劉月勤 劉靜怡 徐立昊

1中海石油氣電集團有限責任公司研發(fā)中心

2中海油研究總院工程研究設計院

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。每種井型投產時井口壓力均有差別，加之投產時間不一，導致井場內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滿足有效抑制水合物和串接后能高效集氣兩個條件。

鄂爾多斯盆地東緣臨興區(qū)塊冬季平均氣溫為-7.8℃，投產初期極易形成水合物[1-4]。臨興區(qū)塊先導試驗區(qū)目前采用注入水合物抑制劑和同時敷設高、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，但在生產實際中，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

不同階段投產井的壓力差別較大，需同時敷設高壓和低壓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種高效經濟的集輸工藝。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)流工藝結合起來，在節(jié)流前進行充足加熱，即在有效抑制水合物的同時，以低壓狀態(tài)高效集氣。

根據(jù)現(xiàn)場的生產經驗，在高效集輸同時，減少設備數(shù)量可減少故障點及設備維護工作量。在每個井場單獨設置1座加熱設備將使整個氣田的設備故障點增多，運營維護成本增大。與此同時功率較小的加熱設備效率明顯低于功率大的設備，可靠性較低，同時在每個井場使用小加熱設備將消耗過多的燃料造成能源浪費，因此考慮在相近的井場用大功率加熱爐進行集中加熱。

1 工藝流程

集中加熱節(jié)流工藝首先實現(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

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敷設高壓采氣管道和低壓采氣管道至中心井場內匯合。高壓井和低壓井來氣分別進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)計算

剛投產井井口壓力高，在進高壓管道輸送時，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，在高壓條件下當溫度降到某一個特定值時便到了水合物形成的臨界點，此時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，即對相鄰兩個井場之間的安全傳送距離有一定要求。

運用PIPESIM軟件對高壓采氣管道進行計算，設高壓輸送管線內徑為78.9 mm，內壁粗糙度為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，井口高壓氣進入采氣管線后溫度迅速降低，在傳輸約180 m的距離時即低于當前壓力下水合物生成溫度，有水合物生成風險。而氣田內部相鄰兩座井場的距離一般都大于這個距離，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?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1 100 m以上。保溫層厚度根據(jù)相鄰井場距離確定，以實現(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

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，加熱爐使用井場內產出氣。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鍵的問題。選取開采層位為盒八段的某生產井作為典型，各致密氣氣質組分體積分數(shù)如表1所示。運用PIPESIM軟件對節(jié)流前后的參數(shù)進行計算驗證[9-10]。

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

采出氣體飽和含水，產量為15 000 m3/d（0℃、1個標準大氣壓），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，采氣管線運行壓力約為2 MPa。

節(jié)流前溫度設為20℃，通過計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，節(jié)流后的溫度便在水合物生成曲線下方，即此時有水合物生成的風險。即此溫度下，不考慮散熱損失時，2.5 MPa及以上的井均需進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。隨著生產進行，井口壓力逐漸降低，可根據(jù)不同壓力調整所需加熱的溫度[11]。

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

表3 節(jié)流前需要進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，則該井無需進行加熱，直接節(jié)流至2 MPa進入采氣管道即可，無水合物生成。考慮到現(xiàn)場生產實際，建議增加20%余量作為參考標準。

2 與現(xiàn)有工藝對比

臨興先導試驗區(qū)共6個井場25口井，目前設計采用高、低壓管道加集中注醇的方式。井場內高壓井進高壓管道，低壓井產氣進低壓管道，2條管道同時敷設至集氣站處理。為抑制水合物，集氣站內設有醇類回收裝置，并敷設注醇管道至井場?，F(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)流工藝敷設管道的長度遠小于現(xiàn)有工藝，只需部分燃料成本便可實現(xiàn)高效安全集氣；集中加熱有效地減少了加熱爐和節(jié)流設備的數(shù)量，便于維護；中心井場節(jié)流后，進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，站內分離器負荷較低，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，隨著生產的進行，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，可進行動態(tài)生產管理。

3 結論

（1）中心井場在實現(xiàn)集中加熱節(jié)流工藝中，有效抑制水合物生成的同時可實現(xiàn)各井間高效集輸。通過計算，高壓井覆20 mm保溫層即可達到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，當采出氣溫度為20℃、井口壓力高于2.5 MPa時節(jié)流前需要加熱；當采出氣溫度為50℃時，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成本；在中心井場，將集中加熱節(jié)流設備集中放置，節(jié)流后進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，可隨生產壓力動態(tài)調節(jié)，實現(xiàn)了地面集氣設備的高效管理。