易良英

中油遼河工程有限公司，遼寧盤錦 124010

頁巖氣井口水合物抑制工藝技術研究

易良英

中油遼河工程有限公司，遼寧盤錦 124010

在頁巖氣輸送過程中，當溫度降低時，水和天然氣易形成水合物而堵塞管道，甚至導致管道爆裂，成為頁巖氣輸送過程中的一極大安全隱患。采用Pipesim穩(wěn)態(tài)模擬軟件，計算出頁巖氣中的水合物的形成條件，以便采取相應對策。以四川某區(qū)塊頁巖氣試采工程為例，通過技術方案與經(jīng)濟對比，優(yōu)選在井口設置加熱爐，通過加熱流體的方式抑制頁巖氣水合物的形成，累計采出頁巖氣10 950萬m3，累計產(chǎn)氣量較預期設計值提高10%，實現(xiàn)營業(yè)收入3.09億元，為頁巖氣大規(guī)模開采提供技術儲備。

頁巖氣；水合物；加熱爐；甲醇

頁巖氣藏的開發(fā)依賴于水平井與水力壓裂技術的應用。頁巖氣藏因其儲層物性差、孔隙度和滲透率極低，需要應用水力壓裂技術才能經(jīng)濟開采，因而井口開采的頁巖氣中含有大量的水，頁巖氣生產(chǎn)參數(shù)見表1。

表1 頁巖氣生產(chǎn)參數(shù)

從表1可以看出，頁巖氣在整個開采過程中含有大量的水，尤其是反排期，井口產(chǎn)水量高達50 m3/d[1]。而天然氣和水在一定的溫度和壓力下，會形成水合物，水合物在頁巖氣輸送過程中，在溫度降低時會結凍而堵塞管道（見圖1），甚至導致管道爆裂。如此，水合物成為了頁巖氣輸送過程中的極大安全隱患。

圖1 頁巖氣水合物

1 頁巖氣水合物形成溫度

以四川某區(qū)塊的頁巖氣為基礎數(shù)據(jù)（見表2）進行模擬計算，采用UniSim軟件計算各工況下水合物的形成溫度，生成曲線和趨勢見圖2和圖3。

表2 頁巖氣組成

圖2 壓力與水合物形成溫度關系曲線

圖3 水合物形成趨勢圖（壓力4.0 MPa）

采用法國斯倫貝謝公司的穩(wěn)態(tài)模擬軟件Pipesim計算頁巖氣中的水合物的形成條件。

從圖2和圖3可以看出，頁巖氣的輸送溫度越高，水合物形成量越少，當頁巖氣的輸送溫度達到水合物最高形成溫度時，水合物的生成量為0。

目前國內還沒有針對抑制頁巖氣水合物形成的相關規(guī)范，因而大膽借鑒天然氣的相關規(guī)范來開展本次研究。

GB50350-2015《油田油氣集輸設計規(guī)范》[2]第6.3.1節(jié)規(guī)定：“應確保天然氣集輸溫度高于水合物形成溫度3℃以上”，即只要將頁巖氣的輸送溫度控制在其水合物形成溫度3℃以上，即可有效控制水合物的形成。但是實際工程中，由于環(huán)境溫度是多變的、不可控的，為保險起見，將頁巖氣的輸送溫度目標值定為高于水合物形成溫度5℃。

2 抑制頁巖氣水合物形成方法

國內外抑制水合物形成的方法主要有：

（1） 加熱流體，控制頁巖氣的輸送溫度高于水合物形成溫度5℃以上。

（2） 注入水合物抑制劑（例如：甲醇）。

頁巖氣井口抑制水合物工藝可采用兩種方案。方案一：節(jié)流+加熱爐加熱，即采用加熱流體的方法控制頁巖氣溫度高于水合物形成溫度5℃以上；方案二：節(jié)流+加熱爐加熱+注醇，即采用加熱爐加熱和注醇相結合的方式來抑制水合物形成，從而控制頁巖氣溫度高于水合物形成溫度5℃以上。

頁巖氣開采井井口壓力較高，特別是開井期，井口壓力高達70.1 MPa，為滿足下游壓力需求，通常在井口設置節(jié)流。本次的研究點選取的是井站的出站外輸點。

3 方案對比

3.1 方案一：節(jié)流+加熱爐加熱方案

3.1.1 流程（見圖4）

頁巖氣經(jīng)過井口的一級角式節(jié)流閥將頁巖氣從70.1 MPa節(jié)流至12 MPa，然后經(jīng)過水浴式電加熱器加熱以防止二級節(jié)流后續(xù)操作產(chǎn)生水合物，考慮頁巖氣在集輸過程中的溫降，將加熱后的溫度控制在60℃左右，然后經(jīng)過二級角式節(jié)流閥節(jié)流至4.0 MPa，節(jié)流后頁巖氣的溫度為15.65℃左右（水合物形成溫度10℃），再通過兩相分離器橇進行氣液分離，分離出來的液體經(jīng)過計量后進入氣田水罐儲存，分離出的氣體經(jīng)過計量后，以氣液混輸方式外輸。

3.1.2 井站主要設備

井站工藝設備主要有井口用電加熱器、放空分離器和各種閥門（見表3）。井站主要工藝設備均采用橇裝化技術。

3.2 方案二：節(jié)流+加熱爐+注醇方案

方案二是方法一與方法二兩種方式結合使用。采用加熱爐的方式控制流體的溫度，同時采用注醇的方法抑制水合物形成，使流體溫度高于水合物形成溫度5℃以上。

圖4 方案一流程（加虛線框為方案二流程）

表3 方案一主要設備

3.2.1 流程（見圖4）

頁巖氣經(jīng)過井口的一級角式節(jié)流閥將頁巖氣從70.1 MPa節(jié)流至12 MPa，然后經(jīng)過水浴式電加熱器加熱以防止二級節(jié)流后續(xù)操作產(chǎn)生水合物，考慮頁巖氣在集輸過程中的溫降，將加熱后的溫度控制在40℃左右，然后經(jīng)過二級角式節(jié)流閥節(jié)流至4.0 MPa，節(jié)流后頁巖氣的溫度為12℃左右（水合物形成溫度10℃），再通過兩相分離器橇進行氣液分離，分離出來的液體經(jīng)過計量后進入氣田水罐儲存，分離出的氣體經(jīng)計量后，在出站處設置甲醇加注口，通過甲醇加注橇向頁巖氣中注入甲醇以抑制水合物形成，然后以氣液混輸方式外輸。

3.2.2 井站主要設備（見表4）

井站工藝設備主要有井口用電加熱器、放空分離器、甲醇加注橇和各種閥門。井站主要工藝設備均采用橇裝化技術。

表4 方案二主要設備

3.3 方案比選

方案比較見表5、表6。

根據(jù)表5和表6可以看出：

（1）兩個方案均能有效抑制水合物的生成，頁巖氣出站溫度均高于水合物形成溫度5℃以上。

（2）對于年生產(chǎn)費用和后期的維護、修理費用，方案一耗費均少于方案二。

表5 方案技術比較

因此綜合分析推薦方案一，即“節(jié)流+加熱爐加熱”抑制水合物的方案。

4 工程應用

在四川某區(qū)塊頁巖氣試采工程中應用方案二來抑制水合物的生成。其中單井站的規(guī)模：10萬m3/d。根據(jù)頁巖氣組分和邊界條件，采用UniSim軟件對方案二的流程進行模擬（見圖5），軟件模擬結果見表7。

表6 方案經(jīng)濟比較

圖5 軟件模擬結果

該工程于2015年已一次成功投產(chǎn)5口井，運行平穩(wěn)，目前為止整個集輸系統(tǒng)尚未發(fā)現(xiàn)管路凍堵情況。到目前為止已累計采出頁巖氣10 950萬m3，累計產(chǎn)氣量較預期設計值提高10%，實現(xiàn)營業(yè)收入3.09億元，經(jīng)濟效益非常可觀。可見該技術具有較好的技術經(jīng)濟效益和社會效益。

表7 軟件模擬結果

5 結束語

開展對頁巖氣等非常規(guī)氣田地面集輸及配套工藝技術的研究具有重要的戰(zhàn)略意義和現(xiàn)實意義。目前該項研究成果為下一步大規(guī)模開采頁巖氣的地面集輸工程設計提供一定的技術儲備，該技術不僅適用于頁巖氣，同樣可應用于具有相同特點的致密氣和煤層氣田地面開發(fā)上，可見該技術可帶來廣闊的應用前景。

[1]李研，吳剛.頁巖氣地面集輸工藝設計研究[J].石油工程建設，2015，41（3）：49-53.

[2]GB 50350-2015，油氣集輸設計規(guī)范[S].

Atechnique for inhibiting hydrate formation in shale gas wellhead

YILiangying
Liaohe Petroleum Engineering Co.，Ltd.，Panjin 124010，China

In shale gas transportation process，while temperature reduces，hydrate in shale gas will clog the pipeline because of condensed water frozen，and even lead to pipeline burst.So，the gas hydrate becomes a great security hidden trouble in shale gas transportation.The static simulation software Pipesim is applied to calculate the formation conditions of hydrate in order to take countermeasures later.For the shale gas block pilot production project in Sichuan，through the comparison of the technical schemes and economy，it is preferred to set up the heating furnace at the wellhead，and to suppress the formation of shale gas hydrate by heating fluid.The accumulated shale gas production reaches 109.5×106m3and is higher than predicted volume by 10%.The inhibiting hydrate formation technique provides technical reserves for the large-scale exploitation of shale gas.

shale gas；hydrate；heating furnace；methanol

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.03.011

易良英（1985－），女，重慶人，工程師，2007年畢業(yè)于中國石油大學（華東），現(xiàn)主要從事石油天然氣設計和研究工作。

2016-12-20

Email：yiliangying@126.com