胜利油田百万吨级CCUS输注采关键工程技术.pdf
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1、油气藏评价与开发PETROLEUM RESERVOIR EVALUATION AND DEVELOPMENT2024年第14卷 第1期胜利油田百万吨级CCUS输注采关键工程技术舒华文(中国石化胜利石油工程有限公司,山东 东营 257000)摘要:碳捕集、利用与封存(CCUS)是实现“双碳”目标的重要技术手段,涵盖捕集输送注入采出回注等关键环节。胜利油田经过多年探索和攻关,形成了输注采系列关键工程技术。针对压损温差带来的CO2相变与长距离泄漏风险,建立了基于相态控制的长距离CO2管道安全输送工艺技术,实现高效经济输送;研发了中国首台套管道输送泵;建成了中国最长的超临界压力CO2长输管道,补齐了国
2、内CO2长距离输送的短板。为满足示范工程大排量CO2高压注入的需要,研发了国内首台套高压密相注入泵,实现了40 MPa高压密闭注入;针对注气压力高、气液比高、泵效低以及CO2腐蚀等问题,形成了免压井安全注气管柱、多功能采油管柱、CO2驱腐蚀防护等注采配套工程工艺技术,实现了高效安全注采和长效腐蚀防护。建成了中国首个集管输工程、注入装备、驱油封存、注采工艺、集输回注为一体的,多领域、多节点的百万吨级CCUS示范工程,目前各环节运行良好,实现“平稳、安全、高效、绿色”运行。对胜利油田百万吨级CCUS输注采工艺及配套装备进行了总结,以期为后续CCUS工程建设提供借鉴和指导。关键词:驱油封存;全链条;
3、管道输送;地面工程;注采工艺;胜利油田中图分类号:TE357文献标识码:AKey engineering technologies of one-million-ton CCUStransportation-injection-extraction in Shengli OilfieldSHU Huawen(Sinopec Shengli Petroleum Engineering Co.,Ltd.,Dongying,Shandong 257000,China)Abstract:CCUS technology is a crucial technology for achieving the
4、goal of“dual carbon”,involving process such as capture,transportation,injection,extraction and re-injection.Shengli Oilfield has developed essential engineering technologies fortransportation and injection through years of exploration.To manage the phase changes of CO2and the risks of long-distancel
5、eakage due to pressure loss and temperature variations,a safety transportation technology for long-distance CO2pipelines wasestablished.This technology is based on phase state control,ensuring efficient and cost-effective transportation.developed China sfirst casing pipeline transport pump;and built
6、 China s longest long-distance supercritical pressure CO2pipeline,which makes upfor the shortcomings of the long-distance CO2transport in China.In order to meet the needs of high-pressure injection of large-displacement CO2in the demonstration project,China s first high-pressure dense-phase injectio
7、n pump has been developed,realizing high-pressure dense-phase injection of 40 MPa.In view of the problems of high injection pressure,high gas-to-liquidratio,low pumping efficiency,and corrosion of CO2,the engineering process technology of injection and extraction supporting suchas safe injection of
8、gas pipeline columns for pressure-free wells,multi-functional oil recovery pipeline columns,and corrosionprevention of CO2repulsion has been formed to realize high-efficiency,safe injection and extraction and long-lasting corrosionprotection.Chinas first multi-field,multi-node,one-million-ton CCUS d
9、emonstration project integrating pipeline transportengineering,injection equipment,flooding and sequestration,injection-extraction process,and gathering-transmission and引用格式:舒华文.胜利油田百万吨级CCUS输注采关键工程技术J.油气藏评价与开发,2024,14(1):10-17.SHU Huawen.Key engineering technologies of one-million-ton CCUS transport
10、ation-injection-extraction in Shengli OilfieldJ.Petroleum Reservoir Evaluation and Development,2024,14(1):10-17.DOI:10.13809/32-1825/te.2024.01.002收稿日期:2023-10-23。作者简介:舒华文(1972),男,博士,正高级工程师,从事CO2捕集、管输、驱油与封存相关研究。地址:山东省东营市东营区济南路258号,邮政编码:257000。E-mail:基金项目:国家重点研发计划“区域二氧化碳捕集与封存关键技术研发与示范”(2022YFE0206800
11、)。10舒华文.胜利油田百万吨级CCUS输注采关键工程技术2024年第14卷 第1期近年来,全球气候变暖加速,世界各地极端天气频发,对社会经济发展造成了明显影响,人类活动排放的温室气体是造成气候变化的主要原因,尤其是温室气体中的CO2含量快速上升1-3。为此,世界各国纷纷出台减碳政策,并相继提出碳中和目标4-5。2020年9月,习近平主席在第75届联合国大会上提出:“采取更加有力的政策和措施,CO2排放力争于2030 年前达到峰值,努力争取 2060 年前实现碳中和。”碳捕集、利用与封存(CCUS)在实现碳永久封存的同时,可提高石油采收率,具有巨大的社会效益和经济效益,是目前经济可行的碳封存途
12、径4-7。为了响应“双碳”目标,中国已投运和规划建设中的CCUS示范项目规模正逐年扩大8-10。2022年8月,中国首个百万吨级CCUS项目齐鲁石化-胜利油田项目正式建成投产。华能集团正在建设煤电百万吨级CCUS全流程示范工程,预计建成后可捕集并封存 CO2超过 150104t/a。中国石油集团正在建设包括大庆油田 140104t/a和吉林油田 100104t/a示范工程在内的多个CCUS示范项目,并且与油气行业气候倡议组织(OGCI)共同策划的新疆CCUS产业集群也在推进中,预计2030年驱油利用与封存规模可达千万吨。陕西延长石油集团规划建设500104t/a的CCUS项目。2022年6月,
13、广东省发改委、中海油、壳牌与埃克森美孚通过“线上+线下”共同签署大亚湾区CO2捕集、利用与封存集群项目谅解备忘录,预计年捕集和封存CO2规模将在千万吨级以上。2022年11月,中国石化将在华东地区启动中国首个开放式千万吨级CCUS项目,为临近工业企业提供一体化CO2减排方案,合作方有壳牌、中国宝武、巴斯夫公司。为实现“双碳”目标,碳捕集、利用及封存技术逐渐规模化并商业推广,必须突破CO2长距离输送技术难题11。中国有关CO2运输技术的研究刚刚起步,尚没有大规模的CO2输送管线,而国外在CO2的管道输送方面已经积累了比较多的经验,并且有超过7 000 km的 CO2输送管线,但 CO2管道输送没
14、有统一的标准12。鉴于需减少向大气中排放包括CO2在内的温室气体、中国在CO2管输技术方面的研究很少、国内各油田陆续进入开发中后期容易开采的原油越来越少等现状,为提高采收率,各油田将CO2驱作为开发油田的主要接替技术。在此背景下,CO2长输管道的建设将是解决碳运输必然的选择,在国内有良好的发展前景,且CO2管道输送技术的研究正是实现运输的关键。目前,国内对管输技术的研究处于起步阶段,物性模拟、水力热力计算、管输相态选取、安全泄放、管材止裂等方面关键技术欠缺。大规模、长距离CO2管道投运技术,管输增压泵、密相泵等关键设备国产化方面也存在空白。注采工艺是CO2驱需优化的关键环节,起着承上启下的作用
15、,具有保证油藏工程方案制定的重要作用,同时还关系到地面工程的建设13。CO2驱注采井和完井管柱区别于常规管柱,大庆油田在1990年引进了 4 口注入井和 9 口采油井的完井管柱,并于1991年开展了CO2驱先导试验,井场选在萨南东部过渡带,项目进行了接近2年。为生产本土CO2驱注采井完井管柱,研究人员对管柱及其配套工艺做了大量的工作14。经过长期研究,中国已对CO2驱注采工艺进行了系统研究与实验,并推广到矿场,进行先导试验。目前中国CO2驱注采工艺技术处于起步阶段,与发达国家还存在差距。CO2驱注采井完井管柱的技术关键在于注入井管柱的气密性和采油井管柱的防腐性15。早在2004年中国石化华东油
16、气田研制出国内首套整体式注气管柱,并在5口井进行了先导试验。中国石油大庆油田设计出分体可钻式注气管柱以提高注入井管柱的气密性,密封原理是用液压坐封封隔器,这种方式可以改善封隔器的受力达到密封的作用16-17,此类管柱应用于大庆榆树林油田,起到了较好的作用。根据CO2驱油注采井保护套管的技术思路,华东油气田研制出“分体式采油管柱”18,并在草舍油田泰州组油藏 CO2驱先导试验C31等井应用。近年来,国内油田在CO2腐蚀与防护缓蚀剂上开展了大量科学实验,一系列的高效缓蚀re-injection,has been operating well and realizing“smooth,safe,ef
17、ficient and green”operation in all aspects.This summary of theone-million-ton CCUS transportation-injection-extraction process and supporting equipment in Shengli Oilfield is intended toprovide reference and guidance for the construction of subsequent CCUS project.Keywords:flooding and sequestration
18、;full chain;pipeline transportation;ground engineering;injection-extraction process;Shengli Oilfield112024年第14卷 第1期舒华文.胜利油田百万吨级CCUS输注采关键工程技术剂被研制出来,并进行了矿场试验,效果显著19-21。影响防腐效果的因素主要取决于缓蚀剂的配方、含量及其注入工艺。然而,由于CCUS是复杂的庞大系统工程,涵盖输送注入采出回注等关键环节,传统工艺装备难以支撑CCUS平稳高效运行,且国产化程度低,亟须自主研发输注采关键装备,实现全过程CO2平稳安全运行。胜利油田百万吨级CC
19、US工程建设过程中面临长距离管输易相变、注气压力高、采油端气油比高、腐蚀性强等问题,经过持续攻关,胜利油田形成了输注采关键工程技术。对胜利油田百万吨级CCUS输注采工程工艺与装备技术进行了系统总结与论述,以期为后续CCUS工程建设提供借鉴和指导。1长距离CO2管道安全输送工艺技术长距离CO2管道输送受温度、压力、位差、组分等因素影响易发生相变22-28,运行过程存在水击、泄漏、腐蚀、水合物堵塞等安全风险,影响CO2高效安全管输29-33。针对长距离管道输送CO2容易发生相变的问题34,经过持续攻关及工程实践,建立了基于相态控制的长距离CO2管道安全输送工艺技术。1.1基于相态控制的CO2管输流
20、动保障技术为了研究CO2输送管道中微量杂质对CO2混合物相态的影响,采用蒙特卡洛分子模拟方法建立了含杂质CO2相关物性与相特性参数库35,以立方型状态方程为框架建立CO2状态和闪蒸计算模型,形成微量杂质扰动下的CO2混合物相(图1),揭示N2对CO2物性与相特性的协同作用机制。研究发现,当杂质含量逐渐上升时,含杂质CO2的两相区域面积增大。根据CO2管输环境的温压条件,优化控制CO2密度介于 9001 200 kg/m3,易于保证 CO2相态稳定,实现100 km内压降小于1.0 MPa。1.2管道安全泄放与管材止裂技术在CO2长距离管输过程中,杂质、温压、地形、操作等要素会诱发 CO2温度和
21、压力波动,接近临界点时,管内气泡不断生成和泯灭,形成冲击性段塞流,管内压力瞬间突变,造成水击和管道震动,管道意外发生泄漏导致管内压力瞬间突变,CO2快速发生相态变化,从密相转变为气相、液相甚至干冰的多相共存状态,管内产生低温恒压窗口,造成管道冰堵和大范围低温撕裂。通过开展含杂质CO2泄放试验,明确了不同CO2杂质组成以及泄放条件下的流体相变特点和流动参数变化规律,进而明确对管输工艺和管材设备的影响规律,指导放空系统管材选型。在此基础上进行管道安全泄放系统设计,梳理超临界CO2管道输送过程中面临的超压泄放、紧急泄放、检修泄放场景,制定相应的安全泄放操作与控制流程,指导CO2管道的安全泄放。基于天
22、然气管道裂纹扩展控制,考虑CO2管道和天然气管道的主要区别,结合CO2管道减压波计算模型对比分析,完成了CO2管道断裂减压波计算模型优选和含杂质CO2减压波速度特征调研。在选定减压速率模型算法和关键系数修正基础上,进行止裂韧性评估软件开发,输入条件考虑了介质组分、设计、管材等参数,能够评估管道能否依靠自身止裂,并可以计算出抗延性断裂扩展所需最小的冲击韧性要求。1.3CO2管道泄漏检测与腐蚀防护技术基于CO2输送管道泄漏周边温度场及振动场测试分析试验,制定可靠的泄漏监测方案和光缆敷设位置,形成CO2泄漏检测技术;以超临界CO2腐蚀机理为基础,由外及里、从局部微观到整体宏观地建立了管道内腐蚀规律与
23、材料组织特性之间的构效关系;充分调研国外标准及工程经验,确定管道干燥指标及干燥介质,降低管道腐蚀风险。通过埋地CO2输送管道泄漏试验,得到泄漏点周边温度场以及感温、感振、感声光纤监测数据,明确图1不同杂质含量CO2混合物相Fig.1CO2mixture phase with different impurity contents12舒华文.胜利油田百万吨级CCUS输注采关键工程技术2024年第14卷 第1期了穿硅芯管对光纤检测的影响,验证了感温、感振、感声光纤对泄漏参数表征的适用性,形成了埋地CO2管道泄漏检测方案。自主研发了基于多相流的冲蚀试验环道与插入式腐蚀挂片监测探针与测试系统。实现了井
24、下多相流的腐蚀原位监测与相关测试系统的国产化,为超临界CO2腐蚀监测打下坚实基础;开发了基于油田采出液与井口装置的多相流试验环道平台,可实现模拟油田采出液对管路的腐蚀行为研究,相关技术可应用于超临界CO2宏观腐蚀行为的研究。1.4CO2管输增压泵针对增压过程温压变化大、CO2比热小、润滑性差等问题,在离心泵结构优化的基础上,重点优化增压比和流道结构来控制流速,控制增压过程中的熵焓变化来控制升温过程,同时选用自润滑性强且溶胀性低的聚醚醚酮(PEEK)复合材质,解决了易相变、自润滑性差等问题。CO2管输增压泵的排量125 m3/h,扬程1 km,与国外相比节能10%,投产后运行稳定,运行效率达到7
25、2%(国外同类泵在65%左右),优于设计指标(图2)。创建离心泵内部流动的CO2水热力学计算和熵焓控制模型,建立最优增压比以及温控界限、回流控制的计算方法,创新镶嵌式蜂窝状口环结构和泵轴系自平衡型结构,保证离心泵获得优越输送效率和增压过程中的振动精准控制。设计多重机械密封冲洗系统、动压性循环隔离液循环压力在线监测系统、隔离液泄漏收集装置,自动判别机械密封运行状态,确保输送介质CO2和隔离液“双零”泄漏。CO2管道输送增压泵额定出口压力12 MPa,额定排量125 m/h,额定效率不小于72%,振动位移0.61.3 mm,实现平稳高效运行。2CCUS地面注入工程技术国内外地面注入工艺不足主要表现
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