放噴天然氣回收技術(shù)現(xiàn)場試驗(yàn)效果與評價(jià)

黃永章，蔣成銀，朱禮明，姚瑞峰，劉永國，劉 坤

（1.川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院，陜西西安 710018；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710018；3.中國石油長慶油田分公司第三采氣廠，陜西西安 710018；4.中國石油長慶油田分公司第六采氣廠，陜西西安 710018；5.河北華北石油工程建設(shè)有限公司，河北任丘 062552）

試氣放噴是天然氣勘探開發(fā)中必不可少的一道工序，傳統(tǒng)放噴方式是在井場之外的安全位置建造放噴池，采取點(diǎn)火燃燒完成試氣及測試階段[1]。此種放噴模式燃燒大量天然氣會造成資源浪費(fèi)，簡單測算長慶氣田2018 年新投產(chǎn)氣井2 539 口（直井2 394 口、水平井145 口），放噴時間按10 天計(jì)算，全年壓裂放噴天然氣27 758×104m3，直接經(jīng)濟(jì)損失22 761 萬余元，實(shí)際放噴燃燒資源量將會更大；此外，放噴燃燒天然氣產(chǎn)生CO2、氮氧化合物、熱輻射等環(huán)境危害。隨著國家環(huán)保要求的提高，開展放噴天然氣回收是目前試氣壓裂實(shí)現(xiàn)節(jié)約資源、降低污染的重要舉措。

1 放噴氣回收技術(shù)原理

提前在試氣前預(yù)制地面進(jìn)站管線，試氣階段在井口安裝除砂器、分離器、加熱節(jié)流等裝置，將放噴的天然氣進(jìn)行處理并節(jié)流至系統(tǒng)壓力后，通過地面管線直接進(jìn)站。具體回收工藝流程是按照“兩級處理”和“四大模塊”進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（1）兩級處理：第一級采用立式除砂器、臥式高壓除砂脫液分離器清除天然氣中的大量固、液相；第二級經(jīng)過水套加熱爐升溫降壓、立式低壓分離器進(jìn)一步清除，最后干氣進(jìn)入外輸管網(wǎng)系統(tǒng)（見圖1）。

（2）四大模塊：節(jié)流降壓模塊（控制排放為核心）；高壓除砂、脫液模塊（一級除砂、脫液為核心）；升溫減壓模塊（節(jié)流調(diào)壓為核心）；低壓脫液模塊（二級脫液為核心）。

（3）工藝關(guān)鍵設(shè)備：該工藝需要的關(guān)鍵設(shè)備為撬裝除砂脫液裝置、水套加熱爐和自用氣發(fā)電機(jī)。撬裝除砂脫液裝置是一套集成設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)節(jié)流放噴、兩次除砂脫液、氣液計(jì)量目的，設(shè)備運(yùn)行維護(hù)簡單，搬遷安裝方便。主要設(shè)備性能參數(shù)（見表1）。

2 回收工藝生產(chǎn)制度優(yōu)化及安全上限

2.1 回收工藝生產(chǎn)制度優(yōu)化

圖1 放噴天然氣回收工藝流程簡圖

表1 撬裝除砂脫液裝置性能參數(shù)

放噴氣回收系統(tǒng)實(shí)際是通過固定油嘴節(jié)流的一個過程。兩級處理過程即是兩級節(jié)流降壓過程。根據(jù)氣體流經(jīng)油嘴流動特性，通?；厥者^程P外輸/P高壓＜0.546，放噴氣回收二級節(jié)流處于臨界流動區(qū)，產(chǎn)量處于恒定[2]（見圖2）。

圖2 放噴氣回收節(jié)流過程示意圖

經(jīng)理論計(jì)算表明：

（1）在油嘴直徑超過6 mm，液體流量對固定油嘴節(jié)流壓降影響不大，放噴回收初期液量較大，應(yīng)優(yōu)先采用小直徑油嘴有利于節(jié)流降壓。

圖3 流量與節(jié)流降壓之間關(guān)系曲線

（2）放噴回收初期，液量相對較大，根據(jù)大液量下氣體攜液實(shí)驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)持液率大于0.008 5 時，對應(yīng)的臨界流量可作為初期攜液的最低臨界攜液量，且隨著出液量增加，所需臨界流量變大（見圖3～圖5）。

圖4 不同直徑油嘴的嘴流曲線

圖5 持液率與臨界流速的關(guān)系

2.2 回收工藝安全上限設(shè)定

整個放噴氣回收系統(tǒng)安全上限設(shè)定需同時考慮兩個方面：

（1）系統(tǒng)高壓脫液除砂撬進(jìn)氣壓力2 MPa～20 MPa，考慮安全性能穩(wěn)定，通常在井口壓力較高情況下，需再預(yù)留10%的壓力空間，應(yīng)控制進(jìn)去壓力不超過18 MPa。

（2）低壓流程外輸管網(wǎng)系統(tǒng)因集氣流程各異，應(yīng)調(diào)整回收氣量，滿足外輸壓力通常不超過3.8 MPa。

3 現(xiàn)場試驗(yàn)效果分析

現(xiàn)場成功開展2 口井放噴氣回收試驗(yàn)，驗(yàn)證了整套回收工藝的可行性及裝置的運(yùn)行平穩(wěn)性。

圖6 蘇A 井放噴排液及回收過程

3.1 現(xiàn)場實(shí)施過程分析

蘇A 井采用Φ88.9 mmN80 油管+裸眼封隔器分5段壓裂改造完井。壓裂累計(jì)入地液量3 237.7 m3，陶粒支撐劑255 m3。放噴氣回收之前試氣排液1 553 m3，返排率47.9 %。初期大液量放噴階段已結(jié)束，第一個關(guān)放階段出液35 m3，大液放噴階段結(jié)束后，關(guān)井最高恢復(fù)壓力24 MPa，進(jìn)入放噴氣回收排液階段，由于井口壓力大于18 MPa，考慮高壓除砂脫液撬的安全壓力，在一級節(jié)流時優(yōu)選10 mm 油嘴，實(shí)現(xiàn)快速降低井口壓力?；厥针A段排液201.4 m3，該井累計(jì)返排1 754.4 m3，返排率達(dá)到54.2 %（見圖6）。

蘇B 井采用Φ114.3 mm 套管固井完井橋塞分段壓裂改造，后期采用帶壓下62 mm 油管完井。壓裂累計(jì)入地液量3 085.4 m3，陶粒支撐劑260 m3。放噴氣回收之前試氣排液692 m3，返排率22.4 %。初期大液量放噴階段已結(jié)束，關(guān)放階段因套管內(nèi)徑較大，且控制放噴出液較少，大液放噴階段結(jié)束后，關(guān)井最高恢復(fù)壓力22 MPa，進(jìn)入放噴氣回收持續(xù)排液階段，由于井口壓力大于18 MPa，考慮高壓除砂脫液撬的安全壓力，在一級節(jié)流時優(yōu)選10 mm 油嘴，實(shí)現(xiàn)快速降低井口壓力。回收階段持續(xù)排液175 m3，該井累計(jì)返排867 m3，返排率達(dá)到28 %（見圖7）。

3.2 回收系統(tǒng)運(yùn)行情況分析

蘇A 井累計(jì)運(yùn)行25 d，前期大液連續(xù)排，后期減少后間斷排，運(yùn)行過程中外輸回壓在1.4 MPa～3.3 MPa，蘇B 井累計(jì)運(yùn)行10 d，大氣量持續(xù)連續(xù)排液。運(yùn)行過程中外輸回壓在2.9 MPa～3.1 MPa，兩口井出液、出砂逐漸減少，油壓與產(chǎn)氣量逐漸趨于平穩(wěn)，集氣站各項(xiàng)設(shè)備未發(fā)生異常（見表2）。

3.3 系統(tǒng)各設(shè)備除砂、脫液情況

蘇A 井兩級處理過程的除砂、脫液設(shè)備均在回收過程中起到貢獻(xiàn)，其中一級高壓除砂效率占到91.5 %，一級高壓脫液效率占到93 %。蘇B 井兩級處理過程的除砂、脫液設(shè)備均在回收過程中起到貢獻(xiàn)，其中一級高壓除砂效率占到87.8 %，相比蘇A 井因氣體流速較大除砂效率略有下降，一級高壓脫液效率占到92.5 %（見表3）。

圖7 蘇B 井放噴排液及回收過程

表2 回收系統(tǒng)運(yùn)行情況

表3 回收系統(tǒng)設(shè)備除砂、脫液貢獻(xiàn)率

表4 放噴天然氣回收經(jīng)濟(jì)效益分析數(shù)據(jù)表

3.4 投產(chǎn)后生產(chǎn)動態(tài)

蘇A 井采用三相分離器生產(chǎn)，油壓變化平穩(wěn)，產(chǎn)氣量穩(wěn)定，且投產(chǎn)后基本不產(chǎn)液，平均日產(chǎn)3.475×104m3，蘇B 井采用井底節(jié)流器生產(chǎn)，油套壓變化平穩(wěn)，投產(chǎn)后初期產(chǎn)氣量穩(wěn)定，且投產(chǎn)后基本不產(chǎn)液，平均日產(chǎn)4.491×104m3。

3.5 綜合經(jīng)濟(jì)性評價(jià)

考慮放噴氣回收服務(wù)費(fèi)、返排液處理費(fèi)、單方氣生產(chǎn)成本，2 口井合計(jì)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益62.309 萬元，增產(chǎn)效益投入產(chǎn)出比達(dá)到1:1.78。目前市場回收服務(wù)費(fèi)按1.58 萬元/天的日費(fèi)制，折算至少需平均回收1.93×104m3天然氣具備增產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益（見表4）。

4 認(rèn)識與建議

（1）放噴回收工藝設(shè)備集成度高、操作方便、安裝簡單快捷，能夠滿足氣井放噴過程中壓力高、出砂多、液量大情況下的脫液除砂分離要求，達(dá)到進(jìn)站生產(chǎn)的條件。

（2）兩口試驗(yàn)井回收時機(jī)相對滯后，應(yīng)選擇在大液階段天然氣從井內(nèi)出來后即接入回收系統(tǒng)，進(jìn)一步提高回收氣量，同時縮短試氣機(jī)組的排液周期。

（3）由于二級分離器脫液量較小，可直接進(jìn)入集氣站分離器，可以考慮集成優(yōu)化二級處理模塊，進(jìn)一步簡化整套設(shè)備系統(tǒng)。

（4）結(jié)合清潔化生產(chǎn)，探索開展壓裂后直接進(jìn)入回收系統(tǒng)現(xiàn)場試驗(yàn)，替代傳統(tǒng)放噴排液試氣模式。