不同階段頁(yè)巖氣井返排液對(duì)脫水裝置影響分析

方 超 馬 驥 段小強(qiáng) 王 強(qiáng) 牛軍帥 魯 磊

中國(guó)石油浙江油田公司西南采氣廠, 四川 宜賓 644000

0 前言

紫金壩區(qū)塊井區(qū)位于建武向斜南翼,正、負(fù)構(gòu)造單元過(guò)渡的斜坡區(qū)。建產(chǎn)區(qū)內(nèi)設(shè)置集氣增壓脫水站1座(設(shè)計(jì)處理量300×104m3/d),采用三甘醇脫水工藝,設(shè)置2臺(tái)TDY800壓縮機(jī);建成投運(yùn)集輸支線2條(集輸西線、集輸東線),采用高低壓分輸工藝[1]。氣井生產(chǎn)基本特征為初期壓力高、排液量大,壓力遞減快,截至2021年初已進(jìn)入大規(guī)模集中增壓階段,不同的采氣工藝共同作用于區(qū)塊生產(chǎn)管網(wǎng)。依據(jù)氣井產(chǎn)液特點(diǎn),可將氣井階段分為套管自噴階段、油管自噴階段、人工舉升階段。在不同的生產(chǎn)時(shí)期,脫水裝置處理原料天然氣的生產(chǎn)工況具有較大差異性,因此研究不同階段頁(yè)巖氣返排液對(duì)天然氣脫水裝置影響,對(duì)于頁(yè)巖氣處理站安全生產(chǎn)和故障處理具有一定的指導(dǎo)意義。

1 套管自噴階段分析

為實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣井效益開(kāi)發(fā),紫金壩區(qū)塊生產(chǎn)采用試采一體化的開(kāi)發(fā)模式,即提前使用臨時(shí)流程將壓裂后測(cè)試氣井連接至集輸管網(wǎng),氣井見(jiàn)氣后導(dǎo)入生產(chǎn)管網(wǎng),最大程度地實(shí)現(xiàn)放空氣回收。當(dāng)返排測(cè)試完成后,氣井轉(zhuǎn)入地面標(biāo)準(zhǔn)化流程生產(chǎn)。

1.1 套管自噴產(chǎn)液特征

氣井在測(cè)試返排生產(chǎn)時(shí)期分為初期純液、見(jiàn)氣初期、氣相突破、穩(wěn)定測(cè)試及管輸生產(chǎn)等5個(gè)階段[2]。具體表現(xiàn)為初期產(chǎn)液量大,產(chǎn)氣量逐漸增大,但受制于測(cè)試流程分離器處理量、排液流程自控程度低的影響,天然氣會(huì)攜帶較多液體進(jìn)入集輸管道內(nèi),在山地起伏段形成積液并進(jìn)入下游脫水站。而氣井在氣相突破階段因放噴復(fù)產(chǎn)導(dǎo)入生產(chǎn)流程時(shí)的氣量突變也會(huì)導(dǎo)致管道積液迅速進(jìn)入下游脫水站[3]。通過(guò)對(duì)比紫金壩區(qū)塊某支線在沿線叢式井組試氣入網(wǎng)階段和地面標(biāo)準(zhǔn)化流程生產(chǎn)階段支線兩端差壓變化可知,在測(cè)試階段支線差壓變化起伏和頻次都相對(duì)較高,表明較多返排液進(jìn)入脫水站,原料天然氣中部分游離態(tài)液體易通過(guò)吸收塔進(jìn)入TEG再生系統(tǒng)。

1.2 三甘醇溶液分析

在套管自噴階段對(duì)脫水系統(tǒng)三甘醇取貧、富液樣品分析,其外觀為黃棕色,對(duì)比可知貧液較富液更澄清,說(shuō)明富液中存在更多的不溶解性物質(zhì),且貧富液樣品瓶底部均有少量可見(jiàn)機(jī)械雜質(zhì)。利用氣相色譜等儀器對(duì)貧富液的溶液組成等指標(biāo)進(jìn)行分析檢測(cè),見(jiàn)表1。

表1 樣品化驗(yàn)分析表

由表1可知,在本生產(chǎn)階段較多氣井返排液進(jìn)入TEG脫水系統(tǒng),導(dǎo)致三甘醇溶液水分含量和氯離子含量偏高。而貧液比富液外觀更澄清,說(shuō)明在貧液取樣點(diǎn)至富液取樣點(diǎn)流程存在返排液攜帶的壓裂砂、巖粉、油泥等不溶性物質(zhì)進(jìn)入溶液中。樣品溶液中三甘醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為97.600 0%,除三甘醇溶液中還存在一定量的二甘醇和乙酸根等,溶液有輕微降解。

1.3 過(guò)量氣井返排液對(duì)脫水系統(tǒng)影響

三甘醇作為原料天然氣脫水的主要溶劑,具備性質(zhì)穩(wěn)定、沸點(diǎn)高等優(yōu)點(diǎn)[4]。2019年,大量氣井返排液進(jìn)入天然氣脫水系統(tǒng),導(dǎo)致精餾柱堵死,填料間發(fā)現(xiàn)大量晶體結(jié)垢物,見(jiàn)圖1。取晶體1.998 g溶于500 mL水中得到3 996 mg/L溶液,測(cè)得電導(dǎo)率6.51 ms,擬合換算鹽類濃度為4 149 mg/L。采用滴定法測(cè)定結(jié)垢物組分,見(jiàn)表2。判定純化后晶體為較高純度的NaCl。過(guò)量的氣井返排液進(jìn)入天然氣脫水系統(tǒng)后,將直接降低TEG再生器的溶液溫度(記錄最大溫降達(dá)35 ℃),三甘醇因含水量的增加和再生溫度的降低,脫水效能降低,產(chǎn)品氣含水量增加,露點(diǎn)溫度將高于正常運(yùn)行期間5～15 ℃;而在TEG再生器內(nèi)高溫條件下,返排液在流動(dòng)中蒸發(fā),而無(wú)機(jī)鹽幾乎不溶解在三甘醇內(nèi)[5],故無(wú)機(jī)鹽將在循環(huán)狀態(tài)下的高溫三甘醇內(nèi)析出,在精餾柱填料、板式換熱器等高溫設(shè)備中聚集。

圖1 晶體結(jié)垢物照片F(xiàn)ig.1 Photo of crystal scale

表2 結(jié)垢晶體成分含量表

1.4 預(yù)防及控制措施

套管自噴階段氣井較高的返排量是影響TEG脫水裝置的主要因素,因此在氣井試氣入網(wǎng)階段建立集輸支線分段壓差監(jiān)控制度,以分段差壓數(shù)值變化評(píng)價(jià)各試氣平臺(tái)流程氣液分離效果,及時(shí)優(yōu)化試氣流程和集輸流程的氣液分離工藝參數(shù);而在脫水裝置運(yùn)行過(guò)程中,將重沸器液位、閃蒸罐液位、TEG過(guò)濾器差壓等過(guò)程參數(shù)組合分析,可較為準(zhǔn)確的判斷貧、富液精餾柱填料段堵塞情況,并利用無(wú)機(jī)鹽易溶于水的特點(diǎn)采用連接臨時(shí)TEG循環(huán)流程配合TEG再生橇水洗方式應(yīng)急解堵。而在TEG脫水裝置檢修期間使用清水多周期循環(huán)可較好清除系統(tǒng)內(nèi)無(wú)機(jī)鹽晶體。

2 油管自噴階段

當(dāng)頁(yè)巖氣井轉(zhuǎn)入油管生產(chǎn)后,井筒流態(tài)由段塞流轉(zhuǎn)變?yōu)檫^(guò)度流,氣井?dāng)y液能力增強(qiáng),氣井產(chǎn)氣和產(chǎn)水趨于平穩(wěn)。氣井通過(guò)油管生產(chǎn)可有效降低生產(chǎn)所需的臨界流量,有效消除井筒內(nèi)部積液[6]。

2.1 生產(chǎn)波動(dòng)

在氣流攜液過(guò)程中,部分油性巖屑將被攜帶至天然氣脫水系統(tǒng)。油性巖屑進(jìn)入TEG循環(huán)系統(tǒng)后將吸附在TEG過(guò)濾器前置濾芯和后置濾芯表面,極大地降低濾芯使用壽命和TEG過(guò)濾器效能[7]。TEG過(guò)濾效果降低,混入雜質(zhì)將引發(fā)TEG發(fā)泡[8],在TEG吸收塔內(nèi)發(fā)泡,發(fā)生液吹損耗。部分油性巖屑在換熱板內(nèi)經(jīng)高溫作用附著在板面,嚴(yán)重影響換熱器換熱效率,造成換熱后富液溫度過(guò)低,增加重沸器能耗,而換熱后貧液溫度過(guò)高,導(dǎo)致貧液入塔溫度上升,將增加三甘醇在吸收塔內(nèi)的損耗量[9]。

2.2 預(yù)防及控制措施

TEG循環(huán)流程中TEG三級(jí)差壓可較好地反映內(nèi)部濾芯運(yùn)行狀態(tài),當(dāng)出現(xiàn)差壓異常上升情況應(yīng)及時(shí)打開(kāi)清理或更換,故三級(jí)濾芯差壓應(yīng)納入崗位巡檢范圍或通信至站控系統(tǒng)。結(jié)合裝置實(shí)際運(yùn)行情況,崗位人員應(yīng)每周對(duì)貧、富液取樣觀察,如存在三甘醇樣品突然變?yōu)楹稚蚝谏?則表明溶液內(nèi)鐵離子含量大幅增加,地層內(nèi)雜質(zhì)進(jìn)入過(guò)多,崗位人員應(yīng)對(duì)流程Y型過(guò)濾器進(jìn)行清理,防止油性巖屑在濾網(wǎng)表面堆積造成堵塞。而在TEG脫水裝置檢修期間宜外接清洗流程,對(duì)板式換熱器進(jìn)行循環(huán)清洗,清理?yè)Q熱板間積累的固體雜質(zhì)和油性黏液。

3 人工舉升階段

隨著開(kāi)發(fā)的深入,氣井壓力和產(chǎn)氣量降低,井口壓力快速下降,井筒積液嚴(yán)重,氣井陸續(xù)出現(xiàn)自噴帶液困難,低產(chǎn)低效和水淹井?dāng)?shù)量增多?，F(xiàn)場(chǎng)采用增壓、泡排、氣舉等措施穩(wěn)產(chǎn)及復(fù)產(chǎn)。各項(xiàng)措施原理存在差異性,對(duì)天然氣脫水系統(tǒng)影響也不相同。

3.1 增壓

頁(yè)巖氣增壓主要采用平臺(tái)增壓和集中增壓兩種方式,依靠天然氣壓縮機(jī)可有效降低氣井油管壓力,減小臨界攜液量值,階段性降低井筒積液,保障氣井正常連續(xù)生產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)[10]。

壓縮機(jī)對(duì)天然氣壓縮增壓主要通過(guò)壓縮缸內(nèi)活塞的往復(fù)式運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)[11]。機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中天然氣被多級(jí)壓縮后溫度上升,原料天然氣的游離態(tài)返排液比重加大,將導(dǎo)致三甘醇循環(huán)系統(tǒng)溫度升高,損耗增加[12]。TEG貧液的進(jìn)塔溫度升高造成塔內(nèi)三甘醇損失。外界高溫氣候進(jìn)一步影響，極易造成外輸產(chǎn)品天然氣的露點(diǎn)溫度不達(dá)標(biāo)[13];當(dāng)前分體式天然氣壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)機(jī)往往采用電驅(qū),主電機(jī)設(shè)置強(qiáng)制性保護(hù)時(shí)間,用以電機(jī)充分散熱[14]。在壓縮機(jī)啟機(jī)加載過(guò)程中支線進(jìn)站氣量的瞬間增大并攜帶集輸管道積液進(jìn)入TEG吸收塔,超量流速會(huì)加速塔盤(pán)上的三甘醇被攜帶至外輸[15],而入塔的積液則進(jìn)入TEG再生流程,污染三甘醇。

3.2 泡排

泡排的原理是使用泡沫降低水的表面張力,水與氣混合形成泡沫,從而降低液體密度,減小攜液臨界值[16]。因頁(yè)巖氣井采用大型體積壓裂工藝[17]，大部分井在地層能量不足以排出壓裂液的情況下借助起泡劑降低井筒積液密度的方式將壓裂液排出[18]。

紫金壩區(qū)塊正式投運(yùn)后采取泡排工藝。該工藝用消泡劑主要為有機(jī)硅類聚氧乙烯醚,而起泡劑主要是脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉。2018年脫水站三甘醇年消耗量是SY/T 0076—2008《天然氣脫水設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱SY/T 0076—2008)規(guī)定的3倍,生產(chǎn)過(guò)程中陸續(xù)發(fā)現(xiàn)站場(chǎng)火爐的燃?xì)夤芫€流程大量竄入三甘醇、重沸器U型火管結(jié)垢、三甘醇嚴(yán)重發(fā)泡等問(wèn)題。

三甘醇富液與正己烷萃取時(shí)發(fā)生乳化現(xiàn)象,見(jiàn)圖2。長(zhǎng)時(shí)間靜置才能破乳分層,表明液體中含有較多表面活性劑。取TEG脫水系統(tǒng)內(nèi)的富液和純凈三甘醇,利用表面張力—標(biāo)準(zhǔn)曲線法測(cè)定表面活性劑含量,見(jiàn)圖3?？芍猅EG循環(huán)系統(tǒng)富液表面張力隨著濃度增加,表面張力大幅下降,是泡沫進(jìn)入脫水塔長(zhǎng)期富集的結(jié)果。

圖2 正己烷萃取三甘醇富液照片F(xiàn)ig.2 Extraction of triethylene glycol rich solution with n-hexane

圖3 三甘醇富液水溶液的表面張力變化圖Fig.3 Surface tension change of triethylene glycol rich aqueous solution

對(duì)重沸器U型火管結(jié)垢取樣,利用X射線衍射,可測(cè)定其質(zhì)量分?jǐn)?shù)組分:NaCl 8%、CaCO38.9%、ZnFe2O47.1%、Fe2O32.7%、碳化有機(jī)質(zhì)62%。通過(guò)有機(jī)質(zhì)含量可知該結(jié)垢物為重沸器U型火管局部高溫導(dǎo)致了三甘醇碳化形成。而其他固體含量則為進(jìn)入重沸器的返排液在局部高溫下水分蒸發(fā),無(wú)機(jī)鹽形成礦物結(jié)晶?，F(xiàn)場(chǎng)重沸器運(yùn)行溫度控制值為190～200 ℃,正常情況下不會(huì)大規(guī)模產(chǎn)生變質(zhì)物和結(jié)垢[19],重沸器U型火管局部高溫引起三甘醇碳化的主要因素是無(wú)機(jī)鹽結(jié)晶體附著在火管表面導(dǎo)致。重沸器U型火管結(jié)垢將引起局部變形甚至破裂,而TEG重沸器火管結(jié)垢的存在將降低換熱效果[20]。

3.3 氣舉

氣井生產(chǎn)進(jìn)入中后期,油管已無(wú)法連續(xù)攜液生產(chǎn),水淹井?dāng)?shù)量和次數(shù)增加,需要借助氣舉措施進(jìn)行復(fù)產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)。當(dāng)前氣舉主要是采用柱塞氣舉和臨時(shí)氣舉誘噴,兩者主要作用對(duì)象是低壓低產(chǎn)氣井,實(shí)施過(guò)程中氣井產(chǎn)水量相對(duì)較小,對(duì)下游天然氣脫水系統(tǒng)影響極小。

3.4 預(yù)防及控制措施

在紫金壩區(qū)塊頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)實(shí)踐中,因氣井遞減過(guò)快,往往在區(qū)塊中后期開(kāi)發(fā)中各種人工舉升措施組合疊加運(yùn)用在氣井增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)上。無(wú)機(jī)鹽、表面活性劑、返排液對(duì)脫水系統(tǒng)幾乎同時(shí)作用。故應(yīng)在單井流程和支線進(jìn)站流程設(shè)置兩級(jí)消泡,建立完整的管理制度,工藝上推進(jìn)藥劑配比自動(dòng)化和注入液體霧化處理,提升消泡效果,防止液體以泡沫形式進(jìn)入脫水系統(tǒng),將三甘醇損耗控制在SY/T 0076—2008規(guī)定范圍內(nèi)。集中增壓站的壓縮機(jī)啟動(dòng)應(yīng)考慮低壓管網(wǎng)的穩(wěn)定性,宜在加載過(guò)程中采用手動(dòng)加載,防止積液突然進(jìn)入脫水站,若相應(yīng)支線存在氣井大量泡排時(shí)應(yīng)強(qiáng)化該時(shí)段的消泡藥劑注入。

4 結(jié)論

1)采用山地叢式井組試采一體化模式應(yīng)充分考慮測(cè)試分離器液位監(jiān)控報(bào)警和自動(dòng)排液功能的完善性,在山地區(qū)域應(yīng)利用農(nóng)網(wǎng)寬帶和4 G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)分離器液位的監(jiān)控和氣井遠(yuǎn)程控制,保障測(cè)試分離正常液位運(yùn)行,防止大量液體進(jìn)入輸氣管網(wǎng)和下游脫水系統(tǒng)。

2)進(jìn)入脫水系統(tǒng)的返排液在TEG再生系統(tǒng)高溫條件下無(wú)機(jī)鹽晶體會(huì)析出,造成三甘醇循環(huán)系統(tǒng)堵塞和重沸器U型火管結(jié)垢,故宜每月取三甘醇樣品化驗(yàn),根據(jù)化驗(yàn)結(jié)果編制脫水裝置檢修方案,在每年停產(chǎn)檢修期間組織實(shí)施清洗和機(jī)械打磨除垢,可較好地將無(wú)機(jī)鹽晶體和碳化結(jié)垢物清除。設(shè)計(jì)時(shí)期應(yīng)考慮重沸器U型火管防變形措施或TEG重沸器旁通流程,應(yīng)對(duì)重沸器U型火管結(jié)垢形變發(fā)生破裂問(wèn)題。

3)頁(yè)巖氣井壓力遞減快,區(qū)塊整體處于開(kāi)發(fā)后期時(shí)應(yīng)警惕大規(guī)模增壓和壓縮機(jī)壓比增加,外界環(huán)境持續(xù)高溫,原料氣進(jìn)入吸收塔溫度過(guò)高導(dǎo)致產(chǎn)品氣露點(diǎn)不合格問(wèn)題,應(yīng)在設(shè)計(jì)初期考慮壓縮機(jī)冷卻余量、三甘醇循環(huán)余量、吸收塔入塔冷卻等措施,保障原料天然氣高溫下的正常脫水。

4)依據(jù)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)中泡排運(yùn)用的規(guī)模,宜在場(chǎng)站設(shè)計(jì)時(shí)期將消泡裝置納入標(biāo)準(zhǔn)化流程建設(shè)范疇,并積極推進(jìn)智能化泡排和支線管道泡沫檢測(cè)技術(shù),實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益更優(yōu)化。