長輸管線多源天然氣氣質(zhì)實時調(diào)配和控制技術(shù)

中海石油（中國）有限公司崖城作業(yè)公司

依托崖城13-1 氣田至香港終端長度778 km、直徑28 in（1 in=25.4 cm）的海底輸送管線，目前崖城13-1 氣田、崖城13-4 氣田以及文昌9-2/9-3/10-3 氣田（以下簡稱文昌9-2/3 氣田）共同接入，多氣源混輸至下游用戶中華電力公司。崖城13-1氣田自1996 年投產(chǎn)以來，下游用戶對氣田外輸天然氣品質(zhì)有嚴(yán)格的合同要求，水露點主要通過三甘醇脫水系統(tǒng)控制，烴露點主要通過J-T效應(yīng)和低溫分離器控制，均可達(dá)到銷售合同要求。重點工作就是如何控制和調(diào)配銷售氣的CO2含量、熱值和H2S 含量達(dá)到合同要求。

崖城13-1 氣田處在開發(fā)后期，隨著氣藏壓力遞減，生產(chǎn)井CO2和H2S 含量逐漸升高，部分井CO2含量已經(jīng)超過供氣合同要求的12.0%（摩爾分?jǐn)?shù)），H2S含量已經(jīng)超過供氣合同要求的50×10-6。目前工況下，外輸氣CO2含量滿足銷售合同的要求，依靠崖城13-4氣田和低含量CO2的井進(jìn)行配產(chǎn)。

常規(guī)的配產(chǎn)策略是源于每月的測井?dāng)?shù)據(jù)，參考天然氣組分在線分析儀的監(jiān)控。利用加權(quán)計算法，按照經(jīng)驗對生產(chǎn)井進(jìn)行組合調(diào)配，得到滿足外輸氣交付要求的生產(chǎn)井組合結(jié)果，以此指導(dǎo)下一步的工藝生產(chǎn)。由于是人工進(jìn)行加權(quán)計算，每次僅能得出一種生產(chǎn)井配產(chǎn)組合的結(jié)果，也僅能計算一種外輸氣組分的結(jié)果。但是隨著文昌9-2/3 氣田的投產(chǎn)，多氣源接入海底管線混合外輸，外輸氣組分調(diào)配比單氣源更加復(fù)雜。因此，傳統(tǒng)的人工計算方法已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在的生產(chǎn)工況。

1 氣質(zhì)調(diào)配和控制技術(shù)原理

在氣田定期的測井?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計及天然氣產(chǎn)量校正等基礎(chǔ)上，采用油嘴開度與產(chǎn)氣量之間的特性曲線（Cv曲線）取得每口井不同油嘴開度下不同的產(chǎn)氣量，導(dǎo)入EXCEL 表格，利用其篩選功能和SUBTOTAL 函數(shù)對各種氣質(zhì)組分進(jìn)行加權(quán)計算，建立數(shù)學(xué)模型[1-4]，以此制定調(diào)配機(jī)制，在不同工況下快速完成生產(chǎn)井的合理調(diào)配，嚴(yán)格控制外輸天然氣的氣質(zhì)。

1.1 天然氣產(chǎn)量校正

由于單井含水以飽和水蒸氣的形式隨著天然氣進(jìn)入下游流程，而未被測試分離器水相流量計測得，造成產(chǎn)水量的誤差，崖城13-1 氣田采取以下公式計算該狀態(tài)下天然氣流中的飽和水蒸氣含量。

該方法根據(jù)飽和蒸汽壓下天然氣含水蒸氣計算方法，考慮到氣體組分的影響，根據(jù)所含酸性氣體和鹽類結(jié)合烏拉爾定律修正來計算天然氣飽和狀態(tài)下含水量[5]。

計算出產(chǎn)水量的誤差后，以測井所得的天然氣產(chǎn)量扣除進(jìn)入氣相中的水蒸氣體積得到校正后的天然氣產(chǎn)量，以此作為Cv中的產(chǎn)氣量理論計算值。

1.2 油嘴開度與產(chǎn)氣量之間的特性曲線（Cv 曲線）

以校正后的天然氣產(chǎn)量為原始數(shù)據(jù)，結(jié)合油嘴開度與產(chǎn)氣量之間的Cv曲線，可以算得不同開度時的產(chǎn)氣量，以此作為不同油嘴開度下各單井乃至整個氣田的配產(chǎn)指導(dǎo)。油嘴開度與產(chǎn)氣量之間的特性曲線如圖1 所示。

圖1 油嘴開度與產(chǎn)氣量的特性曲線Fig.1 Characteristic curve of nozzle opening and gas production

1.3 EXCEL 篩選功能和SUBTOTAL 函數(shù)的結(jié)合運(yùn)用

在EXCEL 表格中，以氣田最大生產(chǎn)能力為前提，輸入生產(chǎn)井在油嘴全開工況下的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，再輔以篩選功能和SUBTOTAL 函數(shù)的結(jié)合運(yùn)用[6-8]，即可實現(xiàn)不同工況下開不同的井以不同的油嘴開度生產(chǎn)，來滿足外輸氣的氣質(zhì)交付要求。

2 氣質(zhì)調(diào)配和控制技術(shù)的應(yīng)用

2.1 多氣源生產(chǎn)井日常配產(chǎn)

下面以調(diào)配外輸氣CO2含量[9]為例。

目前氣源主要來自崖城13-1、崖城13-4 和文昌9-2/3 三個氣田，有四種不同的供氣工況：①崖城13-1 氣田單獨供氣；②崖城13-1 氣田和崖城13-4 氣田同時供氣；③崖城13-1 氣田、崖城13-4 氣田和文昌9-2/3 氣田三者同時供氣；④崖城13-1 氣田和文昌9-2/3 氣田同時供氣。

不論是一個氣田單獨供氣，還是多個氣田聯(lián)合供氣，外輸天然氣中含CO2摩爾分?jǐn)?shù)均不能超過12%。

在崖城13-4 氣田或文昌9-2/3 氣田意外停產(chǎn)情況下，外輸氣的CO2含量調(diào)配存在一定難度，故在加權(quán)計算的基礎(chǔ)上，應(yīng)用EXCEL 表格的篩選和SUBTOTAL 函數(shù)功能，快速定出配產(chǎn)方案，完成生產(chǎn)調(diào)整，保障供氣質(zhì)量。

2.2 多氣源非正常工況下配產(chǎn)方案調(diào)整

在文昌9-2/3 氣田天然氣接入崖城氣田后，崖城13-1 平臺外輸天然氣組分發(fā)生變化要及時調(diào)整，保證持續(xù)給用戶輸送合格天然氣。

崖城13-1 氣田外輸天然氣和文昌9-2/3 氣田外輸天然氣在28 in 海管三通接入點處混合，接入點距離崖城平臺446 km，天然氣輸送到海管后到接入點混合需要一定時間。在文昌9-2/3 氣田計劃關(guān)停、非計劃關(guān)停、避臺關(guān)停或外輸氣組分出現(xiàn)異常的情況下，通過模型計算，崖城13-1 氣田選擇開/關(guān)不同的生產(chǎn)井，得到不同的外輸氣量和熱值[10-11]，選擇最合理的生產(chǎn)井配產(chǎn)方案，滿足供給氣量和交付組分的要求。

鑒于崖城13-1 氣田天然氣CO2含量高、熱值偏低，而文昌9-2/3 氣田天然氣CO2含量低、熱值偏高的特點，以下兩種情況最為常見：

（1）崖城13-1 氣田天然氣中斷外輸，需要文昌9-2/3 氣田的天然氣進(jìn)行組分配比，保證混合后的天然氣達(dá)到外輸天然氣質(zhì)量要求（特別是熱值）。文昌9-2/3 氣田需要根據(jù)崖城13-1 氣田的外輸氣量、氣質(zhì)計算出需要調(diào)節(jié)的外輸氣氣量和氣質(zhì)。由于接入點距文昌9-2/3 CEP 平臺33.1 km，為10 in 海管，距離近，管容小，流速快，通過計算核實，文昌9-2/3 CEP 平臺外輸天然氣到達(dá)接入點的時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于崖城平臺外輸天然氣到達(dá)接入點的時間，因此當(dāng)崖城平臺一旦出現(xiàn)停輸，需要通知文昌9-2/9-3 CEP 平臺及時做出調(diào)整，避免高熱值段塞流輸送到下游產(chǎn)生商業(yè)糾紛。

（2）在文昌9-2/3 氣田天然氣中斷外輸，而崖城13-1 氣田外輸天然氣CO2含量超合同要求時，文昌9-2/3 氣田需要立即通知崖城平臺并調(diào)節(jié)氣嘴，關(guān)小高CO2含量井，開大低CO2含量井，導(dǎo)通放空流程，直到CO2含量合格才可恢復(fù)供氣。這段調(diào)整的時間必定造成供氣量的暫時短缺，需要崖城13-1 氣田立即對外輸氣量和外輸氣的CO2含量進(jìn)行調(diào)整，通過生產(chǎn)井組合模擬，計算出同時滿足產(chǎn)氣量和外輸組分要求的工況，從而保障海管存量、上岸壓力和供氣要求。

2.3 優(yōu)化生產(chǎn)配產(chǎn)

目前工況下，崖城氣田的外輸氣CO2含量主要依靠崖城13-4 氣田A1H 井和崖城13-1 氣田低CO2含量井（如A6 和A8 井）的天然氣進(jìn)行組分配比。隨著崖城13-4 氣田A1H 井的產(chǎn)量下降，在崖城13-1 氣田開同樣的生產(chǎn)井條件下，外輸氣CO2含量將會超標(biāo)，需要關(guān)閉部分高碳井減小產(chǎn)量，屆時對生產(chǎn)井精細(xì)化管理變得尤為重要。

精確計算各生產(chǎn)井的CO2含量，以最優(yōu)組合應(yīng)對不同的工況，以此保護(hù)低CO2含量的生產(chǎn)井，留出更多的配產(chǎn)空間。在文昌9-2/3 氣田接入后，具體策略是在崖城13-1 平臺外輸天然氣CO2含量合格的情況下，文昌9-2/3 氣田在保證外輸天然氣滿足合同要求的前提下盡量提高外輸天然氣的CO2含量，合理調(diào)配生產(chǎn)井，嚴(yán)格控制外輸天然氣的CO2含量，讓文昌9-2/3 氣田外輸天然氣CO2含量滿足合同要求的時間延長；在文昌9-2/3 氣田外輸天然氣CO2含量較低的工況下，通過計算得出調(diào)配方案，保證在外輸氣CO2含量合格的情況下，盡量提高崖城13-1 氣田外輸氣的CO2含量，從而有效保護(hù)低碳井。因此，制定調(diào)配機(jī)制，能有效保護(hù)崖城13-1 氣田的低碳井和有效延長文昌9-2/3 氣田的合格供氣時間。

3 應(yīng)用效果

此項技術(shù)經(jīng)濟(jì)投入較低，可以節(jié)省新建氣質(zhì)調(diào)配系統(tǒng)費用約300 萬元。目前，此項技術(shù)已經(jīng)在日常生產(chǎn)中運(yùn)用，并貫穿于整個工藝流程操作，適用于正常的生產(chǎn)調(diào)整、計劃關(guān)停后的復(fù)產(chǎn)以及異常工況下的應(yīng)急措施，應(yīng)用效果良好，調(diào)配迅速，組分?jǐn)?shù)據(jù)計算準(zhǔn)確。

以崖城13-4 氣田出現(xiàn)關(guān)停，需要調(diào)配CO2含量為例。在以往的生產(chǎn)應(yīng)急中，當(dāng)某一氣源出現(xiàn)關(guān)?；駽O2含量上升時，優(yōu)先關(guān)閉產(chǎn)氣量高、CO2含量高的生產(chǎn)井，這樣雖然可以滿足外輸組分要求，但也損失了部分外輸氣量。通過此配產(chǎn)機(jī)制，可以精確到關(guān)閉一口最適當(dāng)?shù)纳a(chǎn)井。以崖城13-1 氣田的生產(chǎn)井為例，如圖2 和圖3 所示。兩者對比，產(chǎn)量差別為50×104m3/d，假設(shè)復(fù)產(chǎn)時間為2 h，天然氣的銷售價格為2 元/m3，則直接創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)效益為8 萬元左右。假如每年生產(chǎn)應(yīng)急5 次，那么全年可增加收益40 萬元。

圖2 CO2含量變化對比Fig.2 Comparison of changes in CO2 content

圖3 外輸氣量變化對比Fig.3 Comparison of changes in gas external delivery volume

如果在計劃關(guān)停之外出現(xiàn)意外關(guān)停時，此方式也適用，能快速對生產(chǎn)井進(jìn)行再調(diào)配，在保證外輸氣合格的情況下保證銷售量。

4 結(jié)論

香港長輸管線多源天然氣氣質(zhì)實時調(diào)配和控制技術(shù)，可在不同工況下快速完成生產(chǎn)井的調(diào)配，嚴(yán)格控制外輸天然氣的CO2、H2S 含量和熱值，同時使外輸氣量最大化；在定期進(jìn)行生產(chǎn)井產(chǎn)能摸底和測井?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計的基礎(chǔ)上，運(yùn)用EXCEL 表格完善數(shù)學(xué)模型和制定調(diào)配機(jī)制，投入成本較低，即可快速指導(dǎo)配產(chǎn)，幫助制定最優(yōu)方案，同時又可保護(hù)低碳井，延長滿足合同的生產(chǎn)時間，提高生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益。