樊 岳

國家管網(wǎng)集團(tuán)北京管道有限公司, 北京 100101

0 前言

截至2019年8月初,大寧—吉縣致密氣區(qū)塊已建成5.5×108m3/a產(chǎn)能規(guī)模,共建成井場77座,投產(chǎn)氣井148口。氣井平均套壓4.7 MPa,平均油壓3.2 MPa,平均溫度14.2 ℃(采氣井口針閥閥后溫度)。區(qū)塊日產(chǎn)氣量141.945×104m3,平均單井日產(chǎn)氣量1.183×104m3,區(qū)塊日產(chǎn)水量6.78 m3,平均單井日產(chǎn)水量0.056 5 m3,水氣比0.047 8 m3/104m3。通過對大寧—吉縣區(qū)塊已建采氣井生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)該區(qū)塊采氣井具有投產(chǎn)初期壓力高、產(chǎn)液量高、氣井壓降快、氣井產(chǎn)水量下降快的特點(diǎn)。本文結(jié)合大寧—吉縣區(qū)塊自身生產(chǎn)特點(diǎn),對采氣井場生產(chǎn)工藝提出完善、改進(jìn)的思路,將采氣井場各工藝單元重新進(jìn)行整合集成,以實(shí)現(xiàn)井場工藝的設(shè)備及配套設(shè)施的靈活調(diào)整,從而更好地適應(yīng)生產(chǎn)需求。

1 大寧—吉縣區(qū)塊致密氣開發(fā)現(xiàn)狀

大寧—吉縣區(qū)塊井場工藝采用了“直井、叢式井井下節(jié)流、水平井地面加熱節(jié)流,井場分離、注醇,中壓集氣,集氣站脫水外輸”的工藝技術(shù)路線。井下節(jié)流井場工藝流程見圖1,地面節(jié)流井場工藝流程見圖2。除上述工藝模塊外,致密氣采氣井場還配備有供配電系統(tǒng)、放空系統(tǒng)等輔助設(shè)施,確保井場各工藝模塊的正常運(yùn)行。

圖1 大寧—吉縣區(qū)塊井下節(jié)流井場工藝流程圖Fig.1 Downhole throttling well site process flow of Daning-Jixian Block

圖2 大寧—吉縣區(qū)塊地面節(jié)流井場工藝流程圖Fig.2 Process flow of surface throttling well site in Daning-Jixian Block

大寧—吉縣區(qū)塊采氣井具有投產(chǎn)初期壓力高、產(chǎn)液量高、氣井壓降快、氣井產(chǎn)水量下降快的特點(diǎn),根據(jù)近5年實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行情況,當(dāng)前大寧—吉縣區(qū)塊致密氣工藝流程的不足,主要表現(xiàn)為以下三點(diǎn)。

1)部分采氣井經(jīng)長期生產(chǎn)后生產(chǎn)壓力下降,與外輸壓力基本持平,加熱節(jié)流模塊冗余,加熱節(jié)流橇閑置率達(dá)70%。

2)部分采氣井經(jīng)長期排采后,幾乎不再產(chǎn)液,不再需要分離,井場分離橇閑置,閑置率達(dá)25%。

3)部分采氣井場工藝設(shè)備(如加熱節(jié)流橇、分離橇)關(guān)停后,井場運(yùn)行負(fù)荷降低,造成井場采用燃?xì)獍l(fā)電機(jī)供電經(jīng)濟(jì)性降低,運(yùn)行費(fèi)用高,成本高。

2 大寧—吉縣區(qū)塊致密氣采氣相關(guān)理論研究

2.1 采氣規(guī)律研究

2.1.1 采氣時(shí)間與套壓的關(guān)系

通過選取不同年份投產(chǎn)的連續(xù)正常生產(chǎn)采氣井,總結(jié)其套壓變化規(guī)律。排除因生產(chǎn)方式調(diào)整導(dǎo)致采氣井壓力出現(xiàn)強(qiáng)烈波動等特殊情況,結(jié)合生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析,套壓(地層壓力)隨采氣時(shí)間的推移緩慢下降,采氣井在采氣1～3 a后,套壓將下降至5 MPa以下,且壓力趨于穩(wěn)定,以大吉11、大吉6-6、大吉—平05為例,總體趨勢見圖3～5。

圖3 投產(chǎn)氣井套壓變化曲線圖(大吉11,2015年投產(chǎn))Fig.3 Casing pressure change curve of production gas well(Daji11,operation in 2015)

圖4 投產(chǎn)氣井套壓變化曲線圖(大吉6-6,2016年投產(chǎn))Fig.4 Casing pressure change curve of production gas well(Daji6-6,operation in 2016)

圖5 投產(chǎn)氣井套壓變化曲線圖(大吉—平05,2017年投產(chǎn))Fig.5 Casing pressure change curve of production gas well(Daji-Ping 05,operation in 2017)

2.1.2 采氣時(shí)間與采出水量的關(guān)系

選取不同年份投產(chǎn)的采氣井,進(jìn)一步總結(jié)采氣井產(chǎn)水量變化規(guī)律。根據(jù)生產(chǎn)數(shù)據(jù),采氣井投產(chǎn)初期受返排液影響,日產(chǎn)水量較高,經(jīng)3～6個(gè)月排采后,采氣井產(chǎn)水量將維持在較低水平,甚至不再產(chǎn)液,以大吉11、大吉6-6、大吉—平05為例,總體趨勢見圖6～8。

圖6 投產(chǎn)氣井產(chǎn)水量變化曲線圖(大吉11,2015年投產(chǎn))Fig.6 Curve of water production change(Daji11,operation in 2015)

圖7 投產(chǎn)氣井產(chǎn)水量變化曲線圖(大吉6-6,2016年投產(chǎn))Fig.7 Curve of water production change(Daji6-6,operation in 2016)

圖8 投產(chǎn)氣井產(chǎn)水量變化曲線圖(大吉—平05,2017年投產(chǎn))Fig.8 Curve of water production change(Daji-Ping 05,operation in 2017)

2.2 采出水冰點(diǎn)溫度研究

結(jié)合大寧—吉縣區(qū)塊開發(fā)層位分布,對部分致密氣井的采出水進(jìn)行取樣分析,并在實(shí)驗(yàn)室模擬現(xiàn)場低溫環(huán)境,獲得了4座采氣井場采出水的冰點(diǎn)。采出水冰點(diǎn)檢測結(jié)果見表1。

表1 采出水冰點(diǎn)檢測結(jié)果表

由表1可看出，大寧—吉縣區(qū)塊內(nèi)采出水冰點(diǎn)變化范圍較大,與采出水總礦化度、氣井開發(fā)層位未發(fā)現(xiàn)有明顯關(guān)聯(lián)。且參考全球氣象資料軟件Meteonorm7查詢結(jié)果,在10月至次年3月,大寧、吉縣氣溫會持續(xù)低于0 ℃[1]。

綜上,大寧—吉縣區(qū)塊內(nèi)氣井采出水冰點(diǎn)范圍約-12.4～1.1 ℃,而區(qū)塊內(nèi)每年冬春兩季會出現(xiàn)持續(xù)性低溫(低于0 ℃)[2],采氣井場分離橇分離出的采出水存在結(jié)冰概率較高。

2.3 水合物形成規(guī)律研究

2.3.1 節(jié)流前后水合物生成規(guī)律研究

根據(jù)文獻(xiàn)[3]，隨著水樣礦化度的增加,水合物生成溫度越低。參照文獻(xiàn)[3]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,預(yù)測大寧—吉縣區(qū)塊“天然氣—采出水體系”在不同壓力下水合物形成溫度較“天然氣—純水體系”低約1～2 ℃。根據(jù)大寧—吉縣區(qū)塊采氣井試氣報(bào)告及生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),區(qū)塊平均天然氣井口溫度為17 ℃。目前已建采氣井場外輸壓力為2.0～4.9 MPa,其中大部分采氣井場外輸壓力在3 MPa左右。為滿足集輸需求,需要將采出天然氣進(jìn)行節(jié)流降壓至適當(dāng)壓力才可以接入已建集輸管網(wǎng)。參照大寧—吉縣區(qū)塊集輸管網(wǎng)運(yùn)行壓力及各采氣井場外輸壓力統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果,本次計(jì)算取3 MPa作為新建井場外輸壓力。利用UNISIM軟件,分別模擬不同壓力條件下水合物生成溫度及不同壓力條件下氣井節(jié)流后溫度變化,得到如下結(jié)論。

1)當(dāng)井口壓力>5 MPa時(shí),井口節(jié)流后天然氣溫度低于水合物形成溫度,節(jié)流過程中會產(chǎn)生水合物。

2)當(dāng)5 MPa≥井口壓力>3 MPa時(shí),井口節(jié)流后天然氣溫度高于水合物形成溫度,井口節(jié)流過程不會產(chǎn)生水合物。在進(jìn)入干線后,由于與環(huán)境熱交換及管道摩阻等因素,產(chǎn)生軸向溫降[4-5],在壓力、外界溫度多重因素影響下,導(dǎo)致集輸過程中天然氣溫度低于對應(yīng)壓力下水合物形成溫度,可能產(chǎn)生水合物。

3)當(dāng)3 MPa≥井口壓力>2 MPa時(shí),井口不需節(jié)流,井口不產(chǎn)生水合物。冬季進(jìn)入干線集輸過程中,由于與環(huán)境熱交換及管道摩阻等因素,產(chǎn)生軸向溫降,在壓力、外界溫度多重因素影響下,導(dǎo)致集輸過程中天然氣溫度低于對應(yīng)壓力下水合物形成溫度,可能產(chǎn)生水合物。

4)當(dāng)井口壓力≤2 MPa時(shí),井口不需節(jié)流,不會產(chǎn)生水合物。且在2 MPa壓力下,水合物形成溫度為 -4.8 ℃,低于冬季采氣管線埋地溫度(約0 ℃)3 ℃以上,依據(jù)GB 50349—2015《氣田集輸設(shè)計(jì)規(guī)范》中4.5.1規(guī)定:天然氣集輸溫度應(yīng)高于水合物形成溫度3 ℃以上[5],故集輸過程中也不會產(chǎn)生水合物。

2.3.2 采氣管線中介質(zhì)溫降規(guī)律

根據(jù)大寧—吉縣致密氣生產(chǎn)報(bào)表(2019年)統(tǒng)計(jì)結(jié)果,區(qū)塊內(nèi)采氣井場外輸壓力為2.0～5.0 MPa。

根據(jù)水合物形成溫度預(yù)測結(jié)果,在5.0 MPa壓力下,水合物形成溫度為6.68 ℃;在2.0 MPa壓力下,水合物形成溫度為 -4.80 ℃。

大寧—吉縣區(qū)塊采氣管線均敷設(shè)于凍土層以下,冬季管道敷設(shè)處地溫約0 ℃，井場平均外輸溫度取15 ℃。

采用TGNET軟件,對冬季采氣管線中溫降進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 采氣支線溫降模擬計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)表2模擬計(jì)算結(jié)果,在管道輸送距離一定時(shí),管道輸氣量越大,管道介質(zhì)溫降越小;井場外輸壓力越高,管道介質(zhì)溫降越小。同時(shí)可得出以下結(jié)論：1)當(dāng)管道工作壓力低于2 MPa時(shí),集輸過程中不會產(chǎn)生水合物；2)當(dāng)不同管徑管道輸送距離分別達(dá)到2～5 km時(shí),管道內(nèi)介質(zhì)溫度將接近或達(dá)到管道敷設(shè)處地溫[6]；3)若管道敷設(shè)處平均地溫高于10 ℃,集輸過程中不會產(chǎn)生水合物。

3 井場簡化思路

通過對大寧—吉縣區(qū)塊已建采氣井場的生產(chǎn)運(yùn)行參數(shù)總結(jié)分析,可將致密氣采氣井生產(chǎn)過程劃分為以下三個(gè)階段[7-8]。第一階段:投產(chǎn)初期,井口壓力高,產(chǎn)液量高[9];第二階段:井口壓力下降至5 MPa以下,氣井產(chǎn)液量少;第三階段:井口壓力降低至井場外輸壓力,氣井不產(chǎn)液[10]。

3.1 工藝簡化

大寧—吉縣區(qū)塊地面節(jié)流井場主要包含高低壓緊急截?cái)?、?jì)量、加熱節(jié)流、分離、注醇五個(gè)工藝模塊。其中,高低壓緊急截?cái)嗪陀?jì)量為基本工藝模塊,整個(gè)氣井開發(fā)過程中必不可少,其余工藝模塊可根據(jù)氣井的生產(chǎn)工況變化靈活調(diào)整[11]。

根據(jù)采氣井的生產(chǎn)特征,可對致密氣井三個(gè)生產(chǎn)階段的工藝模塊進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

3.1.1 第一階段調(diào)整

1)適用條件:井口壓力高于5 MPa;氣井產(chǎn)液。

2)井場工藝流程見圖9。

圖9 第一階段采氣井場工藝流程圖Fig.9 Well site process flowchart of gas production in the first stage

3)地面節(jié)流設(shè)備:加熱節(jié)流橇。

4)井場主要設(shè)備:高低壓緊急切斷閥、臨時(shí)除砂器(按需設(shè)置)、智能一體化孔板流量計(jì)、加熱節(jié)流橇、分離橇、甲醇滴注橇(系統(tǒng)加注,不必每座井場單獨(dú)設(shè)置)。

5)井場配套設(shè)施:放空立管、RTU、供配電設(shè)施、通信設(shè)施、設(shè)備基礎(chǔ)(加熱節(jié)流分離橇、分離橇、甲醇滴注橇)等。

3.1.2 第二階段調(diào)整

1)適用條件:井口壓力低于5 MPa;氣井產(chǎn)液。

2)井場工藝流程見圖10。

圖10 第二階段采氣井場工藝流程圖Fig.10 Well site process flowchart of gas production in the second stage

3)地面節(jié)流設(shè)備:井口針閥。

4)井場主要設(shè)備:高低壓緊急切斷閥、臨時(shí)除砂器(按需設(shè)置)、智能一體化孔板流量計(jì)、分離橇、甲醇滴注橇(系統(tǒng)加注,不必每座井場單獨(dú)設(shè)置)。

5)井場配套設(shè)施:放空立管、RTU、供配電設(shè)施、通信設(shè)施、設(shè)備基礎(chǔ)(分離橇、甲醇滴注橇)等。

3.1.3 第三階段調(diào)整

1)適用條件:井口壓力低于5 MPa;氣井不產(chǎn)液。

2)井場工藝流程見圖11。

圖11 第三階段采氣井場工藝流程圖Fig.11 Well site process flowchart of gas production in the third stage

3)節(jié)流設(shè)備:井口針閥。

4)井場主要設(shè)備:高低壓緊急切斷閥、智能一體化孔板流量計(jì)。

5)井場配套設(shè)施:RTU、供配電設(shè)施、通信設(shè)施、設(shè)備基礎(chǔ)等。

優(yōu)化簡化采氣井場總體工藝流程,見圖12。

圖12 優(yōu)化簡化后工藝流程簡圖Fig.12 Schematic diagram of optimized and simplified process flow

3.2 甲醇滴注簡化

當(dāng)前本區(qū)塊已建井場均設(shè)置了甲醇滴注橇,集輸干線中的介質(zhì)已含有甲醇,而新建采氣井場需要接入已建采氣干線才可集輸至集氣站處理外輸。因此,新建采氣井場僅需考慮采氣支線集輸過程中的水合物抑制[12]。

依據(jù)采氣管線中介質(zhì)溫降規(guī)律研究的相關(guān)結(jié)論,可得出井場甲醇滴注橇的設(shè)置原則。

1)當(dāng)采氣井場外輸壓力低于2 MPa時(shí),采氣井場可取消甲醇滴注。

2)當(dāng)采氣管線工作壓力不大于5 MPa,管道敷設(shè)處平均地溫高于10 ℃時(shí),采氣管線可不注醇。

3)當(dāng)采氣管線輸送壓力為5 MPa時(shí),若管道介質(zhì)流速大于6 m/s,輸送距離小于1 km;當(dāng)采氣管線輸送壓力為2～5 MPa時(shí),管道介質(zhì)流速大于7.5 m/s,輸送距離小于1 km,集輸過程中不會產(chǎn)生水合物，采氣管線可不注醇。

但是對于重點(diǎn)井場、低溫井場等特殊井場,應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際靈活調(diào)整[13]。

3.3 供配電簡化

為進(jìn)一步提升供電設(shè)備與井場負(fù)荷需求的匹配度,避免出現(xiàn)井場“大馬拉小車”的運(yùn)行缺陷,故結(jié)合采氣井場不同工藝簡化階段的用電負(fù)荷及采氣井場工藝設(shè)備生產(chǎn)運(yùn)行特點(diǎn),對用電設(shè)備采用不同的供電方式，不同工藝簡化階段井場工藝簡化供電配置見表3。其中高低壓緊急切斷閥、RTU等小負(fù)荷和長期使用的用電設(shè)備采用太陽能供電系統(tǒng)供電;加熱節(jié)流橇、分離橇等大負(fù)荷、短期使用的用電設(shè)備采用燃?xì)獍l(fā)電機(jī)供電[14-15]。

4 優(yōu)化簡化效益分析

4.1 提高設(shè)備利用率節(jié)省投資

根據(jù)采氣規(guī)律變化適時(shí)調(diào)整井場工藝模塊,加熱節(jié)流橇、分離橇等設(shè)備可及時(shí)遷建至后續(xù)新建井場繼續(xù)使用,在減少設(shè)備閑置的同時(shí),還可節(jié)約新建井場設(shè)備投資[16]。

4.2 優(yōu)化供電模式節(jié)能增效

經(jīng)現(xiàn)場試運(yùn)行,井場采用太陽能供電,穩(wěn)定性較高,設(shè)備故障檢修次數(shù)平均僅0.3次/月,遠(yuǎn)低于發(fā)電機(jī)間維護(hù)保養(yǎng)頻次5.2次/月,推廣應(yīng)用太陽能供電系統(tǒng)將較大程度提升井場供電系統(tǒng)穩(wěn)定性,保障現(xiàn)場安全平穩(wěn)生產(chǎn)[17]。太陽能供電系統(tǒng)提供負(fù)荷能夠與井場用電需求負(fù)荷相匹配,規(guī)避人員致密氣井場自用氣發(fā)電存在的“大馬拉小車”情況,同時(shí)能夠避免自用氣消耗,進(jìn)一步提升井場天然氣商品率[18-19]。

4.3 降低勞動強(qiáng)度

井場按照優(yōu)化簡化思路實(shí)施后,區(qū)塊內(nèi)新建井場甲醇滴注橇數(shù)量將降低約50%,井場機(jī)械表數(shù)量得以減少,且當(dāng)井場運(yùn)行至工藝簡化第三階段后,井場分離工藝設(shè)備將實(shí)現(xiàn)遷建,燃?xì)獍l(fā)電流程實(shí)現(xiàn)撤除。綜合計(jì)算,預(yù)計(jì)單座井場將減少用工人員約20%[20]。

5 結(jié)論

本研究提供的致密氣采氣井場優(yōu)化簡化思路,依托采氣規(guī)律等數(shù)據(jù)分析,通過簡化致密氣井場工藝流程、優(yōu)化供電模式等方式,可提高致密氣井場設(shè)備利用率、增強(qiáng)井場供電穩(wěn)定性、降低井場人員用工成本,并可實(shí)現(xiàn)致密氣降本增效開發(fā),為提升生產(chǎn)管理水平、保障生產(chǎn)運(yùn)行穩(wěn)定性提供了切實(shí)可行的方案。