龐東曉, 舒 梅, 韓 雄

(中石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院)

頁(yè)巖氣是我國(guó)新的戰(zhàn)略性資源。相比常規(guī)天然氣開(kāi)發(fā)，頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)過(guò)程不是“打開(kāi)”產(chǎn)層而是“改造”產(chǎn)層，更強(qiáng)調(diào)水資源的循環(huán)利用、快速建產(chǎn)和安全環(huán)保等工廠化開(kāi)發(fā)要素。為此，在頁(yè)巖氣試油測(cè)試期間如何提高水資源利用效率、實(shí)現(xiàn)“見(jiàn)氣進(jìn)網(wǎng)”和確保試油期間安全環(huán)保，最終提高頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)效益已成為目前頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)中亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

在頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)中，大規(guī)模加砂壓裂已成為頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的主要技術(shù)手段，水資源回收利用技術(shù)和試油設(shè)備防砂控砂技術(shù)要求高。為了提高開(kāi)發(fā)效率，縮短建井周期，頁(yè)巖氣平臺(tái)普遍采用“工廠化”作業(yè)模式，這就需要試油測(cè)試提高自動(dòng)化、模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)水平，對(duì)平臺(tái)內(nèi)多口井批量流水線作業(yè)；為了提高頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)效益，需要實(shí)現(xiàn)“見(jiàn)氣回收”的投產(chǎn)目標(biāo)，提高整體經(jīng)濟(jì)效益。頁(yè)巖氣試油測(cè)試期間的安全環(huán)保也是提高頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)效益重要保障。

為此，本文通過(guò)探討試油測(cè)試期間天然氣快速凈化技術(shù)、自動(dòng)一體化控壓分離計(jì)量裝置和安全環(huán)保技術(shù)的綜合應(yīng)用，為形成頁(yè)巖氣試油快速投產(chǎn)技術(shù)提供一種新的技術(shù)方法和手段，從而進(jìn)一步提高頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)效益。

一、試油測(cè)試期間天然氣快速凈化技術(shù)

實(shí)現(xiàn)試油快速投產(chǎn)，首先需要解決的是天然氣的快速凈化。其中關(guān)鍵問(wèn)題是如何實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)出流體的分離。

頁(yè)巖氣在加砂壓裂后返排液成分復(fù)雜，變化范圍大，在試油測(cè)試初期主要是以液體為主，夾雜部分天然氣和固體顆粒，在試油測(cè)試后期，產(chǎn)出以天然氣為主，其中包含部分液體和固體顆粒。因此其分離要求難度也相應(yīng)提高。

1. 試油測(cè)試期間天然氣五級(jí)凈化

針對(duì)以上問(wèn)題，本文綜合考慮分離設(shè)備技術(shù)指標(biāo)，對(duì)于關(guān)鍵設(shè)備如旋流除砂器進(jìn)行技術(shù)升級(jí)，最終確定了采用五級(jí)分離實(shí)現(xiàn)了天然氣的凈化，實(shí)現(xiàn)了頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)見(jiàn)氣進(jìn)網(wǎng)。這種技術(shù)方案首先通過(guò)捕屑器清除鉆塞后產(chǎn)生的大顆粒碎屑，防止碎屑堵塞管線、閥門(mén)等控制元件和旋流除砂器、分離器等分離粒度更小的設(shè)備。然后再通過(guò)旋流除砂器，在旋流除砂器中利用旋流分離的方法去除大部分加砂壓裂攜入井筒的砂粒和地層自身產(chǎn)出的砂粒，防止高速流體沖刷下游設(shè)備；其后利用分離器通過(guò)重力分離的方法實(shí)現(xiàn)液體的分離；產(chǎn)出的天然氣進(jìn)入管道式除砂器，利用精密濾網(wǎng)實(shí)現(xiàn)20 μm以上砂粒的完全分離；最后進(jìn)入粉塵過(guò)濾器,再次利用更精密濾網(wǎng)實(shí)現(xiàn)5 μm以上砂粒的分離；分離后的天然氣固相含量小于等于5 mg/m3，凈化后天然氣在水露點(diǎn)小于最低溫度5℃下無(wú)游離水(圖1)。

圖1 試油測(cè)試期間天然氣快速凈化技術(shù)方案

2. 適應(yīng)多種流速的除砂器

在試油測(cè)試期間天然氣快速凈化中，旋流除砂器承擔(dān)去除95%固體的關(guān)鍵作用，是影響天然氣快速凈化效率的關(guān)鍵裝備。然而旋流除砂器分離固相顆粒主要依賴(lài)流體旋流，利用離心作用分離混合流體中不同密度的流體和固體，對(duì)于給定流速和含砂率的混合流體，其分離效率依賴(lài)旋流除砂器旋流筒的型線設(shè)計(jì)。

對(duì)于試油測(cè)試期間天然氣快速凈化，由于流速和含砂率變化范圍大，單一旋流筒尺寸不能滿(mǎn)足除砂率95%以上的要求，需要對(duì)返排流體流速和含砂率進(jìn)行分類(lèi)，實(shí)現(xiàn)不同工況下除砂率95%以上的要求，如表1所示。

表1 旋流除砂器技術(shù)參數(shù)

二、自動(dòng)一體化控壓分離計(jì)量裝置研制

目前大規(guī)模加砂壓裂已成為頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的主要技術(shù)手段，水資源使用規(guī)模也相應(yīng)提高，試油測(cè)試期間相應(yīng)的液體返排量也隨之提高。因此，提高試油測(cè)試期間返排液體回收效率已成為提高頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)效益的關(guān)鍵技術(shù)之一。

提高試油測(cè)試期間返排液體回收效率的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)返排液體回收裝備的集成化、自動(dòng)化水平。為此，通過(guò)研制的自動(dòng)一體化控壓分離計(jì)量裝置提高了返排液體回收裝備的集成化、自動(dòng)化水平。

自動(dòng)一體化控壓分離計(jì)量裝置(圖2)將節(jié)流、熱交換、氣液分離、連續(xù)計(jì)量功能集成為一體，利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)裝置的自動(dòng)節(jié)流、自動(dòng)分離、精確計(jì)量。

圖2 自動(dòng)一體化控壓分離計(jì)量裝置結(jié)構(gòu)示意圖

1氣路出口管路 2吸霧器 3消泡器 4盤(pán)管 5液位控制器 6聚集板 7分離元件流體進(jìn)口 8旋流管 9分離元件殼體 10加熱保溫元件殼體 11節(jié)流閥 12平板閘閥 13加熱保溫元件流體出口 14加熱保溫元件流體進(jìn)口 15排砂出口管路 16球閥 17氣動(dòng)薄膜閥 18排液出口管路 19氣體流量計(jì) 20液體流量計(jì)

該裝置在硬件方面實(shí)現(xiàn)了集成化，在節(jié)流降壓部分取代了原有的油嘴管匯，井筒產(chǎn)出流體經(jīng)上游管匯進(jìn)入節(jié)流保溫分離計(jì)量一體化裝置節(jié)流控壓部分，高壓油氣流經(jīng)節(jié)流控壓元件的可調(diào)節(jié)流閥或固定節(jié)流閥實(shí)現(xiàn)降壓。在加熱保溫部分取代了熱交換器，節(jié)流降溫后的流體進(jìn)入一體化裝置加熱保溫部分，流體在該部分的盤(pán)管中繞行時(shí)，與盤(pán)管和加熱保溫部分外殼體之間充斥的水蒸汽產(chǎn)生熱量交換，從而將節(jié)流降壓后的流體溫度升高。在分離計(jì)量方面取代了三相分離器，加熱后的流體經(jīng)加熱保溫部分出口管路進(jìn)入氣液分離元件內(nèi)部，采用旋流、折射與重力沉降的方式分離，固體沉降于容器底部，液體下沉至容器的下部，氣體從液體中逸出并上升，夾帶大量液滴的氣體通過(guò)氣液分離元件罐體內(nèi)部聚結(jié)板進(jìn)一步分離后，再經(jīng)過(guò)消泡器和除吸霧器凈化，凈化后的氣體從氣路出口排出，經(jīng)氣路出口管匯上的氣體流量計(jì)計(jì)量，并通過(guò)氣控系統(tǒng)來(lái)控制氣體排放量；分離元件罐體內(nèi)部的分離聚集液體從氣液分離元件液出口排出，經(jīng)液路出口管匯上的液體流量計(jì)計(jì)量，并通過(guò)氣控系統(tǒng)來(lái)控制液體排放量。氣液分離元件底部沉降的固體顆粒在罐體內(nèi)部壓力的作用下同時(shí)經(jīng)排砂出口管路排放。

該裝置在軟件系統(tǒng)上，采用計(jì)算機(jī)控制的PID控制部件，對(duì)分布在自動(dòng)一體化控壓分離計(jì)量裝置上的控制閥門(mén)和計(jì)量元器件進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，通過(guò)預(yù)先設(shè)計(jì)的不同工況下的控制和測(cè)量方案，實(shí)現(xiàn)試油測(cè)試期間的自動(dòng)節(jié)流、自動(dòng)分離、精確計(jì)量。

三、頁(yè)巖氣試油投產(chǎn)安全環(huán)保技術(shù)

試油投產(chǎn)安全環(huán)保技術(shù)繼承了傳統(tǒng)試油測(cè)試的緊急關(guān)斷系統(tǒng)、測(cè)試期間數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、井場(chǎng)視頻監(jiān)控等，除此之外，由于頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的特殊性，在以下兩個(gè)方面還需要進(jìn)一步完善。大規(guī)模加砂壓裂和地層出砂，首先需要的解決的問(wèn)題是高速流體下控制閥門(mén)沖蝕嚴(yán)重，其次，在頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)中，部分未及時(shí)排輸?shù)奶烊粴庑枰幚怼Ｒ陨蠁?wèn)題如不能有效解決，將直接影響頁(yè)巖氣試油投產(chǎn)作業(yè)效率。

1. 抗沖蝕節(jié)流閥

由于頁(yè)巖氣試油測(cè)試中返排液出砂嚴(yán)重，如不能有效控制，將導(dǎo)致下游管線和設(shè)備沖蝕嚴(yán)重，特別是對(duì)于排砂管線，這個(gè)問(wèn)題尤其嚴(yán)重。為此，通過(guò)研制的高抗沖蝕節(jié)流閥實(shí)現(xiàn)了含砂流體的精確控制。

高抗沖蝕節(jié)流閥包括刻度指示標(biāo)尺、動(dòng)力總成、油嘴總成、油嘴本體、防磨護(hù)套、入口法蘭短節(jié)、出口法蘭短節(jié)和遠(yuǎn)程液壓控制系統(tǒng)，其中動(dòng)力總成與油嘴總成相連并驅(qū)動(dòng)油嘴總成，刻度指示標(biāo)尺與動(dòng)力總成相連，油嘴總成安裝在油嘴本體內(nèi)，入口法蘭短節(jié)和出口法蘭短節(jié)分別連接于油嘴本體的上下游，防磨護(hù)套安裝于出口法蘭短節(jié)，動(dòng)力總成與遠(yuǎn)程液壓控制系統(tǒng)相連，動(dòng)力總成采用液動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)蝸輪蝸桿傳動(dòng)，通過(guò)遠(yuǎn)程液壓控制系統(tǒng)控制，響應(yīng)速度快，可實(shí)現(xiàn)精細(xì)控制開(kāi)度。耐沖蝕節(jié)流套采用柱型對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，耐沖蝕節(jié)流套與套座之間的高效配合使得節(jié)流閥開(kāi)度與流體通過(guò)能力在最大范圍內(nèi)成線性變化，可控性好。下游采用鑲嵌硬質(zhì)合金的護(hù)套設(shè)計(jì)，能有效保護(hù)節(jié)流出口處后端一定距離范圍內(nèi)管線免受節(jié)流后流體與其所攜帶介質(zhì)的強(qiáng)烈沖蝕。該裝置突破了傳統(tǒng)節(jié)流閥結(jié)構(gòu)上無(wú)法進(jìn)一步提高抗沖蝕能力的先天缺陷，采用耐沖蝕節(jié)流套取代了閥桿，研制的抗沖蝕節(jié)流閥系統(tǒng)同樣材質(zhì)下耐沖蝕性能提高15倍以上，能夠滿(mǎn)足大規(guī)模加砂壓裂井地面測(cè)試節(jié)流控壓作業(yè)的需要，提高了節(jié)流系統(tǒng)的抗沖蝕性能和使用壽命，解決了常規(guī)油嘴或節(jié)流閥在極端惡劣工況條件下耐沖蝕性能差和使用壽命短的難題，提高了地面測(cè)試作業(yè)的安全性與可控性，降低了測(cè)試作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

2. 天然氣密閉燃燒器

在頁(yè)巖氣試油投產(chǎn)期間，一旦出現(xiàn)管線堵塞等情況，井筒產(chǎn)出的天然氣需要及時(shí)處理。對(duì)于常規(guī)試油測(cè)試而言，一般需要修建燃燒池，對(duì)于頁(yè)巖氣環(huán)保開(kāi)發(fā)要求而言，這種方法弊病很多，主要體現(xiàn)在修建燃燒池工作量大、周期長(zhǎng)，影響施工進(jìn)度和效率；造成周邊環(huán)境聲、光、熱污染；土地復(fù)耕困難等方面。而密閉燃燒裝置，使用密閉方式燃燒放噴天然氣體，無(wú)需額外征地來(lái)修建燃燒池，可將天然氣密閉燃燒器安置于井場(chǎng)內(nèi)合適位置，燃燒效率高，產(chǎn)生噪音和熱輻射小，對(duì)周邊環(huán)境影響小，可以解決修建燃燒池燃燒帶來(lái)的系列問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)降低測(cè)試成本，提高試油測(cè)試效率等目的，滿(mǎn)足頁(yè)巖氣安全環(huán)保需要。

研制的天然氣密閉燃燒器，采用分壓控制方法，可以根據(jù)氣體產(chǎn)量和壓力自動(dòng)調(diào)整燃燒規(guī)模，其噴嘴采用一種強(qiáng)吸預(yù)混燃燒噴嘴，通過(guò)改變空氣吸入端和噴射端結(jié)構(gòu)尺寸，將吸入空氣預(yù)混比例由常規(guī)1∶9提高到1∶17，燃燒效率提高至98%以上，焰高可控可調(diào)且燃燒降噪80%以上，該天然氣密閉燃燒器處理量高達(dá)20×104m3/d，距離燃燒器殼體10 m處無(wú)可見(jiàn)火焰,噪音≤85 db,溫度升高值≤10℃，避免了頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)中天然氣燃燒聲光熱污染。

四、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

頁(yè)巖氣試油快速投產(chǎn)技術(shù)在四川威遠(yuǎn)、長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣區(qū)塊得到廣泛應(yīng)用，2015～2017年完成60余口井的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，根據(jù)表2部分井的輸氣量統(tǒng)計(jì)計(jì)算，單井試油測(cè)試期間平均輸氣量1 435×104m3。

表2 部分井輸氣量統(tǒng)計(jì)

根據(jù)表3部分井液體回收統(tǒng)計(jì)計(jì)算，單井液體回收利用平均達(dá)到13 245 m3，效果顯著，有效的支撐了威遠(yuǎn)、長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣區(qū)塊的勘探開(kāi)發(fā)進(jìn)行。

表3 部分井液體回收統(tǒng)計(jì)

五、結(jié)論

(1)頁(yè)巖氣試油快速投產(chǎn)技術(shù)以“降本增效、綠色環(huán)保”為出發(fā)點(diǎn)，以長(zhǎng)寧-威遠(yuǎn)等重點(diǎn)勘探開(kāi)發(fā)項(xiàng)目為依托，攻克了變化流速和粒度分級(jí)高效處理、多功能裝備集成困難和天然氣燃燒聲光熱污染等技術(shù)難題，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，形成的技術(shù)初步實(shí)現(xiàn)了頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)中水資源循環(huán)利用、快速建產(chǎn)和安全環(huán)保。

(2)研究成果提高了頁(yè)巖試油投產(chǎn)技術(shù)水平，為“十三五”乃至“十四五” 能源發(fā)展規(guī)劃頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)提供技術(shù)保障，為大力推進(jìn)清潔能源發(fā)展和高效利用提供重要技術(shù)支撐。

(3)通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，雖然初步實(shí)現(xiàn)了頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)“見(jiàn)氣進(jìn)網(wǎng)”，在實(shí)際應(yīng)用中由于人員操作差異，還是存在入網(wǎng)天然氣粉塵含量高，部分天然氣含水量高等問(wèn)題，究其原因，主要是試油投產(chǎn)設(shè)備雖然部分實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、集成化，然而整套設(shè)備的自動(dòng)化水平還需要進(jìn)一步提高，避免人為因素影響。