頁巖氣采氣井口集氣工藝的設計與計算

李佳軒，宋 爽

（1. 大慶第一中學，黑龍江 大慶 163458； 2. 東北石油大學，黑龍江 大慶163318）

頁巖氣采氣井口集氣工藝的設計與計算

李佳軒1，宋 爽2

（1. 大慶第一中學，黑龍江 大慶 163458； 2. 東北石油大學，黑龍江 大慶163318）

與常規(guī)天然氣開發(fā)相比，頁巖氣具有產(chǎn)量和壓力衰減速率快、氣井初期壓力高產(chǎn)出水量大等井口物性特征，這些特征使得頁巖氣的地面集輸工藝與常規(guī)天然氣有所不同。通過對某頁巖氣田A區(qū)塊的采氣井口集氣工藝的設計與計算，計算得到節(jié)流壓力、節(jié)流閥直徑、節(jié)流前后溫度等參數(shù)，判斷采集氣過程能否生成水合物。

頁巖氣；集氣工藝；加熱節(jié)流；水合物

頁巖氣蘊藏于頁巖層中，是一種重要的非常規(guī)天然氣資源，組分以CH4為主，含有少量C2H6、C3H8等烴類氣體，同時存在N2、CO2等非烴氣體。目前在美國頁巖氣革命的影響下，我國也開始大力發(fā)展頁巖氣產(chǎn)業(yè)，對頁巖氣的開發(fā)和地面工程技術進行探索和研究。頁巖氣井一般在初期產(chǎn)水量較大，在生產(chǎn)過程中極易產(chǎn)生水合物，對頁巖氣井的正常開采有較大影響；另一方面目前已經(jīng)投產(chǎn)的一些頁巖氣井，初期采氣壓力較高后期壓力衰減快，對地面節(jié)流等技術也提出了較高要求。因此對頁巖氣田的井口集氣工藝進行科學的設計計算與分析是很有必要的。

1 頁巖氣田井口集氣工藝

頁巖氣開發(fā)初期壓力較高，達20 MPa以上，因此大多數(shù)情況下須進行井口節(jié)流或井下節(jié)流［1］，節(jié)流過程會引起相應溫降而引發(fā)生成水合物的可能性很大，水合物的生成易堵塞管道，影響后續(xù)輸送，造成經(jīng)濟損失，因此抑制水合物的生成對頁巖氣集輸過程的平穩(wěn)運行有很重要的意義。水合物形成條件［2］一般有三點：頁巖氣的含水量飽和；低溫高壓的狀態(tài)；氣體壓力的波動等流動條件的突變。針對水合物生成條件有三種抑制水合物生成的方法：限制節(jié)流程度；在節(jié)流前對頁巖氣進行加熱；加注甲醇等水合物抑制劑。根據(jù)水合物抑制方法，目前我國氣田主要采用以下幾種井口集氣工藝來防止水合物的生成：

（1）井口加熱節(jié)流中壓集氣工藝［3］

井口加熱節(jié)流中壓集氣工藝是指在頁巖氣井井口對采出氣進行加熱和節(jié)流，節(jié)流后達到中壓壓力級制的工藝。如果頁巖氣生產(chǎn)壓力較高，可進行二級節(jié)流。通常采用水套加熱爐進行加熱，水套加熱爐具有結構簡單、操作方便、易搬遷、投產(chǎn)快等優(yōu)點。采用撬裝式水套爐還可以整體搬遷，適合頁巖氣田的開發(fā)特點。該工藝目前應用十分普遍，具有成熟的操作管理經(jīng)驗，生產(chǎn)運行穩(wěn)定可靠。

（2）井口節(jié)流注醇中壓集氣工藝

井口節(jié)流注醇工藝是指在井場對采出的頁巖氣進行節(jié)流和注醇的工藝。該工藝通常采用自力式注醇泵，利用井口壓力作動力，不用外界電源，解決了電動注醇泵受供電限制的問題。

（3）井口注醇高壓集氣工藝

井口注醇高壓集氣［4］工藝是指在井口不加熱不節(jié)流，直接將采出的高壓天然氣輸送到集氣站，另外敷設一條注醇管線，通過注醇泵沿注醇管線將醇注入到井口產(chǎn)出的頁巖氣中，以防凍堵。該工藝流程簡單，但提高了集氣站工作壓力，且注醇量會隨著壓力升高而增大，故投資相對較高，且甲醇等抑制劑是不可重復再生的，污染大。

（4）井下節(jié)流地面不加熱中壓集氣工藝

井下節(jié)流工藝［5］是指在井下對高壓天然氣進行節(jié)流，充分利用地層溫度對節(jié)流后低壓、低溫天然氣進行加熱，降低了地面管線運行壓力，無需設置加熱爐，節(jié)約了能源，降低了能耗，還有利于防止地層激動和井間干擾。

2 頁巖A區(qū)塊采氣井口集氣工藝設計計算

本次研究目標區(qū)塊為頁巖A區(qū)塊，目前，已經(jīng)對該區(qū)塊的4口頁巖氣井進行了壓裂試采，經(jīng)過檢測，該區(qū)塊目的層氣體的CH4含量為98.5%～98.69%；C2H6、C3H8等烴類氣體含量為0.347%～0.497%；H2、N2等非烴類氣體含量為0.93%～2.14%。

該區(qū)塊單井初期日產(chǎn)氣量為 6～14×104m3，套壓在26～30 MPa左右；生產(chǎn)1年時日產(chǎn)氣量為6～15 ×104m3，井口套壓在20～28 MPa左右。外輸壓力為6 MPa，井口溫度為31 ℃。該區(qū)塊屬于開發(fā)初期，產(chǎn)量和壓力均較高，可以將節(jié)流裝置設置在井口，以應對短時期內(nèi)的高產(chǎn)量和高壓力，同時設置水套加熱爐以應對水合物生成風險。故綜合考慮該頁巖氣田氣質特征與試生產(chǎn)狀況，采用井口加熱節(jié)流中壓集氣工藝。

為滿足管材承壓要求和降低管線投資，且為防止一級節(jié)流的壓降過大，避免因溫降所導致的節(jié)流閥通徑凍堵，本方案設置兩級節(jié)流的壓力級制。井場裝置原理流程圖如圖1所示。

圖1 頁巖A區(qū)塊井場裝置原理流程圖Fig.1 The well site process of the block A in shale gas field

其中，1為采氣樹，2為節(jié)流閥，3為井口緊急截斷閥，天然氣從針型閥出來后通過一級節(jié)流閥進行節(jié)流降壓，然后經(jīng)過加熱爐4進行加熱升溫，通過節(jié)流閥5進行二級節(jié)流即進一步降壓以滿足采氣管線起點壓力的要求。在兩級節(jié)流前后各測一次壓力，并在加熱爐前后和節(jié)流前后各測一次溫度。

（1）節(jié)流前后壓力的確定

井場一級節(jié)流閥應在臨界狀態(tài)下操作，其閥后壓力為：

式中：P1—氣井采氣壓力，MPa；

P2—一次節(jié)流降壓后的壓力，MPa。

P2＜0.55×25= 13.75

故第一級節(jié)流后壓力取12MPa。

節(jié)流一次后的壓力對于采氣集氣管線來說太高，需要二次節(jié)流：

式中：P3—二次節(jié)流后壓力，MPa。

P3＞0.55× 12= 6.6

故第二級節(jié)流后壓力取7 MPa。

計算結果表1。

表1 節(jié)流工藝設計計算結果Table 1 The calculating results of throttling technologies

（2）節(jié)流前后溫度的確定

根據(jù)該區(qū)塊頁巖氣氣體組分用Hysys模擬水合物生成的溫度和壓力曲線，如圖2所示：

圖2 預測形成水合物的溫度壓力曲線Fig.2 Temperature-pressure curve of producing the hydrate

根據(jù)圖2和表2得到第一級節(jié)流閥前后壓力和第二級節(jié)流閥后壓力條件下水合物對應形成溫度分別為24.65、18.42、14.85℃，考慮到節(jié)流過程中不能形成水合物，節(jié)流后的溫度要求比節(jié)流后的壓力條件下的水合物形成溫度高5 ℃。得到第一級節(jié)流閥前后和第二級節(jié)流閥后操作溫度應保證在29.45、23.42、19.85 ℃以上。

表2 不同工作壓力下對應的水合物形成溫度Table 2 Temperature of producing the hydrate under different pressure

節(jié)流前加熱應達到的溫度為：

式中：t1—節(jié)流前加熱應達到的溫度，℃；

Δt —天然氣節(jié)流前后產(chǎn)生的溫降，℃；

t2—節(jié)流后應保持的溫度，℃。

本方案中井口壓力為25 MPa，一級節(jié)流后壓力為12 MPa，壓力下降13 MPa，通過查節(jié)流溫降曲線圖［6］可知，當起始壓力為25 MPa時，對應的溫降為22 ℃。二級節(jié)流后壓力為7 MPa，較一級節(jié)流后壓力下降 5 MPa，查圖可知，當起始壓力為 12 MPa，對應的溫降為22.5 ℃。

通過式（3）計算一級節(jié)流前加熱應達到的溫度： t1=Δt+t2=22+31=53

通過式（3）計算二級節(jié)流前加熱應達到的溫度： t1'=Δt'+t2'=22.5+53=75.5

計算結果詳見表1。

節(jié)流前后溫度均大于水合物生成溫度，故節(jié)流過程不會產(chǎn)生水合物。

（3）節(jié)流閥的計算

式中：qv—天然氣流量（P=101.325 kPa，t=20℃），m3/d；

d—節(jié)流閥流通直徑，mm；

P1—閥前壓力，100 kPa（絕壓）；

Δ—天然氣相對密度（對空氣）；

z—閥前氣體壓縮因子；

T—閥前氣體絕對溫度，K。

計算得第一級節(jié)流閥直徑為：

井場第二級節(jié)流閥直徑的計算公式為：

式中：P2—閥后壓力，100 kPa（絕壓）；其他符號意義同前。

節(jié)流閥計算結果見表1。

3 結 論

（1）目前我國主要采用的井口集氣工藝有：井口加熱節(jié)流中壓集氣工藝、井口節(jié)流注醇中壓集氣工藝、井口注醇高壓集氣工藝、井下節(jié)流地面不加熱中壓集氣工藝等，頁巖氣田A區(qū)塊采用井口加熱節(jié)流中壓集氣工藝。

（2）頁巖氣田A區(qū)塊采用中壓集氣的集氣系統(tǒng)壓力級制、兩級節(jié)流工藝。經(jīng)過計算，一級節(jié)流將壓力降至12 MPa，二級節(jié)流將壓力降到7 MPa，既能有效的利用井口壓力進行輸送，也降低了管線的設計壓力。兩級節(jié)流閥直徑分別為 5.97 mm和8.12 mm。

（3）井口加熱設備采用水套加熱爐，適合頁巖氣田的開發(fā)特點，技術成熟，運行穩(wěn)定。經(jīng)過計算，一級節(jié)流前將溫度加熱到75.5 ℃，二級節(jié)流前將溫度加熱到53 ℃，二級節(jié)流后溫度為30.5 ℃。兩級節(jié)流前后溫度均大于水合物生成溫度，故節(jié)流過程不會產(chǎn)生水合物。

［1］ 李麗敏，侯磊，劉金艷.國內(nèi)外頁巖氣集輸技術研究［J］.天然氣與石油，2014（05）：5-10.

［2］ 梁平，王天祥.天然氣集輸技術［M］.北京:石油工業(yè)出版社，2008.

［3］ 鄧玲，賀三，呂曉博.國內(nèi)天然氣集輸工藝技術研究現(xiàn)狀［J］.中國石油和化工標準與質量，2014（12）：97-99.

［4］ 劉煒，王登海，楊光，劉子兵，王遇冬，薛崗.蘇格里氣田天然氣集輸工藝技術的優(yōu)化創(chuàng)新［J］.天然氣工業(yè)，2007（05）：139-141+163-164.

［5］ 艾志鵬.頁巖氣井井下節(jié)流工藝的研究與應用［D］.成都：西南石油大學，2015.

［6］ 石油地面工程設計手冊第三冊：氣田地面工程設計［S］.東營：石油大學出版社，1995.

Design and Calculation of the
Wellhead Gathering Technology of Shale Gas

LI Jia-xuan1，SONG Shuang2
（1. Daqing No.1 Middle School， Heilongjiang Daqing 163458，China；2. Northeast Petroleum University， Heilongjiang Daqing 163318，China）

Comparing with the natural gas development， the shale gas development has some physical characteristics，such as the rapid decay in output and pressure， high pressure and large scale output water production at the beginning. These physical characteristics make the surface gathering technologies different from the natural gas development. By designing and calculating the wellhead gathering technologies in the block A of shale gas field， the parameters were got， such as the diameter of throttling valve， the pressure and the temperature before and after throttling process.

Shale gas； Gathering technologies； Heating and throttling； Hydrate

TE 357

A

1671-0460（2015）12-2889-03

2015-10-10

李佳軒（1998-），女，黑龍江省大慶市人。E-mail：15904599555@163.com。