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        利用Pipephase分析蘇南管網(wǎng)運行現(xiàn)狀
        ——以作業(yè)二區(qū)為例

        2021-03-16 06:13:28金婷李澤亮李昊龍南博

        金婷,李澤亮,李昊龍,南博

        中國石油長慶油田蘇里格南作業(yè)分公司(陜西 西安 710018)

        中國石油長慶油田蘇里格南合作區(qū)塊位于鄂爾多斯盆地蘇里格氣田南部,是典型的低滲透致密巖性氣田,具有單井控制儲量小、穩(wěn)產(chǎn)期短、非均質(zhì)性強、連通性差的特點。隨著區(qū)塊的開發(fā)生產(chǎn),大量氣井產(chǎn)能下降進入排水采氣階段,部分早期投產(chǎn)管線輸氣量下降且積液嚴重,由于采用滾動開發(fā)的生產(chǎn)模式,新增氣井不斷接入采輸管道,各管段運行負荷不均衡的程度逐漸增大,導(dǎo)致現(xiàn)場生產(chǎn)管理難度較大。分析管網(wǎng)運行現(xiàn)狀并總結(jié)生產(chǎn)活動對管網(wǎng)運行情況的影響,對作業(yè)區(qū)制定合理有效的管理措施具有極大的幫助?;诙嘞嗔髂M軟件Pipephase9.5,結(jié)合蘇南集輸管網(wǎng)現(xiàn)場生產(chǎn)資料,以作業(yè)二區(qū)輸氣干管為主要分析對象,建立管網(wǎng)系統(tǒng)模擬模型,計算并分析夏季清管推液以及冬季高峰供氣期間的節(jié)點壓力變化,確定管網(wǎng)運行現(xiàn)狀,并對冬季管網(wǎng)水合物的生成條件進行預(yù)測,以有效地管理作業(yè)區(qū)。

        1 作業(yè)二區(qū)集輸管網(wǎng)基本概況

        蘇里格南區(qū)塊采用9 井式井叢開發(fā)模式,地面集輸系統(tǒng)采用“井叢集氣、井下節(jié)流、井口注醇、連續(xù)計量、兩級增壓、氣液分輸、集中處理”的中低壓集輸工藝[1-2],地面集輸系統(tǒng)總工藝流程如圖1所示。

        2 集輸管網(wǎng)模擬模型構(gòu)建

        目前,作業(yè)二區(qū)氣井共有310口,管轄BB9'井叢12 座,BB9 井叢 21 座(水平井 4 口),支干管 36 條(其中有兩條支管線為雙管線),管網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。管內(nèi)介質(zhì)以氣為主并伴有少量采出水和凝析油,屬于復(fù)雜多相流管網(wǎng)模擬計算與分析問題。求解此類問題,需借助多相流管網(wǎng)模擬分析軟件以及與工程實際相適應(yīng)的理論模型才能實現(xiàn)。

        圖1 蘇里格南區(qū)塊地面集輸總工藝流程

        采用多相流模擬軟件Pipephase9.5 來建模并開展分析研究。該軟件作為一種穩(wěn)態(tài)多相流模擬軟件,將現(xiàn)代油氣生產(chǎn)方法與軟件分析技術(shù)進行結(jié)合,形成了具有魯棒、高效特性的油田設(shè)計規(guī)劃工具,采用聯(lián)立方程法并結(jié)合Newton-Raphson 算法和矩陣求解器算法對管網(wǎng)進行壓力和流量平衡計算,可處理任意復(fù)雜度的管網(wǎng)系統(tǒng)[3-4]。其中熱物性參數(shù)計算將采用“組分模型+SRK 狀態(tài)方程”[5],管道持液率和壓降損失計算擬采用GB 50349—2015《氣田集輸設(shè)計規(guī)范》推薦的Beggs-Brill模型[6]。

        考慮到管網(wǎng)系統(tǒng)中存在大量交匯點,若完全依據(jù)實際情況建立模型,大量節(jié)點要求長時間的試算且每次試算需要修改大量的節(jié)點參數(shù),在模擬計算時易出現(xiàn)解算時間長且不易收斂的情況。因此,將分析重點集中在12條干管管線的運行分析上,僅搭建主管網(wǎng)模擬模型,如圖2所示。

        3 集輸管網(wǎng)模擬計算與分析

        3.1 集輸管道輸氣效率及計算結(jié)果分析

        輸氣效率可反映輸氣管道臟度,表明了實際運行情況偏離理想計算條件的程度。美國Panhandle和前蘇聯(lián)天然氣研究所后期研究中均引入了輸氣效率的計算公式[7],其基本計算公式為:

        式中:E為輸氣效率;Q為標(biāo)況下實際輸氣量,104m3/d;Qr為標(biāo)況下設(shè)計輸氣量,104m3/d。

        圖2 作業(yè)二區(qū)集輸管網(wǎng)系統(tǒng)主管網(wǎng)模型

        在實際生產(chǎn)中,由于受新井投產(chǎn)進度、冬季高峰供氣等因素影響,集輸管道投運后,會出現(xiàn)輸氣量長期偏低或者超出設(shè)計輸氣量的情況,使得計算的輸氣效率隨著實際管輸氣量的變化而變化(圖3)。因此,以輸氣效率來評價管網(wǎng)輸氣能力的利用情況更為準確。

        根據(jù)2019 年8 月至10 月的數(shù)據(jù),作業(yè)二區(qū)投運的12條干管的輸氣能力利用情況見表1。

        由表1計算結(jié)果,可得出以下結(jié)論:

        1)管線整體輸送能力利用率偏低,GG10的管輸能力利用率達到96%,GG03、GG04、GG13 的管輸能力利用率達到70%以上,其余管線基本在50%以下。

        圖3 2019年8—10月集輸管線真實氣量與輸氣效率變化圖

        表1 作業(yè)二區(qū)夏季輸氣干管輸氣能力計算結(jié)果匯總

        2)2013 年投運的 4 條干管,其中 GG06、GG07、GG08 管輸能力利用率基本在20%~25.6%,GG05 連接氣井產(chǎn)能下降,受限于輸氣量供給能力,管輸能力利用率僅為8.0%;GG14 雖然是最新投產(chǎn)的管線,但管線長度超過10 km,氣井穩(wěn)產(chǎn)時間短,導(dǎo)致其管輸能力利用率偏低。

        3)根據(jù)以往生產(chǎn)情況,認為GG13 積液情況較嚴重,輸送能力不高,但經(jīng)過計算知其平均管輸能力利用率達80%以上,是管輸能力利用率第二高的管線。因此與生產(chǎn)活動中的認識并不一致,出現(xiàn)此情況的主要原因在于BB9 井叢SN0065 井叢管容受限,氣井產(chǎn)量高,井口背壓較高,冬季在壓力上受到較多限制,管線輸氣量不高,夏季在壓力上的限制較少,能夠在壓力允許的情況下盡量提高供氣量,因此管輸能力利用率較高,但這不意味著該管線積液量少。

        3.2 集輸管道攜液運行情況及分析

        3.2.1 集輸管道攜液運行情況

        天然氣在集輸過程受管道摩擦、沿途控制元件、轉(zhuǎn)彎等因素的影響會造成一定的壓力損失,不考慮積液的影響下,通過Pipephase 模擬計算管線在一定輸氣量下的壓降(理論壓降),而當(dāng)干管實際壓降大于理論壓降時該管線可認為存在積液[8]。管線在氣體流速不變的條件下存在一個臨界積液量,如果有更多積液聚集,會導(dǎo)致局部氣體流速增加,多余液體被帶入下游管段,整條管路處在不斷接收積液和排出積液的動態(tài)過程中[9],管線積液量保持穩(wěn)定;但實際生產(chǎn)中,伴隨氣井氣量自然遞減,臨界積液量逐漸增大,通過開井短時間內(nèi)提高氣體流速,能夠一定程度緩解管線積液情況,人為減緩了積液速度。通過對實際壓降與理論壓降的差值(以下簡稱壓差)數(shù)據(jù)的散點趨勢線計算,引入趨勢線斜率值(K)作為判斷依據(jù),以08#干管為例衡量該時間段內(nèi)的管線積液速度(圖4)。

        3.2.2 管線積液速度變化情況分析

        計算2019年8—10月各管線K值,見表2。分析表2及圖5,得出以下認識:

        1)沒有人為參與的Kn值可視為每條管線的自然積液速度,但在不同時期生產(chǎn)單井的產(chǎn)液不同,所以Kˉ在一定程度更能反應(yīng)管線的自然積液速度。

        圖4 2019年GG08管線壓差散點圖及不同時段內(nèi)壓差趨勢線

        表2 2019年8—10月作業(yè)二區(qū)管線積液速度變化情況匯總表

        2)間歇推液清管的管線通過提高開井時的氣體流速降低短時間內(nèi)的管線臨界積液量,將多余的積液帶入集氣站,減少管線內(nèi)積液。當(dāng)供氣量逐步下降到之前水平,其臨界積液量以Kˉ的速度達到開井前的量值,可以再次開井推液;重復(fù)此操作不斷打斷管線持續(xù)積液的過程,減緩積液速度。根據(jù)計算結(jié)果,GG05、GG06、GG07、GG08、GG14 積液速度均較快,通過間歇清管推液后K值降低了至少一個數(shù)量級。GG05 在K2、K3兩個生產(chǎn)階段之間有3 天的管線停運,此后開井生產(chǎn)再進行間歇推液清管,Kn值下降了約3倍。

        3)2019 年 8 月,GG02 管線因 SN0039 井叢干擾試井關(guān)井,輸氣量穩(wěn)定在約20×104m3/d,期間井叢存在壓恢開井,Kn=-0.004 1。干擾試井開井期間,輸氣量提高(5~10)×104m3/d,Kn在 0.024 8~0.050 5,結(jié)束干擾試井后,輸氣量穩(wěn)定在20×104m3/d左右,Kn降為0.010 4;12 月SN0039 井叢投入生產(chǎn)后,以雙管線投運作為分界點,前段Kn=0.005 7,平均輸氣量40×104m3/d,后段為0.003 5,平均輸氣量55×104m3/d,兩個月內(nèi)K=-0.002 2(圖5)。這說明:①管道輸氣量增大,管內(nèi)流速增大,攜液能力增強,將大量管線積液推至集氣站,總體上看2#干管的積液情況得到改善;②根據(jù)歷史數(shù)據(jù),SN0039 井叢開井時集氣站積液量較大,該井叢部分氣井出液量較高,開井生產(chǎn)雖能夠提高管線輸氣量,但在無人為因素介入且產(chǎn)量遞減較快的情況下,其管線積液速度也相應(yīng)上升,所以Kn較大;③輸氣量提高 10×104m3/d 以上,攜液能力增強,管線臨界積液量下降,管線積液大量被清出,積液速度下降。

        4)GG01 和GG02 均存在因清管或輸氣量大幅增加,管線積液大量清出,積液情況得到改善。因此其K值出現(xiàn)負數(shù),GG13 雖然輸氣量高,壓力差偏低,但總持液量高,仍然需要通過機械清管減少管線的積液。

        3.2.3 管理措施與建議

        根據(jù)以上分析,建議制定以下管理措施:

        1)GG01、GG05、GG06、GG07、GG08、GG14 短時間內(nèi)增加瞬時流量氣量達到10×104m3/d,通過間歇推液清管維持管線狀態(tài),周期為7~10天。

        圖5 2019年11月—2020年1月GG02管線壓差、輸氣量變化及分段趨勢線

        2)GG05 可選擇在生產(chǎn)期間進行兩到三次的短期停產(chǎn),利用管線投產(chǎn)時的氣流速度清除部分積液,降低之后生產(chǎn)的積液速度。

        3)對管線輸氣能力利用率在50% 左右的GG01、GG02、GG09及GG14(2019年11月SN0016井叢投產(chǎn)后,GG14 平均輸氣能力利用率達到51.8%),以及管輸能力利用率較高的GG13,根據(jù)春秋季清管計劃開展機械清管。

        3.3 管網(wǎng)水合物預(yù)測與分析

        基于Pipephase 的水合物預(yù)測單元對管道內(nèi)的水合物形成情況進行預(yù)測。為便于判斷和分析,繪制了管網(wǎng)水合物形成曲線及各管線節(jié)點P/T數(shù)據(jù)位置點,如圖6所示。

        圖6 作業(yè)二區(qū)管網(wǎng)水合物形成P/T曲線及管線節(jié)點數(shù)據(jù)點

        由預(yù)測結(jié)果可知,各管網(wǎng)節(jié)點的水合物形成溫度為 4.10~13.12 ℃,有 3 個節(jié)點(SN0015、SN0023、SN0055)的P/T位置處于水合物曲線左側(cè),即節(jié)點溫度低于水合物形成溫度,易形成水合物;4 個節(jié)點(SN0043、SN0019、SN0017、SN0049)略微偏曲線右側(cè),生產(chǎn)狀況發(fā)生變化,便會向左越過曲線,尤其是SN0049,不改善其管線積液狀況,壓力繼續(xù)升高,進入生成水合物的溫度范圍,因此應(yīng)考慮注醇防堵。

        基于冬季高峰生產(chǎn)期產(chǎn)量最高一日數(shù)據(jù)(2020年1 月3 日),計算了集輸管道在注入不同甲醇濃度下管道內(nèi)水合物的形成條件(冬季高峰生產(chǎn)期),如圖7 所示。圖7 中綠色曲線為假定系統(tǒng)中存在自由水時預(yù)測出的水合物曲線,紫色、藍色、橙色曲線分別表示注入液質(zhì)量分數(shù)(即最終的水相中抑制劑的質(zhì)量分數(shù))為5%、10%、15%的甲醇的水合物形成曲線,紅色曲線表示管內(nèi)流體P/T路徑線??梢钥闯觯?/p>

        1)GG03、GG04、GG10的流體P/T路徑線緊鄰甲醇注入質(zhì)量分數(shù)為5%的水合物曲線右側(cè)(圖7(c)),管線甲醇抑制劑注入質(zhì)量分數(shù)以5%為參考值進行加注。

        2)GG01、GG06、GG07、GG09 的流體P/T路徑線緊鄰甲醇注入質(zhì)量分數(shù)為10%的水合物曲線右側(cè)(圖7(b)),管線甲醇抑制劑注入質(zhì)量分數(shù)以10%為參考值進行加注。

        圖7 不同甲醇濃度下管線水合物形成曲線

        3)其余管線的流體P/T路徑線均存在越過甲醇注入質(zhì)量分數(shù)為10%的水合物曲線左側(cè)的部分,管線甲醇抑制劑注入質(zhì)量分數(shù)以15%為參考值進行加注。

        通過Pipephase 管網(wǎng)模擬,計算出管線所需的理論注醇量,作業(yè)二區(qū)以此為參考進行注醇泵行程調(diào)整,2019 年冬季作業(yè)二區(qū)消耗甲醇1 451 m3,醇氣比0.024 4 m3/104m3,與2018 年冬季相比,醇氣比下降0.001 6 m3/104m3。

        4 結(jié)論與建議

        1)評價管輸能力利用率涉及輸氣量和積液管線積液情況兩方面因素,不能單一評價管輸能力的高低,因此引入壓差隨著生產(chǎn)變化趨勢線的斜率作為積液速度同輸氣效率一起評價管線運行情況。

        2)作業(yè)二區(qū)管輸能力利用率低于50%的管線(GG01、GG05、GG06、GG07、GG08)無人為因素介入,積液速度較快,通過合理安排壓恢開井,提高短時間內(nèi)流量至臨界攜液流量以上,將部分積液攜帶進入下游集氣站,周期性地進行推液清管能夠降低管線的積液速度,起到改善管線積液情況的作用。管輸能力利用率在50%左右的管線可通過一次機械清管改善積液情況。

        3)冬季高峰期生產(chǎn)條件下,管輸能力利用率低的管線由于積液和溫度損失的影響,易達到水合物形成的壓力和溫度條件。為防止管內(nèi)出現(xiàn)水合物冰堵進行注醇,由于輸氣量其醇氣比較高,從經(jīng)濟效益上可以考慮關(guān)停冬季管輸能力利用率低于20%的管線,減少甲醇使用,將維護管線運行集中在高效干管的穩(wěn)定運行和中效管線提高管輸能力利用率上。

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