高壓氣井地面集輸工藝研究與應(yīng)用

高壓氣井地面集輸工藝是保障天然氣高效、安全輸送的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[]。傳統(tǒng)的集輸工藝在面對(duì)高壓氣井的特殊工況時(shí)，存在集輸效率低、能耗高、設(shè)備可靠性差等問(wèn)題。本文以為例，高壓氣井井位距遠(yuǎn)，現(xiàn)有10MPa分離器因承壓等級(jí)受限無(wú)法滿足需求，因此，存在試采需長(zhǎng)距離輸送回收天然氣的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)10MPa分離器材質(zhì)優(yōu)選和優(yōu)化焊接工藝，增強(qiáng)耐壓與耐腐蝕性；優(yōu)化入口分流器、聚結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)與參數(shù)，提升內(nèi)部結(jié)構(gòu)可靠性及高壓高產(chǎn)工況下的分離效率；設(shè)計(jì)液相多級(jí)節(jié)流裝置，延長(zhǎng)液相調(diào)節(jié)閥使用壽命、提高液面穩(wěn)定性，研發(fā)出25MPa高壓分離器。經(jīng)實(shí)踐論證，25MPa高壓分離器在X井及Y井長(zhǎng)期現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)效果良好，滿足酸化解堵及天然氣進(jìn)管網(wǎng)施工工藝的安全生產(chǎn)需求。

一、三相高壓分離器研制

（一）三相高壓分離器工作原理三相高壓分離器主要通過(guò)物理過(guò)程，將油氣水混合物分離成油、氣、水三種相態(tài)。油氣水混合物由管道以切線方向輸送至分離器頂部入口，在重力作用下，密度較大的水和部分較重的液相組分向下沉降，密度較小的氣相則向上運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)氣液初步分離。沉降的液相混合物進(jìn)一步依靠重力沉降分離油水，堰板將容器分成油室和水室，當(dāng)容器內(nèi)液面的高度超過(guò)容器高度的1/2時(shí)，水上面的油就會(huì)漫過(guò)堰板進(jìn)入油室，通過(guò)折流板等結(jié)構(gòu)延長(zhǎng)停留時(shí)間，還可配備加熱裝置降低黏度以改善分離效果，同時(shí)液位控制系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)油相和水相的出口流量，使油、水分別從相應(yīng)出口排出[2]，如圖1所示。

（二）三相高壓分離器優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.材質(zhì)選擇與焊接工藝優(yōu)化

針對(duì)高壓氣井惡劣工況對(duì)分離器的要求，通過(guò)對(duì)多種材質(zhì)的綜合性能分析，選擇具有高強(qiáng)度、耐高溫、耐腐蝕特性的合金材料，作為10MPa分離器的主體材質(zhì)。同時(shí)，采用先進(jìn)的多層多道焊接技術(shù)，嚴(yán)格控制焊接過(guò)程中的熱輸入和冷卻速度，有效減少焊接缺陷的產(chǎn)生，增強(qiáng)分離器在高溫、高壓環(huán)境下的耐壓和耐腐蝕性能，確保其長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

2.入口分流器與聚結(jié)構(gòu)件優(yōu)化

為了提高分離器內(nèi)部流場(chǎng)的均勻性和分離效率，對(duì)入口分流器和聚結(jié)構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)采用多孔式入口分流器設(shè)計(jì)，使進(jìn)入分離器的天然氣能夠更加均勻地分布，避免局部流速過(guò)高導(dǎo)致分離效果下降。同時(shí)，對(duì)聚結(jié)構(gòu)件的形狀和尺寸進(jìn)行優(yōu)化，使其能夠高效地捕獲和分離氣體中的液滴，提高分離器在高壓、高產(chǎn)工況下的分離效率，減少液相夾帶和氣相損失，如圖2所示。

（三）優(yōu)化設(shè)計(jì)管道思路

按照高壓氣井的產(chǎn)量和輸送距離，綜合考慮氣體流速、壓力損失等因素，運(yùn)用流體力學(xué)理論和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)集輸管道的管徑和壁厚進(jìn)行合理選型，確保在滿足輸送要求的前提下，降低管道的建設(shè)和運(yùn)行成本。在高含硫化氫等腐蝕性介質(zhì)的高壓氣井集輸管道中，通常采用高性能的防腐蝕涂層對(duì)管道進(jìn)行內(nèi)、外壁防腐處理[3]。同時(shí)，結(jié)合陰極保護(hù)技術(shù)，外加電流或犧牲陽(yáng)極的方式，使管道表面形成陰極極化，抑制腐蝕反應(yīng)的發(fā)生，有效延長(zhǎng)了管道的使用壽命。

（四）高壓分離器液相多級(jí)節(jié)流裝置設(shè)計(jì)

高壓分離器液相多級(jí)節(jié)流裝置設(shè)計(jì)旨在高壓氣井運(yùn)行工況下，有效延長(zhǎng)液相調(diào)節(jié)閥使用壽命、避免高壓差造成的閥門失敏問(wèn)題和提高分離器液面穩(wěn)定性，確保地面集輸系統(tǒng)高效穩(wěn)定運(yùn)行[4]。基于流體力學(xué)和節(jié)流降壓原理，通過(guò)設(shè)計(jì)多級(jí)節(jié)流結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)降壓。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先確定合適的節(jié)流級(jí)數(shù)（通常3至6級(jí)）及串聯(lián)或并聯(lián)-串聯(lián)混合式布局方式；節(jié)流元件方面，考慮圓形、矩形、多孔等形狀尺寸材質(zhì)。同時(shí)，對(duì)入口、中間和出口流道采用漸縮式設(shè)計(jì)，中間保證液相充分發(fā)展，出口降低流速減少?zèng)_擊。對(duì)于閥門與執(zhí)行機(jī)構(gòu)，根據(jù)工藝要求選型，以實(shí)現(xiàn)精確控制。

二、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

以X井及Y井為案例，高壓氣井的井位距離較遠(yuǎn)，試采作業(yè)中需要長(zhǎng)距離輸送回收天然氣，現(xiàn)有10MPa分離器無(wú)法滿足長(zhǎng)距離輸送的工藝要求，存在天然氣回收困難、能耗高、設(shè)備維護(hù)頻繁等問(wèn)題。利用改進(jìn)后的三相高壓分離器在X井及Y井進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，取得了良好的應(yīng)用效果[5]，流程如圖3所示。

1.X井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

X井是一口預(yù)探井，完鉆井深6100米。X井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)是一場(chǎng)圍繞高壓氣井高效開(kāi)發(fā)與技術(shù)驗(yàn)證的關(guān)鍵實(shí)踐。X井前期采用精細(xì)勘探所提供的地層壓力 2 5 0 M P a 、溫度 流體性質(zhì)復(fù)雜且含有一定量硫化氫等數(shù)據(jù)資料，挑選適配高溫、高壓、抗硫腐蝕性能的試驗(yàn)設(shè)備與儀器，并在井場(chǎng)完成嚴(yán)格安裝與調(diào)試，確保所有設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，信號(hào)采集準(zhǔn)確率高達(dá) 9 9 . 5 % 。在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，井口壓力維持在130至145MPa之間，溫度穩(wěn)定在110至 之間，日產(chǎn)氣量初始階段約為 。通過(guò)一系列增產(chǎn)與儲(chǔ)層保護(hù)技術(shù)應(yīng)用后，增產(chǎn)措施實(shí)施15天時(shí)，日產(chǎn)氣量逐步上升至 ，后續(xù)穩(wěn)定增產(chǎn) 2 0 % 以上，達(dá) 左右。試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)累計(jì)的近百萬(wàn)組數(shù)據(jù)進(jìn)行多維度、深層次分析，各項(xiàng)指標(biāo)均表明此次試驗(yàn)成功驗(yàn)證了所采用技術(shù)的可行性與先進(jìn)性，論證了高壓分離器的設(shè)計(jì)使用達(dá)到了油氣田地面測(cè)試領(lǐng)域的現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)，為X井后續(xù)長(zhǎng)期穩(wěn)定高效開(kāi)發(fā)提供了堅(jiān)實(shí)數(shù)據(jù)支撐與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

2.Y井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

在Y井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)準(zhǔn)備階段，對(duì)Y并相關(guān)資料進(jìn)行深入研究，依據(jù)獲取該井地層壓力 1 4 0 M P a 、溫度 流體中二氧化碳含量約 8 % 等詳實(shí)數(shù)據(jù)，選擇抗腐蝕、耐高壓且適應(yīng)高含二氧化碳環(huán)境的試驗(yàn)設(shè)備與儀器，嚴(yán)格完成安裝調(diào)試，保障設(shè)備初期運(yùn)行穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確率達(dá) 9 9 . 8 % 。試驗(yàn)過(guò)程中，全方位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取關(guān)鍵數(shù)據(jù)，在增產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用初期，日產(chǎn)氣量約 ，井口壓力穩(wěn)定在125至138MPa之間。通過(guò)一系列增產(chǎn)工藝優(yōu)化及儲(chǔ)層保護(hù)措施實(shí)施一個(gè)月后，日產(chǎn)氣量穩(wěn)步提升至 ，較初期增長(zhǎng)約 2 5 % ，之后穩(wěn)定增產(chǎn) 同時(shí)，儲(chǔ)層壓力下降幅度相較于傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)模式降低約 1 8 % ，地層流體中二氧化碳的分離回收效率達(dá)到 9 0 % 以上。

三、效果評(píng)估

的實(shí)踐結(jié)果表明，25MPa高壓分離器在實(shí)際應(yīng)用中，分離效率較傳統(tǒng)10MPa分離器提高了 6 0 % 以上，有效減少了液相夾帶和氣相損失；液相多級(jí)節(jié)流裝置使得液相調(diào)節(jié)閥的使用壽命延長(zhǎng)了5倍，降低了設(shè)備維修成本；集輸管道采用了先進(jìn)的防腐蝕涂層和陰極保護(hù)技術(shù)后，腐蝕速率顯著降低，管道使用壽命延長(zhǎng)了10年。同時(shí)，通過(guò)對(duì)壓縮與增壓技術(shù)的合理應(yīng)用，集輸系統(tǒng)的能耗降低了 3 0 % 左右，集輸效率提高了 5 0 % ，滿足了安全生產(chǎn)的需求，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

四、結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)高壓氣井地面集輸工藝進(jìn)行了深入研究，通過(guò)高壓分離器的優(yōu)化設(shè)計(jì)、集輸管道的合理選型與防護(hù)、壓縮與增壓技術(shù)的應(yīng)用等一系列關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新與改進(jìn)，構(gòu)建了高效、可靠的地面集輸系統(tǒng)，為高壓氣井的開(kāi)發(fā)與利用提供了重要的技術(shù)支持，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

（1）高壓分離器的設(shè)計(jì)優(yōu)化：通過(guò)選擇耐蝕合金材料、優(yōu)化入口分流器和聚結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，提高了分離器的抗腐蝕能力和分離效率。

（2）工程應(yīng)用效果：通過(guò)在X井和Y井的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，驗(yàn)證了改進(jìn)后的高壓分離器的性能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，為高壓氣井的高效開(kāi)發(fā)提供了可靠的技術(shù)保障。新工藝的實(shí)施還顯著降低了能耗和運(yùn)營(yíng)成本，減少了資源浪費(fèi)，降低了環(huán)境污染，具有良好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。

（3）液相多級(jí)節(jié)流裝置成功解決了分離器在高壓工況下閥門刺壞失效以及調(diào)節(jié)閥失敏等一系列問(wèn)題，該裝置利用多級(jí)節(jié)流的方式，將原本較大的壓降均勻分配到各級(jí)節(jié)流閥之間，使得每一級(jí)節(jié)流閥所承受的壓力差顯著減小。有效降低了流體流速，減小了凍堵風(fēng)險(xiǎn)，為整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力保障。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬群、高文祥、鄭如森等。克深氣田“三超”氣井安全隱患治理對(duì)策與實(shí)踐[J]．天然氣與石油，2021，39（1）：128-133.

[2]鄭如森、高文祥、曾努等。塔里木油田“三高”氣井連續(xù)油管打撈技術(shù)[J]．油氣井測(cè)試，2020，29（5）：50-53.

[3]鄭如森、高文祥、王磊等。塔里木油田高壓氣井壓井技術(shù)[J].油氣井測(cè)試，20213（2）：30-33.

[4]李晶、楊建明、賈勇等。輸氣管道放空天然氣回收方案探討[J].四川環(huán)境，2012，31（S1）：73-75.

[5]代清華。天然氣井放噴排液過(guò)程中天然氣回收技術(shù)探析[J].機(jī)電工程技術(shù)，2018，47（8）：91-93.作者單位：中國(guó)石油化工股份有限公司東北油氣分公司