氣井井口快速解堵一體化裝置研制與應(yīng)用

劉 鵬，雷建永，楊全蔚，王 宏

（中國石油長慶油田分公司第二采氣廠工藝所，陜西榆林 719000）

長慶油田第二采氣廠地處鄂爾多斯盆地，新投產(chǎn)氣田主要采用“井下節(jié)流、井口不加熱、不注醇、中低壓集氣、井口帶液計(jì)量、井間串接、常溫分離、二級增壓、集中處理”等獨(dú)具特色的蘇里格氣田地面工藝建設(shè)模式[1-2]。由于冬春季節(jié)持續(xù)時(shí)間長、氣溫低，氣井生產(chǎn)投產(chǎn)實(shí)施過程中井筒和地面易堵塞，嚴(yán)重影響氣井的正常生產(chǎn)和產(chǎn)能的發(fā)揮，尤其是冬季供氣高峰期，如何快速解堵，降低氣井非正常關(guān)井次數(shù)，是提高氣井開井時(shí)率，保證氣井產(chǎn)能和生產(chǎn)安全的基礎(chǔ)。

統(tǒng)計(jì)分析第二采氣廠127口新投產(chǎn)易堵氣井的生產(chǎn)情況，堵塞的主要原因是氣井快速投產(chǎn)前放噴不徹底，投產(chǎn)后氣井壓裂砂、壓裂返排液、地層液等進(jìn)入井筒和集氣管線，導(dǎo)致井筒和集氣管線堵塞，以及生產(chǎn)中因氣井和集氣管線參數(shù)變化導(dǎo)致的管線積液、天然氣水合物、固體雜質(zhì)等堵塞井筒和管線和冬季局部冰堵等，重點(diǎn)是生產(chǎn)初期砂堵和積液堵塞，嚴(yán)重影響氣井井筒和集氣管線的生產(chǎn)時(shí)效和安全。因此，本文針對氣井投產(chǎn)初期的返排砂和積液堵塞問題，創(chuàng)新研制集快速返排、高效氣液固分離、加熱防凍、調(diào)壓和智能控制等功能于一體的氣井井口快速解堵裝置。一方面通過裝置應(yīng)用，快速排出近井地帶殘余壓裂液和積液，保證氣井的產(chǎn)能發(fā)揮，是氣井測試階段的有益補(bǔ)充；另一方面，通過井口多相分離處理，避免砂和液進(jìn)入集氣管線，根本上解決集氣管線積液帶來的凍堵和集氣效率問題，為氣井的安全生產(chǎn)和集氣管線的高效集輸?shù)於ɑA(chǔ)。

1 設(shè)計(jì)參數(shù)的確定

統(tǒng)計(jì)127余口易堵氣井（全為井下節(jié)流氣井）生產(chǎn)參數(shù)（圖1），井口油壓為1.1～8.7MPa，平均油壓為4.03MPa，井口套壓為2.3～15.2MPa，平均套壓為7.96MPa，氣井產(chǎn)氣量為0.11～ 4.84×104m3/d，平均產(chǎn)氣量為1.4×104m3/d，平均氣水比為0.6m3/104m3，氣井壓裂砂粒直徑為0.425～0.85mm，單井日出砂量約為250mL，氣井井口平均流動(dòng)溫度為4～12℃，天然氣相對密度為0.59，臨界壓力為4.6MPa，臨界溫度為196K。

圖1 易堵氣井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)

結(jié)合易堵氣井快速投產(chǎn)和解堵的需要，綜合考慮氣井生產(chǎn)壓力、產(chǎn)量、環(huán)境參數(shù)和現(xiàn)場實(shí)施條件，確定裝置的設(shè)計(jì)參數(shù)為：處理氣量5×104m3/d，處理液量1m3/h，除砂端設(shè)計(jì)壓力10MPa，氣液分離端設(shè)計(jì)壓力4.0MPa，裝置整體成撬，在易堵氣井間移動(dòng)作業(yè)。

2 工藝方案及工作過程分析

根據(jù)裝置設(shè)計(jì)參數(shù)及功能需求，確定快速解堵一體化裝置由高壓分砂、流體電加熱（電水套爐）、調(diào)壓、T 型緩沖氣液分離等主要功能單元組成，如圖2所示。主要工藝方案如下：①裝置前端利用高效除砂裝置，利用重力沉降和過濾分離原理實(shí)現(xiàn)砂的分離，內(nèi)部采用耐磨陶瓷，提高除砂器的安全可靠性；②裝置后端采用T 型管式緩沖、重力沉降和聚集分離機(jī)理，實(shí)現(xiàn)氣液高效緩沖、段塞捕集和聚集分離，通過與移動(dòng)放空火炬撬配套使用或?qū)⒎蛛x接入集氣管網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)快速放空解堵或井口氣的回收利用；③裝置除砂單元和氣液分離單元之間配置減壓裝置，T 型緩沖氣液分離器為中壓，保證后端容器安全和快速排液；④自備汽油發(fā)電機(jī)，提供減壓前氣液介質(zhì)加熱水套爐的電加熱負(fù)荷，以及保溫防凍和控制系統(tǒng)的電力，電加熱水套爐根據(jù)監(jiān)測調(diào)壓閥后氣流溫度自動(dòng)進(jìn)行加熱電流調(diào)節(jié)；⑤裝置進(jìn)口設(shè)置電動(dòng)緊急截?cái)嚅y，預(yù)防快速解堵后氣井井口油壓快速上升導(dǎo)致裝置超壓的風(fēng)險(xiǎn)，高壓和中壓端均設(shè)置壓力監(jiān)控裝置，與電動(dòng)緊急截?cái)嚅y連鎖控制。

圖2 裝置工藝方案

裝置工作過程：氣井出口氣液混合物（含壓裂砂）依次經(jīng)過截?cái)嗲蜷y、電動(dòng)緊急截?cái)嚅y進(jìn)入除砂器，分砂后的氣液混合物進(jìn)入電加熱水套爐盤管，加熱后經(jīng)減壓閥減壓后的氣液混合物進(jìn)入T 型緩沖氣液分離器器，T 型緩沖段分離出的氣相進(jìn)入氣液分離器的重力沉降段，經(jīng)捕霧段（碰撞分離）接入集氣管路或放空火炬撬，分離出的液相經(jīng)液位控制排入撬底座短暫存儲(chǔ)，通過污水罐車外運(yùn)，避免液相進(jìn)入集氣管道導(dǎo)致管線積液。

3 主要設(shè)備選型

1）除砂器

氣井生產(chǎn)初期的壓裂返排砂可能引起下游管線、節(jié)流管匯、分離器、加熱爐、閥門等地面設(shè)備堵塞，產(chǎn)生諸如增加設(shè)備、加大管線清砂和維修工作量、危害人體健康、污染環(huán)境等一系列問題。在井口快速解堵一體化裝置設(shè)置除砂器，可有效保護(hù)氣田地面系統(tǒng)設(shè)備免受高速含砂流體的沖蝕，減少對下游地面設(shè)備的損害，防止出砂堵塞管線或設(shè)備，保障地面集氣的安全可靠。

該氣田壓裂返排砂按粒徑劃分基本上屬于粗粒砂（1～ 0.5mm），考慮一體化裝置要在多口井移動(dòng)服務(wù)，由于不同井之間出砂濃度、砂礫尺寸都不盡相同，而且氣井快速解堵過程中工況不穩(wěn)定，為了確保除砂器操作條件及使用性能具有廣泛適應(yīng)性，因此采用重力沉降和過濾分離除砂工藝，除砂器結(jié)構(gòu)采用立式結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 除砂器結(jié)構(gòu)圖

2）電加熱水套爐

根據(jù)易堵氣井井口操作環(huán)境、生產(chǎn)工況條件及裝置移動(dòng)作業(yè)需要，結(jié)合電加熱水套爐熱效率高、干凈清潔、易于控制和適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，確定采用電加熱水套爐對除砂后的介質(zhì)進(jìn)行加熱。電加熱水套爐由電加熱器、水套爐殼體、受熱盤管、控制操作盤和配管系統(tǒng)等構(gòu)成，如圖4所示，與常規(guī)水套加熱爐相比，除供熱熱源不同外，加熱原理相同。通過控制水浴溫度來控制傳熱溫度梯度，將電加熱水套爐出口介質(zhì)溫度與設(shè)定值控制在±1℃內(nèi)，以滿足調(diào)壓和防凍堵的需要。

圖4 電加熱水套爐結(jié)構(gòu)圖

氣田生產(chǎn)初期易堵氣井的典型特征是工況不穩(wěn)定、存在嚴(yán)重段塞流，為了實(shí)現(xiàn)快速排液和減少液相進(jìn)入集氣管道，最有效的辦法是提高氣液分離器效率。為此，采用T 型緩沖和氣液分離合一設(shè)備（圖5），連接多個(gè)T 型管形成一種結(jié)構(gòu)緊湊、體積小的多相流預(yù)分離裝置[3-6]，通過結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提高段塞緩沖能力和預(yù)分離效果，使大量氣相直接進(jìn)入分離器后端，最大程度減少液面波動(dòng)和氣液摻混機(jī)會(huì)，提高氣液分離效果，降低管線積液堵塞風(fēng)險(xiǎn)。

3）T 型緩沖氣液分離器

氣液分離器結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 氣液分離器結(jié)構(gòu)圖

4）配管及輔助系統(tǒng)

（1）為了實(shí)現(xiàn)快速放空，除砂器和電水套加熱爐配管與氣井油管尺寸一致，后續(xù)氣相出口采用DN100 的管道，避免后續(xù)節(jié)流，影響氣井快速解堵。分離器液相排出端配管為DN25，配套閥門包括截?cái)嚅y、緊急截?cái)嚯妱?dòng)閥、減壓閥、安全閥等，根據(jù)設(shè)計(jì)壓力等級、配管尺寸及閥門選用手冊[7]配備。

（2）控制系統(tǒng)采用防爆控制箱，參數(shù)監(jiān)測和PLC 置于防爆箱內(nèi)，發(fā)電機(jī)固定于撬上，使用時(shí)從撬上卸下，放到安全距離以外，通過防爆電纜連接到控制箱上。

（3）裝置設(shè)備采用內(nèi)涂層防腐和犧牲陽極防腐方案，底撬、碳鋼管道及管道支吊架采用涂層防腐，底漆采用醇酸防銹底漆，面漆采用醇酸磁漆。

4 關(guān)鍵工藝參數(shù)的確定

1）除砂器結(jié)構(gòu)尺寸因?yàn)槌錾傲颗c天然氣的體積流量相比要小得多，因此氣井井筒中的流動(dòng)屬于稀疏氣固兩相流，也就是從流態(tài)化的角度來看，氣相與固相的密度之比很小，固相顆粒的體積濃度可以忽略不計(jì)；顆粒相受到管壁的摩阻及固相顆粒之間相互影響作用也忽略不計(jì)，則砂粒的沉降速度計(jì)算式[8]為：

式中，w為砂粒沉降速度，m/s；Dm為砂粒直徑，μm；ρW和ρL分別為重質(zhì)和輕質(zhì)相的密度，kg/m3；CD為阻力系數(shù)，無量綱。根據(jù)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用公式（1）計(jì)算得到壓裂返排砂在氣相中的最小沉降速度為0.882m/s，在液相（水）中的最小沉降速度為0.808m/s。參照立式分離器直徑計(jì)算方法[9]計(jì)算除砂器直徑：

式中，D為除砂器直徑，m；Qgk為氣體工況流量，m3/s；η為除砂器截面積的利用系數(shù)，無量綱，一般取0.75～0.8。根據(jù)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用公式（2）計(jì)算得到除砂器的直徑為171.82mm，考慮壓力和工況的變化，取除砂器直徑為250mm，除砂器筒體高度不小于1 000mm，內(nèi)部濾砂網(wǎng)選用50目。

2）電加熱水套爐及發(fā)電機(jī)參數(shù)

根據(jù)氣田易堵氣井的產(chǎn)量、氣質(zhì)、運(yùn)行參數(shù)、最大節(jié)流溫降和水合物生成溫度，忽略加熱中液相部分，電加熱水套爐的熱負(fù)荷計(jì)算式為：

式中，Q為電加熱爐熱負(fù)荷，kW；Qg為氣體標(biāo)況流量，m3/s；ρg為天然氣標(biāo)況密度，kg/m3；ΔT為減壓閥壓降導(dǎo)致的溫降，℃；Th為減壓閥后壓力對應(yīng)的水合物生成溫度，℃，5為加熱溫度的安全余量。根據(jù)易堵氣井生產(chǎn)參數(shù)，計(jì)算電加熱水套爐的熱負(fù)荷除6口井熱負(fù)荷要求大于6kW 以外，其余熱負(fù)荷要求均小于6kW，為此取6kW 作為電加熱水套爐的有效熱負(fù)荷進(jìn)行設(shè)計(jì)，考慮電加熱器熱效率為0.8，則電加熱器功率為7.5kW，為此選用2.5kW 的電加熱器3組，根據(jù)氣井的參數(shù)進(jìn)行靈活選用和調(diào)節(jié)，對于大于6kW 的少數(shù)幾口井，現(xiàn)場考慮配套加防凍劑、控壓等措施，保證設(shè)備運(yùn)行安全。電加熱水套爐采用無相變換熱，因?yàn)樗谋葻徇h(yuǎn)大于天然氣，所以認(rèn)為一定范圍內(nèi)的進(jìn)口狀態(tài)波動(dòng)對恒溫水浴的溫度影響較小，即取一定值進(jìn)行設(shè)計(jì)，則換熱面積計(jì)算式為：

式中，F(xiàn)為換熱盤管面積，m2；K為總傳熱系數(shù)，W/（m2.K）；Δtm為對數(shù)平均溫差，；t1、t2分別為電加熱水套爐進(jìn)出口天然氣溫度，℃；T為水浴溫度，℃；其余參數(shù)含義同前。根據(jù)裝置設(shè)計(jì)參數(shù)及電加熱爐熱負(fù)荷，計(jì)算得到水套加熱爐盤管規(guī)格為φ76×5mm，單根長度為1.25m，共10根，布置方式如圖4。綜合考慮電加熱水套爐、緊急截?cái)嚯妱?dòng)閥、伴熱保溫及控制系統(tǒng)電力消耗，配置雙缸汽油發(fā)電機(jī)一臺，額定功率10kVA（最大功率13kVA），額定電壓220V。

3）T 型緩沖氣液分離器結(jié)構(gòu)尺寸

T 型管式分離器作為兩相分離器前的氣液預(yù)處理設(shè)備，一方面可以緩沖段塞流到來時(shí)產(chǎn)生的壓力波動(dòng)，臨時(shí)儲(chǔ)備瞬時(shí)增加的液體；另一方面要分離出氣液兩相中的氣相，其基本結(jié)構(gòu)是T 型管，其正常工作依賴于流型，當(dāng)在T 型管內(nèi)的流動(dòng)是分層流時(shí)，會(huì)達(dá)到一個(gè)理想的氣液分離效果。垂直氣體支管直徑與主管直徑的比值較小時(shí)有利于氣液的分離，但是這個(gè)比值不能太小，防止氣體支管內(nèi)的抽吸作用引起液體夾帶。當(dāng)來流到達(dá)主管不是分層流時(shí)，在主管分兩段要滿足段塞流向分層流的轉(zhuǎn)變，Taitel 和Dukler[10]的轉(zhuǎn)變準(zhǔn)則為：

式中，vg為段塞流轉(zhuǎn)變?yōu)榉謱恿魉俣?，m/s：hL為液相高度，m；Di為主管道內(nèi)徑，m；AG為氣體流通面積，m2；AL為液體流通面積，m2；ρLi為液相密度，kg/m3；ρg為氣相密度，kg/m3；g 為重力加速度，m/s2。

當(dāng)主管段氣相的實(shí)際速度小于轉(zhuǎn)變速度vg時(shí)，管道內(nèi)的流型為分層流，主管內(nèi)徑要大于來流管匯的內(nèi)徑，一方面減小氣相和液相的速度，有利于液塞的耗散和快速解堵；另一方面增加了管式分離器的容積，可以緩沖更大的液塞，根據(jù)已知參數(shù)，計(jì)算能得到T 型復(fù)合管系中部緩沖分離匯管直徑為DN250（φ273×12），上部集氣和下部集液匯管直徑為DN200（φ219×10），匯管之間連接支管的規(guī)格為DN100（φ108×6），支管高度為公稱直徑的3倍。

根據(jù)給定參數(shù)，該分離器的氣體負(fù)荷占絕對支配作用，根據(jù)重力式兩相分離器設(shè)計(jì)理論，滿足氣體負(fù)荷約束的分離器直徑和筒體有效長度計(jì)算式[9]為：

式中，d為氣液分離器直徑，mm；Leあ為氣液分離器筒體有效長度，m；T為分離器工作溫度，K；p為分離器工作壓力，MPa；Z為氣相壓縮因子；Qg為處理天然氣量，m3/s；Dm為液滴直徑，μm，其余參數(shù)含義同前。根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算得到分離器的規(guī)格為DN800×3 200mm，參考GB150-2011《壓力容器》計(jì)算筒體壁厚12mm，封頭壁厚為14mm，實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中根據(jù)分離器內(nèi)部組件安裝和布局需要適當(dāng)調(diào)整。

5 裝置應(yīng)用分析

根據(jù)裝置的設(shè)計(jì)結(jié)果試制樣機(jī)1套，在工廠內(nèi)完成組撬、水壓強(qiáng)度試驗(yàn)和氣密封試驗(yàn)，全部達(dá)到設(shè)計(jì)要求。在現(xiàn)場進(jìn)行快速安裝和試驗(yàn)，現(xiàn)場連接如圖6所示，直接將原井口緊急截?cái)嚅y組（或井口計(jì)量閥組）連接短管處斷開，通過快速接頭和高壓軟管直接與快速解堵一體化撬的進(jìn)出口相連，出口通過三通連接到放空火炬撬，撬內(nèi)發(fā)電機(jī)從撬上移出置于安全距離外?，F(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果見表1，由此可見，裝置應(yīng)用后，氣井的油套壓及產(chǎn)能均得到較大提升，氣液分離和分砂效果顯著，完全滿足長慶油田第二采氣廠易堵氣井快速解堵作業(yè)需求，裝置維護(hù)、操作和管理更加安全方便，降低了成本，提高了設(shè)備利用率。

圖6 現(xiàn)場安裝示意

表1 現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果

6 結(jié)論與建議

1）氣井井口快速解堵一體化裝置應(yīng)快速投產(chǎn)，集快速返排、高效分砂、加熱防凍、調(diào)壓、氣液分離和控制等功能于一體，通過快速移動(dòng)作業(yè)，為有效解決氣井快速投產(chǎn)初期出砂、出水導(dǎo)致的井筒和地面堵塞難題提供了現(xiàn)場裝備。

2）裝置不僅可以用于新投產(chǎn)井快速解堵，也可用于井筒積液和管線積液的快速返排，市場前景十分廣闊。

3）裝置應(yīng)用效果顯著，完全滿足長慶油田第二采氣廠易堵氣井快速解堵作業(yè)需求，裝置維護(hù)、操作和管理更加安全方便，降低了成本，提高了設(shè)備利用率。

4）裝置應(yīng)用中，建議加大氣井的動(dòng)態(tài)監(jiān)測和分析，注重裝置與工藝配套，進(jìn)一步提高裝置的應(yīng)用范圍，提升裝置應(yīng)用效果。