翟中波 柏險峰 崔繼寧 王睿峰 田明山

（1.斯倫貝謝長和油田工程有限公司，陜西 西安 710016；2.斯倫貝謝中國公司，北京 100015）

0 引言

L井區(qū)位于延安市以北、鄂爾多斯盆地天然氣富集區(qū)的南緣，生產(chǎn)致密氣。根據(jù)儲層分布情況，采用直定向井和水平井兩種井型進(jìn)行開發(fā)。為了實現(xiàn)工業(yè)化開采天然氣，L井區(qū)致密氣井需要進(jìn)行水力壓裂作業(yè)，從地層注入大量壓裂液，滯留在地層孔隙和裂縫中［1-6］。壓裂后開井放噴排液，當(dāng)出液量小于0.5 m3／h、壓力和氣量穩(wěn)定、不出砂時導(dǎo)入試氣流程。在放噴排液和試氣的整個過程中為了減少壓力波動和干擾，天然氣都是進(jìn)入放噴池或者火炬點(diǎn)燃，在浪費(fèi)資源的同時也增加了碳排放。為了回收返排試氣階段的天然氣，對目前使用的放噴排液流程進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，將三相分離器分離出來的天然氣導(dǎo)入采氣管線，再由采氣管線輸送到集氣站，經(jīng)由壓縮機(jī)增壓后經(jīng)集氣管線到達(dá)中央處理廠脫水脫碳后貿(mào)易計量到達(dá)用戶。該工藝有利于天然氣清潔開采和實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)［7-8］，同時也可以創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益和社會價值，以期為節(jié)能減排提供思路與方法。

1 當(dāng)前放噴排液及試氣流程

放噴排液流程中的設(shè)備主要包括除砂器、油嘴管匯和放噴池等［9］，如圖1所示。從圖1可知，油嘴管匯上安裝有固定油嘴，兩側(cè)各一個，一邊使用、一邊備用：可以根據(jù)需要更換油嘴尺寸，通過油嘴調(diào)整井口流壓控制氣量高于臨界攜液流量，以便于氣井正常放噴排液［10］。放噴時，將三相分離器旁通，氣井出井口后經(jīng)過除砂器，利用除砂器除去返排液攜帶的壓裂砂或者地層砂，之后經(jīng)過油嘴管匯節(jié)流降壓后直接進(jìn)入放噴池，天然氣在放噴池燃燒，返排液進(jìn)入放噴池之后通過泵到達(dá)返排液罐，再經(jīng)過專用車輛運(yùn)至污水處理廠進(jìn)行處理，此流程中不使用燃燒火炬，其前端的放噴閥處于關(guān)閉狀態(tài)。

圖1 目前的放噴排液流程圖

在排液結(jié)束之后進(jìn)入試氣環(huán)節(jié)，當(dāng)前的試氣流程在放噴排液流程的基礎(chǔ)上增加了三相分離器和燃燒火炬。L井區(qū)地層不產(chǎn)油，使用三相分離器將氣水分離，天然氣經(jīng)燃燒火炬點(diǎn)燃，分離出來的返排液進(jìn)入放噴池隨后泵入返排液罐存儲（圖2）。當(dāng)前的試氣環(huán)節(jié)，天然氣被點(diǎn)燃，存在噪聲、溫室氣體排放（二氧化碳）、環(huán)境污染排放（二氧化硫和氮氧化物）和安全風(fēng)險（山火或者森林著火）等諸多問題，同時也造成了資源浪費(fèi)。

圖2 目前的試氣流程圖

2 優(yōu)化后的天然氣回收流程

2.1 回收流程簡介

針對當(dāng)前放噴試氣流程的不足，在不影響試氣求產(chǎn)的基礎(chǔ)上對當(dāng)前流程進(jìn)行了優(yōu)化：將原來的燃燒火炬改為一條外輸管線，接入采氣管線隨后進(jìn)入集氣站，外輸管線上安裝進(jìn)站閥，可以在放噴排液和試氣作業(yè)之間靈活切換（圖3）。采用此優(yōu)化后的流程可以將天然氣回收至集輸系統(tǒng)，而不是點(diǎn)燃浪費(fèi)資源造成環(huán)境污染。

圖3 優(yōu)化后的天然氣回收流程圖

2.2 可行性研究

根據(jù)巖石物理和滲流理論，地層流體從孔隙或裂縫進(jìn)入井筒之后要克服各種壓力損失并在氣體速度大于臨界攜液流速時順利帶出液體至地面，試氣過程中同樣要保證產(chǎn)氣的同時能夠正常攜液。放噴流程與天然氣回收流程最大的區(qū)別在于，放噴流程可以旁通除砂器、油嘴管匯和三相分離器，直接進(jìn)入放噴池，對空放噴，試氣的時候可以進(jìn)火炬，不管是火炬還是放噴池，下游的背壓均為0.1 MPa，減小了附加背壓。

根據(jù)李閩［11-13］模型，氣體臨界攜液流速vc為：

式中，vc為氣井臨界攜液流速，m／s；ρL為液體密度，kg／m3；ρG為氣體密度，kg／m3；σ為氣液表面張力，N／m。

相應(yīng)的臨界攜液流量Qc為：

式中，Qc為臨界攜液流量，m3／d ；A為油管截面積，m2；d為油管內(nèi)徑，m；p為壓力，MPa；T為溫度，K；Z為p、T條件下的氣體偏差因子。

根據(jù)臨界攜液流量和流速原理，即公式（3）可知，井口背壓越小，臨界攜液流量越小，正常攜液所需要的氣量越低。使用之前的放噴流程和火炬試氣時，可以旁通油嘴管匯，同時將三相分離器的可調(diào)油嘴調(diào)至最大并旁通其孔板，使井口背壓降至最低，試氣時的臨界攜液流量也最小，更容易排液，這就是對空放噴排液的基本原理。

優(yōu)化后的試氣流程與之前的放噴試氣流程在技術(shù)上的最大區(qū)別在于，即使旁通油嘴管匯，三相分離器可調(diào)油嘴調(diào)至最大，旁通孔板，由于采氣管線的限制，井口仍然有背壓。以L井區(qū)第一個使用優(yōu)化后試氣流程的井場L1 井場為例，井場到集氣站為7.5 km，使用DN200 采氣管線，L1 井場輸氣前集氣站壓力為3.3 MPa，預(yù)計L1井場天然氣進(jìn)站之后壓力為3.5 MPa。即井口背壓由原放噴試氣流程的0.1 MPa增大至優(yōu)化后試氣流程的3.5 MPa。

使用斯倫貝謝的多相流穩(wěn)態(tài)模擬器PIPESIM 軟件輸入L1井場Y1井的完井管柱、井斜數(shù)據(jù)、井下工具、儲層物性等參數(shù)建立模型后，PIPESIM能夠通過數(shù)值計算得到該井的生產(chǎn)指數(shù)PI、無阻流量AOF 和臨界攜液流量等重要生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

井口背壓為0.1 MPa，Y1井采用原來的放噴試氣流程時的流入流出曲線如圖4所示，此時的臨界攜液流量為0.3×104m3／d，如圖4 中綠色虛線所示，實際的協(xié)調(diào)點(diǎn)氣量為11.1×104m3／d，此流程試氣能夠正常攜液，不存在積液問題。

圖4 Y1井口背壓為0.1 MPa（對空放噴）時的流入流出曲線圖

采用優(yōu)化后的流程，井口背壓增加至3.5 MPa，Y1 井的流入流出曲線如圖5 所示，此時的臨界攜液流量為1.56×104m3／d，如圖5中綠色虛線所示，實際的協(xié)調(diào)點(diǎn)氣量為10.5×104m3／d，此流程試氣也能夠正常攜液，不影響正常的試氣作業(yè)。由于返排試氣的氣井均為剛壓裂結(jié)束，儲層壓力高，能量足，此時的生產(chǎn)指數(shù)大，產(chǎn)氣能力足，再加上如果部分氣井初始產(chǎn)能弱，可以隨時切出天然氣回收流程進(jìn)入放噴池流程，因此優(yōu)化后的流程不管是在技術(shù)上還是實際的作業(yè)操作上均能滿足需要，具有較強(qiáng)的靈活性和可操作性。

圖5 Y1井口背壓為3.5 MPa（天然氣回收流程）時的流入流出曲線圖

3 效益分析

3.1 經(jīng)濟(jì)效益

由于優(yōu)化后的試氣流程是利用項目設(shè)計建設(shè)的采氣集輸系統(tǒng)，并不會產(chǎn)生附加的設(shè)備設(shè)施費(fèi)用，其經(jīng)濟(jì)效益主要來自于天然氣的回收。以L井區(qū)的一口定向井Y30 井為例對其經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，該井于2023年5月對本二2亞段儲層（3 270.4～3 277.1 m，斜深）、山二3亞段儲層（3 197.2～3 202.1 m，斜深）進(jìn)行了壓裂施工，壓裂使用73.2 mm外徑油管，隨后放噴返排并試氣，30 mm 孔板下的產(chǎn)氣量為穩(wěn)定產(chǎn)氣量，測得平均產(chǎn)氣量為12.5×104m3／d，平均產(chǎn)水量為0.6 m3／d，未產(chǎn)凝析油。通過鋼絲作業(yè)實測并折算得到油藏中深3 080.21 m（垂深）處的流動壓力為24.45 MPa，流溫為109.32 ℃；實測并折算油藏中深3 080.21 m（垂深）處的靜壓為28.35 MPa，靜溫為103.18℃。通過“一點(diǎn)法”［14］計算該井天然氣無阻流量為44.6×104m3／d。該井通過放噴排液燃燒天然氣37.5×104m3。

擴(kuò)大至整個作業(yè)區(qū)塊，L井區(qū)試氣時的平均產(chǎn)氣量為5.5×104m3／d，試氣時間為3 d，每年壓裂試氣的井?dāng)?shù)為40 口，則每年能夠回收天然氣660×104m3。天然氣按照2.2元／m3計算，在緩解產(chǎn)量壓力的同時，帶來直接經(jīng)濟(jì)收益為1 450萬元。

3.2 社會效益

L 井區(qū)天然氣主要由CH4、C2H6、C3H8、C4H10、N2和CO2組成，其摩爾百分比平均值分別為94.17%、0.40%、0.03%、0.30%、1.10%和4.00%。在天然氣燃燒前后碳原子數(shù)量保持不變，可以得出標(biāo)況狀態(tài)下，1 m3天然氣充分燃燒產(chǎn)生0.966 6 m3二氧化碳，其質(zhì)量為1.9 kg。如上所述，L 井區(qū)全年回收660 ×104m3的天然氣可以減少12 540 t的CO2排放。同時也可以減少噪聲污染，公共關(guān)系和公司聲譽(yù)變好，對公司來說會產(chǎn)生正向積極的社會效益。

4 結(jié)論

1）使用PIPESIM 模擬和現(xiàn)場實際應(yīng)用均證明L井區(qū)天然氣回收新工藝可用，新工藝安全可靠，靈活性強(qiáng)，壓裂的新井氣量能夠達(dá)到臨界攜液流量，可以正常排液試氣。

2）通過該工藝優(yōu)化實現(xiàn)了試氣階段天然氣的完全回收，L井區(qū)平均年回收天然氣660×104m3，帶來直接經(jīng)濟(jì)收益1 450萬元，減少CO2排放12 540 t，為L井區(qū)帶來了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。