楊 陽 于繼飛 幸雪松 姬煜晨 張 磊 邱 浩 岳家平

(中海油研究總院有限責(zé)任公司， 北京 100028)

0 前 言

為了減少CO2在大氣中的排放，延緩氣候變暖的趨勢，人們研究了CO2捕捉與封存技術(shù)(carbon capture，utilization and storage，CCUS)。對于CO2的封存，既可以通過鉆井作業(yè)將CO2注入到地下或海底長期儲存，也可以直接通過強化自然生物學(xué)作用將CO2儲存于植物、土地和地下沉積物中[1-4]。在石油工程中CO2的封存過程涉及油套管防腐、油管尺寸選擇與管內(nèi)流態(tài)分析、注入壓力設(shè)計等內(nèi)容[5-8]。當(dāng)前的碳封存技術(shù)主要有兩大類：一是將CO2經(jīng)高壓液化，然后注入海底；二是對CO2進(jìn)行地質(zhì)封存，即將CO2儲存于地質(zhì)構(gòu)造中與大氣長期隔絕[9]。

全球首個CCUS項目是于1996年開始的挪威Sleipner項目，在該項目中將CO2注入到地下鹽水層，年封存CO2近百萬噸[10-14]。國內(nèi)的CCUS項目起步較晚，且規(guī)模均未達(dá)百萬噸級，以十萬噸級規(guī)模為主[15-16]。

在海上X油田大位移CO2回注井項目中，就是將生產(chǎn)井所產(chǎn)的高含量CO2氣體回注至井下水層之中。本次研究將針對X油田大位移CO2回注井，優(yōu)選油管尺寸，并分析井筒流體溫度、壓力及流態(tài)的變化，擬為后續(xù)設(shè)計提供參考。

1 大位移CO2回注井油管尺寸優(yōu)選

CO2回注壓縮機的工程應(yīng)用條件如下：回注壓力限值在11 MPa以下；注氣溫度為138 ℃；回注氣組分中CO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為95.46%。油藏注氣指標(biāo)設(shè)定如下：最大注氣量為39×104m3/d；最低注氣量為0.89×104m3/d。根據(jù)油藏注氣指標(biāo)、井身軌跡和回注氣組分，計算各種油管尺寸下所需的注氣壓力，確保注氣壓力低于11 MPa，從而確定回注井的油管尺寸。

注氣量及不同尺寸油管的注入壓力變化如圖1所示。可以看出，井底所需注入壓力基本保持不變，在8.5 MPa左右。在注氣量較高的2個時間點，3種油管尺寸下的井口注入壓力曲線上均有2個峰值，由此可得最大注入壓力。其中：31/2″油管的最大注入壓力為12.6 MPa；41/2″油管的最大注入壓力為9.4 MPa；51/2″油管的最大注入壓力為8.5 MPa。在注入壓力小于11 MPa的限值下，31/2″油管的最大注入壓力超限，41/2″和51/2″油管可以滿足CO2氣體回注壓力的要求。出于經(jīng)濟性考慮，選擇了41/2″油管。

圖1 注氣量及不同尺寸油管的注入壓力變化

在回注初期注氣量較高的情況下，井口注入壓力與井底所需注入壓力相比基本持平或略高；但在回注后期注氣量降低之后，井口注入壓力低于井底所需注入壓力。

2 回注井的井筒溫度與壓力分析

根據(jù)油藏注氣指標(biāo)及前面所選的油管尺寸(41/2″油管)，針對3個典型注氣階段的注氣量，即最大注氣量、中等注氣量和最低注氣量，應(yīng)用商業(yè)軟件中的集成溫壓公式計算井筒溫度與壓力。

不同注氣量下的井筒溫度變化如圖2所示。在中、高注氣量下，井筒溫度逐漸降低，在垂深680 m處溫度曲線出現(xiàn)拐點，隨著垂深的增加井筒溫度降幅增大。這是由于自垂深680 m處往下即開始接近大位移井的水平段，井斜角可達(dá)86°。在低注氣量下，垂深120 m處井筒溫度迅速降低到32 ℃左右，之后隨著垂深的增加而升溫。這是由于低注氣量下垂深120 m段為空氣段或海水段，散熱量較大。

圖2 不同注氣量下的井筒溫度變化

不同注氣量下的井筒壓力變化如圖3所示。在高注氣量下，井筒壓力先是隨著垂深的增加而增大，在接近水平段井筒壓力隨著垂深的增加而減少。這是由于接近水平段時重力所致的壓增(重力壓增)小于摩阻差(見圖4)。在中、低注氣量下，井筒壓力隨著垂深的增加而增大。

圖3 不同注氣量下的井筒壓力變化

圖4 不同注氣量下的重力壓增與摩阻差值

3 井筒中水合物分析

根據(jù)回注氣組分計算不同溫度條件下的井筒壓力，繪制回注氣相圖(見圖5)。當(dāng)井筒中溫度高于14 ℃時，不會有水合物生成。由圖2可知，實際注氣過程中井筒內(nèi)的最低溫度為32 ℃，因此井筒內(nèi)不會有水合物生成。

4 井筒內(nèi)流體流態(tài)分析

CO2在常溫常態(tài)下為氣態(tài)，其臨界溫度和臨界壓力分別是31.2 ℃、7.39 MPa。當(dāng)超出此臨界值時，CO2處于超臨界狀態(tài)，流體黏度近乎于氣體，其密度與液體相近[13]。海上X油田大位移CO2回注井的回注氣中除了有高含量的CO2，另外還有一些烴類組分(見圖5)?？梢钥闯?，這些烴類組分回注氣的臨界溫度和臨界壓力稍有不同，其中臨界溫度為32.1 ℃，臨界壓力為 7.77 MPa。利用商業(yè)軟件集成的氣體狀態(tài)方程與壓力計算公式分析回注過程中井筒內(nèi)流體的流態(tài)，高、中、低注氣量下的分析結(jié)果如表1-表3所示。

圖5 回注氣相圖

表1 高注氣量下井筒內(nèi)溫壓及流體流態(tài)

表2 中注氣量下井筒內(nèi)溫壓及流體流態(tài)

表3 低注氣量下井筒內(nèi)溫壓及流體流態(tài)

在高、中注氣量下，井筒內(nèi)的流體均為氣態(tài)；在低注氣量下，井筒內(nèi)的流體在不同流態(tài)間依次轉(zhuǎn)換，即氣態(tài) — 泡流 — 段塞流 — 層狀流。

(1) 高注氣量。從井口到井底段，溫度較高，流體均處于超臨界狀態(tài)，呈氣態(tài)。

(2) 中注氣量。從井口到垂深210 m段的溫壓條件下，流體處于相圖中的氣態(tài)區(qū)；從垂深210 m處到井底段，溫度較高，流體處于超臨界狀態(tài)，呈氣態(tài)。

(3) 低注氣量。在井口處溫壓條件下，流體處于相圖中的氣態(tài)區(qū)；在垂深117、210 m處溫壓條件下，流體處于相圖中的氣液兩相區(qū)，呈泡流、段塞流；在垂深542 m至井底段的溫壓條件下，流體處于超臨界狀態(tài)，呈層狀流，且井身軌跡近乎于水平。

5 結(jié) 語

基于注氣指標(biāo)、注氣組分、井身軌跡、注入溫度等因素，針對海上X油田大位移CO2回注井進(jìn)行油管尺寸優(yōu)選，并對井筒流體溫度、流體壓力及流態(tài)特征進(jìn)行了分析。對于海上X油田CO2回注井，采用41/2″油管即可滿足工程壓縮機對回注壓力的要求。首先，在高、中注氣量下，井筒流體溫度隨井深增加而降低；在低注氣量下，井筒流體溫度在空氣段和海水段迅速下降而后隨井深增加而升高。其次，在高注氣量下，井筒流體壓力隨井深增加而增大，直至接近水平段時隨井深增加而降低；在中、低注氣量下，井筒流體壓力隨井深增加而增大。此外，當(dāng)處于溫壓超臨界狀態(tài)時，井筒中的流體在中、高注氣量下呈氣態(tài)，在低注氣量下呈不同流態(tài)依次轉(zhuǎn)換，即氣態(tài) — 泡流 — 段塞流 — 層狀流。