煤層氣低壓管網(wǎng)冬季生產(chǎn)影響因素分析及治理對(duì)策研究

關(guān)濟(jì)朋 高 宇 田 江 羅睿昌 齊守金 趙登剛

(1.中國石油華北油田山西煤層氣勘探開發(fā)分公司，山西 048000；2. 中國石油華北油田煤層氣事業(yè)部對(duì)外合作項(xiàng)目經(jīng)理部，山西 048000)

1 煤層氣低壓管網(wǎng)冬季運(yùn)行現(xiàn)狀

華北油田山西煤層氣主要采用“多井低壓集氣、單井簡易計(jì)量、多井單管串接、集中增壓、集中脫水處理和外輸”的集輸工藝，采用“井場(chǎng)—采集氣管網(wǎng)—集氣增壓站—中央處理廠—外輸銷售”的集輸工藝流程(圖1)。由于沁水盆地地處山區(qū)，單井分布較分散，管線距離長且起伏較大，在冬季氣溫較低時(shí)，管線低洼處、氣流通過閥門、三通等可能產(chǎn)生節(jié)流效應(yīng)的地方就會(huì)形成氣水混合物。氣水混合物一旦形成后，流通面積減小，產(chǎn)生節(jié)流效應(yīng)，以致堵塞采氣管線，影響管網(wǎng)運(yùn)行效率。通過現(xiàn)場(chǎng)研究，氣溫與煤層氣產(chǎn)氣量呈相關(guān)關(guān)系，當(dāng)氣溫降低時(shí)，煤層氣產(chǎn)氣量降低，反之隨著氣溫升高產(chǎn)氣量上升(圖2)。

圖1 煤層氣集輸工藝流程圖

圖2 煤層氣產(chǎn)氣量與溫度關(guān)系曲線

2 冬季影響低壓管網(wǎng)生產(chǎn)的不利因素

煤層氣單井采氣工藝普遍為常溫濕氣輸送，隨著壓力、溫度、流態(tài)的變化，管網(wǎng)中會(huì)凝析出水并逐漸積聚，在管線低洼處、閥門等地方產(chǎn)生節(jié)流效應(yīng)，隨著溫度的降低易發(fā)生水合物結(jié)冰堵塞，從而影響采氣管線的正常運(yùn)行和煤層氣井產(chǎn)能的正常發(fā)揮，煤層氣產(chǎn)量下降。綜合分析冬季影響低壓管網(wǎng)生產(chǎn)的不利因素主要有生產(chǎn)壓差變小、溫度低、工藝技術(shù)不完善和現(xiàn)場(chǎng)管理不到位四個(gè)方面。

2.1 生產(chǎn)壓差越小管網(wǎng)中凝析水越多

井筒中產(chǎn)出的煤層氣是飽和氣，舉升至井口以后由于管壓與套壓不同形成生產(chǎn)壓差(即井口節(jié)流)，井口溫度恒定，隨著壓力降低飽和氣變?yōu)椴伙柡蜌?。?dāng)管線壓力恒定時(shí)，隨著溫度降低，煤層氣中未飽和氣逐漸變?yōu)轱柡蜌?，溫度進(jìn)一步降低，飽和氣中析出液態(tài)水。分析沁水盆地鄭莊區(qū)塊的生產(chǎn)壓差變化得出，生產(chǎn)壓差逐年降低(圖3)，管網(wǎng)中析出的液態(tài)水增加，后期生產(chǎn)過程中表現(xiàn)為掃線放水頻繁。

圖3 生產(chǎn)壓差逐年降低趨勢(shì)圖

2.2 溫度越低管網(wǎng)中凝析出水越多

根據(jù)工程熱力學(xué)中水的相態(tài)圖，當(dāng)管線壓力恒定時(shí)，隨著溫度的降低，煤層氣中未飽和氣逐漸變?yōu)轱柡蜌?，溫度進(jìn)一步降低，飽和氣中析出液態(tài)水(圖4)。溫度越低管網(wǎng)中凝析的液態(tài)水越多，是冬季影響大的主要因素。

圖4 管網(wǎng)中相態(tài)隨溫度的變化圖

2.3 工藝技術(shù)不完善導(dǎo)致管網(wǎng)積液

2.3.1 單井計(jì)量閥組“U型”管處無保溫導(dǎo)致積水

井口和計(jì)量閥組地面以上部分是有保溫，管壓和套壓表之間入地部分沒有保溫，受冬季溫度降低的影響存在積液(圖5)。

圖5 單井工藝流程圖

2.3.2 單井產(chǎn)氣攜液能力差導(dǎo)致管線低洼處積液

由于前期施工及地形起伏等因素，加之部分單井產(chǎn)液量大，氣量較小，動(dòng)力不足，攜液能力差，在管線低洼處大量積液，減小了氣流流通面積，造成節(jié)流，致使上游管線壓力持續(xù)升高(圖6)。煤層氣輸氣管線輸送過程中若無良好的保溫措施，部分管線掩埋深度不夠，處于凍土層以上，溫度下降速度較快進(jìn)而發(fā)生管線凍。

圖6 管線積水示意圖

2.3.3 單井電伴熱保溫效果差導(dǎo)致井口積液

由于單井伴熱保溫一直使用恒功率類型的電纜，存在長時(shí)間通電，節(jié)點(diǎn)老化,局部電纜不發(fā)熱的情況，從而導(dǎo)致保溫效果下降。單井計(jì)量管線保溫效果不好，流量計(jì)前后有水或結(jié)冰，導(dǎo)致單井產(chǎn)氣呈現(xiàn)晚上氣量低白天氣量高生產(chǎn)現(xiàn)象，見圖7。

圖7 ZX4-245井生產(chǎn)變化曲線圖

2.3.4 凝液缸不合適導(dǎo)致管網(wǎng)積液

煤層氣采氣管線輸送介質(zhì)為濕氣，在寒冷的外部條件下容易在管線內(nèi)凝析出液，由于大多數(shù)采氣支線為小直徑的聚乙烯材料(PE管)，且采用多閥組串接方式，無法采用通球的方式進(jìn)行排除凝析液，為了提高管網(wǎng)輸送效率，在采氣管線上安裝凝液缸，定期人工放水，該方法排液簡單、實(shí)用、操作性強(qiáng)。

但是由于產(chǎn)建時(shí)經(jīng)驗(yàn)不足，凝液缸位置選取不合適、施工質(zhì)量不滿足要求等原因，雖然凝液缸安裝數(shù)量較多，但實(shí)際排液效果不明顯，大部分凝液缸無法排液，致使部分管線管壓持續(xù)偏高，只能通過單井掃線排液降低管壓，可操作性差。經(jīng)分析，凝液缸排不出液有以下四方面原因：

(1)排水降壓初期，單井未產(chǎn)氣，管線內(nèi)無水；

(2)高套壓，高產(chǎn)氣單井，氣體攜液能力強(qiáng)，水被攜帶至較遠(yuǎn)處；

(3)單井產(chǎn)氣量少，氣體攜液能力差；

(4)凝液缸位置安裝不合適。

造成凝液缸排不出液，管壓異常偏高主要原因是初始安裝位置不合適，后期需要通過調(diào)整凝液缸位置，將管線中的水排出。

2.4 現(xiàn)場(chǎng)管理不到位導(dǎo)致管網(wǎng)積液

冬季除做好保溫之外，解決管網(wǎng)積水最有效辦法就是單井的掃線和凝液缸的放水，這需要人工摸索掃線的周期和嚴(yán)格執(zhí)行相應(yīng)的掃線放水方法。對(duì)單井的掃線放水周期摸索不清，掃線放水不及時(shí)造成，或者操作方法不正確都會(huì)造成管網(wǎng)內(nèi)積水無法順利排出，從而導(dǎo)致管壓套壓升高。如PX1-1井，每年10月至次年4月因放水不及時(shí)導(dǎo)致管壓、套壓升高，氣量波動(dòng)較大(圖8)。

圖8 PX1-1井放水不及時(shí)導(dǎo)致管壓升氣量降

3 冬季低壓管網(wǎng)生產(chǎn)不利因素的治理措施

氣井冬季低壓管網(wǎng)生產(chǎn)不利因素的治理措施是針對(duì)管網(wǎng)積液形成的氣量、壓力、溫度、流體介質(zhì)狀態(tài)、節(jié)流點(diǎn)等因素而采取的杜絕或減少各因素達(dá)到積液條件的措施。

3.1 井口及工藝管線的保溫

井口采氣樹及地面工藝管線保溫，確保了井口產(chǎn)出的煤層氣經(jīng)采氣樹、生產(chǎn)閥門、角閥、流量計(jì)等地面設(shè)備，輸送至地下采氣管線后熱量損失最低。根據(jù)井口煤層氣溫度測(cè)量數(shù)據(jù)，將做過保溫的與未做保溫的井口溫度損失情況作了對(duì)比(圖9)，可以看出未做保溫的氣井煤層氣溫度下降比較明顯，保溫完好的氣井煤層氣溫度下降比較平緩。因此，為避免或者減緩井口產(chǎn)出的煤層氣降溫導(dǎo)致凝析出液，首先要把井口及工藝管線做好保溫。

圖9 井口溫度下降曲線

3.2 管線的敷設(shè)

管線初期鋪設(shè)時(shí)高低起伏，易造成管線低洼處大量積液，從而減小了氣流的流通面積，造成節(jié)流現(xiàn)象，致使上游管線壓力持續(xù)升高，因此應(yīng)在前期施工過程中加強(qiáng)監(jiān)督，盡量鋪設(shè)平緩。管線的埋深要滿足1m以上的標(biāo)準(zhǔn)。埋深不足，在凍土層之內(nèi)(0.6m)，會(huì)促進(jìn)管線凝析出液，也會(huì)使凝析出的液體發(fā)生凍堵。因此，管線敷設(shè)要盡量平直、深。

3.3 凝液缸安裝的優(yōu)化

參照凝液缸改造經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合管網(wǎng)實(shí)際，總結(jié)出以下三種適宜安裝凝液缸的位置(圖10)。

(1)采氣支、干線出現(xiàn)v形結(jié)構(gòu)，低點(diǎn)爬坡處加裝凝液缸。

(2)采氣支、干線出現(xiàn)>30°且連續(xù)爬坡處，加裝凝液缸。

(3)井位相對(duì)閥組較高位，適宜在閥組或干線安裝凝液缸。

①凝液缸位于最低點(diǎn)②凝液缸位于爬坡處③ 凝液缸位于閥組進(jìn)口處圖10 凝液缸安裝位置示意圖

3.4 選擇合適的化學(xué)抑制劑

經(jīng)試驗(yàn)對(duì)比，濃度為70%的甲醇抑制劑對(duì)于水合物形成的抑制能力較強(qiáng)，適用于低溫下操作，控制用量后能夠有效抑制水合物形成，乙二醇和二甘醇作為抑制劑需要在較高的溫度下進(jìn)行操作，但與甲醇相比，二者經(jīng)濟(jì)性較好，也不易出現(xiàn)腐蝕管線的現(xiàn)象，所以在實(shí)際方案設(shè)計(jì)中對(duì)抑制劑的選用，應(yīng)當(dāng)綜合考慮應(yīng)用效果以及經(jīng)濟(jì)性等因素，針對(duì)特定管段選擇特定的抑制劑(表1)。

表1 化學(xué)抑制劑(甲醇、乙二醇和三甘醇)優(yōu)缺點(diǎn)比較

3.5 摸索掃線放水周期

根據(jù)歷年掃線放水臺(tái)賬及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，摸索掃線放水周期。首先對(duì)頻繁掃線出水的采氣管線冬季應(yīng)進(jìn)行加密掃線放水，產(chǎn)氣量小、管套持平和采氣管線起伏較大的氣井，除做好保溫外也應(yīng)適當(dāng)增加掃線放水頻次，大幅降溫前適當(dāng)增加注醇頻次和注入量，而針對(duì)掃線無水或水量較少的采氣管線，可適當(dāng)減少掃線放水頻次。

4 結(jié)論

煤層氣低壓管網(wǎng)冬季運(yùn)行效率低是是由于多方面的因素造成的，它與井口未保溫造成的煤層氣入地前溫度過低、管線的起伏造成的積液、管線埋深不夠造成的溫度過低、各種原因造成的節(jié)流、凝液缸位置不合適、掃線放水周期的不合理均有密切的聯(lián)系。提高煤層氣低壓管網(wǎng)冬季運(yùn)行效率應(yīng)根據(jù)具體情況具體安排，根據(jù)氣井產(chǎn)能情況、歷年掃線放水情況、地形狀況及采氣管線串接方式等對(duì)具體治理措施進(jìn)行合理選擇。

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