煤層氣集輸管線冬季凝析水排出方法分析

張 瑋 張光波 劉明仁 郭玉廣 金德輝

(1.中石油華北油田山西煤層氣勘探開發(fā)分公司，山西 048000；2.華北油田公司工程技術(shù)研究院，河北 062552)

煤層氣同常規(guī)天然氣不同，雖然煤儲(chǔ)層中大的孔隙空間主要是被水所占據(jù)，水中含有一定的溶解氣，部分孔隙中存在游離氣，但80%以上是以吸附狀態(tài)賦存在孔隙的內(nèi)表面。目前煤層氣的主要排采方式為排水降壓，采出氣為攜帶少量游離水的飽和氣。

冬季煤層氣在集輸過程中，由于管線溫度通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于地下溫度，當(dāng)飽和氣從地下滲流到集輸管線后，由于溫度驟降，會(huì)析出液態(tài)水并積存在集輸管線內(nèi)。研究區(qū)位于沁水盆地南部，區(qū)內(nèi)以丘陵山地為主，地面海拔高低差異較大，且煤層氣系統(tǒng)管網(wǎng)壓力較低，加大了氣體攜水能力的難度，易導(dǎo)致液態(tài)水在管線低部聚集，使單井管線壓力升高，氣量下降。在冬季溫度較低情況下易發(fā)生管線凍堵，給生產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重影響。

目前解決煤層氣管線凝析水的方法主要是通過加裝凝水器設(shè)備和加大管線埋深兩種方法。安裝凝水器的最佳位置應(yīng)是凝析水不再析出的管段，如果要對(duì)安裝位置做出最佳判斷，需在模擬條件下進(jìn)行模擬計(jì)算，通常由于周邊溫度不易控制，計(jì)算結(jié)果易出現(xiàn)誤差。研究區(qū)內(nèi)管線埋深在產(chǎn)建初期就已完成，若在后期加大埋深深度，施工時(shí)間長(zhǎng)，費(fèi)用較高。因此有必要研究集輸管線中凝析水的排采方法，消除對(duì)單井產(chǎn)量的影響，提高冬季生產(chǎn)效率。

1 區(qū)域自然地理狀況

樊莊南部區(qū)塊位于沁水盆地南部，區(qū)內(nèi)主體為丘陵山地，其中山區(qū)面積占40%，低山丘陵區(qū)占50%，地勢(shì)西高東低，最高處海波2358m，最低處海拔520m，高低起伏落差在1838m。為大陸性氣候，晝夜溫差較大，在10℃以上，年平均氣溫11.7℃，月平均最低氣溫-3℃，最高氣溫24.8℃。年降雨量600～700mm，年蒸發(fā)量1600～1900mm，霜凍期11月至次年3月，凍土層最大厚度42cm，冬季最低平均氣溫在-7℃左右。2016年1月極端天氣下，最低氣溫達(dá)到-19℃。

2 冬季生產(chǎn)情況

研究區(qū)內(nèi)目前管理單井756口，據(jù)統(tǒng)計(jì)2017年冬季生產(chǎn)過程中，發(fā)生凍堵管線4條，管線積液導(dǎo)致壓力升高氣量下降104口單井，日影響氣量0.82×104m3，平均日掃線井?dāng)?shù)達(dá)到61次(表1)。

3 產(chǎn)生凝析水主要影響因素分析

煤層氣集輸管網(wǎng)中產(chǎn)生凝析水主要是由于井筒中聚集的煤層氣是飽和氣，隨著壓力、溫度的變化，或多或少的會(huì)產(chǎn)生凝析水。根據(jù)工程熱力學(xué)中水的相態(tài)圖1可知，當(dāng)井口溫度恒定時(shí)，隨著壓力降低飽和氣變?yōu)椴伙柡蜌猓划?dāng)管線壓力恒定時(shí)，隨著溫度降低，煤層氣中飽和氣逐漸變?yōu)椴伙柡蜌?，?dāng)溫度進(jìn)一步降低時(shí)，飽和氣中析出液態(tài)水。

3.1 生產(chǎn)壓力對(duì)凝析水的影響

總體表現(xiàn)為生產(chǎn)壓差越小，系統(tǒng)中凝析水越多，單井氣量波動(dòng)越大。從圖2可以看出，每年4月至10月單井產(chǎn)氣量較平穩(wěn)，平均壓差為0.003MPa，而每年11月至次年3月是冬季影響期，平均壓差為0.01MPa，單井日均影響氣量為300m3。

圖2 zc-060井2016年1～2017年9月生產(chǎn)運(yùn)行曲線

3.2 溫度對(duì)凝析水的影響

從地溫?cái)?shù)據(jù)與產(chǎn)量曲線(圖3)可以看出，冬季地溫變化趨勢(shì)與產(chǎn)量曲線變化趨勢(shì)基本一致，說(shuō)明冬季系統(tǒng)中凝析水的大量產(chǎn)生主要受溫度影響，呈現(xiàn)為溫度越低系統(tǒng)中凝析水越多。以研究區(qū)2016～2018年生產(chǎn)為例，2016年0℃以下時(shí)間約為4個(gè)月，全年四分之一的時(shí)間地溫低于0℃，日產(chǎn)量最高影響1.5×104m3。

圖3 研究區(qū)冬季產(chǎn)量與地溫變化相關(guān)圖

4 冬季凝析水的排出方法

通過密切關(guān)注壓力變化，及時(shí)對(duì)單井缸凝液缸放水，管線進(jìn)行清掃可以有效地減少凝析水對(duì)生產(chǎn)的影響。同時(shí)要充分利用現(xiàn)有流程，根據(jù)各個(gè)單井的不同情況，制定相應(yīng)的掃線方法，提高掃線效率?？偨Y(jié)放水規(guī)律變化，制定準(zhǔn)確的放水周期表，保障冬季生產(chǎn)平穩(wěn)運(yùn)行。

4.1 凝液缸放水，管線掃線

2013年以前，研究區(qū)管線壓力為0.1～0.2MPa，由于壓力相對(duì)較高，掃線時(shí)很容易掃清出管線中的凝析水。2013年后，通過管線擴(kuò)容、集氣站增加壓縮機(jī)，管線系統(tǒng)壓力下降至0.00～0.1MPa，由于系統(tǒng)壓差減小，掃線難度增大，管線中的凝析水不易被掃出(圖4)。針對(duì)這種情況，基于每口單井管網(wǎng)走向、地理位置和地面海拔高差，依據(jù)管壓、套壓、瞬時(shí)的變化分析，確定針對(duì)性的典型類和非典型類單井掃線方法。

圖4 研究區(qū)單井日產(chǎn)氣與單井管壓變化相關(guān)圖

4.1.1 典型類單井掃線方法

典型類掃線主要是針對(duì)單井與閥組之間管線的地面海拔高差無(wú)明顯起伏變化，利用重力原理在地面海拔相對(duì)低點(diǎn)進(jìn)行掃線，即可掃出凝析水。

當(dāng)閥組位置相對(duì)于井口位置偏低時(shí)，在閥組處將單井由正常流程導(dǎo)為放空流程，打開放空閥門，將凝析水掃出正常流程管線區(qū)域，我們稱之為正掃；反之，若井口位置偏低，則閉合角閥，打開單流閥、球閥，利用閥組內(nèi)氣體反方向?qū)尉芫€內(nèi)凝析水從單流閥處吹掃出，稱之為反掃(圖5)。

圖5 單井井口流程示意圖

4.1.2 非典型類單井掃線方法

(1)加裝凝液缸的單井掃線方法

對(duì)加裝有凝液缸的管線，通過對(duì)管線兩端掃線，讓管線積水最大程度匯集到凝液缸位置，然后用凝液缸徹底將積水排出。

如圖6所示：針對(duì)井口位置較低的單井，應(yīng)在爬坡位置設(shè)置凝液缸，這樣可先通過凝液缸放水后，再進(jìn)行反掃將爬坡位置的積水反掃到凝液缸中排出；針對(duì)井口位置偏高的單井，凝液缸應(yīng)加裝在相對(duì)低點(diǎn)，先通過正掃將單井管線內(nèi)凝析水掃到凝液缸中排出，對(duì)部分殘留在爬坡管線中的凝析水則通過井口反掃，吹掃到凝液缸中排出(圖7)。

圖6 單井、凝液缸與閥組相對(duì)位置示意圖

圖7 凝析水走向示意圖

Hc1-17井往年受冬季影響明顯，掃線周期為2天且通過簡(jiǎn)單地井口掃線無(wú)效果。2019年2月對(duì)單井加裝凝液缸后掃線效果良好，基本恢復(fù)至冬季影響前氣量，掃線周期延長(zhǎng)至30至35天，有效的降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度(圖8)。

圖8 hc1-17加裝凝液缸后效果示意圖

(2)地勢(shì)復(fù)雜的單井掃線方法

通過對(duì)研究區(qū)每口單井管網(wǎng)走向、地理位置和地面海拔高差的分析，認(rèn)為在生產(chǎn)過程中掃線效果不明顯的主要有兩類。第一類只需要在井口反掃后，在閥組進(jìn)行放空即可。第二類則需要結(jié)合單井所處位置的高低、單井產(chǎn)氣能力和管線連通位置摸索方法。以圖9為例，單井1井日產(chǎn)氣量下降500m3，而鄰井單井2產(chǎn)量基本不受影響，依此可以判斷凝析水應(yīng)聚集在單井2井口管線之前，則先將閥組上3口井串聯(lián)管線支線關(guān)閉，對(duì)兩口相對(duì)高點(diǎn)的單井1和單井2單井兩頭進(jìn)行掃線，將凝析水掃至相對(duì)低點(diǎn)單井3處排出，通過掃線，三口單井產(chǎn)量快速恢復(fù)至原產(chǎn)量(圖10)。

圖9 單井與閥組相對(duì)位置示意圖

圖10 掃先前后效果對(duì)比柱狀圖

(3)閥組掃線方法

針對(duì)閥組壓力過低的單井，則需要利用同閥組內(nèi)氣量大的單井進(jìn)行反掃。以CZ1#閥組為例，由于該閥組增設(shè)增壓站， 導(dǎo)致閥組壓力只有0.017MPa。且閥組內(nèi)單井地面海拔落差較大，管線積水明顯，且壓力過低無(wú)法通過單井反掃，以及閥組正掃清除管線積水。因此需將壓縮機(jī)減載，提高單井壓力，增強(qiáng)管線內(nèi)氣體的攜水能力排出積水。

4.2 及時(shí)疏通流程，減少阻力

部分煤粉含量較高的產(chǎn)氣井，冬季生產(chǎn)時(shí)，管線凝析水會(huì)混合部分煤粉，從而堵塞針式角閥和流量計(jì)渦輪，導(dǎo)致單井計(jì)量產(chǎn)氣量偏低。針對(duì)此類單井需定期清理流量計(jì)進(jìn)出口渦輪，或?qū)⑨樖浇情y更換為截止閥或者球閥，提高抗煤粉堵塞能力。

4.3 井口進(jìn)行電加熱，消弱井口節(jié)流影響

在冬季生產(chǎn)時(shí)，地下與地面溫度差異較大，當(dāng)飽和氣從井筒進(jìn)入到井口生產(chǎn)閥門時(shí)，因溫度快速下降，凝析水會(huì)大量吸出，從而導(dǎo)致管線積液，氣量下降。針對(duì)這類情況可以在生產(chǎn)閥門之前的管線至立管處加纏電熱帶，減弱溫度變化對(duì)氣量的影響。

5 結(jié)論

(1)煤層氣為飽和氣，隨著壓力、溫度的變化，在集輸管線內(nèi)或多或少會(huì)產(chǎn)生凝析水。冬季生產(chǎn)過程中，煤層氣集輸管線凝析水的產(chǎn)生主要受溫度影響，溫度越低，系統(tǒng)中凝析水越多。

(2)冬季對(duì)煤層氣單井產(chǎn)氣量的影響只能減弱不能消除。

(3)本文基于每口單井的管網(wǎng)走向、地理位置和地面海拔高差等基本資料，依據(jù)管壓、套壓、瞬時(shí)的變化分析，形成的典型類和非典型類單井掃線方法在研究區(qū)應(yīng)用效果顯著，有效降低凝析水對(duì)產(chǎn)量的影響，保障冬季生產(chǎn)平穩(wěn)運(yùn)行。