長(zhǎng)北氣田二期地面集輸工藝技術(shù)研究

楊光 趙一農(nóng) 韋瑋 李琛

西安長(zhǎng)慶科技工程有限責(zé)任公司

1 長(zhǎng)北氣田一期總體工藝及特點(diǎn)

長(zhǎng)北氣田一期井叢內(nèi)單井采出的天然氣分別在井口先經(jīng)孔板計(jì)量（井叢設(shè)移動(dòng)計(jì)量分離設(shè)備接口，可對(duì)單井天然氣、含醇污水和凝析油分別單獨(dú)計(jì)量，便于取得更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析研究），再節(jié)流降壓匯合，由集氣支線氣液混輸進(jìn)入集氣干線。集氣干線匯集的天然氣輸送至位于氣田中南部的中央處理廠，在中央處理廠經(jīng)集中脫油脫水后輸往陜京二線榆林首站。工藝主要特點(diǎn)[1-3]如下：

（1）采用叢式井組開(kāi)發(fā)，每個(gè)井叢管轄1～3口水平井，單井產(chǎn)量超過(guò)100×104m3/d。

（2）采用一級(jí)布站模式，井叢物流（包括天然氣、游離水及凝析油等混合物）直接進(jìn)入中央處理廠，取消中間集氣站的設(shè)置，簡(jiǎn)化了地面集輸工藝和配套設(shè)施。

（3）充分利用氣井壓力能，推遲增壓開(kāi)采時(shí)間，實(shí)現(xiàn)集氣管網(wǎng)變壓運(yùn)行和節(jié)能降耗。

（4）采用氣液混輸工藝，單井采用孔板濕氣連續(xù)計(jì)量，同時(shí)設(shè)置移動(dòng)式分離器，定期測(cè)試。

（5）采用井口安全控制系統(tǒng)，可在井口超壓、失壓或火災(zāi)時(shí)自動(dòng)截?cái)?，也可以從井叢及中央控制室截?cái)唷?/p>

2 長(zhǎng)北氣田二期開(kāi)發(fā)建設(shè)難點(diǎn)

長(zhǎng)北氣田二期將開(kāi)發(fā)長(zhǎng)北區(qū)塊主力儲(chǔ)層上層和下層（主要包括盒8、山1和太原）的致密氣砂，其孔隙度大致為4%，滲透率為20 mD，屬于低孔低滲的致密儲(chǔ)層。物理性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定，為低油氣比（CGR）和少量CO2的干氣氣藏。與國(guó)內(nèi)常規(guī)氣田新建區(qū)塊開(kāi)發(fā)不同，長(zhǎng)北氣田二期地面工藝確定有以下難點(diǎn)：

（1）與長(zhǎng)北氣田一期氣井壓力遞減慢、產(chǎn)量高、數(shù)量少不同，長(zhǎng)北氣田二期氣井壓力遞減較快、產(chǎn)量低、數(shù)量多，在考慮已建系統(tǒng)的情況下，經(jīng)濟(jì)合理確定總體布局及壓力系統(tǒng)比較困難。

（2）長(zhǎng)北氣田一期總體產(chǎn)能下降，長(zhǎng)北氣田二期作為彌補(bǔ)遞減區(qū)塊，如何高效合理利用已建集輸干線及處理設(shè)施，實(shí)現(xiàn)效益產(chǎn)出的最大化，是地面總體工藝確定的關(guān)鍵。

（3）單井產(chǎn)量低，遞減速度快，穩(wěn)產(chǎn)能力差，氣井壽命期短，氣田單位產(chǎn)能建井?dāng)?shù)增多，地面建設(shè)投資控制難度增大。

（4）殼牌公司DEP標(biāo)準(zhǔn)要求高，需綜合運(yùn)用多種專項(xiàng)分析。

3 地面總體布局及集輸工藝

綜合考慮氣井組分特點(diǎn)及壓力產(chǎn)量遞減規(guī)律，集成創(chuàng)新、攻關(guān)研究形成了“地面初期節(jié)流，井口注醇，單井氣液連續(xù)計(jì)量，氣液混輸、集氣增壓站高中壓混合集氣、集中增壓，處理廠集中處理”適合長(zhǎng)北氣田二期的主體工藝技術(shù)路線。

3.1 創(chuàng)建集氣站高中壓混合集氣新模式

目前，低滲透氣田多采用井叢開(kāi)發(fā)方式，低壓、低產(chǎn)、低滲透氣田由于地層壓力衰減較快，一般在井口或井下設(shè)置節(jié)流裝置，采用中低壓集氣工藝方法，降低壓力，減少管網(wǎng)投資和水合物抑制劑注入量；但是，這種方式也造成了氣井初期壓力能和熱力能浪費(fèi)，增加了氣田開(kāi)發(fā)能耗及開(kāi)發(fā)成本[4]。

長(zhǎng)北氣田二期直井單井初期配產(chǎn)為4.5×104～6×104m3/d，直井主要采用大井叢進(jìn)行開(kāi)發(fā)（8井叢2座，16井叢18座）；雙分支水平井初期配產(chǎn)為50×104～90×104m3/d；加密井初期配產(chǎn)為15×104～85×104m3/d。直井壓力遞減速度快，7—9月壓力降至6.0 MPa以下；雙分支水平井和加密井穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間長(zhǎng)，可以利用地層壓力在6.0 MPa以上穩(wěn)定生產(chǎn)，無(wú)需增壓。不同類型氣井的壓力遞減曲線見(jiàn)圖1。根據(jù)長(zhǎng)北氣田二期氣井生產(chǎn)特點(diǎn)，結(jié)合氣田天然氣處理及外輸壓力要求，優(yōu)化研究出氣田井口高中壓（6.0 MPa和2.0 MPa）混合集氣工藝（圖2）。

圖1 長(zhǎng)北氣田二期氣井壓力遞減曲線Fig.1 Gas well pressure decline curve of Changbei Gas Field II Project

圖2 長(zhǎng)北氣田二期壓力系統(tǒng)示意圖Fig.2 Pressure system sketch map of Changbei Gas Field II Project

對(duì)于直井井叢初期充分利用地層壓力和初期溫度，滿足輸送和處理的要求進(jìn)行高壓生產(chǎn)，并減少水合物抑制劑的注入量；中后期由于地層壓力下降，井口流壓較低，節(jié)流閥全部打開(kāi)后的壓力也無(wú)法滿足外輸要求，因此應(yīng)在集氣站進(jìn)行集中增壓，同時(shí)通過(guò)壓縮機(jī)降低井口壓力以持續(xù)低壓生產(chǎn)。低壓生產(chǎn)時(shí)，氣井由于高壓生產(chǎn)產(chǎn)量和壓力都已經(jīng)降低，故采氣管線較經(jīng)濟(jì)合理地運(yùn)行，避免了管網(wǎng)建設(shè)中后期運(yùn)行富裕量大的問(wèn)題，也降低了氣田開(kāi)發(fā)地面投資和運(yùn)行成本，使集氣管網(wǎng)建設(shè)更加合理化。

3.2 合理利用已建集輸及處理系統(tǒng)

長(zhǎng)北氣田二期主要在一期的基礎(chǔ)上進(jìn)行次級(jí)儲(chǔ)層及主力儲(chǔ)層的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，主要是彌補(bǔ)產(chǎn)能，保持37×108m3/a的穩(wěn)產(chǎn)及1 200×104m3/d的高峰產(chǎn)量。具體產(chǎn)量安排見(jiàn)圖3。

圖3 長(zhǎng)北氣田一期+二期產(chǎn)量安排Fig.3 Production schedule chart of Changbei Gas Field II+I Project

2019年長(zhǎng)北氣田一期進(jìn)入衰減期，整個(gè)區(qū)塊的產(chǎn)量逐年下降，已建干線輸量及處理設(shè)施富余量較大。通過(guò)逐年分析長(zhǎng)北氣田已建干線輸送能力，已建干線的富余量能夠滿足長(zhǎng)北氣田二期的新增產(chǎn)量的輸送。

結(jié)合長(zhǎng)北氣田一期和二期天然氣總產(chǎn)量，對(duì)已建天然氣處理廠（處理規(guī)模1 000×104m3/d）工藝裝置按照處理規(guī)模1 200×104m3/d的最大處理能力進(jìn)行優(yōu)化論證，其出入口分離器、原料氣預(yù)冷器、低溫分離器、三相分離器、甲醇處理、放空系統(tǒng)等設(shè)備單元均能滿足長(zhǎng)北氣田二期1 200×104m3/d的處理要求，但天然氣壓縮機(jī)處理量已成為制約長(zhǎng)北氣田二期產(chǎn)量發(fā)揮的瓶頸。

已建天然氣處理廠壓縮機(jī)為4臺(tái)（3用1備），發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)為12VAT27GL，額定功率為2 334 kW，單臺(tái)設(shè)計(jì)排量為333×104m3/d。同時(shí)，單臺(tái)壓縮機(jī)實(shí)際軸功率1 784 kW，發(fā)動(dòng)機(jī)有較大的功率富余量，所以考慮對(duì)壓縮機(jī)氣缸進(jìn)行調(diào)整，由原來(lái)11 in調(diào)整為12 in高效氣缸。換缸后壓縮機(jī)功率為1 971.9 kW，單臺(tái)壓縮機(jī)排量從333×104m3/d提升至402×104m3/d，處理廠最大處理能力達(dá)到1 200×104m3/d。通過(guò)對(duì)集氣干線、處理廠能力的分析與優(yōu)化研究，以最小的改動(dòng)實(shí)現(xiàn)了最大化的產(chǎn)出，滿足了氣田全生命周期的經(jīng)濟(jì)有效開(kāi)發(fā)。

3.3 橇裝化設(shè)備研發(fā)

長(zhǎng)北氣田二期井場(chǎng)和集氣增壓站內(nèi)的主要設(shè)備均實(shí)現(xiàn)橇裝化，以提高設(shè)備制造水平，減少現(xiàn)場(chǎng)施工周期，降低施工難度，從而保證項(xiàng)目建設(shè)的整體進(jìn)度和質(zhì)量。研發(fā)過(guò)程中把每種功能相近又相互獨(dú)立的設(shè)備進(jìn)行組合成橇，集設(shè)備、結(jié)構(gòu)、電氣、儀表等多功能于一體。在工廠集中批量制造，充分保證了產(chǎn)品質(zhì)量，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)將各種橇裝化設(shè)備由管網(wǎng)連接在一起，大大縮短了項(xiàng)目建設(shè)周期[5-11]。

在井場(chǎng)考慮設(shè)置5類橇裝化設(shè)備，各種橇裝化設(shè)備的命名、功能、組成見(jiàn)表1。

表1 井場(chǎng)橇裝化設(shè)備統(tǒng)計(jì)Fig.1 Statistical table of skid mounted equipment in well site

在集氣增壓站考慮設(shè)置9類橇裝化設(shè)備，各種橇裝化設(shè)備的命名、功能、組成見(jiàn)表2。

表2 集氣增壓站橇裝化設(shè)備統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistical table of skid mounted equipment in gas gathering booster station

3.4 專項(xiàng)分析技術(shù)應(yīng)用

與國(guó)內(nèi)常規(guī)建設(shè)項(xiàng)目不同，長(zhǎng)北氣田二期工程進(jìn)行了HAZOP（危險(xiǎn)與可操作性分析）、QRA（定量風(fēng)險(xiǎn)分析）、IPF（儀表防護(hù)功能分析）、HFE（人因工程分析）、HSSE分析、BOW-TIE分析（表 3）。

表3 主要專項(xiàng)分析功能Tab.3 Main special analysis function

由表3可知，長(zhǎng)北氣田二期FEED階段共采納350條合理化建議，保證了該項(xiàng)目從設(shè)計(jì)—施工—運(yùn)行全過(guò)程的科學(xué)合理、安全可靠、運(yùn)行平穩(wěn)、操作便捷，有效提升了其本質(zhì)安全。

3.5 總體工藝水平分析

由于開(kāi)發(fā)層位、開(kāi)發(fā)方式的不同，長(zhǎng)北氣田二期所采用的地面技術(shù)工藝較同類型氣田有很大不同。長(zhǎng)北氣田二期、一期與蘇里格氣田的對(duì)比見(jiàn)表4。

表4 長(zhǎng)北氣田二期、一期與蘇里格氣田的對(duì)比Tab.4 Comparison of Changbei Gas Field II，I Project and Sulige Gas Field

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，長(zhǎng)北氣田二期從開(kāi)發(fā)方式、總體工藝、壓力系統(tǒng)、建設(shè)方式、專項(xiàng)分析等均有別于其他工程，此工程形成的主體技術(shù)、總體布局、研發(fā)的多套小型橇裝裝置是項(xiàng)目高效開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)，所采用的多項(xiàng)工藝技術(shù)和分析手段開(kāi)拓了同類型項(xiàng)目的建設(shè)思路，對(duì)國(guó)內(nèi)氣田開(kāi)發(fā)具有廣泛的借鑒意義。