淺談頁巖氣地面集輸設計規程

姜琳

[摘 要]對具有高壓力、高產量，壓力產量變化快、產水量高的頁巖氣藏的開發進行分析，對比現有的技術與開發頁巖氣藏所需要的工藝設備以及壓力溫度等的需求，提出簡要的頁巖氣地面技術設計規程，通過對HYSYS以及PIPELINE等軟件的使用，實現模型具體化、數字化的呈現設計。

[關鍵詞]頁巖氣集輸;水合物;集輸工程

[中圖分類號]TE863 [文獻標識碼]A

頁巖氣藏具有高壓力、高產量，開采過程壓力下降迅速、開采初期氣量大、產水量高，開采過程氣量衰減快、后期氣量小，進入增壓開采短等特點，導致了一系列的設計需求以及工藝設備需求。

1 水合物生成預測及防止

由于頁巖氣藏具有高壓力，初期開采時可借助氣藏壓力進行輸送至集氣閥或相應的天然氣處理廠，經過處理后進行外輸。但是由于單個氣井壓力高，產水量大，極容易引起冰堵現象。因此，首先需要根據天然氣氣質組分及壓力對水合物的形成進行預測并根據環境的溫度壓力條件建立生成模型以觀測。現以單井壓力初期48MPa，后期2MPa，埋深處地溫10℃，天然氣成分（mol）按下表（1）所示。

若開初期借用氣藏壓力實現天然氣的外輸，有效減少增壓站的設置，但由于初期壓力過高，致使外輸至外輸站時壓力遠大于所需的外輸壓力，同時，開井初期壓力過高，促進水合物的生成，因此，選擇對水合物進行節流措施。

1.1 節流方式

節流是流體流動時由于通道截面突然縮小（如孔板、閥門等）而使壓力降低的熱力過程。為了獲得降壓的效果必然會引起溫度的上升，因此在節流過程中應注意節流的溫度，密切關注水合物的生成條件，以水合物生成作為表準進行節流壓力的選取，觀測溫度變化。

常規控制井口壓力的方法主要有井口加熱節流和井下節流兩種。

（1）井口加熱節流。井口加熱節流采用井口加熱爐加熱以提高集氣氣流溫度，利用井口針閥節流降低集氣管線壓力，從而保證在降壓處理要求。由于針閥節流降壓會導致溫度的瞬間降低，極易出現水合物堵塞的現象，采用井口加熱可以提高氣流溫度，在節流壓降作用時使溫度不致降至水合物生成的溫度。但由于氣流速度快，井口加熱僅僅作用于局部而對井筒及加熱爐前管線不存在保護作用，在生產壓力極大的情況下，必須考慮流動注醇車的配備。井口加熱節流耗費器材量大，后期投入高，設備以及生產管理難度大。

（2）井下節流。井下節流通過井下節流氣嘴來完成節流壓降。井下節流可以充分利用地溫對氣體以及管道的保溫作用，對相應的部分進行加熱，可以使節流后的氣體流動溫度基本與節流之前的溫度一致，減少了如井口節流所需考慮的注醇量，有效減少注醇投資。井下節流工藝極大地簡化了地面流程，同時提高了氣井攜液能力，有效防止水合物的生成，更益于保護地層。

1.2 方案設計

由水合物預測圖以及結合輸氣站外輸壓力（取5MPa），可選取設計方案如下三種：

（1）井下節流至4.5MPa時水合物生成溫度為7.625℃，低于管道埋深處平均地溫10℃從而保證在沿線環境溫度下不會有水合物生成，初期可以不使用保溫、加熱、增壓設備，直接輸送至天然氣處理廠，增壓至5.02MPa外輸至輸氣站;后期井口壓力2MPa采取在天然氣處理站將氣體進行增壓外輸。

（2）井下節流至5.06MPa，使初期產氣能夠滿足沿線的壓力輸送，無需再沿途進行增壓，直接借井口壓力輸送至集氣站、處理廠以及輸氣站，但需在井口設置加熱爐，以防止水合物的生成;后期井口壓力2MPa，在集氣站前需要設置壓縮機使得有足夠的壓力輸送至天然氣處理廠，由于輸氣站外輸壓力為高于現有壓力，后期輸送天然氣采取處理站氣體增壓。

（3）井下節流至5.06MPa，使氣井初期具有足夠的壓力憑借井口壓力直接輸送至天然氣處理廠，接著輸送至輸氣站，無需增壓。而管道埋深處地溫10℃，無法完全保證水合物不生成，因此采氣初期增設加熱爐進行加熱，防止水合物的生成。后期亦須進行增壓外輸。

2 集氣管網和站場布局

2.1 規劃概述

在管網規劃設計中，采用優化技術確定合理的結構并確定最佳工藝設計方案可以獲得較好經濟效益。因此以產量長度和最小為約束的最優化目標和以管線總長度為約束的最優化目標，根據集氣半徑對管網集輸方式進行初步的構造，并采用Lingo建立相關數學模型，通過計算得到以管線總長度為約束的管網布局方案。

（1）在AutoCAD中建立坐標讀取相應各個平臺坐標。

（2）根據氣田現場狀況以及周邊公路情況進行相應的定點。

（3）使用Lingo進行最佳位置的定點計算，并得出計算點坐標。

2.2 井組劃分

井組的最優劃分是確定井與站之間的最佳隸屬關系，即在一定的井式約束及其他約束下，把各氣井劃分為其所隸屬集氣站，以達到節約建設費用的目的。

根據集輸半徑要求、初步確定集氣站個數、進行系統聚類。通過系統聚類可得出初步集氣站管轄井，在集氣站管轄范圍內進行初步串接。

2.3 集氣站位置的確定

采用Lingo最優化算法以產量長度和最小為優化目標確定集氣站位置。對數據和初步方案需要進行必要的擬合修正，比如對井間串接管網布置方式進行調整，以確保流程的正常進行。

3 管網的水力、熱力計算校核

3.1 水力計算校核

以下圖2串聯井網為例進行pipeline運行工況的校核。圖中左側為各個集氣平臺的接連，右側為集氣站。

單個平臺平均流量為10.15×104m3/d，井口節流后壓力4.5MPa，管道埋深處地溫為10℃，利用pipeline校核結果如下圖3所示，即上述管線尺寸設計可以滿足輸量要求。

3.2 熱力計算校核

根據三個方案中需要加熱爐進行加熱來保持水合物不生成的方案進行熱力校核計算。

用單井流量、長距離輸送的工況設計出來的加熱爐功率偏大，熱量富余較大，故具有能耗高，經濟效益差的缺點。因此需要進行加熱溫度優化。考慮到串聯井網的計算比較復雜，利用Pipeline模擬計算已有管網布局情況下各井口的加熱溫度優化與熱力水力校核。

通過Pipeline軟件模擬可得各條管線的壓降及溫降曲線，對應條件下可保證不生成水合物。

其余管徑選取、管材選擇、穿跨越管道設計以及集氣站、天然氣處理廠的設計等均需根據實地應用進行詳細計算和設計，包括方案適應性分析、各類工藝設備的選用，管道以及設備的防腐設計、相應的氣田管網泄漏及應急預案、自動控制測量儀表，以及環境保護、消防設施的設置、職業安全衛生等。

通過對氣藏條件的分析，天然氣氣質組分的構成以及外設條件的要求，結合軟件運算模擬以及各類工程規范的指導，進行技術工程的設計。

[參考文獻]

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