致密氣田地面集輸集中加熱節(jié)流工藝

劉月勤 劉靜怡 徐立昊

1中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司研發(fā)中心

2中海油研究總院工程研究設(shè)計(jì)院

致密氣區(qū)別于常規(guī)天然氣，其井口初期壓力較高，含水量較大，一般在生產(chǎn)第2年或第3年開始迅速遞減。為方便鉆井壓裂施工，氣田內(nèi)廣泛采用叢式井場，井型包括直井、定向井及水平井。每種井型投產(chǎn)時(shí)井口壓力均有差別，加之投產(chǎn)時(shí)間不一，導(dǎo)致井場內(nèi)每口井的井口壓力差別較大，串接后影響集輸效率。因此致密氣田集輸工藝需同時(shí)滿足有效抑制水合物和串接后能高效集氣兩個(gè)條件。

鄂爾多斯盆地東緣臨興區(qū)塊冬季平均氣溫為-7.8℃，投產(chǎn)初期極易形成水合物[1-4]。臨興區(qū)塊先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)目前采用注入水合物抑制劑和同時(shí)敷設(shè)高、低壓管道工藝，注入抑制劑后水合物形成曲線如圖1所示。此工藝雖能一定程度抑制水合物形成，但在生產(chǎn)實(shí)際中，含水量大的井注入量過大，回收效率偏低（約為30%），使醇類進(jìn)入采出氣里，增加了天然氣的處理成本。

圖1 注入抑制劑后水合物形成曲線Fig.1 Hydrate formation curve after injection of inhibitor

不同階段投產(chǎn)井的壓力差別較大，需同時(shí)敷設(shè)高壓和低壓2條采氣管線至集氣站，成本高且后期高壓管道利用率很低，因此注入水合物抑制劑并不是1種高效經(jīng)濟(jì)的集輸工藝。將采出氣加熱，使其高于此壓力下水合物生成的溫度也可有效抑制水合物生成。節(jié)流可將高壓采出氣降至低壓狀態(tài)下，敷設(shè)1條低壓管道即可完成集輸，但節(jié)流后會出現(xiàn)溫度驟降的情況。因此將加熱和節(jié)流工藝結(jié)合起來，在節(jié)流前進(jìn)行充足加熱，即在有效抑制水合物的同時(shí)，以低壓狀態(tài)高效集氣。

根據(jù)現(xiàn)場的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，在高效集輸同時(shí)，減少設(shè)備數(shù)量可減少故障點(diǎn)及設(shè)備維護(hù)工作量。在每個(gè)井場單獨(dú)設(shè)置1座加熱設(shè)備將使整個(gè)氣田的設(shè)備故障點(diǎn)增多，運(yùn)營維護(hù)成本增大。與此同時(shí)功率較小的加熱設(shè)備效率明顯低于功率大的設(shè)備，可靠性較低，同時(shí)在每個(gè)井場使用小加熱設(shè)備將消耗過多的燃料造成能源浪費(fèi)，因此考慮在相近的井場用大功率加熱爐進(jìn)行集中加熱。

1 工藝流程

集中加熱節(jié)流工藝首先實(shí)現(xiàn)集中，即將相鄰井場來氣匯集，匯集后對高壓來氣先加熱后節(jié)流，與低壓氣匯合后以低壓狀態(tài)輸送至集氣站處理。

1.1 中心井場匯集

1.1.1 工藝特點(diǎn)

中心井場匯集示意圖如圖2所示。在氣田各井場中選取某一區(qū)域中心位置的井場作為中心井場，與其相鄰近的各井場同時(shí)敷設(shè)高壓采氣管道和低壓采氣管道至中心井場內(nèi)匯合。高壓井和低壓井來氣分別進(jìn)入高壓氣匯集管和低壓氣匯集管，在中心井場匯集后，高壓來氣經(jīng)加熱、節(jié)流至低壓狀態(tài)，與低壓氣匯集后一同輸往集氣站集中處理。

圖2 中心井場匯集示意圖Fig.2 Schematic diagram of the collection of the central well site

1.1.2 參數(shù)計(jì)算

剛投產(chǎn)井井口壓力高，在進(jìn)高壓管道輸送時(shí)，由于采氣管道在土壤之間有熱量散失，使采出氣溫度不斷降低，在高壓條件下當(dāng)溫度降到某一個(gè)特定值時(shí)便到了水合物形成的臨界點(diǎn)，此時(shí)會形成水合物堵塞管道[5]。因此高壓管道輸送的濕氣不能傳輸太長距離，即對相鄰兩個(gè)井場之間的安全傳送距離有一定要求。

運(yùn)用PIPESIM軟件對高壓采氣管道進(jìn)行計(jì)算，設(shè)高壓輸送管線內(nèi)徑為78.9 mm，內(nèi)壁粗糙度為0.025 4 mm，管材的換熱系數(shù)為45 W/(m·K)，土壤換熱系數(shù)為0.775 W/(m·K)，管道埋深為1.2 m，外側(cè)不覆蓋保溫層。井口溫度取23℃，隨著輸送過程中熱量的散失，管道內(nèi)氣體的溫度隨著距離的變化及與同壓力下水合物生成溫度對比如圖3所示。

由圖3可知，在上述條件下，井口高壓氣進(jìn)入采氣管線后溫度迅速降低，在傳輸約180 m的距離時(shí)即低于當(dāng)前壓力下水合物生成溫度，有水合物生成風(fēng)險(xiǎn)。而氣田內(nèi)部相鄰兩座井場的距離一般都大于這個(gè)距離，因此在此條件下無法將高壓氣匯集到一起集中加熱，需要考慮給采氣管道采用適當(dāng)?shù)谋卮胧6-8]。

圖3 高壓采氣管道隨距離變化的溫降圖Fig.3 Temperature drop change diagram of high pressure gas production pipeline with distance

井場高壓氣匯集管道采用聚氨酯保溫管，保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)取0.024 W/(m·K)，給高壓采氣管道覆保溫層后溫降圖如圖4所示。由圖可知，高壓氣匯集管道外覆聚氨酯保溫層20 mm即可達(dá)到850 m左右的傳輸距離而不形成水合物，覆30 mm保溫層可達(dá)1 100 m以上。保溫層厚度根據(jù)相鄰井場距離確定，以實(shí)現(xiàn)井場之間管線連接，集中加熱的目的。

圖4 高壓采氣管道覆保溫層后溫降圖Fig.4 Temperature drop diagram of the high pressure gas production pipe after covering the insulation layer

1.2 加熱后節(jié)流

1.2.1 工藝特點(diǎn)

加熱后節(jié)流工藝示意圖如圖5所示。為保證節(jié)流后采出氣有足夠溫度，高壓氣節(jié)流前使用水套加熱爐加熱至一定溫度，加熱爐使用井場內(nèi)產(chǎn)出氣。高壓氣節(jié)流降壓后，與低壓管道來氣匯合到中心井場一同輸往集氣站處理。

圖5 加熱后節(jié)流工藝示意圖Fig.5 Schematic diagram of throttling after heating

1.2.2 參數(shù)計(jì)算

井口壓力不一致，采出氣溫度也有變化，節(jié)流至同一壓力后溫度差別很大，什么條件下需要加熱，加熱至多少度是最為關(guān)鍵的問題。選取開采層位為盒八段的某生產(chǎn)井作為典型，各致密氣氣質(zhì)組分體積分?jǐn)?shù)如表1所示。運(yùn)用PIPESIM軟件對節(jié)流前后的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證[9-10]。

表1 典型致密氣氣質(zhì)組分Tab.1 Typical tight gas components %

采出氣體飽和含水，產(chǎn)量為15 000 m3/d（0℃、1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓），井口溫度夏季為20℃，冬季為10℃。油管壓力開采初期為9 MPa，后期緩慢降低，采氣管線運(yùn)行壓力約為2 MPa。

節(jié)流前溫度設(shè)為20℃，通過計(jì)算得到不同壓力下節(jié)流后溫度與水合物生成溫度對比曲線，如圖6所示。

圖6 不同壓力下節(jié)流后溫降與水合物生成溫度對比Fig.6 Comparison between temperature drop after throttling and hydrate formation temperature

從圖6看出，節(jié)流前壓力大于或等于2.5 MPa時(shí)，節(jié)流后的溫度便在水合物生成曲線下方，即此時(shí)有水合物生成的風(fēng)險(xiǎn)。即此溫度下，不考慮散熱損失時(shí)，2.5 MPa及以上的井均需進(jìn)行一定加熱后才能節(jié)流。

在井口20℃情況下，高壓井節(jié)流至2 MPa不形成水合物所需加熱達(dá)到的溫度值如表2所示。

表2 節(jié)流至2 MPa不形成水合物所需加熱達(dá)到的溫度Tab.2 Heating required temperature without forming hydrate when throttling to 2 MPa

所需溫度為最低值，在不考慮散熱損失情況下，節(jié)流前高于此值即可有效抑制水合物。隨著生產(chǎn)進(jìn)行，井口壓力逐漸降低，可根據(jù)不同壓力調(diào)整所需加熱的溫度[11]。

根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)，采出氣到達(dá)井口后溫度在15～50℃之間，不同溫度下對節(jié)流前加熱的需求是不同的。運(yùn)用PIPESIM軟件對不同溫度下節(jié)流前需要進(jìn)行加熱的最低井口壓力進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 節(jié)流前需要進(jìn)行加熱的最低井口壓力Tab.3 Minimum wellhead pressure required for heating before throttling

隨著井口溫度升高，滿足節(jié)流條件的最低井口壓力逐漸升高[12]，以井口產(chǎn)出氣溫度50℃為例，在不考慮散熱損失情況下，如壓力低于4.71 MPa，則該井無需進(jìn)行加熱，直接節(jié)流至2 MPa進(jìn)入采氣管道即可，無水合物生成。考慮到現(xiàn)場生產(chǎn)實(shí)際，建議增加20%余量作為參考標(biāo)準(zhǔn)。

2 與現(xiàn)有工藝對比

臨興先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)共6個(gè)井場25口井，目前設(shè)計(jì)采用高、低壓管道加集中注醇的方式。井場內(nèi)高壓井進(jìn)高壓管道，低壓井產(chǎn)氣進(jìn)低壓管道，2條管道同時(shí)敷設(shè)至集氣站處理。為抑制水合物，集氣站內(nèi)設(shè)有醇類回收裝置，并敷設(shè)注醇管道至井場。現(xiàn)有工藝與集中加熱節(jié)流工藝比較如表4所示。

集中加熱節(jié)流工藝敷設(shè)管道的長度遠(yuǎn)小于現(xiàn)有工藝，只需部分燃料成本便可實(shí)現(xiàn)高效安全集氣；集中加熱有效地減少了加熱爐和節(jié)流設(shè)備的數(shù)量，便于維護(hù)；中心井場節(jié)流后，進(jìn)入集氣站的采出氣均為低壓力等級，并且上游節(jié)流能夠脫去部分水，氣的含水量少，站內(nèi)分離器負(fù)荷較低，整體工藝流程簡單。

表4 現(xiàn)有工藝與集中加熱節(jié)流工藝對比Tab.4 Comparison of exisiting process and centralized heating throttling process

在集中加熱節(jié)流工藝中，隨著生產(chǎn)的進(jìn)行，高壓井壓力逐漸降低，低至一定壓力后將其接入到低壓氣匯集管即可，高壓氣匯集管道留給處于高壓狀態(tài)的井使用，可進(jìn)行動態(tài)生產(chǎn)管理。

3 結(jié)論

（1）中心井場在實(shí)現(xiàn)集中加熱節(jié)流工藝中，有效抑制水合物生成的同時(shí)可實(shí)現(xiàn)各井間高效集輸。通過計(jì)算，高壓井覆20 mm保溫層即可達(dá)到850 m左右的傳輸距離不形成水合物，覆30 mm保溫層傳輸距離1 100 m左右不形成水合物。不考慮散熱損失的情況下，當(dāng)采出氣溫度為20℃、井口壓力高于2.5 MPa時(shí)節(jié)流前需要加熱；當(dāng)采出氣溫度為50℃時(shí)，節(jié)流前需要加熱的井口壓力最低為4.71 MPa。

（2）集中加熱節(jié)流工藝中，相鄰進(jìn)場來氣匯集后只需1條低壓管道即可輸往集氣站，降低了地面管道敷設(shè)成本；在中心井場，將集中加熱節(jié)流設(shè)備集中放置，節(jié)流后進(jìn)入集氣站的采出氣均為低壓力等級，整體工藝流程簡單，利于后期的維護(hù)，可隨生產(chǎn)壓力動態(tài)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了地面集氣設(shè)備的高效管理。