壓縮天然氣在氣田鉆井機(jī)組的應(yīng)用

摘 要

摘要：天然氣氣田鉆井發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)組燃料由柴油改為柴油一天然氣雙燃料，是提高經(jīng)濟(jì)效益、降低開(kāi)發(fā)成本的有效途徑之一。論述了蘇里格氣田柴油一天然氣雙燃料鉆井發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)組的應(yīng)用背
摘要：天然氣氣田鉆井發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)組燃料由柴油改為柴油一天然氣雙燃料，是提高經(jīng)濟(jì)效益、降低開(kāi)發(fā)成本的有效途徑之一。論述了蘇里格氣田柴油一天然氣雙燃料鉆井發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)組的應(yīng)用背景、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的可行性、壓縮天然氣供應(yīng)X-藝流程和設(shè)備選型。
關(guān)鍵詞：氣田；鉆井機(jī)組；柴油-天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)組
Application of Compressed Natural Gas to Well Drilling Rig Unit in Gas Field
ZHENG Xin，ZHANG Lei，YANG Li，ZHANG Feng-xi，WU Jun-feng
Abstract：Replacing diesel by diesel-natural gas as the fuel for drilling engine unit in natural gas field is one of the effective ways for improving economic benefit and reducing development cost. The application background，technical and economic feasibility of diesel-NG dual fuel engine unit in Sulige gas field，the process flow for supplying compressed natural gas and the equipment type selection are expounded.
Key words：gas field；drilling rig；diesel-NG dual fuel engine unit
1 雙燃料鉆井發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)組應(yīng)用背景
    ① 長(zhǎng)慶油田蘇里格氣田天然氣年產(chǎn)量大，成本急需降低。
    長(zhǎng)慶油田蘇里格氣田位于鄂爾多斯盆地西北部，橫跨陜北斜坡、伊盟隆起及天環(huán)凹陷3個(gè)構(gòu)造單元，勘探面積為4×104km2。根據(jù)長(zhǎng)慶油田規(guī)劃，天然氣產(chǎn)量到2013年達(dá)到230×108m3/a。蘇里格氣田屬于典型的“低滲、低壓、低豐度”氣田，單井配產(chǎn)低，穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間短，要達(dá)到230×108m3/a的規(guī)劃目標(biāo)，需要大量鉆機(jī)在蘇里格氣田工作。根據(jù)蘇里格氣田規(guī)劃，從2009年到2023年共需鉆井約18200口。由于每年鉆井?dāng)?shù)量多，井隊(duì)鉆井發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)組由柴油改為柴油和天然氣雙燃料，是降低開(kāi)發(fā)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益的途徑之一。鉆井發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)組燃料由柴油改為柴油和天然氣雙燃料的技術(shù)在我國(guó)某油田已經(jīng)試驗(yàn)成功，但由于壓縮天然氣運(yùn)輸至鉆井井場(chǎng)后的售氣價(jià)格偏高，現(xiàn)在該技術(shù)尚未應(yīng)用。
    ② 鉆井發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)組燃料由柴油改為柴油和天然氣雙燃料技術(shù)在我國(guó)某油田試驗(yàn)成功。
    雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)組可以以柴油作為燃料，也可以以柴油-天然氣混合物作為燃料，其工作狀態(tài)分別為純柴油工作狀態(tài)和雙燃料工作狀態(tài)。在打相同工況的鉆井的情況下，雙燃料工作狀態(tài)比純柴油工作狀態(tài)所節(jié)省的柴油與純柴油工作狀態(tài)所消耗的柴油之比，為雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)組的柴油替代率，簡(jiǎn)稱替代率。在油氣田中，每處鉆井井場(chǎng)布置有3臺(tái)鉆井發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)組，根據(jù)鉆井深度、地質(zhì)構(gòu)造、鉆井所處階段，可同時(shí)開(kāi)啟1臺(tái)、2臺(tái)或3臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)組。
    2006年9月至10月，某油田3臺(tái)柴油-天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)組進(jìn)行運(yùn)行試驗(yàn)。雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)組先后使用LNG和CNG兩種不同天然氣作燃料，經(jīng)過(guò)完整10口井的鉆井工作跟蹤試驗(yàn)，1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)組在雙燃料狀態(tài)下運(yùn)行達(dá)2 569、1559、2398h，試用情況良好。主要試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1、2。
表1 某油田雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)組試驗(yàn)數(shù)據(jù)
 
井號(hào)
井深/m
雙燃料狀態(tài)下打1口井所需時(shí)間/h
單臺(tái)機(jī)組天然氣耗量/(m3·h-1)
替代率
/%
 
井1
3171
155.8
73.1
73.5
 
井2
2400
173.0
51.5
69.5
 
井3
2645
133.5
44.6
58.4
井4
1938
151.8
48.6
62.4
井5
1880
138.9
58.2
62.7
平均
150.6
55.2
65.3
井6
2970
351.0
66.4
70.0
井7
2450
193.0
63.2
67.1
井8
2550
184.0
58.2
68.5
井9
2350
533.0
57.9
66.7
井10
2400
179.0
65.3
67.5
平均
288.0
62.2
68.0
表2 某油田雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)組在不同功率下的燃料耗量和替代率
功-率/kW
188
378
566
680
755
油耗量(kg·h-1)
純柴油狀態(tài)
55.4
91.3
124.9
145.0
157.1
雙燃料狀態(tài)
26.9
25.3
24.0
23.0
22.9
油耗率/(g·W-1·h-1)
純柴油狀態(tài)
294.6
241.5
220.6
212.3
208.1
雙燃料狀態(tài)
143.0
66.9
42.4
33.8
30.3
燃?xì)赓|(zhì)量流量/(kg·h-1)
54.3
94.2
121.5
137.8
146.7
燃?xì)怏w積流量(m3·h-1)
75.9
132.0
170.0
192.8
205.3
燃?xì)庀穆?(g·kW-1·h-1)
288.8
249.2
218.5
202.6
194.3
替代率/%
46.0
72.3
80.8
84.2
85.4
2 雙燃料鉆井機(jī)組在蘇里格氣田的應(yīng)用
   ① 雙燃料鉆井發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)組對(duì)氣質(zhì)的要求
   雙燃料鉆井發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)組以柴油機(jī)為基礎(chǔ)，配套德國(guó)海因茲曼調(diào)速器及混合器，具有超速斷氣、斷油功能。其對(duì)氣源的要求是：天然氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)t＞70%，低熱值不低于32MJ/m3，H2S質(zhì)量濃度≤20mg/m3，總硫質(zhì)量濃度≤200mg/m3，雜質(zhì)粒度≤5μm，固體顆粒質(zhì)量濃度≤30mg/m3，無(wú)游離水。
   ② 蘇里格氣田概況
   蘇里格氣田勘探區(qū)域面積大，單井配產(chǎn)低，鉆井發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)組鉆井任務(wù)重，井位分散。蘇里格氣田第一天然氣處理廠距氣田最北邊約130km，最南邊約80km，最西邊約110km，最東邊約90km。這和國(guó)內(nèi)使用(試驗(yàn))雙燃料鉆井發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)組的某油田情況不同，其井位距離供氣點(diǎn)僅約20km，井位集中。蘇里格氣田鉆井較深，中區(qū)井深約3450～3500m，西區(qū)和南區(qū)井深在3600m左右，東區(qū)井深在3200m左右。但蘇里格氣田可以使用和國(guó)內(nèi)某油田同一系列的雙燃料鉆井發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)組。
    由于井口氣含有游離水和烴類(lèi)雜質(zhì)，不能滿足雙燃料鉆井發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)組對(duì)氣質(zhì)的要求，集氣站距離井場(chǎng)較遠(yuǎn)，且鉆井井隊(duì)需根據(jù)井位的變化而轉(zhuǎn)移，故不宜采用管道供氣方式，而采用壓縮天然氣供氣。
    CNG加氣站在氣田中部，氣源穩(wěn)定而豐富，燃料氣源有充分保證，而且還具有價(jià)格較低的優(yōu)勢(shì)。但由于蘇里格氣田范圍大，井位分散，如何保證及時(shí)供氣也是使用中的難點(diǎn)。
   ③ 雙燃料機(jī)組天然氣耗量
   2008年11月，在蘇里格氣田對(duì)某氣井鉆井采用雙燃料鉆井發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)組進(jìn)行測(cè)試。氣井設(shè)計(jì)深度為3511m。該氣井井場(chǎng)共有3臺(tái)鉆井發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)組，其中2臺(tái)為雙燃料機(jī)組，1臺(tái)為大修柴油機(jī)組。
    測(cè)試中，在起鉆或者下鉆時(shí)，負(fù)荷突變較為劇烈，在此情況下，替代率較低，測(cè)得最低點(diǎn)替代率為33%。正常負(fù)荷下，測(cè)得替代率為60%～70%。通過(guò)試驗(yàn)，證明雙燃料機(jī)組完全可以適應(yīng)鉆井過(guò)程中的動(dòng)力需求。鉆一口井，耗氣量平均約206m3/h，替代率能夠達(dá)到65%以上。2臺(tái)雙燃料鉆井發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)組完全能夠滿足4000m以內(nèi)井深的鉆井動(dòng)力需求。
    結(jié)合某油田采用雙燃料鉆井發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)組耗氣量試驗(yàn)和蘇里格氣田采用雙燃料鉆井發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)組耗氣量試驗(yàn)，并考慮雙燃料鉆井發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)組在不同井深和不同地質(zhì)情況下所需功率等因素，蘇里格氣田鉆井發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)組在鉆井過(guò)程中替代率按65%計(jì)，2臺(tái)雙燃料鉆井發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)組耗氣量為206m3/h，則日用氣量約4944m3/d。
3 壓縮天然氣的供應(yīng)
    擬建CNG加氣母站位于蘇里格氣田第一天然氣處理廠附近。采用壓縮天然氣為雙燃料鉆井發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)組提供天然氣，與車(chē)用壓縮天然氣的情況不同。由于井位分散，且井隊(duì)隨著井位的變化而移動(dòng)，其用氣點(diǎn)范圍廣而不固定，考慮到鉆井的工作性質(zhì)，供氣不能間斷，應(yīng)及時(shí)而有效地提供天然氣。
    結(jié)合蘇里格氣田現(xiàn)狀，氣源來(lái)自蘇里格氣田第一天然氣處理廠，原料氣壓力為4.5～5.2MPa，溫度為0～20℃，經(jīng)調(diào)壓、計(jì)量、深度脫水后壓縮至20MPa，用CNG氣瓶車(chē)運(yùn)輸至井場(chǎng)，在井場(chǎng)調(diào)壓后供雙燃料機(jī)組使用。根據(jù)工藝要求，需要的設(shè)備主要有調(diào)壓計(jì)量裝置、脫水裝置、壓縮機(jī)、加氣柱、CNG氣瓶車(chē)、雙燃料鉆井發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)組前調(diào)壓計(jì)量裝置。工藝流程見(jiàn)圖1。
 

    調(diào)壓計(jì)量裝置采用兩路并聯(lián)，互為備用。調(diào)壓器選用自力式帶指揮器調(diào)壓器，確保壓縮機(jī)在穩(wěn)定工況下工作。
    考慮到壓縮機(jī)排量和國(guó)產(chǎn)壓縮機(jī)的生產(chǎn)能力及應(yīng)用情況，選用6臺(tái)(5用1備)單臺(tái)排氣量為4100m3/h的國(guó)產(chǎn)壓縮機(jī)，以降低造價(jià)。
   通過(guò)對(duì)比，選擇3套低壓脫水裝置，設(shè)計(jì)壓力為6.3MPa，單臺(tái)處理量為8500m3/h。采用雙塔結(jié)構(gòu)，不間斷供氣，吸附劑采用4A型分子篩，吸附再生采用電加熱再生，再生時(shí)間＜6h。
    采用大流量自動(dòng)計(jì)量(帶信號(hào)上傳)加氣柱對(duì)天然氣氣瓶車(chē)加氣，加氣柱與車(chē)載儲(chǔ)氣裝置配套。氣瓶車(chē)加氣時(shí)，利用壓縮機(jī)通過(guò)程序控制盤(pán)直接充裝。最大加氣流量為5000m3/h，計(jì)量相對(duì)誤差為±0.5%，標(biāo)準(zhǔn)加氣壓力為20MPa。信號(hào)上傳功能可以滿足站控要求。
    CNG氣瓶車(chē)選用8管束移動(dòng)儲(chǔ)氣瓶組的半掛車(chē)，單個(gè)氣瓶公稱容積為2.25m3，8管束充裝天然氣約4000m3。啟動(dòng)1臺(tái)壓縮機(jī)初次充裝8管束瓶組(空瓶)需用60min。初次充裝后的后續(xù)充裝時(shí)間將縮短。CNG氣瓶車(chē)使用壽命在30年左右。
    井場(chǎng)設(shè)調(diào)壓計(jì)量裝置1套。其流程為：用高壓金屬軟管將CNG氣瓶車(chē)和調(diào)壓計(jì)量裝置相連，20MPa的高壓天然氣通過(guò)電加熱器加熱后經(jīng)過(guò)一級(jí)調(diào)壓器減壓到4.0MPa；經(jīng)過(guò)二級(jí)調(diào)壓器調(diào)壓到0.2～0.4MPa，進(jìn)入流量計(jì)進(jìn)行計(jì)量；為保證鉆機(jī)起鉆時(shí)的瞬時(shí)用氣量，在調(diào)壓計(jì)量裝置后設(shè)置1.5m3的緩沖罐1臺(tái)；經(jīng)調(diào)壓后的天然氣分3路供氣。調(diào)壓計(jì)量裝置內(nèi)氣體壓力、溫度、流量、關(guān)鍵閥門(mén)的控制由控制系統(tǒng)進(jìn)行連鎖控制。
4 結(jié)論
    ① 在蘇里格氣田以天然氣部分替代柴油、采用雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)組，經(jīng)估算，共需投資約1.93×108元，建設(shè)項(xiàng)目包括處理規(guī)模為30×104m3/d的CNG加氣母站1座，8l輛CNG氣瓶車(chē)，25輛牽引車(chē)頭，60臺(tái)井場(chǎng)調(diào)壓橇。以風(fēng)險(xiǎn)投資收益率為12%反算壓縮天然氣運(yùn)輸至鉆井井場(chǎng)用氣點(diǎn)后的價(jià)格為2.473元/m3，該價(jià)格與同熱量柴油相比具有較強(qiáng)的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。隨著雙燃料鉆井發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)組的推廣應(yīng)用，未來(lái)市場(chǎng)將會(huì)發(fā)展壯大，供氣規(guī)模隨之?dāng)U大，將具有更好的效益前景。
    ② 以天然氣部分替代柴油既可就地取得氣源，又符合國(guó)家能源調(diào)整和節(jié)能減排政策，對(duì)改善當(dāng)?shù)丨h(huán)境質(zhì)量具有重要作用。
    ③ 天然氣壓縮技術(shù)經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，已日趨成熟，可供選擇的壓縮機(jī)組較多。脫水裝置能滿足氣體露點(diǎn)要求，CNG氣瓶車(chē)等制造加工技術(shù)、檢驗(yàn)技術(shù)完全滿足要求。所需的各種工藝技術(shù)成熟。
    ④ 經(jīng)測(cè)算，每個(gè)井隊(duì)每天可節(jié)約柴油約3.6t/d，計(jì)劃改造60個(gè)井隊(duì)，柴油價(jià)格以4700元/t計(jì)，壓縮天然氣價(jià)格以2.73元/m3計(jì)，則每天可節(jié)省燃料費(fèi)約28.6×104元/d，經(jīng)濟(jì)效益明顯。
   ⑤ 鉆井發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)組燃料由柴油改為柴油一天然氣雙燃料后，鉆一口井可節(jié)約開(kāi)發(fā)成本約8×104元。2009年蘇里格氣田有逾10臺(tái)雙燃料鉆井發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)組投入使用，節(jié)約開(kāi)發(fā)成本700×104元/a以上。
   ⑥ 雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)組在蘇里格氣田的應(yīng)用，為促進(jìn)蘇里格氣田的大規(guī)模、低成本開(kāi)發(fā)開(kāi)辟了一條新路。
 
(本文作者：鄭欣 張磊 楊莉 張鳳喜 吳俊鋒 西安長(zhǎng)慶科技工程有限責(zé)任公司 陜西西安 710018)