煤層氣集輸管線冬季凝析水排出方法分析

張 瑋 張光波 劉明仁 郭玉廣 金德輝

(1.中石油華北油田山西煤層氣勘探開發分公司，山西 048000；2.華北油田公司工程技術研究院，河北 062552)

煤層氣同常規天然氣不同，雖然煤儲層中大的孔隙空間主要是被水所占據，水中含有一定的溶解氣，部分孔隙中存在游離氣，但80%以上是以吸附狀態賦存在孔隙的內表面。目前煤層氣的主要排采方式為排水降壓，采出氣為攜帶少量游離水的飽和氣。

冬季煤層氣在集輸過程中，由于管線溫度通常遠遠低于地下溫度，當飽和氣從地下滲流到集輸管線后，由于溫度驟降，會析出液態水并積存在集輸管線內。研究區位于沁水盆地南部，區內以丘陵山地為主，地面海拔高低差異較大，且煤層氣系統管網壓力較低，加大了氣體攜水能力的難度，易導致液態水在管線低部聚集，使單井管線壓力升高，氣量下降。在冬季溫度較低情況下易發生管線凍堵，給生產帶來嚴重影響。

目前解決煤層氣管線凝析水的方法主要是通過加裝凝水器設備和加大管線埋深兩種方法。安裝凝水器的最佳位置應是凝析水不再析出的管段，如果要對安裝位置做出最佳判斷，需在模擬條件下進行模擬計算，通常由于周邊溫度不易控制，計算結果易出現誤差。研究區內管線埋深在產建初期就已完成，若在后期加大埋深深度，施工時間長，費用較高。因此有必要研究集輸管線中凝析水的排采方法，消除對單井產量的影響，提高冬季生產效率。

1 區域自然地理狀況

樊莊南部區塊位于沁水盆地南部，區內主體為丘陵山地，其中山區面積占40%，低山丘陵區占50%，地勢西高東低，最高處海波2358m，最低處海拔520m，高低起伏落差在1838m。為大陸性氣候，晝夜溫差較大，在10℃以上，年平均氣溫11.7℃，月平均最低氣溫-3℃，最高氣溫24.8℃。年降雨量600～700mm，年蒸發量1600～1900mm，霜凍期11月至次年3月，凍土層最大厚度42cm，冬季最低平均氣溫在-7℃左右。2016年1月極端天氣下，最低氣溫達到-19℃。

2 冬季生產情況

研究區內目前管理單井756口，據統計2017年冬季生產過程中，發生凍堵管線4條，管線積液導致壓力升高氣量下降104口單井，日影響氣量0.82×104m3，平均日掃線井數達到61次(表1)。

3 產生凝析水主要影響因素分析

煤層氣集輸管網中產生凝析水主要是由于井筒中聚集的煤層氣是飽和氣，隨著壓力、溫度的變化，或多或少的會產生凝析水。根據工程熱力學中水的相態圖1可知，當井口溫度恒定時，隨著壓力降低飽和氣變為不飽和氣；當管線壓力恒定時，隨著溫度降低，煤層氣中飽和氣逐漸變為不飽和氣，當溫度進一步降低時，飽和氣中析出液態水。

3.1 生產壓力對凝析水的影響

總體表現為生產壓差越小，系統中凝析水越多，單井氣量波動越大。從圖2可以看出，每年4月至10月單井產氣量較平穩，平均壓差為0.003MPa，而每年11月至次年3月是冬季影響期，平均壓差為0.01MPa，單井日均影響氣量為300m3。

圖2 zc-060井2016年1～2017年9月生產運行曲線

3.2 溫度對凝析水的影響

從地溫數據與產量曲線(圖3)可以看出，冬季地溫變化趨勢與產量曲線變化趨勢基本一致，說明冬季系統中凝析水的大量產生主要受溫度影響，呈現為溫度越低系統中凝析水越多。以研究區2016～2018年生產為例，2016年0℃以下時間約為4個月，全年四分之一的時間地溫低于0℃，日產量最高影響1.5×104m3。

圖3 研究區冬季產量與地溫變化相關圖

4 冬季凝析水的排出方法

通過密切關注壓力變化，及時對單井缸凝液缸放水，管線進行清掃可以有效地減少凝析水對生產的影響。同時要充分利用現有流程，根據各個單井的不同情況，制定相應的掃線方法，提高掃線效率。總結放水規律變化，制定準確的放水周期表，保障冬季生產平穩運行。

4.1 凝液缸放水，管線掃線

2013年以前，研究區管線壓力為0.1～0.2MPa，由于壓力相對較高，掃線時很容易掃清出管線中的凝析水。2013年后，通過管線擴容、集氣站增加壓縮機，管線系統壓力下降至0.00～0.1MPa，由于系統壓差減小，掃線難度增大，管線中的凝析水不易被掃出(圖4)。針對這種情況，基于每口單井管網走向、地理位置和地面海拔高差，依據管壓、套壓、瞬時的變化分析，確定針對性的典型類和非典型類單井掃線方法。

圖4 研究區單井日產氣與單井管壓變化相關圖

4.1.1 典型類單井掃線方法

典型類掃線主要是針對單井與閥組之間管線的地面海拔高差無明顯起伏變化，利用重力原理在地面海拔相對低點進行掃線，即可掃出凝析水。

當閥組位置相對于井口位置偏低時，在閥組處將單井由正常流程導為放空流程，打開放空閥門，將凝析水掃出正常流程管線區域，我們稱之為正掃；反之，若井口位置偏低，則閉合角閥，打開單流閥、球閥，利用閥組內氣體反方向將單井管線內凝析水從單流閥處吹掃出，稱之為反掃(圖5)。

圖5 單井井口流程示意圖

4.1.2 非典型類單井掃線方法

(1)加裝凝液缸的單井掃線方法

對加裝有凝液缸的管線，通過對管線兩端掃線，讓管線積水最大程度匯集到凝液缸位置，然后用凝液缸徹底將積水排出。

如圖6所示：針對井口位置較低的單井，應在爬坡位置設置凝液缸，這樣可先通過凝液缸放水后，再進行反掃將爬坡位置的積水反掃到凝液缸中排出；針對井口位置偏高的單井，凝液缸應加裝在相對低點，先通過正掃將單井管線內凝析水掃到凝液缸中排出，對部分殘留在爬坡管線中的凝析水則通過井口反掃，吹掃到凝液缸中排出(圖7)。

圖6 單井、凝液缸與閥組相對位置示意圖

圖7 凝析水走向示意圖

Hc1-17井往年受冬季影響明顯，掃線周期為2天且通過簡單地井口掃線無效果。2019年2月對單井加裝凝液缸后掃線效果良好，基本恢復至冬季影響前氣量，掃線周期延長至30至35天，有效的降低人工勞動強度(圖8)。

圖8 hc1-17加裝凝液缸后效果示意圖

(2)地勢復雜的單井掃線方法

通過對研究區每口單井管網走向、地理位置和地面海拔高差的分析，認為在生產過程中掃線效果不明顯的主要有兩類。第一類只需要在井口反掃后，在閥組進行放空即可。第二類則需要結合單井所處位置的高低、單井產氣能力和管線連通位置摸索方法。以圖9為例，單井1井日產氣量下降500m3，而鄰井單井2產量基本不受影響，依此可以判斷凝析水應聚集在單井2井口管線之前，則先將閥組上3口井串聯管線支線關閉，對兩口相對高點的單井1和單井2單井兩頭進行掃線，將凝析水掃至相對低點單井3處排出，通過掃線，三口單井產量快速恢復至原產量(圖10)。

圖9 單井與閥組相對位置示意圖

圖10 掃先前后效果對比柱狀圖

(3)閥組掃線方法

針對閥組壓力過低的單井，則需要利用同閥組內氣量大的單井進行反掃。以CZ1#閥組為例，由于該閥組增設增壓站， 導致閥組壓力只有0.017MPa。且閥組內單井地面海拔落差較大，管線積水明顯，且壓力過低無法通過單井反掃，以及閥組正掃清除管線積水。因此需將壓縮機減載，提高單井壓力，增強管線內氣體的攜水能力排出積水。

4.2 及時疏通流程，減少阻力

部分煤粉含量較高的產氣井，冬季生產時，管線凝析水會混合部分煤粉，從而堵塞針式角閥和流量計渦輪，導致單井計量產氣量偏低。針對此類單井需定期清理流量計進出口渦輪，或將針式角閥更換為截止閥或者球閥，提高抗煤粉堵塞能力。

4.3 井口進行電加熱，消弱井口節流影響

在冬季生產時，地下與地面溫度差異較大，當飽和氣從井筒進入到井口生產閥門時，因溫度快速下降，凝析水會大量吸出，從而導致管線積液，氣量下降。針對這類情況可以在生產閥門之前的管線至立管處加纏電熱帶，減弱溫度變化對氣量的影響。

5 結論

(1)煤層氣為飽和氣，隨著壓力、溫度的變化，在集輸管線內或多或少會產生凝析水。冬季生產過程中，煤層氣集輸管線凝析水的產生主要受溫度影響，溫度越低，系統中凝析水越多。

(2)冬季對煤層氣單井產氣量的影響只能減弱不能消除。

(3)本文基于每口單井的管網走向、地理位置和地面海拔高差等基本資料，依據管壓、套壓、瞬時的變化分析，形成的典型類和非典型類單井掃線方法在研究區應用效果顯著，有效降低凝析水對產量的影響，保障冬季生產平穩運行。