蘇里格氣田采氣集氣工藝及管網(wǎng)模擬研究現(xiàn)狀*

楊旭鵬 王曉軍 韓子劍 雷鳴 李棟 王瑞 馬云

1西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院

2中國(guó)石油天然氣股份有限公司長(zhǎng)慶油田分公司第六采氣廠

3西部低滲-特低滲油藏開(kāi)發(fā)與治理教育部工程研究中心

蘇里格地區(qū)位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡西部，西起內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂托克前旗，東到陜西省靖邊縣，北起內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂托克旗，南至陜西省吳旗縣，勘探面積約4×104km2[1]，是目前我國(guó)產(chǎn)氣量最大的氣田。蘇里格氣田開(kāi)采至今已形成了一套屬于蘇里格氣田獨(dú)有的采氣方式與集輸工藝流程，并形成了非常規(guī)天然氣及低滲透致密砂巖氣藏開(kāi)發(fā)配套技術(shù)和開(kāi)發(fā)模式[2-4]。

1 蘇里格氣田采氣集氣工藝流程

1.1 井下工藝現(xiàn)狀

1.1.1 節(jié)流技術(shù)

低壓、低滲氣田地層能量容易流失，水合物的生成導(dǎo)致井筒產(chǎn)生積液，影響正常生產(chǎn)。井下節(jié)流技術(shù)作為蘇里格氣田中低壓集輸模式的關(guān)鍵，該工藝原理是將活動(dòng)節(jié)流氣嘴安裝在油管內(nèi)合適位置，利用天然地溫的熱能，升高節(jié)流后井口溫度，防止井筒形成水合物而造成井筒堵塞的一種工藝措施，該工藝現(xiàn)已在蘇里格氣田全面使用[5]。技術(shù)優(yōu)勢(shì)如下[6]：

（1）改變形成氣體水合物的前置條件，在合適位置安置井下節(jié)流器，創(chuàng)造壓降、溫降條件，這樣不但可以防止井筒附近產(chǎn)生水合物，而且可以降低注醇量甚至取消地面加熱裝置。

（2）井下節(jié)流技術(shù)可提升氣井的攜液能力，從而提高產(chǎn)量。

（3）削弱原有井口壓力對(duì)井底壓力的影響，減少低滲壓敏效應(yīng)對(duì)地層造成的傷害，從而增加穩(wěn)產(chǎn)年限，使產(chǎn)量增加，提高經(jīng)濟(jì)效益。

1.1.2 新型井下節(jié)流器研發(fā)

傳統(tǒng)井下節(jié)流器易出現(xiàn)各種問(wèn)題，如彈簧、活塞、機(jī)械壓縮式節(jié)流器等在井筒內(nèi)下放過(guò)程中發(fā)生誤坐封；膠筒因開(kāi)關(guān)井氣壓改變或腐蝕導(dǎo)致?lián)p壞；生產(chǎn)中伴隨出砂及井中各種雜質(zhì)的析出易形成卡瓦或膠筒解封，造成打撈不便。新型鎖芯式井下節(jié)流器[7]（圖1），經(jīng)2011～2013 年現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明：該節(jié)流器投放性能良好、坐封嚴(yán)密、膠筒密封完好，一次打撈成功率在90%以上，不僅優(yōu)化了節(jié)流器的各項(xiàng)性能，還規(guī)避了上述問(wèn)題，現(xiàn)已大批量投入使用，符合蘇里格氣田經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)的需求。

圖1 新型鎖芯式井下節(jié)流器Fig.1 New type of lock core downhole throttling device

1.1.3 井口高低壓截?cái)嗉夹g(shù)

井下節(jié)流器出現(xiàn)失效、管線(xiàn)堵塞等緊急狀況，壓力驟升使地面管線(xiàn)中壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障，導(dǎo)致產(chǎn)氣量大幅下降。管線(xiàn)內(nèi)部腐蝕或意外泄漏同樣會(huì)使井口壓力降低，出現(xiàn)系統(tǒng)壓差問(wèn)題，故在井口安裝高低壓緊急關(guān)斷閥至關(guān)重要，可減少井下節(jié)流器及采氣管線(xiàn)故障導(dǎo)致的安全問(wèn)題[8]。

突發(fā)情況出現(xiàn)時(shí)高低壓緊急關(guān)斷閥功能如下[9]：

（1）井下節(jié)流裝置有損壞的風(fēng)險(xiǎn)，一旦出現(xiàn)井底高壓驟升至井口，超出壓力設(shè)定值后，安裝在井口節(jié)流閥后的高低壓緊急關(guān)斷閥會(huì)啟動(dòng)，將閥門(mén)關(guān)斷，可確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。

（2）采氣管道在生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)意外情況時(shí)，管道壓力驟降，低于壓力設(shè)定值后，閥門(mén)會(huì)關(guān)斷，減少天然氣泄漏，確保系統(tǒng)安全運(yùn)行。

1.2 采氣管線(xiàn)工藝現(xiàn)狀

1.2.1 單井采氣管網(wǎng)串接技術(shù)

隨著生產(chǎn)年限增加，單井產(chǎn)量逐漸衰退，由于單井井位部署密集，若直接接入集氣站，不滿(mǎn)足長(zhǎng)距離、多數(shù)量與經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)的需求。此時(shí)優(yōu)化新老井的連接方式顯得尤為重要，故蘇里格氣田對(duì)采氣管線(xiàn)的安裝形式進(jìn)行了革新。

單井串接即通過(guò)采氣支管把相鄰幾口氣井串接到采氣干管，匯合后集中進(jìn)站，其形式主要分為就近插入放射狀（圖2）和井間串接放射狀（圖3）。其主要優(yōu)點(diǎn)是縮短采氣管線(xiàn)長(zhǎng)度，增加集氣站管轄井?dāng)?shù)量，降低管網(wǎng)投資，減少對(duì)植被的破壞，提高采氣管網(wǎng)對(duì)氣田滾動(dòng)開(kāi)發(fā)的適應(yīng)性[10]。少量的挖掘、填埋符合環(huán)保建設(shè)要求，達(dá)到了長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展的理念。

圖2 就近插入放射狀采氣管網(wǎng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of radial gas production pipe network inserted nearby

圖3 井間串接放射狀采氣管網(wǎng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of radial gas production pipe network connected in series between wells

就近插入模式：集氣站以放射狀布局采氣干管，相鄰的氣井就近連接至下一口氣井，單井以距離最短垂直接入采氣干管。

井間串接模式：集氣站以放射狀布局采氣干管，采氣支管通常沿固定方向鋪設(shè)，單井井場(chǎng)就近接入附近采氣支管。

總結(jié)蘇里格氣田現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施情況，對(duì)比2 種采氣管網(wǎng)形式的優(yōu)缺點(diǎn)[11]（表1）。

表1 2種采氣管網(wǎng)形式優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比Tab.1 Comparison of advantages and disadvantages of two gas production pipe network forms

為提高蘇里格氣田滾動(dòng)開(kāi)發(fā)適用性，對(duì)就近接入模式與井間串接模式進(jìn)行對(duì)比。由于蘇里格氣田布井方案橫排約600 m，縱排約800 m，若直接將單井就近插入方式直接接入，會(huì)導(dǎo)致開(kāi)口較多且運(yùn)行安全難以保證，不利于滾動(dòng)開(kāi)發(fā)。采用圖4 所示井間串接放射狀管網(wǎng)模式，可以在井場(chǎng)內(nèi)完成新井接入工作，避免干擾采氣運(yùn)行，更符合滾動(dòng)開(kāi)發(fā)理念。

圖4 井間串接放射狀管網(wǎng)采氣工藝示意圖Fig.4 Schematic diagram of gas production process for radial pipe network connected in series between wells

1.2.2 中低壓集氣工藝

蘇里格氣田產(chǎn)出的天然氣為復(fù)雜氣體，但只包含微量H2S、CO2等腐蝕性組分，腐蝕性微弱適用中低壓濕氣采氣工藝。經(jīng)井下節(jié)流器節(jié)流，井口壓力約為1.5 MPa，該工藝優(yōu)化了井口至集氣站集輸流程，簡(jiǎn)化了井口加熱爐、注醇系統(tǒng)、采氣管線(xiàn)保溫系統(tǒng)（采氣管線(xiàn)埋設(shè)于冰凍線(xiàn)以下），大幅度減少運(yùn)行管理費(fèi)用，同時(shí)解決了水合物治理問(wèn)題。

1.2.3 二級(jí)增壓工藝

為減少單井壓縮系統(tǒng)能耗大、管理站點(diǎn)多、投資浪費(fèi)等情況，在集氣站與天然氣處理廠設(shè)置“兩地兩級(jí)”增壓方式，即滿(mǎn)足中低壓集氣要求，同時(shí)還能解決丙烷脫烴脫水，降低集輸管網(wǎng)工程投資。

1.3 集氣站工藝概況

1.3.1 上古生界區(qū)

2001—2006 年蘇里格氣田結(jié)合上古生界區(qū)氣藏氣體性質(zhì)與地貌特征，經(jīng)過(guò)多年的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐與技術(shù)革新，得到適用于蘇里格氣田上古生界區(qū)氣藏的地面集輸工藝流程，包括井下節(jié)流、井口不加熱、不注醇、井間串接、帶液計(jì)量、中低壓集氣、常溫分離、二級(jí)增壓、集中處理[12]。同時(shí)，解決了以下問(wèn)題[13]：①井下節(jié)流解決壓降快，無(wú)法順利提供節(jié)流制冷的壓力；②井間串接匹配新井與老井之間壓差大問(wèn)題；③中低壓集氣工藝，解決水合物的生成與堵塞問(wèn)題；④集氣站與天然氣處理廠加入增壓機(jī)與制冷裝置克服低溫脫水脫油；⑤改變?cè)型顿Y較高、不利于長(zhǎng)期開(kāi)發(fā)的狀況。

1.3.2 上、下古生界合采區(qū)

為確保上、下古生界氣藏合采區(qū)氣井順利生產(chǎn)，結(jié)合下古生界區(qū)氣藏的地貌特點(diǎn)與氣質(zhì)條件，蘇里格氣田對(duì)上、下古氣藏合采區(qū)集輸工藝進(jìn)行了優(yōu)化。合采氣井主要分布在靖邊氣田西與烏審旗氣田北，兩區(qū)域氣體含硫量相差巨大，靖邊氣田的集輸工藝適合處理高含硫天然氣，而蘇里格氣田的集輸工藝無(wú)法處理含硫天然氣，故使用現(xiàn)有集氣站集輸工藝無(wú)法順利匹配。靖邊氣田的集輸工藝特點(diǎn)為：高壓集氣、集中注醇、多井加熱、間歇計(jì)量、小站脫水、集中凈化[14]，若新建脫硫塔及配套設(shè)備，與上古生界氣藏不含硫天然氣混輸至蘇里格天然氣處理廠進(jìn)行處理，因集氣站內(nèi)工藝復(fù)雜，配套消耗品多，能耗高，脫硫效果一旦不達(dá)標(biāo)，下游流程無(wú)法處理含硫天然氣，存在不安全因素。最終確定上、下古生界氣藏合采區(qū)氣井集輸工藝為井下節(jié)流、中壓串接、集中注醇、常溫分離、集中處理[15]。

2 集輸管網(wǎng)模擬研究

2.1 研究現(xiàn)狀

國(guó)外天然氣管網(wǎng)模擬始于20 世紀(jì)60 年代，到90 年代達(dá)到成熟，開(kāi)發(fā)多款商業(yè)軟件如TGNET、PIPEPHASE 等。國(guó)內(nèi)從20 世紀(jì)90 年代開(kāi)始對(duì)管網(wǎng)模擬發(fā)展投入大量精力，同時(shí)開(kāi)發(fā)多款管網(wǎng)模擬軟件。對(duì)近幾年管網(wǎng)模擬研究進(jìn)行梳理，將管網(wǎng)模型、研究方法、優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)[16-18]（表2）。

表2 管網(wǎng)模擬主要內(nèi)容、方法及優(yōu)缺點(diǎn)Tab.2 Main contents，methods，advantages and disadvantages of pipe network simulation

2.2 模擬模型

根據(jù)天然氣管網(wǎng)中各元件和節(jié)點(diǎn)的功能和特點(diǎn)，建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型[19]。以蘇里格氣田骨架管網(wǎng)模型為例，結(jié)合蘇里格氣田的天然氣性質(zhì)及集氣輸送工藝等，對(duì)管網(wǎng)壓力進(jìn)行預(yù)測(cè)[20]。隨著輸送過(guò)程中溫度、壓力的變化，凝析液會(huì)伴隨析出，但其濕氣輸送不完全是氣液兩相流輸送，因凝析液析出較少，可認(rèn)為其為高氣液比的濕氣，近似為單相流輸送[21]。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，管網(wǎng)系統(tǒng)各點(diǎn)運(yùn)行參數(shù)幾乎不隨時(shí)間變化而變化，或變化很小可以忽略。建模時(shí)將網(wǎng)絡(luò)分解為節(jié)點(diǎn)、管道和壓縮站等，將地面集輸管網(wǎng)進(jìn)行簡(jiǎn)化，集氣站、處理廠等處理為節(jié)點(diǎn)，忽略清管站只考慮管線(xiàn)作為基本單元，計(jì)算管線(xiàn)參數(shù)即可。對(duì)于枝狀管網(wǎng)，能夠確定管網(wǎng)中流體的流向，即可根據(jù)管道自身屬性和壓降公式計(jì)算出各管段的壓降，計(jì)算出各個(gè)節(jié)點(diǎn)壓力和終點(diǎn)壓力。為滿(mǎn)足蘇里格氣田集輸運(yùn)行工藝，氣體壓力和溫度較高時(shí)計(jì)算結(jié)果與模型模擬有較大差異，將參考?xì)怏w壓力較低時(shí)作為參數(shù)[22]。由于管道并聯(lián)，所有平行管道長(zhǎng)度一致，進(jìn)口壓力與出口壓力相同，并且各連接節(jié)點(diǎn)處應(yīng)滿(mǎn)足基爾霍夫第一定律，即流入節(jié)點(diǎn)的總量與流出節(jié)點(diǎn)的總量相等。根據(jù)上述條件，建立蘇里格氣田骨架管網(wǎng)并聯(lián)輸氣管道水力計(jì)算模型。

2.3 模型求解

天然氣管網(wǎng)模擬流程包括以下幾部分：①建立基本管網(wǎng)模型；②輸入現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)參數(shù)等；③開(kāi)始模擬及結(jié)束模擬輸出得到結(jié)果。參考文獻(xiàn)[20]中得出整體管線(xiàn)壓降變化，模擬壓降與實(shí)際壓降對(duì)比后，可確定優(yōu)化方案，對(duì)氣田管網(wǎng)優(yōu)化與改造提供參考價(jià)值。牛頓迭代法作為各類(lèi)軟件求解的核心方法，其算法流程如圖5所示。

圖5 牛頓迭代法管網(wǎng)模擬計(jì)算流程Fig.5 Pipeline network simulation calculation flow of Newton's method

利用現(xiàn)有軟件TGNET（Pipeline Studio）選擇天然氣組分、管徑和壓縮機(jī)容量等參數(shù)得到模擬值，通過(guò)模擬值與實(shí)際值進(jìn)行對(duì)比，得出計(jì)算模型的壓力、溫度等各類(lèi)工況參數(shù)，完成不同工況下適用性評(píng)價(jià)。

3 集輸管網(wǎng)適用性評(píng)價(jià)

氣田集輸管網(wǎng)適用性評(píng)價(jià)是指在未來(lái)管網(wǎng)不斷建設(shè)過(guò)程中對(duì)已建成管網(wǎng)進(jìn)行水力計(jì)算，綜合分析壓力、溫度、流量、攜液量等參數(shù)適應(yīng)性的一種評(píng)價(jià)方法。伴隨著天然氣生產(chǎn)，出現(xiàn)了如近井地帶壓力逐漸降低，管道沿程摩阻持續(xù)增加等問(wèn)題，對(duì)天然氣管網(wǎng)集輸效率造成巨大影響。故將工況分為穩(wěn)態(tài)及動(dòng)態(tài)，穩(wěn)態(tài)可認(rèn)為管道近期建設(shè)、氣田開(kāi)發(fā)程度、產(chǎn)量改變等；動(dòng)態(tài)可認(rèn)為現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)事故需要提出解決方案等[23]。

吳紅欽利用TGNET 軟件參考天然氣管道輸送水力、熱力計(jì)算理論建立蘇里格氣田骨架管網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型，利用節(jié)點(diǎn)分析法對(duì)蘇里格氣田骨架管網(wǎng)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)選取，得出節(jié)點(diǎn)壓力預(yù)測(cè)模型。該模型不僅可預(yù)測(cè)整個(gè)蘇里格氣田骨架管網(wǎng)壓力，還得到了壓力與輸量、溫度等參數(shù)之間的變化規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化及對(duì)蘇里格氣田適用性評(píng)價(jià)。在蘇里格氣田地面集輸運(yùn)行參數(shù)的基礎(chǔ)上，趙金省等利用PIPELINE STUDIO 軟件建立了氣田骨架管網(wǎng)模型，以南干線(xiàn)、南干線(xiàn)復(fù)線(xiàn)等實(shí)際干線(xiàn)，模擬了產(chǎn)量增加后骨架管網(wǎng)干線(xiàn)壓降變化，解決了由較大摩阻升溫導(dǎo)致水合物生成溫度上升的問(wèn)題，為蘇里格集氣骨架管網(wǎng)壓降改善提出適用性分析。劉坤[24]利用TGNET 軟件建立了四川盆地北干線(xiàn)水平輸氣管網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)水力計(jì)算模型，在完成北干線(xiàn)輸氣適用性評(píng)價(jià)的同時(shí)也為管網(wǎng)后期建設(shè)與改良提供了科學(xué)依據(jù)。陳從磊等[25]利用OLGA 軟件建立杭錦旗氣田集輸工藝計(jì)算模型，模擬計(jì)算出高低壓集輸工藝、帶液與分液集輸，對(duì)集輸工藝適用性進(jìn)行評(píng)價(jià)，提出井下節(jié)流、井口不加熱、不注醇的低壓帶液集輸工藝。陳定朝[26]利用TGNET軟件，建立川中地區(qū)油氣礦地面集輸管網(wǎng)水力流動(dòng)計(jì)算模型，將氣田1 號(hào)區(qū)塊的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)模擬計(jì)算后，分別對(duì)管道失效、壓力損失、保護(hù)等三方面進(jìn)行適用性分析，解決川中油氣田酸性產(chǎn)出水含水量上升后，影響集輸管網(wǎng)安全運(yùn)行的問(wèn)題，并得出未來(lái)提高管網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行效率的方法。鄭云萍等[27]利用HYSYS軟件建立克拉美麗氣田地面集輸管網(wǎng)優(yōu)化模型，設(shè)定投資最少為目標(biāo)，以D1 區(qū)管道設(shè)計(jì)輸量、流速和承壓能力為約束條件，縮短管線(xiàn)長(zhǎng)度，減小沿程壓降與磨損，降低投資的同時(shí)提高集輸效率。吳國(guó)霈等[28]利用PIPEPHASE 建立國(guó)內(nèi)某大型氣田管道壓力模型，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得出了集輸工藝優(yōu)化為氣液分輸，并總結(jié)出一套該氣田內(nèi)部工況改變時(shí)均可適用的集輸方法。何國(guó)璽等[29]利用OLGA 軟件建立了頁(yè)巖氣集輸管網(wǎng)管線(xiàn)模型，以管網(wǎng)布局、混輸工藝、增壓工藝作為適用性評(píng)價(jià)指標(biāo)，綜合評(píng)價(jià)并提出了有針對(duì)性、高效的工藝調(diào)整措施。

4 結(jié)論

（1）蘇里格氣田工藝特點(diǎn)為未來(lái)國(guó)內(nèi)外氣田提供參考，核心技術(shù)包括：井下節(jié)流工藝能充分利用地溫?zé)崮転榫采郎兀鉀Q水合物堵塞問(wèn)題；單井串接縮短采氣管線(xiàn)總長(zhǎng)度，增加集氣站輻射范圍，有效減少管網(wǎng)投資；中低壓集氣工藝無(wú)需設(shè)加熱爐及注醇系統(tǒng)，簡(jiǎn)化井口至集氣站集輸系統(tǒng)；二級(jí)增壓工藝滿(mǎn)足中低壓集氣工藝的同時(shí)降低集氣站建設(shè)投資。

（2）梳理近年來(lái)管網(wǎng)模型研究方向、適用范圍及方法優(yōu)缺點(diǎn)，為氣田建立符合自身情況的管網(wǎng)模型提供參考。結(jié)合蘇里格骨架管網(wǎng)水力計(jì)算模型，闡述模型建立核心思想，模擬軟件算法流程，介紹蘇里格氣田并聯(lián)輸氣管道適用性。建立水力計(jì)算模型，系統(tǒng)分析不同工況對(duì)集輸效率與輸送能力的影響。若將數(shù)學(xué)模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐相結(jié)合，可大幅增加氣田生產(chǎn)年限及有效避免未來(lái)生產(chǎn)可能會(huì)出現(xiàn)的問(wèn)題。

（3）集輸管網(wǎng)適用性評(píng)價(jià)考察的指標(biāo)為生產(chǎn)過(guò)程中各種工況出現(xiàn)變化后，對(duì)管網(wǎng)運(yùn)行效率產(chǎn)生的影響。不同區(qū)域可能工況不同，如氣井采氣后期壓力降低、水合物產(chǎn)生、管材出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象等，這不僅降低了管網(wǎng)集輸能力還伴隨一定的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，故建立水力計(jì)算模型、選取不同指標(biāo)完成適用性評(píng)價(jià)極為重要。