淺談頁(yè)巖氣地面集輸設(shè)計(jì)規(guī)程

姜琳

[摘 要]對(duì)具有高壓力、高產(chǎn)量，壓力產(chǎn)量變化快、產(chǎn)水量高的頁(yè)巖氣藏的開(kāi)發(fā)進(jìn)行分析，對(duì)比現(xiàn)有的技術(shù)與開(kāi)發(fā)頁(yè)巖氣藏所需要的工藝設(shè)備以及壓力溫度等的需求，提出簡(jiǎn)要的頁(yè)巖氣地面技術(shù)設(shè)計(jì)規(guī)程，通過(guò)對(duì)HYSYS以及PIPELINE等軟件的使用，實(shí)現(xiàn)模型具體化、數(shù)字化的呈現(xiàn)設(shè)計(jì)。

[關(guān)鍵詞]頁(yè)巖氣集輸;水合物;集輸工程

[中圖分類號(hào)]TE863 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

頁(yè)巖氣藏具有高壓力、高產(chǎn)量，開(kāi)采過(guò)程壓力下降迅速、開(kāi)采初期氣量大、產(chǎn)水量高，開(kāi)采過(guò)程氣量衰減快、后期氣量小，進(jìn)入增壓開(kāi)采短等特點(diǎn)，導(dǎo)致了一系列的設(shè)計(jì)需求以及工藝設(shè)備需求。

1 水合物生成預(yù)測(cè)及防止

由于頁(yè)巖氣藏具有高壓力，初期開(kāi)采時(shí)可借助氣藏壓力進(jìn)行輸送至集氣閥或相應(yīng)的天然氣處理廠，經(jīng)過(guò)處理后進(jìn)行外輸。但是由于單個(gè)氣井壓力高，產(chǎn)水量大，極容易引起冰堵現(xiàn)象。因此，首先需要根據(jù)天然氣氣質(zhì)組分及壓力對(duì)水合物的形成進(jìn)行預(yù)測(cè)并根據(jù)環(huán)境的溫度壓力條件建立生成模型以觀測(cè)?，F(xiàn)以單井壓力初期48MPa，后期2MPa，埋深處地溫10℃，天然氣成分（mol）按下表（1）所示。

若開(kāi)初期借用氣藏壓力實(shí)現(xiàn)天然氣的外輸，有效減少增壓站的設(shè)置，但由于初期壓力過(guò)高，致使外輸至外輸站時(shí)壓力遠(yuǎn)大于所需的外輸壓力，同時(shí)，開(kāi)井初期壓力過(guò)高，促進(jìn)水合物的生成，因此，選擇對(duì)水合物進(jìn)行節(jié)流措施。

1.1 節(jié)流方式

節(jié)流是流體流動(dòng)時(shí)由于通道截面突然縮小（如孔板、閥門等）而使壓力降低的熱力過(guò)程。為了獲得降壓的效果必然會(huì)引起溫度的上升，因此在節(jié)流過(guò)程中應(yīng)注意節(jié)流的溫度，密切關(guān)注水合物的生成條件，以水合物生成作為表準(zhǔn)進(jìn)行節(jié)流壓力的選取，觀測(cè)溫度變化。

常規(guī)控制井口壓力的方法主要有井口加熱節(jié)流和井下節(jié)流兩種。

（1）井口加熱節(jié)流。井口加熱節(jié)流采用井口加熱爐加熱以提高集氣氣流溫度，利用井口針閥節(jié)流降低集氣管線壓力，從而保證在降壓處理要求。由于針閥節(jié)流降壓會(huì)導(dǎo)致溫度的瞬間降低，極易出現(xiàn)水合物堵塞的現(xiàn)象，采用井口加熱可以提高氣流溫度，在節(jié)流壓降作用時(shí)使溫度不致降至水合物生成的溫度。但由于氣流速度快，井口加熱僅僅作用于局部而對(duì)井筒及加熱爐前管線不存在保護(hù)作用，在生產(chǎn)壓力極大的情況下，必須考慮流動(dòng)注醇車的配備。井口加熱節(jié)流耗費(fèi)器材量大，后期投入高，設(shè)備以及生產(chǎn)管理難度大。

（2）井下節(jié)流。井下節(jié)流通過(guò)井下節(jié)流氣嘴來(lái)完成節(jié)流壓降。井下節(jié)流可以充分利用地溫對(duì)氣體以及管道的保溫作用，對(duì)相應(yīng)的部分進(jìn)行加熱，可以使節(jié)流后的氣體流動(dòng)溫度基本與節(jié)流之前的溫度一致，減少了如井口節(jié)流所需考慮的注醇量，有效減少注醇投資。井下節(jié)流工藝極大地簡(jiǎn)化了地面流程，同時(shí)提高了氣井?dāng)y液能力，有效防止水合物的生成，更益于保護(hù)地層。

1.2 方案設(shè)計(jì)

由水合物預(yù)測(cè)圖以及結(jié)合輸氣站外輸壓力（取5MPa），可選取設(shè)計(jì)方案如下三種：

（1）井下節(jié)流至4.5MPa時(shí)水合物生成溫度為7.625℃，低于管道埋深處平均地溫10℃從而保證在沿線環(huán)境溫度下不會(huì)有水合物生成，初期可以不使用保溫、加熱、增壓設(shè)備，直接輸送至天然氣處理廠，增壓至5.02MPa外輸至輸氣站;后期井口壓力2MPa采取在天然氣處理站將氣體進(jìn)行增壓外輸。

（2）井下節(jié)流至5.06MPa，使初期產(chǎn)氣能夠滿足沿線的壓力輸送，無(wú)需再沿途進(jìn)行增壓，直接借井口壓力輸送至集氣站、處理廠以及輸氣站，但需在井口設(shè)置加熱爐，以防止水合物的生成;后期井口壓力2MPa，在集氣站前需要設(shè)置壓縮機(jī)使得有足夠的壓力輸送至天然氣處理廠，由于輸氣站外輸壓力為高于現(xiàn)有壓力，后期輸送天然氣采取處理站氣體增壓。

（3）井下節(jié)流至5.06MPa，使氣井初期具有足夠的壓力憑借井口壓力直接輸送至天然氣處理廠，接著輸送至輸氣站，無(wú)需增壓。而管道埋深處地溫10℃，無(wú)法完全保證水合物不生成，因此采氣初期增設(shè)加熱爐進(jìn)行加熱，防止水合物的生成。后期亦須進(jìn)行增壓外輸。

2 集氣管網(wǎng)和站場(chǎng)布局

2.1 規(guī)劃概述

在管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)中，采用優(yōu)化技術(shù)確定合理的結(jié)構(gòu)并確定最佳工藝設(shè)計(jì)方案可以獲得較好經(jīng)濟(jì)效益。因此以產(chǎn)量長(zhǎng)度和最小為約束的最優(yōu)化目標(biāo)和以管線總長(zhǎng)度為約束的最優(yōu)化目標(biāo)，根據(jù)集氣半徑對(duì)管網(wǎng)集輸方式進(jìn)行初步的構(gòu)造，并采用Lingo建立相關(guān)數(shù)學(xué)模型，通過(guò)計(jì)算得到以管線總長(zhǎng)度為約束的管網(wǎng)布局方案。

（1）在AutoCAD中建立坐標(biāo)讀取相應(yīng)各個(gè)平臺(tái)坐標(biāo)。

（2）根據(jù)氣田現(xiàn)場(chǎng)狀況以及周邊公路情況進(jìn)行相應(yīng)的定點(diǎn)。

（3）使用Lingo進(jìn)行最佳位置的定點(diǎn)計(jì)算，并得出計(jì)算點(diǎn)坐標(biāo)。

2.2 井組劃分

井組的最優(yōu)劃分是確定井與站之間的最佳隸屬關(guān)系，即在一定的井式約束及其他約束下，把各氣井劃分為其所隸屬集氣站，以達(dá)到節(jié)約建設(shè)費(fèi)用的目的。

根據(jù)集輸半徑要求、初步確定集氣站個(gè)數(shù)、進(jìn)行系統(tǒng)聚類。通過(guò)系統(tǒng)聚類可得出初步集氣站管轄井，在集氣站管轄范圍內(nèi)進(jìn)行初步串接。

2.3 集氣站位置的確定

采用Lingo最優(yōu)化算法以產(chǎn)量長(zhǎng)度和最小為優(yōu)化目標(biāo)確定集氣站位置。對(duì)數(shù)據(jù)和初步方案需要進(jìn)行必要的擬合修正，比如對(duì)井間串接管網(wǎng)布置方式進(jìn)行調(diào)整，以確保流程的正常進(jìn)行。

3 管網(wǎng)的水力、熱力計(jì)算校核

3.1 水力計(jì)算校核

以下圖2串聯(lián)井網(wǎng)為例進(jìn)行pipeline運(yùn)行工況的校核。圖中左側(cè)為各個(gè)集氣平臺(tái)的接連，右側(cè)為集氣站。

單個(gè)平臺(tái)平均流量為10.15×104m3/d，井口節(jié)流后壓力4.5MPa，管道埋深處地溫為10℃，利用pipeline校核結(jié)果如下圖3所示，即上述管線尺寸設(shè)計(jì)可以滿足輸量要求。

3.2 熱力計(jì)算校核

根據(jù)三個(gè)方案中需要加熱爐進(jìn)行加熱來(lái)保持水合物不生成的方案進(jìn)行熱力校核計(jì)算。

用單井流量、長(zhǎng)距離輸送的工況設(shè)計(jì)出來(lái)的加熱爐功率偏大，熱量富余較大，故具有能耗高，經(jīng)濟(jì)效益差的缺點(diǎn)。因此需要進(jìn)行加熱溫度優(yōu)化。考慮到串聯(lián)井網(wǎng)的計(jì)算比較復(fù)雜，利用Pipeline模擬計(jì)算已有管網(wǎng)布局情況下各井口的加熱溫度優(yōu)化與熱力水力校核。

通過(guò)Pipeline軟件模擬可得各條管線的壓降及溫降曲線，對(duì)應(yīng)條件下可保證不生成水合物。

其余管徑選取、管材選擇、穿跨越管道設(shè)計(jì)以及集氣站、天然氣處理廠的設(shè)計(jì)等均需根據(jù)實(shí)地應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算和設(shè)計(jì)，包括方案適應(yīng)性分析、各類工藝設(shè)備的選用，管道以及設(shè)備的防腐設(shè)計(jì)、相應(yīng)的氣田管網(wǎng)泄漏及應(yīng)急預(yù)案、自動(dòng)控制測(cè)量?jī)x表，以及環(huán)境保護(hù)、消防設(shè)施的設(shè)置、職業(yè)安全衛(wèi)生等。

通過(guò)對(duì)氣藏條件的分析，天然氣氣質(zhì)組分的構(gòu)成以及外設(shè)條件的要求，結(jié)合軟件運(yùn)算模擬以及各類工程規(guī)范的指導(dǎo)，進(jìn)行技術(shù)工程的設(shè)計(jì)。

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