四川頁巖氣陽101井區(qū)頁巖氣增壓開采方案優(yōu)選

胡嬙

四川科宏石油天然氣工程有限公司 四川 成都 610000

1 概述

陽101井區(qū)隸屬于川南頁巖氣的瀘州區(qū)塊，屬于中國石油瀘縣-長寧礦權(quán)區(qū)。所屬建設(shè)單位為四川頁巖氣勘探開發(fā)有限責(zé)任公司（簡稱“四川公司”）。陽101井區(qū)集輸布局方式采用“放射狀+高低壓分輸+集氣站/脫水站集中增壓”，平臺與集氣站間集氣支線，主要采取“放射狀+枝狀管網(wǎng)”布局。陽101井區(qū)半數(shù)平臺井站已投產(chǎn)，并建有內(nèi)部集輸管網(wǎng)和外輸管網(wǎng)。截至2021年8月，最早投產(chǎn)的平臺生產(chǎn)時間接近3年，井口壓力逐漸接近內(nèi)輸輸壓。結(jié)合頁巖氣生產(chǎn)特點，生產(chǎn)初期壓降快，井口壓力低于輸送壓力后，井口將被迫轉(zhuǎn)為間歇性生產(chǎn)模式。

為滿足陽101井區(qū)新鉆平臺井投產(chǎn)要求，使未來20 年陽101井區(qū)各平臺相對連續(xù)生產(chǎn)，對井口壓力與輸送壓力持平的平臺采取增壓開采后外輸是必要的，也是整個頁巖氣井開采期中實施最直接有效的集輸工藝。

2 增壓工藝

2.1 增壓時機(jī)的確定

當(dāng)氣井的油壓小于該平臺不增壓的最低輸壓時，氣井就需要增壓[1]。

結(jié)合“威遠(yuǎn)、瀘州區(qū)塊頁巖氣集輸干線”對其投運后管網(wǎng)水力計算結(jié)果，在其投產(chǎn)運行后，陽101脫水站起點壓力（脫水站出站壓力）最高將可能達(dá)5.53MPa。考慮脫水裝置壓力損失0.3MPa，以5.83MPa作為陽101脫水裝置進(jìn)氣壓力返算確定不增壓各集氣站最低輸出壓力。

氣井的油壓需要根據(jù)生產(chǎn)動態(tài)分析，進(jìn)行井口壓力遞減規(guī)律研究并于氣井歷史油壓進(jìn)行曲線擬合，以預(yù)測未來10～15年不同時期壓力變化情況[2]。以陽101H1平臺為例，2022年9月平臺最低輸壓為6.58MPa，井口預(yù)測壓力為6.7MPa；2022年10月平臺最低輸壓為6.58MPa，井口預(yù)測壓力為6.0MPa，故陽101H1平臺的增壓時間為2022年10月。

2.2 增壓方式

2.2.1 整體增壓方式

根據(jù)提供的平臺投產(chǎn)時間及總體布局，增壓位置主要有：平臺、集氣站和脫水站，增壓方式主要有集中增壓和分散增壓。

平臺分散增壓：主要適用于平臺數(shù)量少且分布較分散，如偏遠(yuǎn)平臺；平臺增壓是在每個開采平臺（同一平臺所轄井口數(shù)為3～10口不等）設(shè)置壓縮機(jī)組，對該平臺或上游平臺所轄井口采出的低壓氣增壓后輸送至下游平臺或站場。

該方式的針對性很強(qiáng)，即只針對該平臺或上游2～3個平臺來氣的增壓。因此，其增壓覆蓋平臺范圍有限。以井區(qū)為單位統(tǒng)籌考慮時，可能要設(shè)置多個平臺增壓站，其運行管理更為繁瑣。

集氣站集中增壓：在井區(qū)范圍內(nèi)管網(wǎng)的集氣站設(shè)置集中增壓站進(jìn)行增壓，集氣站附近的各平臺低壓氣利用其井口自身壓能輸送至集氣站增壓，經(jīng)匯合后一次性增壓后前往脫水站處理然后外輸。

但該方式對平臺各井壓力、產(chǎn)量變化時的調(diào)整能力較平臺增壓弱，容易出現(xiàn)新投產(chǎn)平臺影響老平臺產(chǎn)量的情況。已建管網(wǎng)在輸送壓力下降時其輸送能力也相應(yīng)下降，是否能滿足預(yù)測期各平臺輸量要求還需要對已建管網(wǎng)進(jìn)行核算。如不能滿足，要么影響平臺產(chǎn)量、要么增加投資新建復(fù)線。該方案主要適用于平臺數(shù)量較多，且距脫水站較遠(yuǎn)。

脫水站集中增壓：該方式增壓站設(shè)置最為集中，其運行管理最為方便，增壓站依托脫水站站場建設(shè)，建站配套設(shè)施可依托性更強(qiáng)，投資更低。但該方式對平臺各井壓力、產(chǎn)量變化時的調(diào)整能力最弱。壓縮機(jī)的背壓低，壓縮機(jī)功率大。部分平臺井口可能無法通過壓能自行輸至脫水站增壓。可能需要在集氣站新建復(fù)線。該方案主要適用于平臺數(shù)量較多，且距脫水站均較近。

對于陽101井區(qū)平臺數(shù)量多，且分布相對集中，因此不推薦平臺增壓。根據(jù)集輸系統(tǒng)總體布局，陽101井區(qū)平臺分布較廣，部分平臺距離脫水站較遠(yuǎn)（超過20km），若在脫水站集中增壓，較遠(yuǎn)平臺在后期需要犧牲一定的壓力能，且管道輸送壓損較大。根據(jù)各平臺的投產(chǎn)時間，陽101井區(qū)選擇集氣站集中增壓+脫水站集中增壓組合。

2.2.2 局部增壓方式

在上游平臺建產(chǎn)時期，不可避免的存在井口壓力不平衡、差異大的情況。從上游平臺之間井口壓力不平衡、差異大到相對平衡的這一過程，我們稱為井口壓力平衡前的過渡期。可以通過生產(chǎn)調(diào)控措施，對需要先增壓的平臺實施定壓降產(chǎn)，對其它井口壓力相對較高的平臺實施放產(chǎn)降壓，通過生產(chǎn)調(diào)控的干預(yù)，加快平臺之間壓力的平衡。通過對增壓集氣站所轄范圍內(nèi)的逐個平臺進(jìn)行增壓分析，得出：雖然陽101井區(qū)管網(wǎng)程放射+枝狀，大部分平臺都建有單獨的集氣支線至相應(yīng)的集氣增壓站增壓，但仍有部分平臺為串接平臺，兩個平臺通過一條集氣支線輸往集氣增壓站，且串接的兩個平臺的增壓時間也存在差異。例如：1）陽101-1集氣站集氣區(qū)域內(nèi)H2與H26平臺串接，且增壓時間相差近一年；2）陽101-2集氣站集氣區(qū)域內(nèi)H3與H37平臺串接，且增壓時間相差近一年；針對此等情況，提出2個方案：

先增壓的平臺設(shè)置平臺增壓過渡，串接平臺壓力平衡時再接入集氣站共同增壓。該方案適合過渡平臺與集氣站增壓壓力不平衡時間較短、過渡平臺與集氣增壓站距離較遠(yuǎn)的情況。

串接平臺間建集氣支線復(fù)線，通過高低壓分輸納入集氣站增壓。該方案適合過渡平臺增壓時間長、與集氣增壓站距離較近的情況。

對于陽101井區(qū)的情況過渡平臺與集氣增壓站距離較遠(yuǎn)，1）新建集氣支線復(fù)現(xiàn)的投資高于在過渡平臺建增壓的投資，2）且串接平臺壓力不平衡的時間只有一年，若建復(fù)線只能使用一年；而建增壓機(jī)一年后可以搬遷至其他過渡平臺進(jìn)行增壓，增壓機(jī)也可采取租賃方式。故陽101井區(qū)局部增壓方案選擇先增壓的平臺設(shè)置平臺增壓過渡，串接平臺壓力平衡時再接入集氣站共同增壓。

2.3 增壓機(jī)選型

壓縮機(jī)分為往復(fù)式和旋轉(zhuǎn)式（離心式）兩大類[3]。頁巖氣生產(chǎn)前期產(chǎn)量大、井口壓力高、產(chǎn)液量多，但頁巖氣壓降快，后期產(chǎn)量低壓力低產(chǎn)液量少。頁巖氣增壓所選機(jī)組應(yīng)適應(yīng)頁巖氣生產(chǎn)的特點，做到對流量最大的適應(yīng)性，滿足頁巖氣特有的衰減式生命周期特性。離心式壓縮機(jī)是利用減速裝置單獨減小速度，只能將離心式壓縮機(jī)調(diào)低至其設(shè)計流量的85%。相對于離心式壓縮機(jī)往復(fù)式壓縮機(jī)對于流量的適應(yīng)范圍更大，它的排量可以通過余隙調(diào)節(jié)、卸荷調(diào)節(jié)、發(fā)動機(jī)變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)等方式適應(yīng)低流量。在低至往復(fù)式壓縮機(jī)設(shè)計流量的25%時，往復(fù)式壓縮機(jī)也可運行。頁巖氣田增壓通常選用往復(fù)活塞式壓縮機(jī)。往復(fù)活塞式壓縮機(jī)是容積式壓縮機(jī)的一種，它能夠提供較大的壓比，也能適應(yīng)增壓氣量變化范圍較大且氣質(zhì)條件較為惡劣的工況。

往復(fù)壓縮機(jī)整體式和分體式的選擇。往復(fù)壓縮機(jī)分為整體式和分體式，整體式壓縮機(jī)組壓縮機(jī)和動力機(jī)用一個機(jī)身、一根曲軸。整體式壓縮機(jī)的公開適應(yīng)能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡單維護(hù)方便，轉(zhuǎn)速低噪聲相對小，功率小。但其體積大重量重，振動相對較大。分體式壓縮機(jī)動力機(jī)和壓縮機(jī)完全分離，壓縮部分和動力部分由聯(lián)軸器相連。分體式壓縮機(jī)功率范圍大，性價比高；結(jié)構(gòu)緊湊重量輕占地面積小；發(fā)動機(jī)和壓縮機(jī)可以拆分，可以形成多種形式的動力配套；發(fā)動機(jī)振動小；啟動較方便，自控水平高。對于頁巖氣增壓工況變化較大需要較大的功率范圍，且分體式具有結(jié)構(gòu)緊湊啟動方便的優(yōu)點，頁巖氣增壓機(jī)選擇分體式的往復(fù)壓縮機(jī)。

壓縮機(jī)有電動機(jī)驅(qū)動和天然氣驅(qū)兩種方式。在陽101井區(qū)用電保障的前提下，推薦使用電驅(qū)壓縮機(jī)。

壓縮機(jī)冷卻方式。壓縮機(jī)壓縮天然氣的級間和最終冷卻方式主要有空冷和水冷。水冷雖然噪聲較小但需要獨立的循環(huán)水冷卻系統(tǒng)，需要充足的水源，并對水質(zhì)也有一定的要求空冷與水冷方式優(yōu)缺點比較見表1。

表1 空冷與水冷方式優(yōu)缺點比較

壓縮機(jī)水冷存在的水質(zhì)要求高，水消耗量大等問題，壓縮機(jī)冷卻方式推薦采用空冷。

根據(jù)氣井增壓的工藝要求和現(xiàn)場條件，對壓縮機(jī)類型、配置、冷卻方式、驅(qū)動方式等比選，陽101井區(qū)選擇電驅(qū)分體式往復(fù)壓縮機(jī)，冷卻方式為空冷。目前國內(nèi)廠家已經(jīng)具備較好的生產(chǎn)、制造以及組裝能力，且具有維修服務(wù)便利的良好條件。

2.4 增壓參數(shù)

2.4.1 增壓處理量

增壓規(guī)模的確定是根據(jù)井區(qū)所選的增壓方式結(jié)合生產(chǎn)數(shù)據(jù)和開發(fā)地質(zhì)方案預(yù)測數(shù)據(jù)，井口油壓低于輸壓后的每個時期井口預(yù)測產(chǎn)量進(jìn)行加合就是增壓機(jī)的處理了。陽101井區(qū)采用集氣站+脫水站集中增壓的模式，每個集氣增壓站增壓機(jī)的處理量即為其所輻射平臺

2.4.2 進(jìn)氣壓力

壓縮機(jī)進(jìn)氣壓力需要結(jié)合開發(fā)地質(zhì)方案預(yù)測數(shù)據(jù)，在各井口油壓低于輸壓時開始增壓。通過HYSYS軟件對管網(wǎng)進(jìn)行模擬，計算出每個集氣站增壓站每個時間段的進(jìn)站壓力，在各井口壓力陸續(xù)將至1.5MPa時，定壓降產(chǎn)，增壓站的進(jìn)口壓力定為1.2MPa。

2.4.3 排氣壓力

陽101井區(qū)壓縮機(jī)排氣壓力要結(jié)合“威遠(yuǎn)、瀘州區(qū)塊頁巖氣集輸干線”對其投運后管網(wǎng)水力計算結(jié)果，在其投產(chǎn)運行后，陽101脫水站起點壓力（脫水站出站壓力）最高將可能達(dá)5.53MPa。考慮脫水裝置壓力損失0.3MPa，以5.83MPa作為陽101脫水裝置進(jìn)氣壓力返算確定不增壓各集氣站最低輸出壓力。計算出來的各集氣增壓站的壓力即為增壓機(jī)排氣壓力。

2.5 增壓流程

增壓流程是在已建集氣站或脫水站流程基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)建改造，陽101井區(qū)原集氣站均無過濾分離器，增壓流程主要增加過濾分離器并設(shè)置越站流程。核實原站儀表風(fēng)、放空系統(tǒng)是否可以滿足增壓擴(kuò)建要求：如滿足可直接接入原系統(tǒng)；若不滿足則需要新增儀表風(fēng)橇或新增放空立管。壓縮機(jī)的中體放空引至降噪房外至地面3m的位置放散。壓縮機(jī)自帶的分離器排污壓力與壓縮機(jī)進(jìn)口壓力相同，需要擴(kuò)徑降壓后單獨接至排污池。壓縮機(jī)排污不需要單獨引管至降噪房外，可以就地排放。壓縮機(jī)潤滑油系統(tǒng)可以在站內(nèi)新建一處潤滑油棚，建潤滑油管道至壓縮機(jī)自動補(bǔ)油，也可以由作業(yè)區(qū)定時拉運潤滑油手動補(bǔ)油。

3 結(jié)論

頁巖氣壓降快，陽101平臺在投產(chǎn)兩年后需要進(jìn)行增壓。增壓采用集氣站+脫水站集中增壓、局部采用平臺過渡增壓的方式。壓縮機(jī)采用分體式往復(fù)壓縮機(jī)，冷卻方式為水冷，驅(qū)動方式為電動。

目前陽101井區(qū)已經(jīng)投產(chǎn)2個集氣增壓站和2個平臺增壓站。就目前運行的實際情況，氣田配置的壓縮機(jī)實際運行工況與理論計算數(shù)值符合度較高，壓縮機(jī)功率選擇也與實際功率基本符合。增壓機(jī)上產(chǎn)后，其所涉及的氣井產(chǎn)量遞減趨勢有所減緩，產(chǎn)量也有所提高。

隨著頁巖氣產(chǎn)量和壓力的遞減，為了穩(wěn)產(chǎn)頁巖氣的增壓工作已成為地面建設(shè)的重點。對頁巖氣的增壓進(jìn)行研究，選擇合適的增壓時機(jī)、增壓方式、增壓參數(shù)、優(yōu)化增壓機(jī)選型是非常必要的。