重慶氣礦高壓采氣管線堵塞分析及應(yīng)對措施

摘 要

摘要：近年來，中國石油西南油氣田公司重慶氣礦為加快產(chǎn)能建設(shè)步伐，節(jié)省投資，采取建設(shè)高壓采氣管線、實現(xiàn)無人值守的建站方式來開發(fā)補(bǔ)充開發(fā)井，但管線投產(chǎn)初期受井下臟物較多、地形
摘要：近年來，中國石油西南油氣田公司重慶氣礦為加快產(chǎn)能建設(shè)步伐，節(jié)省投資，采取建設(shè)高壓采氣管線、實現(xiàn)無人值守的建站方式來開發(fā)補(bǔ)充開發(fā)井，但管線投產(chǎn)初期受井下臟物較多、地形復(fù)雜、運(yùn)行壓力高、冬季地溫低等因素影響，致使高壓采氣管線冬季頻繁堵塞，影響了氣井正常生產(chǎn)。為此，對該氣礦高壓采氣管線投產(chǎn)以來導(dǎo)致管線堵塞的各種因素——地形、臟物或積液、天然氣組分及工況、地溫、輸送壓力和溫度、保溫材料、高壓采氣管線管徑、流速等進(jìn)行了深入、細(xì)致的分析總結(jié)，并提出了在井下適當(dāng)節(jié)流、添加抑制劑、用電加熱、采取保溫措施及參數(shù)優(yōu)化配置等防堵措施，確保了高壓采氣管線的正常運(yùn)行。
關(guān)鍵詞：中國石油；西南油氣田公司；重慶氣礦；高壓；采氣管線；堵塞；分析；防堵；措施
高壓采氣管線其壓力一般超過10MPa，多數(shù)為井場裝置至集氣站的采氣管線[1]。中國石油西南油氣田公司重慶氣礦(下稱重慶氣礦)為了有效縮短單井產(chǎn)能建設(shè)周期，節(jié)約投資，方便管理，在離已建單井和集氣站較近的新井建設(shè)中，應(yīng)用了單井采氣保溫的高壓管線輸送技術(shù)，減少了新井征地面積，減少了污水池、值班休息室等配套設(shè)施的建設(shè)，集中建設(shè)井場工藝裝置，不僅有效縮短了施工工期，而且節(jié)約了大量投資，方便了生產(chǎn)管理。重慶氣礦2004年到2008年1月投產(chǎn)了高壓采氣管線14條，分布于忠縣、開縣、開江、梁平、萬州作業(yè)區(qū)，管線多采用憎水硅酸鹽復(fù)合材料(600mm×400mm×20mm)保溫，管材為20G高壓鍋爐用鋼管。管線距離最長4.04km，最短0.3km，總長20.23km，設(shè)計壓力18～32MPa不等，管徑多為Ø83mm和Ø76mm，產(chǎn)水最多為3m3/d，天然氣產(chǎn)量最高達(dá)28×104m3/d。H2S含量為0.016～6.2g/m3。但因管線投產(chǎn)初期井下臟物較多、地形復(fù)雜、運(yùn)行壓力高、冬季地溫低等原因，管線冬季頻繁堵塞，影響了氣井正常生產(chǎn)。
1 管線堵塞情況及原因分析
1.1 管線堵塞情況
    重慶氣礦投產(chǎn)的14條高壓采氣管線投產(chǎn)初期都曾發(fā)生過堵塞。池37井到池27井的高壓氣舉管線2006年3月底開始試舉，但管線經(jīng)常堵，2006年5月氣溫升高后氣舉正常；天東96井到天東90井高壓氣舉管線2005年11月投產(chǎn)，投產(chǎn)25d管線堵16次；天東99井從2006年1月17日開井到2006年3月底，高壓管線共發(fā)生12次凍堵，此后未再發(fā)生堵塞。
1.2 管線堵塞因素分析
1.2.1地形的影響
    開縣作業(yè)區(qū)五百梯氣田地處高山地區(qū)，境內(nèi)地勢崎嶇，地形復(fù)雜，集輸管線極不平直，具有高差大、彎道多的特點。在這種地形特征的環(huán)境中，氣流從井底攜帶的液體和管道中的凝析液在管線低洼處聚集，造成局部節(jié)流溫降，為水合物的形成提供了條件。
1.2.2臟物或積液造成堵塞
    由于絕大多數(shù)高壓采氣管道途經(jīng)多處U形峽谷，部分高壓氣井由于井下出砂或者投產(chǎn)初期放噴不徹底，造成油井的臟物多，生產(chǎn)帶出的雜質(zhì)和溫度降低析出的凝析水極易在U形管段聚集，或者在針形閥處形成局部堵塞，造成油井產(chǎn)量降低，引起井口溫度降低，冬季地溫較低時，就可能導(dǎo)致管線的冰堵。
1.2.3天然氣組分及工況的影響
    隨著天然氣組分的變化，天然氣的相對密度將發(fā)生變化。對于含硫氣質(zhì)，當(dāng)含硫量高于一定值時，天然氣水合物生成溫度接近于H2S水合物形成的臨界溫度(29℃)，根據(jù)天然氣水合物形成的平衡曲線[2]可知，在相同壓力下，隨著天然氣相對密度的增大，天然氣水合物生成溫度呈上升趨勢。表1為氣井不同工況條件下天然氣水合物生成溫度預(yù)測數(shù)據(jù)。
表1 氣井不同工況條件下天然氣水合物生成溫度預(yù)測表
井號
油壓(MPa)
產(chǎn)氣量(104m3/d)
井口溫度(℃)
進(jìn)站溫度(℃)
天然氣水合物形成溫度(℃)
堵塞預(yù)測
實際堵塞
天東96
28.70
9.0
24.0
17.0
21.85
會
堵
24.00
16.0
29.0
22.0
20.48
不會
未堵
天東99
16.40
5.6
23.2
12.0
19.98
會
堵
9.80
 
27.0
27.0
16.00
不會
未堵
天東98
8.70
7.8
26.0
15.0
15.05
會
堵
8.40
7.8
28.0
15.0
14.77
不會
未堵
天東108
11.70
25.0
43.0
24.0
17.39
不會
未堵
13.00
25.0
43.0
24.0
18.20
不會
未堵
池71
15.90
15.3
35.3
29.0
16.51
不會
未堵
10.00
14.7
35.2
27.0
14.50
不會
未堵
峰17
10.86
7.5
29.0
22.5
18.20
不會
未堵
1.2.4地溫的影響
    圖1為池37井在井口溫度為40℃時，不同地溫下的沿程溫度分布及天然氣水合物生成曲線圖。從圖上可以看到管線高程對管線沿線壓力、溫度影響非常大，而且隨著管線位置變化，壓力的變化引起各點的天然氣水合物生成溫度也發(fā)生了變化。管線進(jìn)站溫度最低，并不是在此處形成的天然氣水合物溫度最低，因此進(jìn)行管線設(shè)計時要綜合考慮預(yù)測天然氣水合物形成溫度，不能僅以終點不形成天然氣水合物，就認(rèn)為管線沿程都不生成天然氣水合物。
 
1.2.5輸送壓力和溫度的影響
    由天然氣水合物形成的平衡曲線可知，隨著壓力升高，天然氣水合物生成溫度也越高[5]，對于高壓采氣管線來說，是極為不利的。對于給定氣質(zhì)，在輸送溫度一定的情況下，壓力越高，越容易發(fā)生凍堵；給定輸送壓力，輸送起點溫度越低，不發(fā)生凍堵的輸送距離也就越短。
1.2.6保溫材料的影響
以天東96井高壓氣舉管線的生產(chǎn)參數(shù)為例，假設(shè)3種保溫材料(對應(yīng)A、B、C)的導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.5W/(m·K)、0.05W/(m·K)、0.03W/(m·K)。并假設(shè)均采用相同的保溫層厚度60mm，則該采氣管線沿線的溫度分布如圖2(a)所示。由圖可知：不同材料保溫效果差異較大，保溫材料傳熱系數(shù)越小的材料，保溫效果越好；隨著輸送距離的增加，沿程的溫度變化并非呈規(guī)律性變化，而是與管線的高程變化密切相關(guān)。
 
    對材料B分別進(jìn)行保溫厚度的敏感性分析，分析結(jié)果如圖2(b)所示。由圖可知：不同材料沿程溫度變化規(guī)律基本一致，但保溫材料傳熱系數(shù)越大，沿程溫度變化越明顯；隨著保溫層厚度的增加，保溫效果越好，但當(dāng)保溫層厚度增加到一定值時，保溫效果的增加程度不明顯。
1.2.7高壓采氣管線管徑、流速的影響
    根據(jù)各管道起終點壓力和管道相關(guān)參數(shù)，計算出管道內(nèi)徑及管流速度如表2所示。由表可知：天東99井以5.2×104m3/d、6.5×104m3/d(池37井以3.68×104m3/d，天東97X井以1.4×104m3/d)輸量生產(chǎn)時管線實際流速較低，且低于管線最低流速要求3m/s；管流速度對于產(chǎn)水氣井(如池37井)或井下污物較多氣井(如天東99井)影響是非常大的，天東99井—天東67井管線及池37井—池27井管線投產(chǎn)初期及冬季堵塞頻繁，與其管線流速有很大關(guān)系。綜合表2計算結(jié)果及管線攜液分析[3]可以得知：①在相同的輸量、溫度下，管徑越大，所需攜液的最小輸氣量越大；在壓差相同的情況下，管徑越大，流量越大，流速越高；而當(dāng)流量變小時，流速減小。②管線流量小，管徑大，流速低，不利于氣體攜液。③在管徑設(shè)計計算時，應(yīng)根據(jù)輸量、壓力、攜液能力等綜合考慮，優(yōu)化選擇。
表2 高壓采氣管線管徑及流速分析結(jié)果表
管線
起點壓力(MPa)
終點壓力(MPa)
長度(km)
管內(nèi)徑(mm)
計算管徑(mm)
實際流量(104m3/d)
計算流速(m/s)
實際流速(m/s)
天東99—天東90
28.5
24.0
28.10
23.60
1.50
55
42.6
55.9
9.00
16.50
7.31
7.79
4.39
8.04
天東99—天東67
10.9
10.9
10.68
10.68
1.85
58
50.6
55.0
5.20
6.50
2.99
3.17
2.28
2.85
天東98—天東1
9.9
9.63
1.43
58
54.4
7.50
3.74
3.29
天東108—天東55
17.8
17.8
16.60
16.60
2.46
61
65.7
63.0
28.00
25.00
9.56
9.29
11.09
9.91
池37—池27
13.5
13.5
13.5
13.5
12.10
12.10
13.00
13.00
4.04
43
35.0
42.1
42.2
47.4
3.68
6.00
3.68
5.00
4.43
4.99
3.05
3.28
2.93
4.78
2.93
3.99
池71—池64
11.3
10.80
0.70
55
55.0
16.10
7.85
7.85
池037-1—池37
20.9
19.80
1.00
55
52.0
25.00
13.63
12.19
峰20—峰6
8.7
7.30
1.70
55
41.5
6.80
5.82
3.31
天東97X—五科1
12.0
11.80
1.22
46
28.5
1.40
2.54
0.98
2 防止凍堵的措施
    目前，天然氣水合物的防治主要有加熱(保溫)、降壓、加抑制劑、清管通球、脫除天然氣中的水分等方法[4]。這些方法中，脫水是治本的最根本辦法，而降壓法可用于已經(jīng)生成天然氣水合物堵塞物的解堵[5]。對于高壓采氣管線，從無人值守角度及目前的設(shè)備承壓能力、控制水平及現(xiàn)場條件來看，防止凍堵的措施主要有在井下適當(dāng)節(jié)流、添加抑制劑[6]、用電加熱、采取保溫措施及參數(shù)優(yōu)化配置等。針對重慶氣礦高壓采氣管線，提出以下防堵措施：
    1) 加強(qiáng)前期的理論研究工作，使設(shè)計管道的結(jié)構(gòu)參數(shù)、保溫系統(tǒng)參數(shù)等能滿足高壓氣井連續(xù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的需要。
    2) 加強(qiáng)參數(shù)優(yōu)化工作：①在寒冷的季節(jié)，通過調(diào)整氣井產(chǎn)能和提高井口溫度的辦法，確保管線輸送溫度高于天然氣水合物生成溫度。但是，該措施的應(yīng)用將可能導(dǎo)致地層傷害，對提高氣源井的最終采收率和延長自噴期有較大影響，建議開展高壓生產(chǎn)的適應(yīng)性分析，采用上下游配套技術(shù)研究來進(jìn)行生產(chǎn)。②優(yōu)化管徑或氣井產(chǎn)能，確保集氣管線不積液，減少低洼處管線的節(jié)流。③優(yōu)選保溫層材料類型，優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，確保管線輸送中不發(fā)生凍堵。
    3) 井口添加防凍劑，降低天然氣水合物生成溫度，確保管線的安全運(yùn)行。
    4) 安裝井下節(jié)流閥，適當(dāng)降低輸送壓力，從而降低高壓集氣管線因沿線壓降大導(dǎo)致的節(jié)流溫降及天然氣水合物生成溫度。
    5) 如果管線只有進(jìn)站前的末端溫度低于天然氣水合物生成溫度，則考慮在進(jìn)站前的局部管線進(jìn)行電加熱，提高輸送氣體溫度。
    6) 根據(jù)氣井產(chǎn)出液量的大小及地面管線的攜液能力，制訂合理的清管作業(yè)制度，實時清除高壓集氣管線的積液，防止發(fā)生局部過度節(jié)流而產(chǎn)生凍堵。
    7) 如果產(chǎn)液量較大，利用第5種工藝措施作業(yè)頻繁，影響生產(chǎn)，則考慮在低洼處設(shè)置排液閥，定期自動排液，同時配套相應(yīng)的污水池、泵等配套設(shè)施，便于積液的外運(yùn)處理。
    8) 對于含臟物較多或者產(chǎn)水量非常大的井，在井口安裝高壓過濾器，配備自動控制裝置、放空設(shè)備、排污系統(tǒng)及工藝轉(zhuǎn)換等設(shè)施。
    9) 對于新井，利用井口(預(yù)留)針形閥對井口進(jìn)行放噴，以凈化井底，盡量避免投產(chǎn)后因雜質(zhì)堵塞管道、閥門、儀表等而影響正常生產(chǎn)，并結(jié)合目前一些高壓氣井解堵困難的實際情況，開展高壓輸送與氣井生產(chǎn)的配套技術(shù)研究，提高氣井生產(chǎn)的整體效益。
3 結(jié)論
    通過系統(tǒng)收集分析高壓采氣管線基礎(chǔ)資料和生產(chǎn)運(yùn)行資料，總結(jié)了重慶氣礦高壓采氣管線凍堵的原因，指出重慶氣礦高壓管線堵塞除受地形、氣質(zhì)及氣候等客觀條件的影響外，還主要受投產(chǎn)初期井下臟物帶出井筒的影響，造成地面管線堵塞及閥門的磨蝕或堵塞；投產(chǎn)后期的冬季，由于氣溫及地溫下降，造成管線周圍環(huán)境溫度下降，管線溫降增大，管線內(nèi)濕天然氣出現(xiàn)相態(tài)變化，形成自由水及天然氣水合物堵塞管道，影響氣井正常生產(chǎn)。結(jié)合生產(chǎn)實際，提出了高壓采氣管線防止凍堵的措施，對提高高壓采氣的水平和確保高壓采氣管線的正常運(yùn)行具有重要指導(dǎo)意義。
參考文獻(xiàn)
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(本文作者：鄧雄1 梁政1 張艷玲2 文紹牧2 邵天祥2 1.西南石油大學(xué)；2.中國石油西南油氣田公司重慶氣礦)