徐深氣田氣井生產(chǎn)中后期電熱帶老化問題研究

晁萌

大慶油田有限責(zé)任公司采氣分公司（儲(chǔ)氣庫(kù)分公司）

徐深氣田2006 年開發(fā)建設(shè)以來，全面應(yīng)用了電伴熱工藝，通過電熱能交換補(bǔ)充設(shè)備及管道的熱損失，維持流動(dòng)介質(zhì)最合理的運(yùn)行溫度。電熱帶沿管道方向或者設(shè)備表面敷設(shè)，均勻發(fā)熱，滿足工藝升溫、保溫或防凍的要求。氣田應(yīng)用恒功率電熱帶，通電后功率一直保持穩(wěn)定，不隨外界環(huán)境溫度、保溫材料、伴熱材質(zhì)的變化而變化，供熱穩(wěn)定。

1 電伴熱防凍工藝

徐深氣田已應(yīng)用電熱帶總量超過400 km，主要用于井口、采氣管道和站場(chǎng)工藝設(shè)備的伴熱保溫。電熱帶按照工作原理分為串聯(lián)電熱帶和并聯(lián)電熱帶，其中串聯(lián)電熱帶主要應(yīng)用于長(zhǎng)距離、大功率的采氣管道伴熱，能有效減少電壓衰減；并聯(lián)電熱帶用于短距離站內(nèi)管道及設(shè)備伴熱。在技術(shù)優(yōu)化上，氣井井口應(yīng)用了并聯(lián)電伴熱功率調(diào)配技術(shù)，在井口增加大電阻的并聯(lián)電熱帶回路，增加井口伴熱功率的同時(shí)減少采氣管道伴熱功率，實(shí)現(xiàn)氣井工藝設(shè)備按需伴熱[1-2]。在站內(nèi)通過優(yōu)化工藝區(qū)溫控布局，實(shí)現(xiàn)分散精準(zhǔn)控制單井電熱帶運(yùn)行，整體降低電能消耗。

電伴熱防凍工藝具有操作靈活、控溫精準(zhǔn)、可靠性高等特點(diǎn)。電熱帶在安裝時(shí)能按照現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要任意剪裁，且具有柔軟性，可以直接與管道、儀表、設(shè)備表面接觸，溫度分布均勻可控，伴熱效果好；其外層的編織層還能有效起到傳熱、散熱及安全接地線的作用；施工安裝簡(jiǎn)單方便，可實(shí)現(xiàn)工藝管道的盲端、低點(diǎn)排污、儀表、閥門等位置全覆蓋，有效解決局部?jī)龆聠栴}；各井電熱帶可實(shí)現(xiàn)單獨(dú)控制，根據(jù)氣井生產(chǎn)情況控制最低運(yùn)行溫度，有效降低能耗[3]。

電熱帶正常使用壽命為8年，電熱帶老化后故障率高，熱效率降低，發(fā)熱體及絕緣材料變硬、變脆，輕微觸碰或彎曲即造成發(fā)熱絲折斷，導(dǎo)致并聯(lián)電熱帶局部不熱，串聯(lián)電熱帶整體失效，無法滿足工藝伴熱需求。絕緣層老化后可能造成局部短路，形成局部200 ℃左右的高溫，氣田曾出現(xiàn)過局部保溫層被燒毀的現(xiàn)象。電熱帶斷點(diǎn)位置不易查找，更換時(shí)需要拆除保溫層，埋地部分需要挖方，在冬季維修難度大，更新改造的投資過高。

目前氣田在用的電熱帶有47%以上的運(yùn)行年限已超過8年，老化嚴(yán)重，故障率高，其中有14條管道，由于征地困難一直無法更換，已嚴(yán)重影響氣田生產(chǎn)，每天影響產(chǎn)量在20×104m3以上。電熱帶老化故障問題已制約了氣田的生產(chǎn)，亟需解決。

2 技術(shù)研究

天然氣水合物是在一定壓力和溫度條件下，天然氣中氣體組分和液態(tài)水生成的一種不穩(wěn)定的、具有非化合性質(zhì)的晶體，外觀類似松散的冰或致密的雪。水合物在井口節(jié)流閥或地面管線中生成時(shí)，會(huì)降低井口壓力，使下游壓力降低，嚴(yán)重時(shí)凍堵管線，造成供氣中斷或引起工藝設(shè)備超壓運(yùn)行，引發(fā)生產(chǎn)事故。

氣田地面防凍技術(shù)有電熱帶伴熱保溫、加注抑制劑、熱水伴熱保溫、單井脫水等技術(shù)[4]。氣田建設(shè)之初，為保障高壓氣在井口節(jié)流降壓后不凍堵，配套建設(shè)了井口注醇工藝。因此，注醇防凍是解決電熱帶老化問題的首選措施，既可以節(jié)約電熱帶更新改造的投資，又可避免施工對(duì)氣井正常生產(chǎn)的影響，實(shí)現(xiàn)井口與地面一體化防凍。

2.1 注醇工藝

地面注醇工藝主要分為站內(nèi)集中注醇和井口自動(dòng)加藥裝置注醇兩種。其中站內(nèi)注醇工藝是在集氣站內(nèi)建設(shè)甲醇泵房，配置柱塞計(jì)量泵，通過與采氣管道同溝敷設(shè)的注醇管道加注至井口。甲醇加注采用多泵對(duì)多井工藝，即多臺(tái)機(jī)泵可以通過匯管流程的切換將甲醇注入到每口氣井。相比單泵對(duì)單井工藝，現(xiàn)有工藝優(yōu)化了計(jì)量泵數(shù)量的同時(shí)，還實(shí)現(xiàn)了計(jì)量泵的互為備用，保障了加藥工藝運(yùn)行穩(wěn)定性和高效性。在徐深氣田部分井口試驗(yàn)應(yīng)用了井口智能自動(dòng)加藥裝置，可實(shí)現(xiàn)甲醇及泡排劑等藥劑自動(dòng)加注[5]。裝置主要由供電系統(tǒng)、泵注系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三部分組成。其采用光伏板供電，太陽(yáng)能電池板將光能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在蓄電池中，當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)出指令時(shí)，驅(qū)動(dòng)繼電器吸合，電機(jī)驅(qū)動(dòng)注劑泵工作，將藥劑箱內(nèi)的甲醇通過注劑管線注入氣井各節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)井口自動(dòng)化藥劑加注目的。裝置內(nèi)置PLC控制系統(tǒng)，可在系統(tǒng)人機(jī)界面上設(shè)定甲醇的加注時(shí)間、加注量等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)定時(shí)定量精準(zhǔn)加注及遠(yuǎn)程操控。裝置為橇裝設(shè)計(jì)，具有運(yùn)輸方便、安裝時(shí)間短、可移動(dòng)拆卸等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好。

2.2 醇加注量

為研究注醇工藝與電伴熱工藝技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比，選擇了5口壓力、產(chǎn)量、產(chǎn)水量、采出水礦化度不同的氣井開展了注醇防凍現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，采用天然氣水合物壓力-溫度曲線預(yù)測(cè)其生成溫度，結(jié)合大慶地區(qū)地溫變化特點(diǎn)，根據(jù)管道溫降計(jì)算公式預(yù)測(cè)氣井氣最低進(jìn)站溫度。通過理論與實(shí)際水合物生成溫度對(duì)比[6]（表1），研究注醇量的影響因素，摸索合理注醇量，指導(dǎo)后期注醇工作。

表1 5口試驗(yàn)井生產(chǎn)參數(shù)Tab.1 Production parameters of 5 test wells

通過調(diào)整井場(chǎng)一級(jí)節(jié)流閥不同開度，控制節(jié)流后的壓力和溫度，反復(fù)試驗(yàn)各種壓力、溫度下合理注醇量。其中一組試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 理論注醇量與實(shí)際注醇量Tab.2 Theoretical methanol injection volume and actual methanol injection volume

以A 井為例，在相對(duì)密度0.583 1、壓力6.25 MPa 的條件下，水合物生成溫度為13.5 ℃。按照井口溫度9.2 ℃，管道長(zhǎng)度1.9 km，地下溫度0 ℃[7-8]，日產(chǎn)氣量3.4×104m3，日產(chǎn)水量2.03 m3計(jì)算，該井進(jìn)站溫度為8 ℃，合理注醇量為278 kg/d。按照理論計(jì)算公式可知，注醇量隨著天然氣進(jìn)站壓力升高、溫度降低、產(chǎn)水及產(chǎn)氣量的上升而線性增加[9]。試驗(yàn)中，5 口氣井在冬季生產(chǎn)期間每天注入111～842 kg甲醇作為防凍措施，通過每口井連續(xù)15天的試驗(yàn)觀察，在無伴熱情況下氣井未發(fā)生凍堵，計(jì)算的理論注醇量可以保障氣井的穩(wěn)定運(yùn)行，保障氣井平穩(wěn)安全生產(chǎn)，具有一定的向下優(yōu)化空間。

2.3 技術(shù)對(duì)比

通過對(duì)比電伴熱工藝和注醇工藝兩種防凍工藝措施，電伴熱工藝具有建設(shè)前期施工方便、自動(dòng)調(diào)溫運(yùn)行、無泄漏、有利于保護(hù)環(huán)境和員工健康等優(yōu)點(diǎn)，但也存在耗電量高、生產(chǎn)運(yùn)行后期故障多、維修難度大、整體更換投資高的劣勢(shì)。

注醇工藝需長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行機(jī)泵，注醇量與氣井壓力、溫度及產(chǎn)水量密切相關(guān)，需要根據(jù)氣井生產(chǎn)參數(shù)變化人工調(diào)節(jié)機(jī)泵運(yùn)行，機(jī)泵型號(hào)選擇和工藝匹配上不易實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。單臺(tái)機(jī)泵損壞維修時(shí)，可通過其他泵組保障加藥運(yùn)行，操作靈活性較大。井口加藥裝置可實(shí)現(xiàn)甲醇自動(dòng)定量加注。電源采用了光伏供電，供電穩(wěn)定性受天氣影響，穩(wěn)定性較差，今后應(yīng)根據(jù)氣井分布及供電網(wǎng)絡(luò)建設(shè)情況，進(jìn)行線路供電與光伏供電的優(yōu)化選擇。

3 經(jīng)濟(jì)對(duì)比

通過計(jì)算5口試驗(yàn)氣井的新建電伴熱工藝年綜合費(fèi)用、更換電伴熱工藝年綜合費(fèi)用、注醇防凍工藝年綜合費(fèi)用，優(yōu)選不同時(shí)期具有較好經(jīng)濟(jì)效益的防凍工藝措施。其中電伴熱工藝綜合費(fèi)用包括建設(shè)費(fèi)用、電能消耗及維護(hù)維修費(fèi)用等[10]。新建電伴熱工藝由于建設(shè)初期電熱帶與采氣管道同步建設(shè)、同溝敷設(shè)，建設(shè)投資不包含征地費(fèi)及土方費(fèi)用。注醇工藝綜合費(fèi)用包括建設(shè)費(fèi)用、甲醇成本、電能消耗及機(jī)泵維護(hù)費(fèi)用等。5口氣井按照每年防凍工藝運(yùn)行150 天，電熱帶壽命按照8 年計(jì)算，應(yīng)用注醇工藝與更換電伴熱工藝相比，總計(jì)可節(jié)省綜合費(fèi)用47.52萬(wàn)元。氣井防凍工藝年綜合費(fèi)用見表3。

表3 氣井防凍工藝年綜合費(fèi)用Tab.3 Annual comprehensive cost of gas well antifreeze technology

通過參數(shù)計(jì)算可知，電伴熱工藝適用于產(chǎn)水量較大、采氣管道距離短的氣井；注醇工藝適用于產(chǎn)水量較小、采氣管道距離長(zhǎng)的氣井；在進(jìn)行電熱帶更換改造時(shí)涉及舊的保溫層及電熱帶拆除涉及的土方量、作業(yè)面較大，比新建投資費(fèi)用高，每千米建設(shè)投資約為46.5 萬(wàn)元，折舊到每年綜合費(fèi)用較大，經(jīng)濟(jì)效益較差。

另外，熱水伴熱保溫需要考慮加熱爐、循環(huán)泵，以及重新鋪設(shè)伴熱水管線，改造投資過高，單井井口脫水同樣存在投資過高問題，在經(jīng)濟(jì)方面與注醇工藝不存在可比性。

4 結(jié)論

氣井生產(chǎn)中后期，在電熱帶老化嚴(yán)重時(shí)，注醇防凍工藝與更換電伴熱工藝相比具有較明顯經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，可結(jié)合氣井實(shí)際運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行防凍措施優(yōu)選。

在產(chǎn)水量大、采氣管道距離短的氣井上進(jìn)行電熱帶更換比注醇工藝合理；在產(chǎn)水量小、采氣管道距離長(zhǎng)的氣井采用注醇工藝更為經(jīng)濟(jì)。集氣站內(nèi)為避免工藝盲端、引壓管道及低點(diǎn)積液等位置凍堵，建議仍采用電伴熱工藝。

下步將開展一井一策技術(shù)研究，進(jìn)一步探索電熱帶更換與注醇防凍經(jīng)濟(jì)界限，指導(dǎo)氣井防凍工藝選擇路線。另外，隨著注醇防凍氣井增多，注醇量的增加，需開展甲醇回收工藝技術(shù)研究，進(jìn)一步降低藥劑成本，便于注醇工藝大規(guī)模應(yīng)用。