東勝氣田經(jīng)濟(jì)集輸技術(shù)研究及應(yīng)用

彭 杰，田永剛，季永強(qiáng)，唐澤瀛

(中石化華北油氣分公司 石油工程技術(shù)研究院，河南 鄭州 450006)

隨著我國(guó)天然氣消費(fèi)量持續(xù)增長(zhǎng)，對(duì)外依存度逐步提高，中石化加大了在鄂爾多斯盆地油氣勘探開發(fā)力度。其中東勝氣田位于鄂爾多斯盆地北緣，礦權(quán)面積8 950 km2，三級(jí)儲(chǔ)量9. 777×1011m3，探明儲(chǔ)量1.472×1011m3，“十三五”期間，氣田進(jìn)入快速建設(shè)階段。東勝氣田屬于“盆緣致密低滲含水氣藏”，總體資源品位差，儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)，主要采用滾動(dòng)勘探、評(píng)價(jià)建產(chǎn)的開發(fā)模式。致密低滲含水氣藏開發(fā)面臨動(dòng)用難度大[1]，開發(fā)成本高的挑戰(zhàn)，從投資角度屬于邊際效益氣藏。地面集輸系統(tǒng)是體現(xiàn)開發(fā)效果、實(shí)現(xiàn)地下氣藏資源向效益轉(zhuǎn)化的最后一環(huán)，是氣田連續(xù)生產(chǎn)運(yùn)行的主要載體。降低地面工程投資，同時(shí)控制氣田全生命周期集輸成本，打造高效集輸系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)東勝氣田效益開發(fā)的必要手段。2010年以來(lái)，氣田建設(shè)了2座先導(dǎo)試驗(yàn)集氣站，探索不同集輸工藝適應(yīng)性，為氣田規(guī)模開發(fā)做準(zhǔn)備。在“十三五”期間，定型形成了東勝氣田經(jīng)濟(jì)集輸模式，建成了配套完善的集輸系統(tǒng)，有力地保障了氣田規(guī)模建產(chǎn)。

1 氣田開發(fā)地面集輸面臨的挑戰(zhàn)

1)單井產(chǎn)量低，氣井分散，壓力遞減快，平均單井地面建設(shè)投資高。氣田屬于典型致密低滲氣藏，平均滲透率0.86 mD，單井產(chǎn)量一般<3×104m3/d，氣井壓力遞減快。2010—2014年，開展了高壓集氣及低壓集氣先導(dǎo)試驗(yàn)，單井地面投資>500萬(wàn)元，無(wú)法滿足氣田效益開發(fā)需求。周邊大牛地氣田及蘇里格氣田集輸模式具有借鑒意義[2-3]，但東勝氣田氣藏特征更復(fù)雜、建產(chǎn)節(jié)奏更快。

2)氣井產(chǎn)液高，局部地貌復(fù)雜，氣水輸送難度大，精細(xì)化管理要求高。華北油氣分公司在東勝氣田挑戰(zhàn)“氣藏怕水”的傳統(tǒng)觀念，優(yōu)化鉆采工藝，動(dòng)用了高含水氣藏。氣田各區(qū)產(chǎn)出液氣比在3.1～8.5 m3液/104m3氣，局部液氣比達(dá)到10 m3液/104m3氣以上。大量地層水采出到地面，復(fù)雜的地形條件易造成氣液混輸管線中段塞等不良流態(tài)的頻繁出現(xiàn)，導(dǎo)致井口回壓升高，傳統(tǒng)水合物防治模式抑制劑加注量大，增加了集輸處理能耗與成本，也增大了采出水輸送及處理難度[4]。高產(chǎn)水工況也對(duì)氣井精細(xì)化管理要求更高。

3)氣藏非均質(zhì)性強(qiáng)、滾動(dòng)建產(chǎn)調(diào)整多，地面集輸系統(tǒng)難以有效適配。氣田采用“邊評(píng)價(jià)、邊部署、邊建產(chǎn)”的滾動(dòng)開發(fā)模式，同時(shí)要求快速建產(chǎn)，快速釋放產(chǎn)能?！笆濉币詠?lái)，東勝氣田各區(qū)滾動(dòng)外擴(kuò)、分散跨區(qū)建產(chǎn)、單個(gè)項(xiàng)目建產(chǎn)規(guī)模小，對(duì)地面集輸系統(tǒng)適應(yīng)性及建設(shè)速度提出了高要求。井位從方案部署到實(shí)施階段調(diào)整變化大，地面管線場(chǎng)站建設(shè)周期長(zhǎng)，靈活可調(diào)性低，易出現(xiàn)“大馬拉小車”與“超載”現(xiàn)象，無(wú)法保障氣井產(chǎn)能及時(shí)有效釋放。

4)氣田井多面廣，生產(chǎn)跨度大，管理難度高。氣田總體面積8 950 km2，東西跨度200 km，南北跨度90 km，氣井?dāng)?shù)量多，井站、管線展布分散，傳統(tǒng)人工巡井、氣站值守運(yùn)行模式管理難度大，生產(chǎn)定員多。

2 東勝氣田經(jīng)濟(jì)集輸技術(shù)

針對(duì)相關(guān)難題，結(jié)合東勝氣田地質(zhì)氣藏特征，以實(shí)現(xiàn)高含水氣藏高效集輸、降低氣井全生命周期生產(chǎn)成本為目標(biāo)，形成適應(yīng)于東勝氣田高含水氣藏的特色集輸及數(shù)字化管控關(guān)鍵技術(shù)，滿足滾動(dòng)開發(fā)模式下的快速上產(chǎn)需求。

2.1 優(yōu)選定型低壓集輸模式

2.1.1 基于中長(zhǎng)期規(guī)劃預(yù)測(cè)集輸成本

在氣田開發(fā)初期，采用高低壓集輸兩種集氣工藝開展先導(dǎo)試驗(yàn)(見表1))，均可實(shí)現(xiàn)天然氣的集輸與處理，但由于集氣方式、水合物防治措施、脫水工藝與增壓級(jí)數(shù)不同，兩種工藝在建設(shè)投資與運(yùn)行成本方面各有優(yōu)劣[5]。

表1 高壓集氣、低壓集氣模式定性對(duì)比

以氣田“十三五”1.5×109m3產(chǎn)能規(guī)劃為基礎(chǔ)，結(jié)合先導(dǎo)試驗(yàn)運(yùn)行數(shù)據(jù)，建立經(jīng)濟(jì)模型對(duì)兩種集輸工藝完全成本進(jìn)行對(duì)比分析，低壓集輸工藝在15年評(píng)價(jià)期內(nèi)完全成本為918元/103m3，較高壓集氣工藝985元/103m3低6.8%，在氣藏開發(fā)全生命周期內(nèi)可節(jié)約費(fèi)用6.77億元，更具效益優(yōu)勢(shì)[6]。

2.1.2 定型標(biāo)準(zhǔn)化低壓集輸模式

通過(guò)先導(dǎo)試驗(yàn)及全生命周期成本預(yù)測(cè)，在東勝氣田優(yōu)選采用低壓集輸模式?；诰鹿?jié)流工藝的推廣應(yīng)用，以甲醇抑制劑的零注入為目標(biāo)，結(jié)合水合物生成預(yù)測(cè)曲線，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化管網(wǎng)串接選型控制集氣壓力在水合物生成臨界條件外(冬季<1.3 MPa，夏季<4.0 MPa)，設(shè)置壓縮機(jī)進(jìn)口壓力1.0 MPa，集氣壓損≤0.3 MPa。

2.2 含水氣藏差異化集輸技術(shù)

2.2.1 單井在線氣液兩相計(jì)量技術(shù)

隨著含水儲(chǔ)量的逐步動(dòng)用，應(yīng)用渦街節(jié)流式兩相流量計(jì)代替原有單相漩渦流量計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)單井氣液產(chǎn)出的連續(xù)計(jì)量[7]，氣相計(jì)量誤差小于±5%，液相計(jì)量誤差小于±7%，目前已推廣應(yīng)用312臺(tái)，為井筒排水采氣與地面混輸攜液工藝優(yōu)化提供了準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)參數(shù)。

2.2.2 氣液混輸管線流態(tài)仿真模擬技術(shù)

在單井計(jì)量基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論分析，以管道運(yùn)行參數(shù)與合理流態(tài)為約束條件，通過(guò)556井次仿真計(jì)算，篩選了與現(xiàn)場(chǎng)工況相匹配的氣液混輸模型[8]，依托PIPEPHASE/HYSYS軟件建立了氣田管網(wǎng)模擬仿真系統(tǒng)[9]，仿真模擬準(zhǔn)確率提升至90%以上。

2.2.3 不同氣井差異化集輸對(duì)策

應(yīng)用氣液混輸管線流態(tài)仿真模擬技術(shù)進(jìn)行計(jì)算，對(duì)串接管網(wǎng)運(yùn)行工況進(jìn)行預(yù)測(cè)，氣井進(jìn)站串接管網(wǎng)內(nèi)大多處于層流狀態(tài)。結(jié)合地形地貌及單井產(chǎn)出工況差異性，形成了以層流混輸+整流攜液+在線分離為組合的氣井差異化集輸對(duì)策(見圖1)。

針對(duì)平坦區(qū)域水平管路，采用層流混輸對(duì)策，通過(guò)優(yōu)選管徑控制氣相流動(dòng)速度≤4 m/s，管線持液率<7%，通過(guò)氣液兩相間滑動(dòng)摩擦阻力實(shí)現(xiàn)有效混輸攜液。

針對(duì)地貌復(fù)雜區(qū)域持液率>20%的上傾積液管路，通過(guò)在管道內(nèi)加裝自主設(shè)計(jì)的螺旋整流工具，將湍流流態(tài)調(diào)整為渦流流態(tài)，在減少有效攜液壓差14%的同時(shí)，降低管線持液率至10%以下，實(shí)現(xiàn)低阻高效攜液。

針對(duì)高產(chǎn)液(液氣比>10 m3液/104m3氣)氣井，管線持液率>50%的潛在積液工況，研發(fā)出高效軸流導(dǎo)葉式氣液在線旋流分離裝置，分離效率室內(nèi)測(cè)試達(dá)90%以上，可降低集氣過(guò)程中的壓力損失，減少液體堵塞工況[10]。

2.3 地面優(yōu)快部署建設(shè)方法

2.3.1 井場(chǎng)橇裝集成設(shè)計(jì)建設(shè)技術(shù)

單井井場(chǎng)不加熱、不注醇，設(shè)置溫度、壓力、計(jì)量設(shè)備，經(jīng)井口計(jì)量后再輸送到集氣站。單井井場(chǎng)將溫變、壓變、關(guān)斷、計(jì)量“一橇”集成設(shè)計(jì)(見圖2)。工廠預(yù)制，統(tǒng)一采購(gòu)，井場(chǎng)安裝投產(chǎn)周期由4 d降低至1 d，投資降低14萬(wàn)元。橇內(nèi)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的活動(dòng)短節(jié)，可替換為串接閥門、除砂器等，按需安裝，靈活應(yīng)用。

2.3.2 “七撬一站”標(biāo)準(zhǔn)化集氣站設(shè)計(jì)建設(shè)技術(shù)

東勝氣田集氣站具備氣液分離、增壓、輸水等功能，形成5×105m3/d標(biāo)準(zhǔn)化低壓集氣站設(shè)計(jì)。通過(guò)集成優(yōu)化[11]，實(shí)現(xiàn)“七撬一站”設(shè)計(jì)，較傳統(tǒng)單體設(shè)備建站模式投資降低11%，征地減少39%，建設(shè)周期減少30 d。集氣站設(shè)置兩臺(tái)2.5×105m3/d撬裝壓縮機(jī)，在不同開發(fā)時(shí)期，單站壓縮機(jī)可根據(jù)產(chǎn)量情況靈活配置1臺(tái)或2臺(tái)，降低投資及能耗，站間壓縮機(jī)可調(diào)配使用。

2.3.3 “干管先行、閥組預(yù)設(shè)、多站串接”管網(wǎng)部署技術(shù)

基于地上地下一體化理念，創(chuàng)新提出“干管連藏、支線連井”管線部署策略。針對(duì)跨區(qū)開發(fā)，采用總體規(guī)劃、分期實(shí)施的方式，建設(shè)了橫貫氣田的集輸干線(見圖3)，實(shí)現(xiàn)分散選區(qū)連片生產(chǎn)。針對(duì)滾動(dòng)擴(kuò)邊多批次部署的氣井，沿主河道超前布設(shè)采氣干管至5 km半徑左右，并設(shè)置串接口，保障當(dāng)期氣井產(chǎn)能釋放，并為后續(xù)氣井預(yù)留。氣井試氣結(jié)束后最快1天可入管網(wǎng)投產(chǎn)。通過(guò)減少管網(wǎng)重復(fù)建設(shè)及帶壓開孔，累計(jì)降本850萬(wàn)元。

在單站“干管先行、閥組預(yù)設(shè)”的基礎(chǔ)上，將站間采氣干管連通，形成“多井多站串接”環(huán)網(wǎng)聯(lián)運(yùn)集氣模式[12]。各站集氣負(fù)荷80%～120%，實(shí)現(xiàn)站間互備，提高了地面集輸系統(tǒng)對(duì)井位滾動(dòng)調(diào)整的適應(yīng)性；氣井平均生產(chǎn)回壓降低0.14 MPa，7#、10#、11#、12#、14#座集氣站串接優(yōu)化后，累計(jì)增產(chǎn)天然氣1.50×106m3。

2.4 集輸全流程數(shù)字化管控技術(shù)

2.4.1 井口數(shù)據(jù)全面自動(dòng)采集遠(yuǎn)程監(jiān)控

單井設(shè)置實(shí)時(shí)監(jiān)控視頻、生產(chǎn)數(shù)據(jù)(瞬時(shí)、累計(jì))、壓力曲線、報(bào)警記錄等，實(shí)現(xiàn)電子巡井，遠(yuǎn)程控制。為氣井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)分析提供數(shù)據(jù)，為采氣作業(yè)提供數(shù)據(jù)接口。實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守、遠(yuǎn)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)自動(dòng)采集上傳、異常情況可遠(yuǎn)程關(guān)井。

信息化井場(chǎng)的建設(shè)為氣井智能柱塞、加藥、間開等特殊排采工藝的實(shí)施奠定了數(shù)字管理基礎(chǔ)，在有效提高氣井產(chǎn)量的同時(shí)降低排采工作強(qiáng)度。

2.4.2 單站無(wú)人值守、區(qū)域少人巡站。

集氣站通過(guò)SCS、SIS、FAG系統(tǒng)滿足生產(chǎn)站控、安防、火氣管理需求。自控采用高壓電控橇裝集成裝置，對(duì)進(jìn)站閥組、集氣橇、壓縮機(jī)、污水外輸泵、放空等流程進(jìn)行智能控制，實(shí)現(xiàn)進(jìn)站超壓放空切換、壓縮機(jī)啟?？刂婆c動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，15座集氣站實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守生產(chǎn)。

2.4.3 同步建設(shè)覆蓋全廠的網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)

在集輸管網(wǎng)建設(shè)的同時(shí)，與管網(wǎng)同溝敷設(shè)光纜，建立了覆蓋東勝氣田集輸系統(tǒng)各環(huán)節(jié)網(wǎng)絡(luò)通信體系。形成以光纖為主，以4G、LORA、網(wǎng)橋?yàn)檩o的通訊方式，將井站生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至氣田生產(chǎn)監(jiān)控中心，并同步實(shí)現(xiàn)中心控制指令向各流程生產(chǎn)節(jié)點(diǎn)有效下達(dá)。

2.4.4 采出水全流程密閉自動(dòng)輸控技術(shù)

建立“井-站-集中處理站”采出水三級(jí)密閉輸送管網(wǎng)，在集氣站設(shè)置污水罐液位、壓力、流量監(jiān)測(cè)裝置，通過(guò)高低限液位報(bào)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)間歇排液。提高了全氣田輸水效率，降低了凝析油管理難度，提升了安全管理水平，目前日輸水量達(dá)到1 137 m3，采出水密閉管輸率大于80%。

3 應(yīng)用效果

東勝氣田在“十三五”期間快速上產(chǎn)。采用低壓集輸模式，完成2.25×109m3產(chǎn)能建設(shè)，建成集中處理站1座、集氣站18座、管線875 km。相對(duì)于高壓集氣模式，實(shí)現(xiàn)零注醇綠色生產(chǎn)；單井管線平均長(zhǎng)度由3.5 km降低到1.9 km，管線壓力等級(jí)由23 MPa下降至6.3 MPa。單井地面投資由500萬(wàn)元降低至目前300萬(wàn)元以下。

2018年以來(lái)，兩相流量計(jì)在開發(fā)氣井上應(yīng)用率100%，累計(jì)應(yīng)用312臺(tái)，為氣藏精細(xì)化管理提供了數(shù)據(jù)，排水采氣成功率提升25%，累計(jì)增產(chǎn)天然氣0.6×108m3。差異化集輸對(duì)策的應(yīng)用使含液氣井可控集輸半徑從5～8 km提升到10 km。管網(wǎng)平均壓損總體較低，管道壓力能利用率>75%，屬于輸送效率較高水平。井口橇已推廣應(yīng)用354臺(tái)，橇裝集氣站應(yīng)用14座，為氣田快速上產(chǎn)提供了有效支撐。應(yīng)用“干管先行、閥組預(yù)設(shè)、多站串接”管網(wǎng)部署技術(shù)，提前釋放氣井產(chǎn)能約1.3×108m3，并最大限度地規(guī)避了滾動(dòng)開發(fā)模式下的地面建設(shè)“大馬拉小車、超載”等不匹配現(xiàn)象。2019年以來(lái)，地面井場(chǎng)、場(chǎng)站、管網(wǎng)均實(shí)現(xiàn)當(dāng)年設(shè)計(jì)、當(dāng)年建設(shè)投產(chǎn)。

應(yīng)用集輸全流程數(shù)字化管控技術(shù)，建立了“三級(jí)”管控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了氣井及集氣站數(shù)字化管控。其中氣田采氣管理二區(qū)自2017年成立以來(lái)，投產(chǎn)井?dāng)?shù)由98口增加至323口，管理集氣站由2座增加12座，人均產(chǎn)量增加5倍，人均管理井?dāng)?shù)增加3倍，日產(chǎn)天然氣3.62×106m3，人均日產(chǎn)量6.35×104m3，操作成本下降17.6%，實(shí)現(xiàn)了“增產(chǎn)增效不增人”。在2020疫情最嚴(yán)重時(shí)期，由于交通管制，大牛地氣田因污水拉運(yùn)不及時(shí)造成限產(chǎn)，而東勝氣田基本無(wú)影響，數(shù)字化管控優(yōu)勢(shì)明顯。

4 結(jié)語(yǔ)

為實(shí)現(xiàn)致密低滲高含水氣藏有效開發(fā)，東勝氣田在氣井回壓控制、可控集氣半徑、氣液計(jì)量精度、集輸運(yùn)行負(fù)荷、投產(chǎn)建設(shè)速度、數(shù)字運(yùn)行管理等領(lǐng)域進(jìn)行了探索研究，確定合適的集輸模式，有效降低氣藏全生命周期集輸成本。集成應(yīng)用信息化、數(shù)字化關(guān)鍵技術(shù)，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，提升精細(xì)化管理水平。通過(guò)持續(xù)提高集輸工藝適應(yīng)性、優(yōu)化建設(shè)模式，滿足了滾動(dòng)開發(fā)、快速上產(chǎn)需求。綜合形成了適應(yīng)東勝氣田高含水氣藏的經(jīng)濟(jì)集輸技術(shù)系列。

2020年?yáng)|勝氣田成為鄂爾多斯盆緣高含水區(qū)首個(gè)年產(chǎn)1.5×109m3的大氣田。氣田目前為內(nèi)蒙、寧夏經(jīng)濟(jì)發(fā)展持續(xù)保供清潔能源，并已實(shí)現(xiàn)與內(nèi)蒙古草原和諧共生發(fā)展。根據(jù)東勝氣田規(guī)劃部署，“十四五”期間規(guī)劃新建產(chǎn)能2.4×109m3、累產(chǎn)超過(guò)1.0×1010m3。將繼續(xù)推廣應(yīng)用已有技術(shù)成果，打造高效集輸系統(tǒng)并建設(shè)智能化氣田。