頁巖氣多井組平臺地面測試工藝流程優(yōu)化研究

涂 敖, 王 圣, 謝 奎

1中國石油川慶鉆探工程有限公司試修公司 2中國石油川慶鉆探工程有限公司川西鉆探公司

0 引言

頁巖氣在能源消費中占有越來越重要的地位，不過其開采技術仍有許多需要攻克的技術難點，地面測試作為頁巖氣開發(fā)的技術支撐之一，起著節(jié)流降壓、捕屑除砂、分離計量等作用，測試流程(即測試設備及管線的工藝布局)的優(yōu)化簡化步伐一直沒有停止[1-2]。四川氣田常規(guī)井勘探開發(fā)中，地面測試作業(yè)普遍存在高溫、高壓、高產、高含硫特點,而長寧—威遠示范區(qū)頁巖氣井產量和壓力相對較低，加之頁巖氣低成本作業(yè)的需求，存在對地面測試作業(yè)在頁巖氣勘探開發(fā)中重要性的片面認識[3]，頁巖氣測試流程及裝備主要來源于常規(guī)井地面流程，兼顧了常規(guī)及非常規(guī)天然氣井的作業(yè)需求，雖經幾輪優(yōu)化設計，仍存在流程占地廣、設備處理能力過剩、不能掌握單井實時數(shù)據等問題，因此有必要進行針對性研究，提出技術對策。

1 頁巖氣排采流程優(yōu)化的主要難點

1.1 頁巖氣測試流程設備多、占地廣、安裝周期長

頁巖氣井測試沒有專有的測試流程及裝備，設備數(shù)量多、體積大、管線長、流程占地面積廣且安裝周期長(表1)。頁巖氣開發(fā)一直強調成本控制，要求排采流程盡量簡化，雖經過頁巖氣規(guī)模開發(fā)初期多次優(yōu)化，但為了滿足頁巖氣施工的諸多要求，在井場有限的作業(yè)空間內仍投入較多設備和管線，導致流程安裝周期長，占用場地面積大，與頁巖氣低成本、高效率開發(fā)的初衷不適應。

表1 頁巖氣地面測試流程設備數(shù)量、占地面積及安裝周期統(tǒng)計

1.2 當前輪換計量不能實時掌握單井排采數(shù)據

頁巖氣儲層滲透率低，單井產量低，排采作業(yè)前期產量變化非常明顯，需要及時掌握同一平臺各井的動態(tài)產量數(shù)據，有利于后期頁巖氣井生產制度的優(yōu)化調整及其他相關研究工作的開展。為了實現(xiàn)商業(yè)化開發(fā)，頁巖氣采用叢式井平臺布井模式[4]，通常一個平臺6口井。測試和試采過程中，需要單井準確計量產量，目前出于節(jié)約設備和場地空間考慮，多井共用設備，單平臺配備的分離器少于井口數(shù)，通常為4臺，滿足各井輪換計量的要求，必然存在2口井、甚至多口井同時進入一臺分離器進行混合計量的情況，這就對單井氣液產量的計量存在影響，取全數(shù)據與有效控制成本難以兼得[5]。

1.3 頁巖氣測試設備處理能力過剩

頁巖氣地面測試沿用常規(guī)氣井模式，使用測試分離器，先分離再計量。平臺配置4套分離器，滿足單井一對一分離計量以及合排計量需求[6]，單臺分離器處理量就達到100×104m3/d，而絕大多數(shù)平臺氣產量一般不超過150×104m3/d，以當前4臺分離器的配置，處理能力明顯過剩。

2 頁巖氣測試流程優(yōu)化的技術對策

頁巖氣開發(fā)初期，根據頁巖氣井測試工藝需求，遵從“安全、環(huán)保、高效、穩(wěn)定、連續(xù)、快速”的排液需求[7]，且在簡化地面測試流程、降本增效的前提下，地面測試流程逐漸形成4大功能模塊:井口組合模塊、捕屑除砂模塊、節(jié)流降壓模塊和分離計量模塊。其中，捕屑除砂模塊的設計已為最優(yōu)化，精簡后只有1套捕屑器、1套除砂器，且整合在一條管路上，這是因為基于對頁巖氣返排特征的認識，地層大量出砂僅在返排初期的一段時間，一般只持續(xù)3～4 h[8-10]，各單井錯峰使用1套捕屑器和除砂器，能夠滿足頁巖氣多井組平臺返排測試期間地面捕屑除砂需求。因此，測試流程進一步優(yōu)化的重點放在井口組合、節(jié)流降壓和分離計量模塊上。

2.1 優(yōu)化井口并聯(lián)分流模塊實現(xiàn)流體集中和分流

在頁巖氣多井組平臺，井筒流體的集中和分流是通過多臺臨時拼裝的閥門組合來實現(xiàn)，費時費力，隨意性強，連接出來的流程極為復雜。優(yōu)化設計的井口并聯(lián)模塊將多口井流體集中到1臺管匯并實現(xiàn)流體走向的任意分配，其上游分別與n口井的出口管道連接，下游與捕屑除砂模塊、節(jié)流降壓模塊連接。井口并聯(lián)模塊能夠將n口井中任意一口井的返排流體輸送給捕屑和除砂裝置，并將剩下n-1口井的返排流體分別輸送給節(jié)流降壓裝置。如此，井口并聯(lián)模塊可滿足6口井同時開井且井間不串壓、任意井單獨壓裂砂堵后解堵、任意井單獨鉆磨捕屑、任意井單獨高壓除砂的需求，確保開井后不隨意關井。在各井筒流體之間不干擾的情況下，井筒流體可向下游流程自由切換。

2.2 開發(fā)復式降壓分流管匯實現(xiàn)流體的集中和再分配

由于場地限制和出于成本控制的考慮，頁巖氣多井組平臺的分離器數(shù)量少于井口數(shù)量，不能達到一一對應，井筒流體在油嘴管匯節(jié)流降壓后，必須通過低壓分流管匯對井筒流體進行分流，多口井導入1臺分離器合排計量或單井導入1臺分離器單獨計量，需要使用油嘴管匯和低壓分流管匯分別達到節(jié)流降壓和低壓分流的目的。油嘴管匯和低壓分流管匯的數(shù)量多，加上兩種設備之間的連通油管，該模塊的占地面積較大。

優(yōu)化設計的復式降壓分流管匯，采用兩進口四出口的結構，兩口井同時使用一個油嘴管匯，中間油嘴作為臨時的流體通道，檢查或更換油嘴時使用。油嘴下游整合融入了低壓分配管線，節(jié)流后的井筒流體可進行低壓分流。單臺設備即實現(xiàn)了節(jié)流降壓和低壓分流兩個功能，將兩種設備集成為一種設備，使用復式油嘴管匯后，節(jié)流降壓模塊的占地面積節(jié)約了30%。

2.3 引入兩相流量計形成“單井單獨計量、平臺集中分離”計量模式

兩相流量計是一種新型計量儀器,它的最大特點就是不用經過傳統(tǒng)的氣水分離作業(yè),直接計量管線中混輸?shù)臍馑畠上嗟母髯援a量。在地層流體不需要分離的情況下,通過測量器具進行總量測算,采用特殊技術得出地層流體中各單相所占的比率,進而對數(shù)據處理運算得出各單相流體的流量[11-12]。

在我國頁巖氣開采力度的加大和“降本增效”的大背景下，兩相流量計有著體積小、結構緊湊、工藝簡潔、維護保養(yǎng)少、全面反映排液測試動態(tài)(包括壓力、氣、液變化)等獨特優(yōu)勢，引入“兩相流量計”可取消部分計量用分離器、計量管線以及計量匯管,而且兩相流量計節(jié)約了空間，使現(xiàn)有測試流程的進一步優(yōu)化得以實現(xiàn)[13-14]，對于單井的產量計量，不用再使用分離器進行逐一分離，直接將各井流體導入兩相流量計，即可隨時獲知各井產量的連續(xù)數(shù)據，實現(xiàn)單井全過程動態(tài)管理[15]。根據近年來對頁巖氣返排特征的認識，頁巖氣多井組平臺總氣產量介于50×104～150×104m3/d之間，而測試分離器的氣處理能力為100×104m3/d，因此在測試階段引入兩相流量計后，頁巖氣平臺配置的分離器可從原來的3～4臺縮減至1～2臺，可實現(xiàn)設備管線數(shù)量的減少和測試工藝的簡化。

3 頁巖氣地面測試流程的優(yōu)化定型

通過上述技術措施，頁巖氣平臺地面測試流程得到進一步優(yōu)化：一是利用多流程井口并聯(lián)模塊化布局，在井口處實現(xiàn)了流體集中和分流，解決了多井眼、多工況同時作業(yè)的難題，可同時滿足6口井分別進行加砂壓裂、鉆塞洗井、返排測試等作業(yè)；二是利用復式油嘴管匯對節(jié)流降壓模塊進行優(yōu)化，1臺設備可對2口井進行測試，并將油嘴管匯和低壓分流管匯2種設備的功能整合進1種設備，在節(jié)流后實現(xiàn)了測試設備間流體的集中和再分配，在提高作業(yè)效率的同時也減小了流程的占地面積；三是通過引入非分離氣液計量技術，改變了傳統(tǒng)的計量模式，滿足了平臺井單井實時計量的需求，常規(guī)測試分離器的數(shù)量縮減至1臺，同時大幅減少工藝管線數(shù)量。優(yōu)化后的流程簡明清晰，一目了然，功能齊全，如圖1所示。

圖1 優(yōu)化后的頁巖氣多井組平臺地面測試流程

流程設備:井口并聯(lián)管匯1臺、捕屑器1臺、除砂器1臺、油嘴管匯3臺、兩相流量計6臺、分離器1臺。

測試工藝流程：井口→井口并聯(lián)管匯→捕屑器→除砂器→油嘴管匯→兩相流量計→分離器→燃燒池/輸氣撬。

4 現(xiàn)場應用

優(yōu)化后的地面測試工藝流程在長寧、威遠等頁巖氣示范區(qū)進行了近10個4或6井組頁巖氣平臺的現(xiàn)場應用，實現(xiàn)了“單井實時計量，平臺集中分離”，減少了設備數(shù)量，縮減了流程占地面積，提高了流程安裝效率。

以WH38平臺為例，該平臺部署4口氣井，排采期間單井氣相產量在0.4×104～20×104m3之間，單井液相產量在55～264 m3之間。本平臺應用了模塊化的地面測試流程，通過井口并聯(lián)模塊高效實現(xiàn)流體的集中與分配，節(jié)流降壓模塊整合流體降壓和低壓分配功能，分離計量模塊完成單井實時計量和氣液集中分離外輸。

在氣液計量方面，每口井均配置1臺氣液兩相流量計，實時獲取單井產量。計量數(shù)據與高級孔板流量計和渦輪液體流量計的標準值進行對比驗證，結果氣相日產量相對偏差小于5%的數(shù)據占總樣本97.78%，液相日產量相對偏差小于5%的數(shù)據占總樣本93.33%，表明氣液兩相流量計的測量值能與標準值達到較好的一致性。

在測試流程優(yōu)化效果方面，由于兩相流量計的應用，WH38平臺在排采階段分離器縮減至1臺，而常規(guī)模式需要3臺，優(yōu)化后分離器用量減少66%；由此帶來的管線用量從常規(guī)模式的平均1 991 m縮減至1 180 m，減少40.7%；優(yōu)化后的流程占地面積也減小33%。由于分離器和工藝管線的大幅減少，W204H38平臺地面測試流程的安裝效率得到進一步提高，安裝完整測試流程的時間為7 d，較常規(guī)模式的安裝周期(平均為10.6 d)縮短33.9%。

5 結論與認識

通過優(yōu)化井口并聯(lián)模塊和節(jié)流降壓模塊，并把非分離式的氣液計量技術引入頁巖氣測試作業(yè)中，改進了頁巖氣平臺井計量模式，并進一步優(yōu)化簡化了地面測試流程，通過現(xiàn)場試驗和適應性分析，得出如下結論：

(1)優(yōu)化改進了井口組合管匯和降壓分流復式油嘴管匯，將多件、多種設備的功能集成到一件撬裝管匯上，提高了設備的集成化程度，簡化了工藝流程。

(2)引入非分離氣液實時計量技術，形成了適用于頁巖氣多井組平臺的“單獨計量、集中分離”氣液計量與分離技術，兩相流量計單井計量，分離器集中分離外輸，為氣田生產決策提供單井實時和準確的數(shù)據，減少了分離器數(shù)量，進一步優(yōu)化簡化了頁巖氣地面測試流程。

(3)優(yōu)化簡化后形成的頁巖氣地面測試工藝流程，解決了將常規(guī)測試流程應用于頁巖氣多井組平臺帶來的設備管線多、流程占地面積廣、設備處理能力過剩等問題，達到了降本增效的目的，適合頁巖氣工廠化生產模式的需求。