jīng)濟(jì)性很差。

靜態(tài)混合器工作原理：通過固定在管內(nèi)的混合單元內(nèi)件，二股或多股流體在管線中流動(dòng)沖擊各種類型板元件，產(chǎn)生切割、剪切、旋轉(zhuǎn)和重新混合，增加流體層流運(yùn)動(dòng)的速度梯度或形成湍流，使流體進(jìn)一步分割混合，達(dá)到流體之間良好分散和充分混合的目的，混合率一般為95%。本工程選用氣液混合效果最好的SV型靜態(tài)混合器作試驗(yàn)研究，并進(jìn)行了改進(jìn)，選用最高分散程度為1μm波紋板組裝而成的圓柱體為混合單元，并改變填料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，適當(dāng)增加填料段長(zhǎng)度，加大了流體逆向重新匯合接觸面積。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證實(shí)，改進(jìn)后的SV型靜態(tài)混合器混合率大于99%，能保證LPG和干氣充分混合后介質(zhì)為全液相，無氣相存在。

（2）LPG增壓泵和喂料泵

LPG要求壓力由0.6 MPa左右增加到13.5M Pa，流量為9～10 m3/h，壓力高，排量小。根據(jù)以上特點(diǎn)，LPG增壓泵應(yīng)選容積泵。由于操作介質(zhì)是LPG，出現(xiàn)泄漏將造成嚴(yán)重的安全隱患，而容積泵中活塞泵和柱塞泵都不能徹底解決泄露問題，只有隔膜泵能夠滿足工藝要求。隔膜泵具有不泄露、工作平穩(wěn)、出口壓力變化大等特點(diǎn)，能夠解決增壓、防止泄露等問題。但隔膜泵所需氣蝕余量為3.3 m，且LPG易氣蝕，不采取措施LPG儲(chǔ)罐需架設(shè)6 m以上，現(xiàn)場(chǎng)LPG儲(chǔ)罐不能提供這么高的安裝高度，因此在每臺(tái)增壓泵前增加一臺(tái)喂料泵。喂料泵采用單級(jí)離心泵，排量比增壓泵稍大，為9～14m3/h，揚(yáng)程為1.45M Pa，必需氣蝕余量為1.3 m左右,能滿足現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)罐安裝要求和增壓泵汽蝕余量要求。

（3）干氣壓縮機(jī)

干氣增壓工藝要求將干氣從6.0 MPa加壓到13.5M Pa，壓比高達(dá)2.25，干氣壓縮機(jī)排量為2800 Nm3/h，排量小，壓力高，且在驅(qū)注試驗(yàn)過程中需要不斷調(diào)節(jié)天然氣流量范圍，應(yīng)該選取活塞式壓縮機(jī)。常用的活塞式壓縮機(jī)要么壓力滿足不了要求，要么流量滿足不了要求，兩者同時(shí)滿足的很難見。C NG壓縮機(jī)的作用是將天然氣壓縮后裝瓶或裝車，具有流量小壓比高的特點(diǎn)，非常適用于本工程,因此本工程選取活塞式C NG壓縮機(jī)。

壓縮機(jī)在高壓比條件下工作時(shí)排氣溫度超過100℃，需要進(jìn)行限制，因此干氣需要經(jīng)過二級(jí)壓縮才能達(dá)到13.5M Pa，每級(jí)壓縮后干氣溫度都超過70℃，為了使壓縮干氣能夠順利進(jìn)入下一級(jí)壓縮以及滿足進(jìn)入混合器操作溫度要求，必須對(duì)壓縮后的干氣進(jìn)行冷卻。目前最常用的冷卻方式有水淋式冷卻塔冷卻、空冷器冷卻和空氣/水冷卻。

水淋式冷卻塔冷卻方式需要大量水，同時(shí)需要很高的建設(shè)費(fèi)用和經(jīng)營(yíng)費(fèi)用，還要造成被壓縮介質(zhì)的大量壓力損失。空冷器冷卻是用流動(dòng)空氣來冷卻天然氣，空氣溫度越低，效果越好，一般冷卻后的干氣溫度都比空氣溫度高5℃以上。空氣/水冷卻是結(jié)合兩者，即用水冷卻干氣，再用空氣來冷卻水，冷卻水循環(huán)使用，這樣既能夠?qū)⒏蓺饫鋮s到規(guī)定的溫度，又不需要大量的水。注入站地處撒哈拉沙漠腹地，水源緊張，完全采用水冷卻不現(xiàn)實(shí)，而當(dāng)?shù)貧鉁匕滋旄哌_(dá)50℃，完全采用空冷也不合適，根據(jù)實(shí)際情況，采用空冷與水冷相結(jié)合，即用循環(huán)水冷卻壓縮機(jī)組內(nèi)的活塞及壓縮介質(zhì)，用空冷來冷卻循環(huán)水，循環(huán)水每周補(bǔ)充一次即可。

三、混相注入試驗(yàn)投運(yùn)

為確保試驗(yàn)的成功混相和不出現(xiàn)壓力急劇變化，試驗(yàn)投產(chǎn)先進(jìn)行純LPG注入，然后逐步提高干氣的注入量，直到達(dá)到試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)注入比例。

在LPG投運(yùn)前首先應(yīng)注入乙二醇段塞：隔離石油液化氣與井筒水，避免由于水化物的情況造成液化氣管線及井下管柱冰堵。

圖1 LPG干氣注入比例流程圖

LPG和干氣的注入比例調(diào)節(jié)如圖1所示，首先進(jìn)行純LPG注入，120 h正常注入后，逐漸加入干氣，在靜態(tài)混合器充分混合后注入目的層。依次增加干氣的比例，當(dāng)在某一比例下注入不正常時(shí)，將干氣比例降低5%進(jìn)行試注，依此類推，直到達(dá)到設(shè)計(jì)注入比例下混合物仍為全液相，井口注入壓力穩(wěn)定在設(shè)計(jì)壓力條件下，即可進(jìn)行連續(xù)注入。

四、實(shí)施效果

扎爾則油田混相驅(qū)注先導(dǎo)性試驗(yàn)期間，2個(gè)實(shí)驗(yàn)井組都取得了突破性成果。I V區(qū)自2009年7月31日開始對(duì)注入井進(jìn)行投注，其觀察井從產(chǎn)油氣0 m3/d，上升到產(chǎn)油7.88 m3/d、產(chǎn)氣14885m3/d，現(xiàn)已穩(wěn)產(chǎn)，原油采收率提高5.17%；I A區(qū)自2009年8月22日開始對(duì)注入井投注，其觀察井產(chǎn)油氣0.1m3/d，上升到產(chǎn)油77 m3/d、產(chǎn)氣14885m3/d，現(xiàn)已穩(wěn)產(chǎn)60 m3/d，原油采收率提高8.9%。由此可見，本工程的地面混合工藝滿足了地下注入條件，能適應(yīng)油田烴氣混相驅(qū)注的要求，為今后類似項(xiàng)目的實(shí)施作技術(shù)指導(dǎo)。

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