蘇里格東區(qū)上古輸氣管線防凍堵對策研究

王 剛，郝紅麗，陳貝貝，楊亞軍，林孟雄，劉 鵬

（中國石油長慶油田分公司第五采氣廠，陜西西安 710018）

在歷年管線凍堵和異常情況統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過大數(shù)據(jù)分析和現(xiàn)場實(shí)踐，摸清了三個(gè)主要原因（除去客觀的地理、天氣等自然因素），并針對性的制定了8 項(xiàng)具體措施，本文將從管線凍堵原因分析出發(fā)，并結(jié)合現(xiàn)場防凍堵措施的試驗(yàn)效果，最終制定出了針對性的防凍堵措施。

1 上古輸氣管線凍堵原因分析

1.1 水合物的形成主要原因

天然氣水合物是天然氣與水在一定條件下形成的類似于冰的籠形晶體水合物。概括起來講，天然氣水合物的形成必須具備以下條件：

（1）有液態(tài)水存在，天然氣溫度必須低于天然氣的水露點(diǎn)；

（2）低溫，系統(tǒng)溫度低于水合物生成的相平衡溫度；

（3）高壓，系統(tǒng)壓力高于水合物生成的相平衡壓力；

（4）其他輔助條件，如氣體流速和流向的突變產(chǎn)生的擾動(dòng)、壓力的波動(dòng)和晶種的存在。

1.2 現(xiàn)場凍堵成因分析

（1）溫度原因：蘇里格氣田位于毛烏素沙漠腹地，其主要地貌為半沙漠化及沙化土地，流動(dòng)沙丘較多，造成部分管線埋深不足甚至裸露，降低了管線運(yùn)行溫度，尤其是管線上下坡段易出現(xiàn)此問題，達(dá)到了天然氣水合物的形成條件。

（2）壓力原因：部分集氣站進(jìn)站壓力較高，末端井壓力較高；干管末端高產(chǎn)井較多；管線管徑較細(xì)輸氣能力不足等。

（3）混合比例：單井產(chǎn)液較大、氣量小，部分管線敷設(shè)地段沙丘較大且多，造成管線起伏較為嚴(yán)重，降低了氣體攜液能力，在低洼處易積液管線攜液能力不足，產(chǎn)出水在低洼段聚集形成液堵，繼而引發(fā)凍堵。

（4）其他原因：試氣排液不充分，與地層水不配伍等形成絮狀物；其他原因形成固體類物質(zhì)，導(dǎo)致管線堵塞，從而引發(fā)凍堵。

1.3 防凍堵措施思維導(dǎo)圖

根據(jù)現(xiàn)場原因分析，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)施條件，經(jīng)過邏輯推導(dǎo)，得出以下處置措施（見圖1），并進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)。

2 防凍堵措施摸索及應(yīng)用效果

2.1 激動(dòng)排液試驗(yàn)效果分析

通過改變管線壓力，將管線內(nèi)的積液清理出來，采取關(guān)閉進(jìn)站總機(jī)關(guān)干管控制閥門，進(jìn)行充壓，將干管和進(jìn)站壓差控制在2 MPa 左右，利用管線壓差提高氣體流速將干管中的積液帶出。

圖1 防凍堵措施思維導(dǎo)圖

表1 激動(dòng)排液現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)

為此優(yōu)選以下5 類管線串接類型進(jìn)行試驗(yàn)：

（1）管線輸氣量3×104m3/d～5×104m3/d，干管未串接其他單井管線；

（2）管線輸氣量3×104m3/d～5×104m3/d，干管串接數(shù)條單井管線；

（3）管線輸氣量1×104m3/d～3×104m3/d，干管未串接其他單井管線；

（4）管線輸氣量1×104m3/d～3×104m3/d，干管串接數(shù)條單井管線；

（5）壓差大于0.3 MPa 的集氣支線；

（6）氣量小于10×104m3/d 的集氣站。

經(jīng)過近三年共計(jì)試驗(yàn)3 196 次，總計(jì)排液6 325 m3，有效率達(dá)到了78 %（壓差下降0.1 MPa 以上或單次排液量大于1 m3為有效），平均單井壓力降低了0.12 MPa，12 條往年易堵管線未發(fā)生凍堵或者凍堵頻次降低，有73 口低產(chǎn)氣井產(chǎn)能得到有效發(fā)揮，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定生產(chǎn)（見表1）。

2.2 不斷優(yōu)化預(yù)注醇措施

2.2.1 預(yù)注醇公式的優(yōu)選 通過改變管線壓力，將管線內(nèi)的積液清理出來，采取關(guān)閉進(jìn)站總機(jī)關(guān)干管控制閥門，進(jìn)行充壓，將干管和進(jìn)站壓差控制在2 MPa 左右，利用管線壓差提高氣體流速將干管中的積液帶出。

注入天然氣系統(tǒng)中的甲醇，一部分與管線中的液態(tài)水混合，形成甲醇的水溶液，一部分與氣體混合（防止氣相中形成水合物），準(zhǔn)確計(jì)算甲醇注入量時(shí)，需要考慮氣相和液相中的甲醇量。

水合物形成溫度降計(jì)算[1]：

式中：ΔT-水合物形成溫度降，℃；t1-水合物形成臨界溫度，℃，由圖2 可查得；t-天然氣進(jìn)站溫度，℃。

圖2 預(yù)測形成水合物的壓力-溫度曲線

當(dāng)確定出水合物形成的溫度降ΔT 后，可按下式計(jì)算液相中必須具有的抑制劑濃度X（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)）：

式中：X-水溶液中抑制劑濃度，質(zhì)量百分?jǐn)?shù)；ΔT-水合物形成溫度降，℃；32.04-甲醇相對分子質(zhì)量；1 297-抑制劑常數(shù)。

甲醇注入量計(jì)算：

式中：Gm-甲醇注入量，kg/d；Gs-液相中甲醇量，mg/m3；Gg-氣相中甲醇量，mg/m3；Q-天然氣流量（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，20 ℃條件下），m3/d。

其中：

式中：Wf-日產(chǎn)水量與日產(chǎn)氣量的比值，mg/m3；C-注入甲醇的濃度，質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。

式中：α-甲醇在每立方米天然氣中的克數(shù)與在水中質(zhì)量濃度的比值，與溫度和壓力有關(guān)，可用下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

式中：P-壓力，MPa；T-溫度，K。

2.2.2 現(xiàn)場試驗(yàn)情況 由于井口無兩相計(jì)量，氣井產(chǎn)液量無法測得，故這里只計(jì)算氣相中甲醇的消耗量，即取Gs=0。以蘇東站干管為例（25 口井，配產(chǎn)14×104m3/d），末端井場外輸壓力1.3 MPa，平均產(chǎn)氣溫度4 ℃，甲醇濃度95%。計(jì)算注醇量：根據(jù)外輸壓力及天然氣相對密度（取0.6），由圖2 查出水合物形成溫度t1=2.5 ℃，則ΔT=（t1-t）+（3 ℃～5 ℃）=3.5 ℃，代入公式算出X=7.96%，根據(jù)壓力和溫度計(jì)算出α=4.66，可得Gg=390 mg/m3，將產(chǎn)氣量Q 代入公式得Gm=5.26 kg/d，根據(jù)甲醇密度0.792 8 kg/L，即得出理論甲醇注入量為68.9 L/d，結(jié)合激動(dòng)帶液措施，適當(dāng)降低預(yù)注醇量，不斷摸索。

表2 蘇東A 站a#干管預(yù)注醇制度

2016 年11 月～2017 年3 月蘇東A 站a# 干管末端井共計(jì)預(yù)注醇20 次，253.9 升/次，消耗甲醇5 078 L，期間由于其他原因未能按制度執(zhí)行，導(dǎo)致發(fā)生25 d 凍堵。2017 年11 月～2018 年3 月該干管氣量降至11.8×104m3/d，理論計(jì)算需注醇58 L/d，共計(jì)預(yù)注醇33 次，消耗甲醇2 250 L，預(yù)注醇量下降56 %，未發(fā)生凍堵現(xiàn)象（見表2）。

表3 2018 年管線埋深不足下放后運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)

表4 部分單井及干管改線后運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)

2.2.3 試驗(yàn)效果 經(jīng)過近5 年的摸索，同時(shí)結(jié)合激動(dòng)排液試驗(yàn)，預(yù)注醇管線異常頻次下降60 %，同時(shí)耗醇指標(biāo)持續(xù)下降，2018 年冬季較2017 年冬季指標(biāo)下降達(dá)24 %，2017 年相較于2016 年冬季甲醇使用量下降35.2 %，2018 年相較于2017 年冬季甲醇使用量下降13.5 %，優(yōu)化管線預(yù)注醇是降低用醇量的關(guān)鍵。

2.3 其他防凍堵措施

2.3.1 對埋深不足的管線進(jìn)行下放 由于蘇里格氣田地處毛烏素沙漠腹地，部分集氣站自然環(huán)境惡劣，移動(dòng)沙丘較大，造成管線埋深不足，針對此類管線，為了確保冬季正常運(yùn)行，需在冬季生產(chǎn)過后及時(shí)巡線，對埋深不足管線進(jìn)行下放。

經(jīng)過對歷年48 條單井下放管線統(tǒng)計(jì)，異常次數(shù)下降92 %，效果較好（見表3）。

2.3.2 對輸送能力不足的管線進(jìn)行改線 部分集氣站由于地質(zhì)情況分布不均，部分高產(chǎn)井集中在末端，加之氣井串接影響，導(dǎo)致冬季生產(chǎn)壓力較高，引發(fā)管線凍堵，針對此類情況，需及時(shí)進(jìn)行分析研判，并及時(shí)進(jìn)行改線，確保管線正常運(yùn)行（見表4）。

2.3.3 對氣量較大末端邊遠(yuǎn)叢式井進(jìn)行錯(cuò)峰生產(chǎn) 部分叢式井處在各集氣站輻射交界處，且氣量較大，運(yùn)行壓力較高，導(dǎo)致管線無法正常運(yùn)行，對此種情況，采取錯(cuò)峰生產(chǎn)方式（即對該叢式井進(jìn)行間歇開井），確保管線運(yùn)行正常。

冬季中發(fā)現(xiàn)有此類干管4 條，采用此種方式生產(chǎn)，異常情況下降85 %，效果較好。

2.3.4 對出異物氣井采取針對性措施 部分新井由于試氣壓裂返排率較低，井內(nèi)出現(xiàn)異物堵塞，主要采取以下措施：

（1）積極與相關(guān)部門溝通，對此類井進(jìn)行重新排液；

（2）白天放大產(chǎn)量帶異物，晚上小產(chǎn)量運(yùn)行或關(guān)停氣井。

3 結(jié)論

（1）一是針對全年生產(chǎn)情況，總結(jié)出每年4～11 月進(jìn)行氣井排液、管線改線及下放，12 月至第二年4 月進(jìn)行預(yù)注醇、激動(dòng)排液、錯(cuò)峰生產(chǎn)及調(diào)節(jié)壓縮機(jī)參數(shù)防凍堵的主動(dòng)措施；二是摸索出各類冬季防凍堵措施實(shí)施要點(diǎn)；三是防凍堵措施越來越精細(xì)，針對性不斷加強(qiáng)。

（2）對管線進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，制定針對性措施。

（3）各類防凍堵措施要靈活使用，可組合使用，確保井、管線運(yùn)行正常。

（4）由于各站工藝流程、管線連接方式略有不同，因此在制定防凍堵措施時(shí)，要綜合考慮這些因素，并在實(shí)踐中不斷優(yōu)化調(diào)整。