热交换器在二氧化碳试气井中的应用

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摘要：以XS 19井为例，讨论关于深层二氧化碳气井的构造概况、试气施工中遇到的一些问题和解决方法、热交换器的功能特点及可能发生的事故的预防。现场表明，在油田试气施工中，均使用了间接热交换器，可提高了流体的温度，解决堵塞问题，保证施工安全。

关键词：二氧化碳试气保温

深层气井试气保温的工作随着深层气井勘探开发的逐步增加而需要一定的提高。深层气井中又包含天然气井和二氧化碳气井。因为天然气是可燃气体，所以我们现在的分离器能够燃烧天然气来给水柜加温而提高天然气的温度，可以保证试气正常。而二氧化碳气体是一种不可燃气体，无法燃烧生热，而且二氧化碳气体输出的过程也是它吸热的过程，如不对其加热它很可能形成水合物堵塞地面管道。

1 二氧化碳

1.1组成及特点

（1）组成。二氧化碳是有一个碳原子和两个氧原子组成的，一个二氧化碳分子中包含了两个碳氧双键，它的结构式是O=C=O，从它的结构式可以看出它是一个线型分子，键角为180o。

（2）特点。二氧化碳在不同的温度和压力下为不同的的状态。见图1。二氧化碳密度为1.977g/mL，熔点-56.6℃（226.89kpa―5.2大气压），沸点-78.5℃（升华）。临界温度31.1℃。常温下7092.75kpa（70大气压）液化成无色液体。液体二氧化碳密度1.1g/cm3，二氧化碳蒸发时或在加压冷却时可凝成固体二氧化碳，俗称干冰，是一种低温致冷剂，密度为1.56g/cm3.。

图1 二氧化碳的压力温度曲线 图2 热交换器结构图

1.2用途

CO2能溶于水，20℃时每100体积水可溶88体积CO2，一部分跟水反应生成碳酸。化学性质稳定，没有可燃性，一般不支持燃烧，但活泼金属可在CO2中燃烧，如点燃的镁条可在CO2中燃烧生成氧化镁和碳。CO2是酸性氧化物，可跟碱或碱性氧化物反应生成碳酸盐。跟氨水反应生成碳酸氢铵。无毒、但空气中CO2含量过高时，也会使人因缺氧而发生窒息。绿色植物能将CO2跟水在光合作用下合成有机物。CO2可用于制造碳酸氢铵、小苏打、纯碱、尿素、铅白颜料、饮料、灭火器以及铸钢件的淬火。CO2在大气中约占总体积的0.03％，人呼出的气体中CO2约占4％。实验室中常用盐酸跟大理石反应制取CO2，工业上用煅烧石灰石或酿酒的发酵气中来获得CO2。

1.3形成水合物条件

二氧化碳在井内由于高温、高压属于液态状态，而从井底到地面是CO2从液态转变成气态吸收热量的过程，如果CO2达不到临界状态就会形成白色雪状固体即干冰。固态CO2温度低，测气过程中如果长时间处于这种状态极易形成水合物堵塞地面流程，当水合物越积越多管线内盘根遇冷收缩，使管线达不到密封的状态而发生刺漏危险。防止CO2变成水合物就必须保证CO2不被冷却到-21.1℃以下，所以使用热交换器对其加热，让其在临界点之上就不会形成水合物，对输送和测量都提供了方便。

2热交换器的应用

采用热交换器、保温管线加热、锅炉车加热是目前解决二氧化碳试气井的主要方法。

2.1 热交换器种类

目前，国内外在三项分离器上应用比较广泛的热交换器分别有直接热交换器和间接热交换器两种类型。结合各热交换器的不同功能及某气田的实际情况，主要采用的热交换器为EXPRO公司生产的间接热交换器，见图2。深层气井在勘探开发过程中，当气体通过地面管线时，由于地面管线存在缩径，会造成管线出现冻堵的现象，增加了气井勘探开发的危险性。

2.2 工作原理

EXPRO间接热交换器，承压能力为5000psi。热交换器分为油路控制和气路控制两部分，由于XS 19井是二氧化碳气井，因为它不可燃烧，所以只能用油路燃烧柴油加热的方法进行计量。经过热交换器的CO2气体直接进入热交换器的带压外壳内，对盘管进行直接加热，这种方式热交换率高，热耗更低。盘管分为上下两段，中间装有可调油嘴，其作用是通过节流降低下游盘管的流速，从而进行更充分的热交换，使用热交换器的主要目的是解决在试气过程中的冰堵问题，且加热后的流体可以提高油气分离效率。热交换器配有双安全系统，即位于容器顶部的弹簧式安全阀和破裂盘式安全阀，通过释放管线连接到放喷口。热交换器顶部外接的高压感应器直接进入ESD系统，也相当大的程度提高了安全性能。

3现场应用

XS19井是某地区近几年深层气井勘探中CO2产量较高的一口井，而在此之前就有测量CO2气体的经验，FS9-1井就是一口高产CO2气井，但是由于当时的设备和保温技术的问题导致仅仅开了2小时的井就因为CO2液化吸热造成地面流程堵塞，初步测量出70000m3/d，但最终无法长时间开井测出该井的准确产量。而XS 19井在进行钻井施工时测得CO2含量为90%以上。由于CO2井在进行试气时不同于常规气井试气，因此对地面流程及分离器的保温提出了较高的要求，在对该井进行施工时，我们采用了加拿大EXPRO公司引进的热交换器。由于CO2气体是一种不可燃气体，而且CO2气体输出的过程也是它吸热的过程，必须保证经过节流管汇油嘴后的CO2不能低于它的临界点。

3.1 试气效果

XS 19井试气过程中开井48小时，油嘴11.11mm，测得CO2产量281379m3/d。统计经过节流管汇油嘴节流后流经热交换器的CO2温度、压力变化情况。分析表明，以12：00的数值可以看出下流压力485.17psi，下流温度47.21oF。可见通过热交换器加温的CO2气体，当压力高于200psi，温度也高于-20时CO2气体仍高于临界点的温度和压力，不会因为吸收大量的热量而转变成固体状态堵塞地面流程而造成危险，更能准确地测量出CO2气体的产量提供了有效的帮助。

3.2 建议

CO2气体溶于水并生成碳酸，如果井内产水跟CO2气体混合形成碳酸具有腐蚀特性，如果进入分离器内部极容易腐蚀分离器内部浮子，管道损害分离器。所以建议今后的CO2气体测量也不要进入分离器直接测量，而是选择临界测量的方法进行计量；另外CO2气体的密度比空气密度大，而且不供呼吸所以长时间测量放喷的时候如果风速不够不能吹散CO2气体的时候极易堆积到地面形成白色雾状气体，而我们平时的井多数都在村子旁边，如果长时间放喷测量容易使CO2气体飘向周围的村子致使村子里的人和牲畜呼吸困难而窒息发生意外，所以希望能够尽量缩短CO2气体测量放喷时间。

4发展前景

石油作为一种战略资源，长期以来一直是影响世界政治和经济发展的重要因素之一。只有加快和研究天然气产业化发展战略，以“气补油、油气并重、同步开发”的可持续开发格局大量开发天然气、二氧化碳气体，而热交换器又在深层天然气、二氧化碳气井的施工计量过程中起着决定性的作用，以进一步加强安全意识，消除安全隐患。

参考文献：

[1] 陈涛平，胡靖帮.石油工程[M].北京：石油工业出版社，2004.

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