黃 林 侯 奇 歐寶明 葉富艷 李方明 黃天鵬 方 雯

1.中國石油青海油田公司井下作業(yè)公司, 甘肅 敦煌 736202;2.中國石油青海油田公司采氣二廠, 甘肅 敦煌 736202;3.中國石油青海油田公司鉆采工藝研究院, 甘肅 敦煌 736202;4.中國石油工程建設(shè)有限公司青海分公司, 甘肅 敦煌 736202;5.中國石油青海油田公司氣田開發(fā)處, 甘肅 敦煌 736202

0 前言

澀北二號(hào)氣田為國內(nèi)外罕見的第四系生物成因疏松砂巖邊水氣藏,氣藏埋藏淺、儲(chǔ)層欠壓實(shí)、膠結(jié)疏松,易出砂、氣水界面復(fù)雜是其主要特點(diǎn)[1-2]。隨著氣田開發(fā)的深入,邊水侵入嚴(yán)重,已經(jīng)形成的泡排、優(yōu)化管柱等利用氣井自身能量的排采工藝已不能滿足水侵氣井排采及復(fù)產(chǎn)需求。螺桿泵、電潛泵、抽油機(jī)等機(jī)械類排采工藝受氣井出砂影響有效期較短,均未取得顯著效果[3]。

氣舉工藝不受井型、出砂的限制,排水量范圍大,適用于水淹停產(chǎn)井的復(fù)產(chǎn)、產(chǎn)水量較大氣井助排及氣藏強(qiáng)排水[4-5]。國內(nèi)氣舉工藝主要以單井橇裝氣舉工藝為主,該工藝在澀北二號(hào)氣田單井排采中取得顯著的效果。但氣田有48.5%的氣井需要連續(xù)排水才能維持穩(wěn)定生產(chǎn),有限的橇裝氣舉設(shè)備不能滿足氣藏排水需求?？蓾M足多井同時(shí)連續(xù)排水的地面、地下一體化配套工藝亟需攻關(guān)。結(jié)合高原缺氧環(huán)境,綜合考慮氣井分布及地面已建設(shè)施情況,開展規(guī)模化氣舉地面、井筒等系統(tǒng)配套研究,形成了可滿足多井同時(shí)連續(xù)排水的配套技術(shù)。

1 地面現(xiàn)狀

澀北二號(hào)氣田地面采用“兩套管網(wǎng)集氣、常溫分離、集中增壓、集中脫水”的總體集輸方案[6],具備960×104m3/d(5 MPa)的天然氣處理能力。已建成5座集氣站,其中9號(hào)集氣站與氣田脫水外輸站合建。場(chǎng)站采用“無人值守、定期巡檢”運(yùn)行模式[7],氣田地面建設(shè)現(xiàn)狀見圖1。澀北二號(hào)氣田具有儲(chǔ)量豐度高,氣井分布集中、井距小、地勢(shì)平坦的特點(diǎn)。

圖1 澀北二號(hào)氣田地面建設(shè)現(xiàn)狀圖

2 集中氣舉工藝關(guān)鍵技術(shù)

集中氣舉工藝主要由氣舉增壓站、輸配氣管網(wǎng)、注氣井口以及井筒舉升系統(tǒng)組成。

2.1 井筒舉升技術(shù)

2.1.1 氣舉壓力

氣舉壓力是正常氣舉生產(chǎn)時(shí)的重要參數(shù),為地面設(shè)備配套的重要依據(jù)，可分為啟動(dòng)壓力和工作壓力[8]。在考慮地層供液和井筒流出協(xié)調(diào)的前提下,結(jié)合優(yōu)選的管流壓力計(jì)算模型[9],通過PIPESIM軟件計(jì)算井筒流壓,根據(jù)連通器原理確定氣舉壓力。

結(jié)合氣井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)及出水情況,對(duì)澀北二號(hào)氣田83口攜液困難及需輔助排水的氣井進(jìn)行設(shè)計(jì),同時(shí)考慮邊水持續(xù)推進(jìn)后出水氣井持續(xù)增多,按照“整體布局、分步實(shí)施”的思路進(jìn)行工藝配套。受產(chǎn)層跨度大的影響,氣舉壓力分布范圍為5.1～11.4 MPa。

2.1.2 氣舉方式

根據(jù)氣井產(chǎn)量、氣舉壓力分布范圍以及油管生產(chǎn)進(jìn)站的流程,按照利于攜液、方便高效的優(yōu)選原則,設(shè)計(jì)采用套管注氣油管生產(chǎn)的氣舉方式,對(duì)氣舉壓力高的井通過氣舉閥降低壓力,以便于地面設(shè)備的統(tǒng)一配套。澀北二號(hào)氣田氣舉方式優(yōu)選結(jié)果,見表1。

表1 澀北二號(hào)氣田氣舉方式優(yōu)選結(jié)果表

2.1.3 注氣量

井筒氣量的大小一般滿足臨界攜液氣量即可,但臨界攜液方法是建立在液滴模型基礎(chǔ)上的高氣液比液霧狀流條件下[10]。以氣液比500 m3/m3作為界限,對(duì)于氣液比≥500 m3/m3的高氣液比氣井,采用李閩臨界攜液流量作為標(biāo)準(zhǔn)[9],注氣量為臨界攜液流量與氣井自產(chǎn)量之差。對(duì)于氣液比<500 m3/m3的低氣液比氣井,難以求得類似霧狀流條件下的數(shù)學(xué)解析解[11],不適合用臨界攜液流量模型設(shè)計(jì)注氣量,以追求提高氣體舉升效率最大化為設(shè)計(jì)目標(biāo)。通過預(yù)測(cè),83口氣井所需氣舉氣量為112.7×104m3/d。

2.2 氣體增壓技術(shù)

氣體增壓為規(guī)模化氣舉提供穩(wěn)定可靠的壓力氣源,為集中氣舉工藝的核心部分。

2.2.1 壓縮機(jī)選型

由于澀北二號(hào)氣田基本為無人區(qū),社會(huì)依托差,屬高原缺氧環(huán)境(氧含量約為平原的75%)。不同類型不同驅(qū)動(dòng)方式的壓縮機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見表2～3[12-13],壓縮機(jī)類型選擇按照“滿足要求、性能穩(wěn)定、保養(yǎng)方便”的原則。根據(jù)澀北二號(hào)氣田氣舉工況條件,選用壓比高、變工況能力強(qiáng)、適應(yīng)工況變化、維護(hù)保養(yǎng)方便的往復(fù)式壓縮機(jī)[14];結(jié)合區(qū)塊動(dòng)力電源情況,選用故障率低、維護(hù)方便的電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式。

表2 壓縮機(jī)類型優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比表

表3 壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)方式優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比表

2.2.2 壓縮機(jī)配置

氣舉氣采用氣田外輸天然氣,綜合外輸壓力變化,確定氣舉壓縮機(jī)入口壓力3.6～4.5 MPa。壓縮機(jī)排出壓力須能滿足注氣壓力最高井氣舉啟動(dòng),但氣舉啟動(dòng)后,注氣壓力將長期處于較低狀態(tài),選用較高壓力級(jí)別壓縮機(jī)會(huì)導(dǎo)致設(shè)備利用率降低,地面投資增加[15]。結(jié)合氣井啟動(dòng)壓力及工作壓力,確定壓縮機(jī)排出口壓力為10 MPa,對(duì)氣舉壓力高的井下入氣舉閥。為減少投資風(fēng)險(xiǎn),分年度配置壓縮機(jī)。根據(jù)計(jì)算的功率需求,壓縮機(jī)選型配置方案見表4。同型號(hào)機(jī)組可并聯(lián)平穩(wěn)運(yùn)行,也便于備件的儲(chǔ)存和通用[16],從單臺(tái)設(shè)備故障對(duì)系統(tǒng)的影響程度、氣量調(diào)節(jié)等方面考慮,推薦采用方案二。

表4 壓縮機(jī)選型配置方案表

2.2.3 其他參數(shù)

考慮到澀北二號(hào)氣田9號(hào)集氣站與增壓脫水外輸站合建,消防、供配電等設(shè)施齊全,氣源充足穩(wěn)定,設(shè)計(jì)在9號(hào)集氣站取氣并建立氣舉增壓站,便于統(tǒng)一管理。氣源引自分離器區(qū),采用濕氣,從已建外輸增壓壓縮機(jī)出口接氣。針對(duì)天然氣含有固體顆粒、粉塵和液滴影響壓縮機(jī)性能的問題,在壓縮機(jī)入口增加臥式過濾分離器,延長氣缸、活塞及壓縮機(jī)潤滑油的使用壽命。

2.3 輸配氣系統(tǒng)

結(jié)合各氣井就近接入各集氣站的“井站分布”關(guān)系,采用反向集氣的輸氣方式,在增壓站與各集氣站間鋪設(shè)氣舉干線,集氣站與氣舉單井間鋪設(shè)氣舉支線,在干線與支線之間的集氣站內(nèi)設(shè)計(jì)配氣閥組。

2.3.1 注氣支線

采用PIPEPHASE 9.5軟件建立模型,模擬注氣支線及注氣干線運(yùn)行參數(shù),單井注氣量按平均氣量1.4×104m3/d 計(jì)算,最長注氣支線長度1.5 km,注氣支線不同管徑下水力計(jì)算結(jié)果見表5。綜合考慮壓降及費(fèi)用,設(shè)計(jì)注氣支線規(guī)格為Φ42.4×3.2 mm。

表5 注氣支線不同管徑下水力計(jì)算結(jié)果表

2.3.2 注氣干線

根據(jù)集氣站分布位置,設(shè)計(jì)新建注氣干線3條。對(duì)各注氣干線分別進(jìn)行管徑對(duì)比水力計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見表6。為滿足注氣系統(tǒng)壓力要求,便于統(tǒng)一采購安裝,氣舉站至7號(hào)集氣站、8號(hào)集氣站、11號(hào)集氣站的注氣管線規(guī)格選為Φ114.3×5 mm,11號(hào)集氣站到10號(hào)集氣站管線選為Φ88.9×4 mm。

表6 注氣干線不同管徑下水力計(jì)算結(jié)果表

2.3.3 配氣閥組

注氣干線來氣匯入配氣閥組區(qū)管匯,通過流量調(diào)節(jié)閥開度調(diào)節(jié)氣量、壓力后進(jìn)入各注氣支線。閥組區(qū)采用橇裝化設(shè)計(jì),集流量壓力監(jiān)測(cè)、調(diào)節(jié)、遠(yuǎn)傳遠(yuǎn)控于一體,可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)調(diào)節(jié)。

2.4 分散井注入技術(shù)

氣舉高壓氣經(jīng)各集氣站配氣閥組區(qū)調(diào)節(jié)后經(jīng)各注氣支線到達(dá)井口,再通過套管四通進(jìn)入井筒。為防止單井氣舉排液卸載過程壓力不穩(wěn)定導(dǎo)致地面系統(tǒng)壓力波動(dòng),影響其他井正常氣舉,井口位置預(yù)留接頭,方便氮?dú)廛嚨惹裂b氣舉設(shè)備快速接入。地面配注氣流程見圖2。

圖2 地面配注氣流程圖

2.5 防凍堵技術(shù)

地面輸配氣系統(tǒng)中,高壓天然氣易形成水合物堵塞,影響氣舉系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[17-19]。

2.5.1 水合物形成條件

對(duì)天然氣組分進(jìn)行相態(tài)分析,天然氣組分相態(tài)圖見圖3。10 MPa壓力條件下水露點(diǎn)為59.8 ℃、水合物形成溫度為12.7 ℃。

圖3 天然氣組分相態(tài)圖

2.5.2 水合物預(yù)防

提高注入氣溫度、減少熱損失可有效預(yù)防水合物形成[20]。根據(jù)壓比及氣體性質(zhì),計(jì)算排氣溫度為86～103 ℃。提高注氣干線起點(diǎn)溫度,可同時(shí)改善注氣干線、注氣支線熱力條件。由于干線壓降較小,不考慮壓力變化。選擇距離最長、輸氣量少即最易形成水合物的10號(hào)集氣站,計(jì)算沿程溫度變化,起點(diǎn)溫度按照80 ℃,不保溫時(shí),末點(diǎn)溫度為14 ℃,存在水合物凍堵的可能。因此注氣干線需保溫。綜合考慮保溫效果及成本,確定保溫層厚度為40 mm,此時(shí)干線末點(diǎn)溫度為53.6 ℃。10號(hào)集氣站不同保溫條件下注氣干線熱力情況,見圖4。

圖4 10號(hào)集氣站不同保溫條件下注氣干線熱力情況圖

配氣閥組區(qū)入口按壓力9.2 MPa、溫度53.6 ℃、注氣量均按1.4×104m3/d計(jì)算,支線長度取最長距離1.5 km,分別計(jì)算節(jié)流至不同壓力即滿足不同注氣壓力氣井需求時(shí)的熱力條件,注氣壓力7 MPa以下氣井,均存在水合物凍堵,見圖5。從經(jīng)濟(jì)性及操作性考慮,設(shè)計(jì)注氣支線不保溫,采用在閥組區(qū)匯管注水合物抑制劑的方式預(yù)防凍堵。

圖5 不同工況下配氣閥組—支線熱力情況圖

3 工藝實(shí)施及效果

按照工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行地面配套,截至2020年建成可同時(shí)滿足83口氣井氣舉的配套流程。目前共有70口氣井同時(shí)連續(xù)氣舉,壓縮機(jī)可滿足氣舉壓力需求,配氣閥組區(qū)可實(shí)現(xiàn)單井精準(zhǔn)調(diào)配氣量,地面管線在冬季低溫時(shí)也可正常氣舉,防凍堵工藝合理。集中氣舉應(yīng)用及效果見圖6～7,2020年已累計(jì)增氣1.22×108m3,井筒積液高度降低194 m、井筒流壓梯度降低0.1 MPa/100 m。

圖6 澀北二號(hào)氣田集中氣舉應(yīng)用效果圖

圖7 集中氣舉舉升效果圖

4 結(jié)論

1)針對(duì)澀北二號(hào)氣田出水井增多、氣井需要連續(xù)排水等問題,提出了可滿足多井同時(shí)排水的“外輸站取氣增壓、集氣站分區(qū)配氣、多井同時(shí)氣舉”規(guī)?；瘹馀e工藝方案。

2)井筒采用套管注氣油管生產(chǎn)、光油管與氣舉閥相結(jié)合的舉升方式,增壓設(shè)備選擇性能穩(wěn)定的電機(jī)驅(qū)動(dòng)往復(fù)式壓縮機(jī),利用增壓余熱提高起點(diǎn)溫度、干線保溫與配氣閥組區(qū)注防凍液相結(jié)合的防凍堵措施。

3)建成可同時(shí)滿足83口氣井連續(xù)氣舉排水的地面、地下相結(jié)合的氣舉排采配套工程,井筒舉升效果顯著,已經(jīng)累計(jì)增氣1.22×108m3,實(shí)踐表明集中氣舉排采關(guān)鍵配套技術(shù)可實(shí)現(xiàn)規(guī)模化高效連續(xù)排采,對(duì)有水氣藏治水有重要借鑒意義。