氣田開發(fā)后期天然氣增壓方案及工藝適應(yīng)性分析

楊濤濤

陜西博天節(jié)能環(huán)?？萍加邢薰?，陜西西安 710018

根據(jù)產(chǎn)量變化氣田開發(fā)大體可分為3 個(gè)階段：產(chǎn)量上升階段、產(chǎn)量穩(wěn)定階段和產(chǎn)量遞減階段[1]。目前國內(nèi)多數(shù)氣田已進(jìn)入產(chǎn)量遞減階段，地層能量逐漸減弱，井口壓力不斷降低，不滿足外輸壓力要求的氣井?dāng)?shù)量也隨之增多，影響了井區(qū)產(chǎn)能釋放，因此需要增壓開采。充分利用已建集輸管網(wǎng)，在不新建采氣干線和集氣管道的前提下，選取合理的增壓方式，使低壓氣井產(chǎn)能充分釋放，提高氣田采收率，保證氣田持續(xù)增產(chǎn)增效。

1 工藝集輸系統(tǒng)現(xiàn)狀

鄂爾多斯氣田某井區(qū)2016 年底建成投產(chǎn)，共納入氣井208 口、井場64座、集氣站6座、凈化廠1 座，建成產(chǎn)能6×108m3/a，商品天然氣輸往下游LNG 工廠，用氣壓力為4.5～5.0 MPa。集氣工藝采用中壓集氣工藝：井下節(jié)流、井間串接、濕氣輸送、常溫分離、集中注醇。截至2023 年6 月，井區(qū)已開發(fā)6.5 a，超出自然穩(wěn)產(chǎn)年限1.5 a，目前平均地層壓力10.98 MPa，平均井口套壓6.36 MPa，接近半數(shù)的井口套壓小于5.7 MPa，該井區(qū)急需進(jìn)行增壓開采。氣田集輸管網(wǎng)布局示意見圖1。

圖1 氣田集輸管網(wǎng)布局示意

2 增壓方式選擇

2.1 增壓方式選取原則

國內(nèi)氣田目前沒有形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的增壓集輸模式，各氣田結(jié)合氣井開發(fā)曲線、壓降速率及管網(wǎng)特點(diǎn)等因素選擇相匹配的增壓模式[2]。根據(jù)氣田整體布局及開發(fā)現(xiàn)狀，氣田增壓開采方式的選取應(yīng)從以下4方面考慮：其一，增壓開采工藝應(yīng)符合氣田的整體規(guī)劃，氣田開發(fā)后期采用中低壓集氣，冬季井口壓力節(jié)流至1.4 ～2.0 MPa，天然氣在井筒內(nèi)節(jié)流后可充分利用地層溫度，在井筒內(nèi)不會生成水合物[3]，集氣站壓縮機(jī)組進(jìn)氣壓力按1.0 MPa 進(jìn)行設(shè)計(jì)[4]；其二，新的壓力級制在滿足外輸壓力的前提下最大限度降低氣藏廢棄井壓力，從而提高氣田采收率；其三，充分利用已建集輸管網(wǎng)，在不新建采氣干線和集氣管道的前提下，優(yōu)化選取合理的增壓方案；其四，不改變天然氣凈化廠的主要工藝流程，盡量減少對集氣站已建設(shè)備的擾動(dòng)，降低管網(wǎng)和站場改造成本?；谇叭齻€(gè)方面考慮將增壓裝置設(shè)置在氣井附近或集氣站進(jìn)站處，已建采、集氣管網(wǎng)不受影響，廢棄井壓力越低井口可操作性越靈活。從最后一方面考慮，將增壓裝置設(shè)置在集氣站出口或凈化廠進(jìn)站處，對已建站場設(shè)備擾動(dòng)最小。經(jīng)分析得出4種增壓方式：井場增壓、末站集中增壓、集氣站增壓和分散增壓（兩地三級增壓模式）。

2.2 增壓方式對比分析

2.2.1 井場增壓

井場設(shè)置增壓裝置，天然氣增壓后進(jìn)入已建采氣管網(wǎng)，輸往集氣站。井場增壓可以最大限度降低氣藏廢棄井壓力，提高氣井采收率，調(diào)度靈活性高，且不改變下游采、集氣管網(wǎng)壓力級制。井場一般在偏遠(yuǎn)地區(qū)且無人值守，一個(gè)井區(qū)有幾十或上百個(gè)井場，井場增壓數(shù)量多，管理難度大，投資費(fèi)用高，目前井場增壓不具備條件。

2.2.2 末站集中增壓

末站增壓是指僅在進(jìn)入天然氣凈化廠前進(jìn)行增壓，具有投資少、管理方便、人員和運(yùn)行成本相對較低的特點(diǎn)。末站集中增壓，井口壓力較高（按凈化廠1.0 MPa反推，井場壓力為2.7 MPa），廢棄井壓力太高，氣井采收率低，井筒需注醇，多數(shù)集氣管網(wǎng)流速大于15 m/s，需增加復(fù)線，因此不再贅述該增壓方式。

2.2.3 集氣站增壓

集氣站單站增壓，基于集氣站現(xiàn)有工藝流程與設(shè)備，采氣干管進(jìn)站天然氣經(jīng)站內(nèi)已建生產(chǎn)分離裝置后進(jìn)入增壓裝置，經(jīng)增壓后計(jì)量外輸至凈化廠。單站增壓可有效地降低廢氣井壓力，集氣站增壓后出口壓力與原中壓集輸壓力級制一致，因此管網(wǎng)滿足輸氣量要求。增壓裝置設(shè)置于生產(chǎn)分離器之后，井場來氣為低壓運(yùn)行，因此需進(jìn)一步對采氣管網(wǎng)和生產(chǎn)分離器進(jìn)行校核。

2.2.4 分散增壓（兩地三級增壓模式）

兩地即在集氣站和處理廠分別設(shè)置增壓，三級則表示集氣站2 級增壓、處理廠1 級增壓。集氣站增壓，降低了廢棄井壓力，井口不會形成水合物，井口不加熱、不注醇，井場產(chǎn)能得到持續(xù)充分釋放，大大增加了穩(wěn)產(chǎn)年限，達(dá)到提高單井累計(jì)產(chǎn)氣量和氣田經(jīng)濟(jì)效益的目的。該種增壓方式壓縮機(jī)數(shù)量多，人員和管理費(fèi)用增加，需進(jìn)一步進(jìn)行經(jīng)濟(jì)對比分析。

通過以上對比分析可知，對于單井產(chǎn)量低、井口數(shù)量多、區(qū)域分布廣的井區(qū)，不具備井場增壓和末站集中增壓的實(shí)施條件。以下主要對集氣站增壓和分散增壓進(jìn)行管網(wǎng)及設(shè)備適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)效益的詳細(xì)對比分析。

2.3 增壓方案比選

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際調(diào)研及資料收集，通過采氣與集氣干線數(shù)值模擬、集氣站增壓配套工藝技術(shù)研究，充分利用已建集輸管網(wǎng)，在不新建采氣干線和集氣管線的前提下，最大限度降低廢棄井壓力、延長氣田穩(wěn)產(chǎn)年限、提高采收率，實(shí)現(xiàn)氣田增產(chǎn)增效的最終目標(biāo)。依據(jù)地質(zhì)及氣藏開發(fā)相關(guān)資料，氣井單井的廢棄產(chǎn)量取0.1×104m3/d，最低井口廢棄壓力取1.0 MPa，本文以此數(shù)據(jù)作為集氣站進(jìn)站壓力的基礎(chǔ)參數(shù)。

2.3.1 采氣管網(wǎng)校核

兩種增壓方式的采氣管道均按照集氣站進(jìn)站壓力（1.0 MPa）反算井口壓力，輸送壓力1.0～1.55 MPa，流速2.27～10.39 m/s。采氣管道流速基本都在3～8 m/s范圍內(nèi)，僅采氣干線末端流速略高于經(jīng)濟(jì)流速，采氣管網(wǎng)能夠滿足輸氣量及壓力要求。當(dāng)進(jìn)站壓力低于1.0 MPa時(shí)，采氣管網(wǎng)輸氣能力大幅度下降，同時(shí)多數(shù)井場輸送流速過高，因此井口壓力在1.0～1.55 MPa之間，滿足井口不加熱、不注醇的要求。

2.3.2 集氣管網(wǎng)校核

集氣干線的選取應(yīng)綜合考慮夏季中壓、冬季低壓運(yùn)行工況，對已建管道按照低壓工況進(jìn)行模擬計(jì)算。對于氣液兩相混輸管道，其流速宜控制在3～8 m/s，這樣既可保證氣體有一定的攜液能力，又可防止出現(xiàn)因氣液流速過快而造成沖刷腐蝕[5]。

采用單站增壓方式，集氣管道及各站出站壓力與目前實(shí)際運(yùn)行工況一致，且各集氣站實(shí)際氣量及未來預(yù)測氣量值均小于各站原設(shè)計(jì)規(guī)模，因此已建集氣管網(wǎng)能夠滿足輸氣量要求[6]。

采用分散增壓方式，在集氣站和處理廠分別設(shè)置增壓裝置，以處理廠進(jìn)行一級增壓對集氣管網(wǎng)進(jìn)行校核。當(dāng)進(jìn)站壓力為0.3～0.8 MPa 時(shí)，采用三級壓縮；當(dāng)進(jìn)站壓力為0.8～2.0 MPa 時(shí)，采用兩級壓縮；當(dāng)進(jìn)站壓力大于2.0 MPa 時(shí)，采用單級壓縮，可滿足外輸壓力（4.85～5.7 MPa）要求。因此，處理廠按照最低進(jìn)口壓力2.0 MPa 進(jìn)行水力計(jì)算，集氣干線流速核算結(jié)果見表1。

表1 集氣干線核算結(jié)果

經(jīng)過校核，已建集氣管網(wǎng)輸氣量滿足處理廠2.0 MPa進(jìn)站要求。處理廠壓縮機(jī)入口壓力2.0 MPa，出口壓力4.85 MPa，壓縮機(jī)功率4 000 kW。

根據(jù)已建集氣站分布情況及集氣管網(wǎng)流速，按照1#集氣站、2#集氣站納入3#集氣站進(jìn)行區(qū)域增壓，5#集氣站納入6#集氣站進(jìn)行區(qū)域增壓的方案，進(jìn)行可行性分析，核算結(jié)果見表2。

表2 區(qū)域增壓核算結(jié)果

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果可知，1#集氣站、2#集氣站納入3#集氣站進(jìn)行區(qū)域增壓，管道流速過高，會加劇管線腐蝕；集氣站回壓過高，反推采氣管道壓力2.67～2.97 MPa，井口壓力過高，井筒容易形成水合物，井口需注醇或加熱，因此該區(qū)域增壓方式不可行；5#集氣站納入6#集氣站進(jìn)行區(qū)域增壓，管道流速在3～8 m/s范圍內(nèi)，最遠(yuǎn)端井口壓力小于2.0 MPa，冬季井筒不會形成水合物，井口不加熱、不注醇，不會造成冰堵現(xiàn)象，因此該區(qū)域增壓方式可行。

2.4 方案對比

集氣站增壓和分散增壓（兩地三級增壓）對比分析結(jié)果如表3所示。

表3 分散增壓與集氣站增壓對比分析結(jié)果

由表3 可知，兩種增壓方式均能使低壓氣井產(chǎn)能得到充分釋放，且能滿足外輸壓力需求。

分散增壓方式特點(diǎn)：壓縮機(jī)數(shù)量多，一次性采購成本高；優(yōu)點(diǎn)在于單臺功率小、噪音小、運(yùn)行成本低，開發(fā)后期靈活性更高，15a 運(yùn)件費(fèi)用現(xiàn)值比集氣站增壓少3 826.43萬元。在夏季生產(chǎn)過程中充分利用地層壓力，集氣站壓縮機(jī)不開啟，僅在處理廠增壓，處理廠進(jìn)站壓力2.0～2.3 MPa，處理廠出站壓力4.85 MPa；在冬季生產(chǎn)過程中，集氣站及凈化廠兩地均增壓，集氣站進(jìn)站壓力1.0 MPa，出站壓力2.0～3.13 MPa，處理廠進(jìn)站壓力2.0 MPa，處理廠出站壓力4.85 MPa。1#～4#集氣站、6#集氣站各設(shè)置壓縮機(jī)1 臺，處理廠設(shè)置壓縮機(jī)2 臺。經(jīng)綜合比較、分散增壓模式更具優(yōu)勢。

2.5 生產(chǎn)分離器校核

增壓開采，集輸系統(tǒng)由原來的中壓運(yùn)行轉(zhuǎn)為中低壓運(yùn)行模式，新增壓縮機(jī)設(shè)置于生產(chǎn)分離器之后，生產(chǎn)分離器進(jìn)口壓力由原4.85～5.7 MPa降低至1.0 MPa，分離器處理能力也隨之降低。按照集氣站進(jìn)站壓力1.0 MPa 對不同規(guī)模生產(chǎn)分離器進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 不同規(guī)模生產(chǎn)分離器直徑計(jì)算

3 結(jié)論

1）通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，推薦氣田增壓方式為分散增壓方式（兩地三級增壓），同時(shí)根據(jù)站場布局考慮部分站場進(jìn)行區(qū)域增壓。

2）兩地三級增壓模式充分利用氣田已建集輸系統(tǒng)，最大限度降低廢棄井壓力，延長穩(wěn)產(chǎn)年限，提高氣田采收率，同時(shí)滿足管網(wǎng)及下游用戶壓力需求，是目前氣田開發(fā)后期最靈活、適應(yīng)性最高的增壓模式。

3）氣田開發(fā)后期，區(qū)塊轉(zhuǎn)為中低壓集氣生產(chǎn)工藝，采用兩地三級增壓模式，處理廠進(jìn)站壓力維持原生產(chǎn)狀況，無需對脫酸、脫水等設(shè)備進(jìn)行更換或改造，但需對增壓前集氣站設(shè)備、管道等進(jìn)行校核。