页岩油伴生气二氧化碳浓度连续监测技术研究

李兴,廉冬

(中国石化股份有限公司江苏油田分公司 采油一厂,江苏 扬州 225265)

页岩油作为一种重要的非常规油气资源,越来越受到各大油田的重视,在页岩油开发过程中通常进行大规模压裂来获取较高产能[1-2]。为了降低页岩地层的破裂压力、提高页岩油采收率,压裂施工过程通过前置注入大量的CO2来降低地层的破裂压力实现增能[3],页岩油投产后,注入的CO2也会随着原油和天然气生产而分离出来。因此,在页岩油井生产过程中,监测伴生天然气中φ(CO2)对于生产管理、动态分析、天然气分离、确保安全生产和环境保护至关重要。江苏油田在某油田页岩油开发中也进行了前置CO2注入[4],为了及时准确了解与分析CO2产出情况,开展了伴生气中φ(CO2)在线连续监测技术研究,现场应用取得了非常好的应用效果。

该油田页岩油产出伴生气中φ(CO2)检测是通过人工取样分析的,即现场操作人员用气囊在天然气生产管线取样口采集伴生气样气,封装后送至厂部化验室,用色谱仪进行样气分析,测试出气体组分及φ(CO2)。该测试分析方法在生产管理中存在以下问题：
一是人工取样费时费力,从取样、送样到检测分析周期长;二是人工取样分析不连续、数据实时性差,无法满足动态变化大的页岩油生产资料录取要求,同时对于天然气回收利用存在极大的安全隐患。

气体中φ(CO2)检测方法通常有气相色谱法(GC)、激光光谱法、质谱法(MS)、红外线气体分析法(IRGA),前三者设备成本高、分析时间较长,不适合进行现场在线快速高效检测,红外线气体分析法具有高灵敏度、高选择性和快速响应等优点[5],因此该油田选择了红外线气体分析法进行在线连续监测仪的开发。

红外线气体分析法是利用非分散红外技术(Non-Dispersive InfraRed,NDIR)开发的基于气体吸收理论的一种分析方法。即当红外光通过待测气体时,由于各气体分子内部结构的不同,就决定了它们对不同波长光线的选择性吸收,且其吸收关系服从朗伯-比尔定律[6-7],利用气体体积分数与吸收强度关系来判别气体组分并计算其体积分数。

在页岩油井生产现场要实现对伴生天然气中φ(CO2)的连续监测,必须在天然气管路上设计相应的工艺流程,并且去除天然气中影响检测准确度的水分、原油等杂质,将符合检测要求的被测气样送入气体检测模块中分析。设计的φ(CO2)连续监测装置由气体检测模块、减压阀、过滤器、微量气泵、疏水阀、控制板和电源等模块构成,核心模块是气体检测模块,该模块由红外光源、光路、红外探测器、单片机电路和软件算法组成。

为此,笔者设计了相应的气体采样工艺。页岩油伴生气通过生产分离装置分离后进入天然气生产管线,将φ(CO2)连续监测装置安装在采样位置。采样气体通过采样口进入监测装置的减压阀减压,达到装置设定压力,再进入装置的过滤器中去除采样气体中的水分、油滴、细微的固体等,水分通过疏水电磁阀进行定时排放,其他杂质留在滤芯中并定期更换,使样气达到分析仪需要的洁净度,然后采样气体通过微量气泵泵入气体检测模块中进行检测分析,通过井口单片机处理后得到实时的φ(CO2),在仪表盘上实时显示,同时通过RS-485通信端口将数据实时上传。CO2浓度连续监测装置原理如图1所示。

图1 CO2浓度连续监测装置原理示意

监测数据最终通过生产信息网络传输到监控中心,由监控中心计算机对数据进行存储、分析和处理,实现远程自动测试,整个过程为自动化处理,不需人为干涉。

根据油气生产现场工况及防爆技术要求,对装置进行了集成,满足现场快速安装、调试与使用,装置各部件的主要技术参数及性能见表1所列。

表1 CO2浓度监测装置各部件主要技术参数及性能

某井于2023年2月压裂,压裂用液1.51×105m3,前置注入液态CO2共计1.28×104t,该井6月10日投产,日产气量达1.1×104m3,为了实时掌握了解CO2返排情况、伴生气中CO2体积分数,确保天然气和CO2安全分离,课题组开发了CO2体积分数在线连续监测装置,在天然气管路上安装,对产出天然气中的φ(CO2)进行实时监测,数据通过油田生产网络上传至中心控制室实时监控。

为了分析装置实时监测数据是否准确,笔者采用传统的色谱法取样分析,与实时监测值做对比,对比数据见表2所列,从采样结果看,相对误差均在5%以内,能够满足数据采集及生产管理的要求。

表2 φ(CO2)监测数据分析对比 %

笔者研发的CO2浓度连续监测装置能够实现φ(CO2)的实时、连续监测,数据准确性能达到数据采集及生产管理的要求,检测结果快速、准确、高效,大幅降低人工劳动强度。数据传输至后台数据处理系统,通过对收集到的数据进行分析和预测,可以准确地分析CO2返排情况、预测φ(CO2)的变化趋势,为决策提供科学依据,更科学地优化页岩油井生产参数。

根据监测数据,在天然气和CO2分离过程中能够实时掌握监测结果,科学安排生产,同时根据φ(CO2)变化及时进行生产预警,杜绝安全隐患。页岩油井伴生气中φ(CO2)连续监测技术作为一项创新技术,不仅限于页岩油井伴生气中φ(CO2)监测,还可以推广应用于CO2驱、碳捕集利用与封存(CCUS)生产井伴生气中的φ(CO2)监测,在天然气充分利用、环境保护、生产预警等方面发挥重要作用。

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