遼河油田高壓氣井集輸工藝技術(shù)研究與應(yīng)用

劉良財(cái) 盧 凱 于 超 曹 斌 魯華陽(yáng) 張 磊 黃蓓蕾 周士斌

摘要:高壓氣井的集輸工藝最顯著的特點(diǎn)就是壓力高、技術(shù)難度大,高壓氣井對(duì)地面設(shè)備強(qiáng)度以及密封性等要求都很高,高壓氣體在流動(dòng)時(shí)由于流動(dòng)壓力變化較大,如果技術(shù)控制不當(dāng)很容易形成天然氣水合物,進(jìn)而堵塞近井地帶、高壓管匯等,導(dǎo)致投產(chǎn)失敗。通過(guò)優(yōu)化集輸方案設(shè)計(jì),利用復(fù)合控制技術(shù)抑制天然氣水合物的形成,充分考慮多重保護(hù)裝置技術(shù),紅22高壓氣井的成功投產(chǎn),給遼河油田高壓氣井集輸工藝技術(shù)提供了良好的技術(shù)基礎(chǔ)及借鑒經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞:高壓氣井;投產(chǎn)安全技術(shù);天然氣水合物;緊急切斷;二級(jí)節(jié)流;臨界溫度預(yù)測(cè)

中圖分類號(hào):TE866文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1009-2374(2009)20-0070-02

紅22井是遼河油田部署在紅星地區(qū)的一口探井,2007年11月11日完鉆,完鉆井深3958米,地層靜壓50.66 MPa,2008年1月至2月16日試油,6mm油嘴求產(chǎn)折算日產(chǎn)量已達(dá)到37 MPa。

遼河油田天然氣井多數(shù)都為正常壓力氣井,即地層壓力低于30MPa的氣井,像紅22井這樣油套壓達(dá)到了37MPa的氣井,在遼河油田開發(fā)史上還是第一次遇到。當(dāng)時(shí)在遼河油田內(nèi)部還沒(méi)有這方面的集輸工藝技術(shù)可以借鑒,技術(shù)人員攻克技術(shù)難題,科學(xué)組織實(shí)施,紅22高壓氣井得以成功投產(chǎn)。紅22氣井的成功投產(chǎn),填補(bǔ)了遼河油田在高壓氣井集輸工藝技術(shù)領(lǐng)域的空白,為今后高壓氣井的投產(chǎn)實(shí)施提供了可靠的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。

一、高壓氣井集輸工藝特點(diǎn)分析

目前國(guó)內(nèi)的四川氣田、塔里木凝析氣田、蘇里格氣田都存在著高壓氣井,而這些油田高壓氣井的生產(chǎn)技術(shù)都比較成熟,主要方法是井筒節(jié)流與針閥節(jié)流相結(jié)合的工藝,即:通過(guò)在井下安裝多級(jí)節(jié)流裝置減小井口壓力,避免井口過(guò)高壓力給地面集輸工藝實(shí)施造成技術(shù)困難。紅22井在射孔作業(yè)前,沒(méi)有考慮安裝井下油嘴多級(jí)節(jié)流裝置,導(dǎo)致其反映到井口的壓力高達(dá)37MPa,造成該井集輸工藝技術(shù)不能照搬其他氣田的技術(shù),需要針對(duì)該井的實(shí)際情況,研究切合實(shí)際的集輸工藝新技術(shù)。

(一)高壓氣井的設(shè)備性能要求高

高壓氣井由于井口壓力較高,安全風(fēng)險(xiǎn)較大,對(duì)井口采油樹、水套爐、高壓彎頭、閥門、管線等采氣設(shè)備的耐壓性能要求很高,設(shè)備強(qiáng)度和封閉性能必須符合現(xiàn)場(chǎng)要求。由于遼河油田在以往的開發(fā)史上,沒(méi)有這么高壓力氣井,所屬制造企業(yè)也沒(méi)有生產(chǎn)這種高壓設(shè)備的能力,因此,采油樹以及采氣設(shè)備的外購(gòu)定制必須滿足高壓氣井的強(qiáng)度和密封性要求。

(二)容易形成天然氣水合物造成通道堵塞

天然氣水合物又稱籠形包合物,它是在一定溫度、壓力、氣體飽和度、鹽度等多重條件下形成的,由水和天然氣組成的類冰、非化學(xué)計(jì)量的、籠型結(jié)晶化合物,俗稱可燃冰。由于高壓氣井井口到水套爐(換熱器)流動(dòng)壓力變化大、流動(dòng)時(shí)間短、流體相變態(tài)復(fù)雜,在換熱溫度控制不到位的情況下,極其容易出現(xiàn)天然氣水合物,造成管道堵塞,控制不當(dāng)可能會(huì)釀成重大安全事故。

(三)其他不確定性因素

高壓氣井在生產(chǎn)過(guò)程中,如果地面集輸設(shè)備損壞、外輸管線斷裂或者井口壓力突然上升,都會(huì)造成嚴(yán)重的投產(chǎn)安全問(wèn)題。為此,我們需要強(qiáng)化井口裝置,調(diào)整井口結(jié)構(gòu),考慮使用特制的安全切斷裝置,并運(yùn)用一些配套集輸工藝技術(shù),降低不確定因素帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)。

二、高壓氣井投產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)研究

結(jié)合遼河油田紅星地區(qū)油藏產(chǎn)能預(yù)測(cè)情況,分析紅22井試油測(cè)試情況以及原油物性和天然氣組分分析報(bào)告,通過(guò)綜合分析與總結(jié),對(duì)紅22井有了全面性的認(rèn)識(shí),主要從以下三大方面來(lái)解決集輸工藝中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題:

(一)利用復(fù)合控制技術(shù)抑制天然氣水合物的生成

天然氣水合物的生成條件屬于熱力學(xué)相態(tài)的研究范疇,它的成核過(guò)程同時(shí)進(jìn)行著兩個(gè)動(dòng)力學(xué)過(guò)程:準(zhǔn)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和吸附動(dòng)力學(xué)過(guò)程。天然氣水合物的形成主要與壓力、溫度和天然氣組分有關(guān),同一天然氣組分,壓力越高,形成水合物的溫度越高。每一種天然氣組成氣體都有形成水合物的臨界溫度,見表1。當(dāng)溫度高于水合物形成的臨界溫度時(shí),無(wú)論壓力多高,也不會(huì)生成水合物。而反過(guò)來(lái),壓力對(duì)臨界溫度也有影響,如甲烷,在常規(guī)壓力下臨界溫度為21.5℃,但是當(dāng)壓力達(dá)到30～70MPa范圍時(shí),臨界溫度則上升到28.8℃。天然氣成分見表1:

針對(duì)紅22井的實(shí)際情況,在該井投產(chǎn)過(guò)程中,主要應(yīng)用了降壓法與加熱法相結(jié)合的復(fù)合控制技術(shù)來(lái)抑制天然氣水合物的形成。

1.降壓法。通過(guò)降低壓力,引起天然氣水合物穩(wěn)定的相平衡狀態(tài)發(fā)生改變,從而達(dá)到促使水合物分解的目的。利用調(diào)節(jié)針型閥的打開程度,控制流動(dòng)壓力的大小。采用二級(jí)節(jié)流裝置進(jìn)行降壓,從而避免壓降過(guò)大而造成天然氣水合物的形成 。

2.加熱法。井口高壓管線先通過(guò)高壓水套爐換熱,吸收足夠的熱量后,再通過(guò)兩級(jí)節(jié)流裝置,充分將換熱與節(jié)流相結(jié)合,將天然氣水合物形成概率控制到最低程度。

通過(guò)利用計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行數(shù)值模擬,將紅22高壓氣井的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)錄入到計(jì)算機(jī)程序內(nèi),計(jì)算紅22氣井天然氣水合物形成的預(yù)測(cè)溫度,見表2。經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)的擬合分析,得出最佳范圍內(nèi)的二級(jí)節(jié)流條件,即壓力溫度控制條件,一級(jí)節(jié)流的入口溫度控制在65℃以上,節(jié)流壓力調(diào)節(jié)在8.5～10MPa范圍內(nèi);二級(jí)節(jié)流的入口溫度控制在60℃以上,節(jié)流壓力調(diào)節(jié)在0.9～1MPa范圍內(nèi)。天然氣水合物的臨界溫度預(yù)測(cè)見表2:

(二)采用多重保護(hù)裝置提升投產(chǎn)安全系數(shù)

紅22井壓力很高,測(cè)試顯示靜態(tài)壓力達(dá)到50.66MPa,在投產(chǎn)過(guò)程中可能存在壓力變化波動(dòng)引起的不安全風(fēng)險(xiǎn)。為了保證順利投產(chǎn),防止流動(dòng)壓力瞬間升高和降低,決定采用多重保護(hù)方式提高集輸工藝投產(chǎn)過(guò)程中的安全系數(shù)。如圖1所示:

1.安裝井口緊急切斷閥。如圖1所示。壓力等級(jí)為42MPa,一旦外輸氣管線意外斷裂,或者節(jié)流調(diào)節(jié)閥失靈而導(dǎo)致高壓流體進(jìn)入低壓管線時(shí),這時(shí)緊急切斷閥制傳感器檢測(cè)到外輸流體壓力變化情況,當(dāng)外輸管線壓力高于1.55MPa或低于0.2MPa時(shí),緊急切斷閥自動(dòng)切斷井口閥門。

2.投產(chǎn)初期調(diào)節(jié)流量。在保持油層結(jié)構(gòu)不受損的情況下,盡量開大閥門,增加瞬時(shí)流量,將高壓盡快釋放,同時(shí)帶出地溫在井筒內(nèi)形成自熱溫度場(chǎng),減少井筒天然氣水合物凍堵風(fēng)險(xiǎn)。

3.準(zhǔn)備好放噴管線。一旦外輸氣管線達(dá)到輸送負(fù)荷極限,立即通過(guò)泄壓放噴管線進(jìn)入燃燒筒,以便盡快釋放井筒壓力,并在采油樹的非生產(chǎn)位置備用一條直接泄壓放噴管線。

4.利用緩沖罐進(jìn)出口壓力差,采用密閉罐車?yán)?避免輕質(zhì)油敞口拉運(yùn)造成的火災(zāi)、爆炸等潛在危險(xiǎn)。

(三)其他安全技術(shù)措施

為了預(yù)防投產(chǎn)初期可能出現(xiàn)的突發(fā)性問(wèn)題,在投產(chǎn)準(zhǔn)備的技術(shù)措施上,提前做好兩點(diǎn)準(zhǔn)備:一是準(zhǔn)備壓井控制管線,現(xiàn)場(chǎng)配備好壓裂車組隨時(shí)準(zhǔn)備實(shí)施壓井;二是現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備了熱力鍋爐車,一旦采油樹、高壓管線、孔板、閥門等處出現(xiàn)嚴(yán)重掛霜,甚至凍堵現(xiàn)象,立即進(jìn)行熱蒸汽伴熱。

三、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

按照制定的集輸工藝技術(shù)方案,2008年4月18日,遼河油田紅22井安全順利投產(chǎn)。該井在投產(chǎn)初期,日產(chǎn)天然氣4×104m3,輕質(zhì)油30m3,壓力從37MPa平穩(wěn)降到21MPa,并持續(xù)穩(wěn)定在21MPa。在投產(chǎn)當(dāng)晚,及時(shí)解決了一級(jí)節(jié)流閥與爐管管徑尺寸差引發(fā)的節(jié)流凍堵問(wèn)題。

四、結(jié)語(yǔ)

1.通過(guò)優(yōu)化集輸工藝流程設(shè)計(jì),安裝緊急切斷閥,進(jìn)行兩級(jí)節(jié)流控制,可以有效降低投產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)。

2.通過(guò)利用降壓法和加熱法的復(fù)合控制技術(shù),可以有效降低因流動(dòng)壓力變化大形成天然氣水合物引起的近井地帶、高壓管匯堵塞。

3.通過(guò)配備放噴管線、壓井管線、熱力鍋爐車等多重措施可以降低投產(chǎn)初期可能出現(xiàn)的突發(fā)性危險(xiǎn)。

4.紅22氣井的投產(chǎn)成功,進(jìn)一步摸清了紅星地區(qū)的油藏規(guī)律,同時(shí)也為遼河油田在高壓氣井投產(chǎn)安全技術(shù)方面提供了可靠的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。

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作者簡(jiǎn)介:劉良財(cái)(1981-),男,遼河油田油氣試采公司基建科副科長(zhǎng),工程師,研究方向:采油開發(fā)。