延安氣田X井區(qū)地面集輸系統(tǒng)低成本工藝優(yōu)化研究

陳宇軒，王夢憶，肖佳琳，景 帥，張 龍

1.陜西延長石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司油氣勘探公司，陜西延安 716000

2.中國航天科技集團(tuán)公司四院四十一所，陜西西安 710025

延安氣田位于鄂爾多斯盆地東南部，主力氣層為上古生界石盒子組8 段、山西組、本溪組，以及下古生界奧陶系馬家溝組，單井產(chǎn)量低，儲層疊置發(fā)育，生產(chǎn)井多層合采產(chǎn)氣[1-5]。自2012 年先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)投產(chǎn)以來，延安氣田已累計建成產(chǎn)能80.4 ×108m3/a，生產(chǎn)天然氣370.41 × 108m3，在陜北形成13個規(guī)模開發(fā)井區(qū)。

在開發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)部分采用中壓集輸工藝的井區(qū)受黃土原溝壑地貌影響，集輸管道起伏較大，氣井及管道積液問題嚴(yán)重難以開井生產(chǎn)，同時地層壓力衰減過快，采用井口增壓設(shè)施和管道通球雖然可以在短期內(nèi)緩解該問題，但依然難以達(dá)到開發(fā)方案設(shè)計的穩(wěn)產(chǎn)年限，需要整體提前增壓，造成較大的投資浪費(fèi)[6]。在延安氣田X 井區(qū)的開發(fā)中，通過工藝優(yōu)化，提高地面系統(tǒng)的適應(yīng)性，顯著降低了建設(shè)投資。

1 X井區(qū)地面集輸系統(tǒng)現(xiàn)狀與存在問題

X 井區(qū)位于延安氣田中區(qū)南部，計劃納入井場78座、氣井274口，建設(shè)集氣站7座、脫水站1座、凈化廠1座，建成產(chǎn)能8.4×108m3/a，穩(wěn)產(chǎn)期4.5年，CH4平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)91.25%，CO2平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)5.17%，水型以CaCl2為主，礦化度為9.83～115.50 g/L。建設(shè)初期為滿足快速滾動建產(chǎn)需求，計劃采用延安氣田較為成熟的中壓集輸工藝，凈化廠采用MDEA+DEA脫酸和三甘醇脫水工藝，并根據(jù)氣藏工程的井位部署基本完成了場站布局和線路設(shè)計，見圖1。

圖1 X井區(qū)集輸站場分布

1.1 壓降方面

在X井區(qū)方案設(shè)計初期，僅取得56口井的試氣資料，隨著試采數(shù)據(jù)的豐富，發(fā)現(xiàn)該區(qū)單井產(chǎn)量及氣井壓力波動明顯，通過對鄰區(qū)A、B、C三個井區(qū)5 年來（330 d/a，1 650 d）的生產(chǎn)套壓數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析[6]，可以看到各井區(qū)均表現(xiàn)出前期壓力快速遞減的趨勢，如圖2所示。穩(wěn)產(chǎn)期套壓年均壓降達(dá)到3.02 MPa，A井區(qū)甚至達(dá)到4.3 MPa，遠(yuǎn)高于方案穩(wěn)產(chǎn)期年均壓降1.28 MPa的指標(biāo)，見表1。

表1 X井區(qū)臨近井區(qū)套壓壓降情況

圖2 X井區(qū)臨近井區(qū)套壓數(shù)據(jù)

延安氣田投產(chǎn)初期集輸系統(tǒng)壓力一般在6 MPa左右，采用穩(wěn)產(chǎn)降壓生產(chǎn)，生產(chǎn)壓力遞減較快，穩(wěn)產(chǎn)時間大多只有4～6 a，按開發(fā)方案設(shè)計在穩(wěn)產(chǎn)期末配套建設(shè)增壓設(shè)施[7]。參考鄰區(qū)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，X 井區(qū)存在壓力損失快、穩(wěn)產(chǎn)難度大的風(fēng)險，短期內(nèi)面臨著部分單井壓力低于管網(wǎng)壓力而難以并網(wǎng)生產(chǎn)的困境，需要提前采取井口增壓方式生產(chǎn)，造成生產(chǎn)較為被動。

1.2 工藝方面

中壓集輸采用井下節(jié)流工藝，初期集輸壓力5.5～6.3 MPa，需要配套建設(shè)注醇管道，由站內(nèi)向井口注入甲醇作為水合物抑制劑防止管道凍堵，集氣站所產(chǎn)生的含醇污水需要經(jīng)過嚴(yán)格處理之后方可回注地層。

由于中壓集輸管道內(nèi)天然氣流速較低，攜液能力差，為滿足大起伏采氣管道的通球需求，井場到集氣站常采用單管道進(jìn)站并配套相應(yīng)的收發(fā)球裝置。在穩(wěn)產(chǎn)期之后建設(shè)站場增壓設(shè)施，采氣管道低壓運(yùn)行，注醇管道廢棄，由于延安氣田井多量少、井間差異大的特點(diǎn)，造成管道投資居高不下。

2 降低集輸系統(tǒng)壓力

2.1 增壓時機(jī)的選取

對于氣井能量充足、穩(wěn)產(chǎn)期長的井區(qū)，采用中壓集輸工藝能夠較好利用地層能量，降低運(yùn)行成本，但X井區(qū)存在壓力下降快、單井產(chǎn)量低、穩(wěn)產(chǎn)期短的問題，如果前期完全按照中壓工藝配置集輸系統(tǒng)，會導(dǎo)致管道規(guī)格和壓力等級較高、有效使用期短，造成投資浪費(fèi)，因此可以嘗試在開發(fā)初期就降低集輸系統(tǒng)壓力，同步建設(shè)增壓設(shè)施[8-11]，避免短期內(nèi)再次進(jìn)行增壓方案設(shè)計施工的局面，在投產(chǎn)初期季節(jié)性啟動壓縮機(jī)能夠降低運(yùn)行成本[10]。

2.2 增壓方案比選

X井區(qū)天然氣從FX5#集氣站輸至凈化廠，經(jīng)脫酸脫水后滿足國家一類天然氣外輸指標(biāo)要求，通過靖西三線張家灣閥室送往下游用戶，依據(jù)閥室運(yùn)行情況確定凈化廠外輸壓力應(yīng)大于4.5 MPa，考慮采收率和經(jīng)濟(jì)性，集氣站壓縮機(jī)的最小進(jìn)氣壓力為0.5 MPa，凈化廠二級增壓進(jìn)口壓力為2.5 MPa，增壓至4.8 MPa進(jìn)凈化裝置。按照井站分布進(jìn)行兩種增壓方案比選，方案一為集氣站一級增壓，凈化廠二級增壓；方案二為僅集氣站一級增壓，凈化廠不增壓。

1）利用PIPESIM 軟件對兩種方案的集氣管網(wǎng)進(jìn)行水力計算，為達(dá)到輸量及合理的管道流速要求，方案一最遠(yuǎn)端GQ3#集氣站外輸壓力為3.87 MPa，而方案二需要達(dá)到6.04 MPa，集氣管道壓力等級較高，相較之下方案一更能節(jié)省投資，如圖3所示。

圖3 集氣管網(wǎng)水力計算

2）在壓縮機(jī)驅(qū)動方面，電驅(qū)在效率、可靠性、維護(hù)性方面占優(yōu)勢，但是在操作和調(diào)節(jié)方面不如燃驅(qū)機(jī)組靈活，且運(yùn)行費(fèi)用相對較高[12-16]。延安氣田集氣站多建設(shè)在野外，依靠10 kV 農(nóng)網(wǎng)供電，不具備雙回路條件，電力可靠性較差，而凈化廠一般配建35 kV 專線，電力工況較平穩(wěn)，因此集氣站考慮燃驅(qū)壓縮機(jī)，凈化廠考慮電驅(qū)壓縮機(jī)，方案一因?yàn)閮傻卦鰤海瑝嚎s機(jī)投資比方案二高2 118萬元，各集氣站的壓力設(shè)置及投資見表2。

表2 X井區(qū)各集氣站增壓方案參數(shù)及壓縮機(jī)投資

通過對兩種增壓方案的參數(shù)對比，方案一兩地增壓，凈化廠通過自建壓縮機(jī)調(diào)節(jié)外輸量，增加井區(qū)生產(chǎn)的自適應(yīng)性，同時集氣管道流速高、攜液能力強(qiáng)，方案一比方案二壓縮機(jī)投資增加2 118 萬元，但管道投資減少1 357.8 萬元，總投資依然高760.2萬元，但由于井口壓力的降低，按照定容封閉氣藏采收率計算可提高4%，累計采氣量增加10.97×108m3，具有較好的經(jīng)濟(jì)性（見表3），因此推薦方案一，即采用集氣站、凈化廠兩地增壓方式。

表3 X井區(qū)兩種增壓方案對比

3 地面集輸系統(tǒng)工藝優(yōu)化

通過對X井區(qū)地面集輸系統(tǒng)的分析，按照方案一的增壓設(shè)計，采用“井間串接、二級增壓、移動計量、站內(nèi)自用”的工藝路線，從多方面對比原方案提出調(diào)整優(yōu)化模式。

3.1 井口裝置優(yōu)化

原方案中井場采用一體化裝置，主要由電動針閥、緊急切斷閥、氣液分離器、一體化差壓式流量計及配套閥門組成，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開關(guān)井、超欠壓緊急切斷、氣液分離、氣液單獨(dú)計量等功能。結(jié)合目前延安氣田已投產(chǎn)井區(qū)的運(yùn)行情況，井口流量計受產(chǎn)出水、氣質(zhì)條件、流量波動等因素影響導(dǎo)致誤差較大。延安氣田井?dāng)?shù)多、單井產(chǎn)量低，難以實(shí)現(xiàn)高精度流量計全井口覆蓋，在生產(chǎn)過程中，每年仍需采用移動計量方式錄取井口產(chǎn)氣、產(chǎn)水?dāng)?shù)據(jù)。

X 井區(qū)部署78個井場，總井?dāng)?shù)274口，叢式井場井口呈直線排列，井口一體化裝置投資約6 028萬元，通過取消井口固定計量裝置可減少投資1 918萬元。

3.2 管道設(shè)計壓力

按照方案一兩地增壓方案布局，在保證凈化廠進(jìn)站壓力2.49 MPa 情況下，集氣站冬季開啟壓縮機(jī)，井口壓力在1.1～1.8 MPa，夏季關(guān)閉壓縮機(jī)，井口壓力3.1～5.2 MPa，采氣管道埋設(shè)于凍土層以下，冬季地溫3 ℃，夏季地溫13 ℃，均高于水合物生成溫度[17-21]。采氣管道考慮井口輸量及壓力波動情況，安全閥定壓為5.7 MPa，采氣管道設(shè)計壓力6.3 MPa，集輸系統(tǒng)最遠(yuǎn)端GQ3#集氣站外輸壓力為3.87 MPa，集氣管道設(shè)計壓力4.0 MPa。

采用中低壓集輸工藝可取消注醇管道及注醇泵、儲罐等配套設(shè)施，節(jié)約投資4 625 萬元，同時取消凈化廠含醇采出水處理設(shè)施，節(jié)約投資2 523萬元。

3.3 管道布局優(yōu)化

為保證清管作業(yè)、原方案中采用單井場單管道進(jìn)站造成管道投資較大，而采用中低壓集輸工藝后，管道流速增大、攜液能力較強(qiáng)，可以有效避免采氣管道積液，結(jié)合X井區(qū)井場位置、地形條件和管道走向?qū)ν环较虻木畧霾蓺夤艿肋M(jìn)行串接優(yōu)化[15]。

考慮建井順序的不確定性，為降低單井間影響，提高地面管網(wǎng)對地下的適應(yīng)性與靈活性。按照“先骨架后支線”的思路，以集氣站為中心，采氣干管呈放射狀進(jìn)入集氣站，串接采氣干線，臨近井場就近接入采氣支線，將“枝上枝”與“串接”的管道相結(jié)合，優(yōu)先在產(chǎn)量較大井場設(shè)置發(fā)球裝置，如圖4所示。

圖4 X井區(qū)管道布局示意

經(jīng)過對采氣管道的串接工藝優(yōu)化后，采氣管道較原方案管道減少133 km，減少投資約4 861.5萬元，發(fā)球井場數(shù)量由70 座減少到30 座，節(jié)約投資243萬元。

3.4 自用氣優(yōu)化

X 井區(qū)為上下古合采區(qū)，下古天然氣中因含硫化氫不能直接作為站內(nèi)自用氣，原方案中集氣站自用氣依靠凈化廠返輸，需要給各站鋪設(shè)長距離返輸氣管道。本次通過在自用氣橇前設(shè)置小型干法脫硫裝置，經(jīng)調(diào)壓、分離游離水后供站內(nèi)用氣。

通過工藝優(yōu)化取消自用氣管道建設(shè)，節(jié)約投資1 549.59 萬元，測算每年更換脫硫劑所需費(fèi)用為36萬元，依然具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

4 效益分析

X 井區(qū)集輸系統(tǒng)工藝優(yōu)化后，在減少部分投資的同時需要增加增壓設(shè)備，核減后投資直接減少約2 368.29 萬元，考慮到原方案中壓集輸工藝在穩(wěn)產(chǎn)期末需增壓設(shè)施投資12 781 萬元，整體投資減少約15 149.29 萬元，表現(xiàn)出良好的經(jīng)濟(jì)效益，見表4。

表4 X井區(qū)工藝優(yōu)化投資對比

5 結(jié)論

1）對于壓力遞減快、穩(wěn)產(chǎn)期短的X 井區(qū)采用中低壓集氣工藝，同步建設(shè)增壓設(shè)施，有利于延長穩(wěn)產(chǎn)期，避免短期內(nèi)二次施工。

2）X 井區(qū)管網(wǎng)水力計算表明采用集氣站、凈化廠兩地增壓，采氣管道設(shè)計壓力6.3 MPa，集氣管道設(shè)計壓力4 MPa，可滿足集輸要求，從而降低壓力等級，減少管道投資成本。

3）采用“井間串接、二級增壓、移動計量、站內(nèi)自用”的中低壓工藝路線，取消注醇和返輸氣系統(tǒng)，簡化工藝流程，避免甲醇使用，降低了安全環(huán)保風(fēng)險。

4）通過X 井區(qū)壓力等級、井口流程、管道布局等工藝優(yōu)化，直接投資減少2 368.29 萬元，避免原方案在穩(wěn)產(chǎn)期末12 781萬元的增壓投資，X 井區(qū)優(yōu)化方案全周期可降低投資15 149.29萬元。