海上X油田大位移CO2回注井油管尺寸优选及井筒流态分析

杨 阳 于继飞 幸雪松 姬煜晨 张 磊 邱 浩 岳家平

(中海油研究总院有限责任公司， 北京 100028)

0 前 言

为了减少CO2在大气中的排放，延缓气候变暖的趋势，人们研究了CO2捕捉与封存技术(carbon capture，utilization and storage，CCUS)。对于CO2的封存，既可以通过钻井作业将CO2注入到地下或海底长期储存，也可以直接通过强化自然生物学作用将CO2储存于植物、土地和地下沉积物中[1-4]。在石油工程中CO2的封存过程涉及油套管防腐、油管尺寸选择与管内流态分析、注入压力设计等内容[5-8]。当前的碳封存技术主要有两大类：一是将CO2经高压液化，然后注入海底；二是对CO2进行地质封存，即将CO2储存于地质构造中与大气长期隔绝[9]。

全球首个CCUS项目是于1996年开始的挪威Sleipner项目，在该项目中将CO2注入到地下盐水层，年封存CO2近百万吨[10-14]。国内的CCUS项目起步较晚，且规模均未达百万吨级，以十万吨级规模为主[15-16]。

在海上X油田大位移CO2回注井项目中，就是将生产井所产的高含量CO2气体回注至井下水层之中。本次研究将针对X油田大位移CO2回注井，优选油管尺寸，并分析井筒流体温度、压力及流态的变化，拟为后续设计提供参考。

1 大位移CO2回注井油管尺寸优选

CO2回注压缩机的工程应用条件如下：回注压力限值在11 MPa以下；注气温度为138 ℃；回注气组分中CO2的质量分数为95.46%。油藏注气指标设定如下：最大注气量为39×104m3/d；最低注气量为0.89×104m3/d。根据油藏注气指标、井身轨迹和回注气组分，计算各种油管尺寸下所需的注气压力，确保注气压力低于11 MPa，从而确定回注井的油管尺寸。

注气量及不同尺寸油管的注入压力变化如图1所示。可以看出，井底所需注入压力基本保持不变，在8.5 MPa左右。在注气量较高的2个时间点，3种油管尺寸下的井口注入压力曲线上均有2个峰值，由此可得最大注入压力。其中：31/2″油管的最大注入压力为12.6 MPa；41/2″油管的最大注入压力为9.4 MPa；51/2″油管的最大注入压力为8.5 MPa。在注入压力小于11 MPa的限值下，31/2″油管的最大注入压力超限，41/2″和51/2″油管可以满足CO2气体回注压力的要求。出于经济性考虑，选择了41/2″油管。

图1 注气量及不同尺寸油管的注入压力变化

在回注初期注气量较高的情况下，井口注入压力与井底所需注入压力相比基本持平或略高；但在回注后期注气量降低之后，井口注入压力低于井底所需注入压力。

2 回注井的井筒温度与压力分析

根据油藏注气指标及前面所选的油管尺寸(41/2″油管)，针对3个典型注气阶段的注气量，即最大注气量、中等注气量和最低注气量，应用商业软件中的集成温压公式计算井筒温度与压力。

不同注气量下的井筒温度变化如图2所示。在中、高注气量下，井筒温度逐渐降低，在垂深680 m处温度曲线出现拐点，随着垂深的增加井筒温度降幅增大。这是由于自垂深680 m处往下即开始接近大位移井的水平段，井斜角可达86°。在低注气量下，垂深120 m处井筒温度迅速降低到32 ℃左右，之后随着垂深的增加而升温。这是由于低注气量下垂深120 m段为空气段或海水段，散热量较大。

图2 不同注气量下的井筒温度变化

不同注气量下的井筒压力变化如图3所示。在高注气量下，井筒压力先是随着垂深的增加而增大，在接近水平段井筒压力随着垂深的增加而减少。这是由于接近水平段时重力所致的压增(重力压增)小于摩阻差(见图4)。在中、低注气量下，井筒压力随着垂深的增加而增大。

图3 不同注气量下的井筒压力变化

图4 不同注气量下的重力压增与摩阻差值

3 井筒中水合物分析

根据回注气组分计算不同温度条件下的井筒压力，绘制回注气相图(见图5)。当井筒中温度高于14 ℃时，不会有水合物生成。由图2可知，实际注气过程中井筒内的最低温度为32 ℃，因此井筒内不会有水合物生成。

4 井筒内流体流态分析

CO2在常温常态下为气态，其临界温度和临界压力分别是31.2 ℃、7.39 MPa。当超出此临界值时，CO2处于超临界状态，流体黏度近乎于气体，其密度与液体相近[13]。海上X油田大位移CO2回注井的回注气中除了有高含量的CO2，另外还有一些烃类组分(见图5)。可以看出，这些烃类组分回注气的临界温度和临界压力稍有不同，其中临界温度为32.1 ℃，临界压力为 7.77 MPa。利用商业软件集成的气体状态方程与压力计算公式分析回注过程中井筒内流体的流态，高、中、低注气量下的分析结果如表1-表3所示。

图5 回注气相图

表1 高注气量下井筒内温压及流体流态

表2 中注气量下井筒内温压及流体流态

表3 低注气量下井筒内温压及流体流态

在高、中注气量下，井筒内的流体均为气态；在低注气量下，井筒内的流体在不同流态间依次转换，即气态 — 泡流 — 段塞流 — 层状流。

(1) 高注气量。从井口到井底段，温度较高，流体均处于超临界状态，呈气态。

(2) 中注气量。从井口到垂深210 m段的温压条件下，流体处于相图中的气态区；从垂深210 m处到井底段，温度较高，流体处于超临界状态，呈气态。

(3) 低注气量。在井口处温压条件下，流体处于相图中的气态区；在垂深117、210 m处温压条件下，流体处于相图中的气液两相区，呈泡流、段塞流；在垂深542 m至井底段的温压条件下，流体处于超临界状态，呈层状流，且井身轨迹近乎于水平。

5 结 语

基于注气指标、注气组分、井身轨迹、注入温度等因素，针对海上X油田大位移CO2回注井进行油管尺寸优选，并对井筒流体温度、流体压力及流态特征进行了分析。对于海上X油田CO2回注井，采用41/2″油管即可满足工程压缩机对回注压力的要求。首先，在高、中注气量下，井筒流体温度随井深增加而降低；在低注气量下，井筒流体温度在空气段和海水段迅速下降而后随井深增加而升高。其次，在高注气量下，井筒流体压力随井深增加而增大，直至接近水平段时随井深增加而降低；在中、低注气量下，井筒流体压力随井深增加而增大。此外，当处于温压超临界状态时，井筒中的流体在中、高注气量下呈气态，在低注气量下呈不同流态依次转换，即气态 — 泡流 — 段塞流 — 层状流。