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      川頁巖氣田試采放空氣回收利用工藝技術(shù)探討

      2023-07-05 15:35:15陳吉平
      科技風(fēng) 2023年18期

      摘?要:南川頁巖氣田在勘探開發(fā)前期壓裂試氣放噴過程中有大量的放空頁巖氣被火炬燃燒,若不能對這部分頁巖氣進(jìn)行有效回收利用,不僅造成資源浪費,也會產(chǎn)生一系列問題。本文著重探討壓裂試氣放噴求產(chǎn)過程中頁巖氣的回收利用,針對南川頁巖氣田開發(fā)現(xiàn)狀,利用移動回收式設(shè)備處理成CNG,通過CNG槽車轉(zhuǎn)運,回注進(jìn)入輸氣管網(wǎng),從而達(dá)到回收利用的目的。該工藝技術(shù)可充分釋放外圍邊遠(yuǎn)零散井產(chǎn)能,提高氣藏采收率,降低放空帶來的安全隱患,減少環(huán)境污染。

      關(guān)鍵詞:南川頁巖氣;放噴氣回收;CNG轉(zhuǎn)運回注

      頁巖氣新井壓裂試氣求產(chǎn)時間長,且在氣田產(chǎn)能建設(shè)初期,地面集輸系統(tǒng)受地勢影響,管網(wǎng)建設(shè)滯后于新井試氣投產(chǎn),外圍邊遠(yuǎn)零散區(qū)塊井集輸管網(wǎng)不能及時鋪設(shè)到位且存在單井銷售利用不暢等問題,致使頁巖氣井在試氣求產(chǎn)階段點火放空處理,不僅造成頁巖氣資源浪費,也會產(chǎn)生一系列安全隱患和環(huán)境污染問題,因此,急需對放空頁巖氣進(jìn)行回收利用,真正做到“顆粒歸倉”[1]。

      1?南川頁巖氣田放噴工藝概況

      頁巖氣新井經(jīng)過壓裂、鉆塞后,試采放噴流程主要通過井口依次進(jìn)入對應(yīng)壓力級別的補屑器、油嘴管匯臺、試采一體化管匯撬,針對放噴初期出液量大、含砂量高的問題,放噴前三天不經(jīng)分離器直接進(jìn)行排液放空,三天后則進(jìn)入氣水兩相分離器,進(jìn)行氣液分離、氣體計量、除砂后,井內(nèi)攜液氣體通過放噴管線進(jìn)入放噴池在火炬處點火燃燒,測試倒換制度在地面進(jìn)行,通過調(diào)換管匯臺的油嘴大小、分離器孔板大小進(jìn)行工作制度倒換,錄取系統(tǒng)測試資料。

      隨著南川頁巖氣產(chǎn)能建設(shè)的快速提升,井工廠模式的不斷成熟應(yīng)用,對試氣放噴工藝也提出了更高的要求,試氣放噴工藝要做到快速放噴排液快速投產(chǎn)進(jìn)入管網(wǎng),隨之而來的各類風(fēng)險不斷提升、工藝流程也更為復(fù)雜;頁巖氣井放噴排液初期氣體瞬時流量大,最大瞬時流量可達(dá)5000?Nm3/h以上;出液量大,含砂量高,且液性復(fù)雜包含壓裂液、返排液、地層水,需要完全回收,流程中需多級氣液分離;地層出砂易造成地面流程、設(shè)備沖蝕穿孔、泄漏,危險系數(shù)極高;出液大條件下投產(chǎn)易出現(xiàn)因分離效果不好導(dǎo)致管網(wǎng)進(jìn)液腐蝕管網(wǎng)、輸壓增大[24]。

      2?試采放空氣回收工藝篩選

      目前,國內(nèi)放空天然氣回收利用技術(shù)主要包括以下幾大類[5]:壓縮天然氣(CNG)、液化天然氣(LNG)、吸附天然氣(ANG)、水合物(NGH)、天然氣發(fā)電(GTW)、溴化鋰直燃機等?;厥蘸蟮闹饕媚J街饕兄苯釉鰤汉筝斔偷秸緝?nèi)(地面集輸系統(tǒng)、管網(wǎng)建設(shè)提前鋪設(shè))、在井場加工成CNG、LNG后外銷、經(jīng)井口移動壓縮機壓縮至CNG槽車轉(zhuǎn)運到回注點回注管網(wǎng)等??紤]到南川頁巖氣田產(chǎn)能建設(shè)現(xiàn)狀,試氣求產(chǎn)放空氣遠(yuǎn)離城市配備有外輸系統(tǒng)且沒有低壓氣用戶,同時試氣求產(chǎn)周期較短,選擇移動式、壓縮比高、瞬時排量高、流程簡單的移動壓縮機工藝回收放空氣,試氣求產(chǎn)放空流程工藝可對天然氣初步凈化,滿足壓縮氣質(zhì)要求。本文主要探討井口移動壓縮機CNG槽車回收回注工藝技術(shù)。

      3?試采放空氣回收工藝設(shè)計

      3.1?回收系統(tǒng)壓力設(shè)計

      試氣放噴求產(chǎn)流程中,井口來氣經(jīng)過油嘴管匯臺降壓、調(diào)節(jié)截流后進(jìn)入氣液兩相分離器,南川頁巖氣工區(qū)分離器應(yīng)用壓力普遍為6.3MPa。根據(jù)如圖1所示的流量與油嘴節(jié)流降壓之間的關(guān)系曲線,結(jié)合南川頁巖氣田試氣測試制度,判斷經(jīng)過高壓管匯臺二級降壓和分離器后放空壓力不大于1.5MPa[6],所以選取進(jìn)氣壓力為0.3~1.5MPa的車載式壓縮機為回收工藝系統(tǒng)的起點壓力。

      CNG槽車的工作壓力為25MPa,平臺管網(wǎng)壓力一般為4.5~5.0MPa,固在回注點增加減壓裝置,減壓回注進(jìn)入管網(wǎng)外銷。

      3.2?取氣點位置選取

      考慮到放空氣需經(jīng)過移動壓縮機增壓至CNG槽車轉(zhuǎn)運處理,因此需要將氣體提前進(jìn)行脫水凈化,結(jié)合現(xiàn)有的放噴工藝流程,選取在試氣流程分離器上的孔板流量計后的放空管線作為取氣點;主要有以下原因:(1)經(jīng)過試氣流程降壓和分離器計量裝置后,放空壓力滿足壓縮機進(jìn)氣壓力,且該壓力較為穩(wěn)定;(2)目前南川工區(qū)配套使用的分離器經(jīng)過預(yù)分離元件→波紋聚集分離元件→出口絲網(wǎng)捕霧裝置三次分離后滿足分離氣體中液滴直徑大于300μm的工藝設(shè)計條件;(3)分離器和放噴池火炬間安裝有阻火器,可實現(xiàn)試氣求產(chǎn)、放空兩個系統(tǒng)隨時切換。

      3.3?回注點位置選取

      移動回收的放空氣經(jīng)CNG槽車轉(zhuǎn)運至回注點減壓回注進(jìn)入管網(wǎng),考慮到運輸距離產(chǎn)生的成本費用、安全風(fēng)險等因素,選取距離取氣點30千米為半徑的單井進(jìn)站管線作為回注點,結(jié)合多數(shù)試氣求產(chǎn)放空氣現(xiàn)場情況和南川頁巖氣田的滾動開發(fā)模式,在單井進(jìn)站管線上預(yù)留閥門為回注點最佳。

      3.4?回收系統(tǒng)核心設(shè)備選取

      為了進(jìn)一步脫水凈化氣體,在進(jìn)入壓縮機前先經(jīng)過分子篩二次脫水。經(jīng)過對往復(fù)式壓縮機、離心式壓縮機、螺桿壓縮機的各自優(yōu)缺點及適用范圍的分析比較,決定選用車載往復(fù)活塞式壓縮機。壓縮機進(jìn)氣壓力可在0.5~6MPa間進(jìn)行調(diào)整,最大限度滿足放噴測試要求;出氣壓力為20~25MPa,滿足增壓至CNG槽車要求,其壓縮機設(shè)備最大處理能力為5萬m3/d。

      選取罐體容積為25.4m3的CNG槽車進(jìn)行轉(zhuǎn)運,其在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下最大裝氣量為5000m3;CNG槽車轉(zhuǎn)運至回注點后經(jīng)過減壓撬減壓至管網(wǎng)壓力回注進(jìn)入管網(wǎng)外銷。

      3.5?放噴氣回收系統(tǒng)工藝流程

      如圖2所示,井口高壓天然氣依次經(jīng)過補屑器進(jìn)行井筒一次除砂、管匯臺油嘴調(diào)節(jié)降壓、氣液兩相分離器一次脫水分離、二次除砂、計量,在分離器的孔板流量計后加裝三通、閥門,與回收裝置的分子篩連接進(jìn)行二次脫水,經(jīng)過車載式四級往復(fù)式壓縮機增壓至25MPa處理成CNG產(chǎn)品,充裝進(jìn)入CNG槽車進(jìn)行轉(zhuǎn)運,轉(zhuǎn)運至管網(wǎng)回注點后經(jīng)過減壓撬減壓,最終經(jīng)過回注點流量計計量后接入管網(wǎng)進(jìn)行外銷。若放空氣體量較大,回收裝置處理能力不夠時,氣體通過原流程放空進(jìn)入放噴池,做到應(yīng)收盡收的原則。

      回收設(shè)備的啟停、各級溫度和壓力、瞬時流量、總流量、電壓電流、總功率等參數(shù)可遠(yuǎn)程操作,實時監(jiān)管,進(jìn)一步降低施工風(fēng)險。

      3.6?風(fēng)險防控及措施

      天然氣是一種易燃易爆氣體,和空氣混合后,溫度達(dá)到550℃即可燃燒,天然氣爆炸范圍很小,當(dāng)濃度達(dá)到5%~15%就會爆炸。因此,回收系統(tǒng)重點需要防控三方面的風(fēng)險。

      (1)防控空氣混入管道:根據(jù)每口井實際放空量選擇合適處理能力的設(shè)備,當(dāng)來氣量超過壓縮機處理能力時可邊放空邊回收?;厥障到y(tǒng)工作時,放噴管線閘門關(guān)閉,若回收系統(tǒng)壓力超過設(shè)計值,回收系統(tǒng)關(guān)閉,放噴管線閥門自動打開。

      (2)防控天然氣泄漏:現(xiàn)場選用的配套設(shè)備全部為防爆產(chǎn)品,電控箱與設(shè)備安裝符合防爆距離要求,并實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備運行狀態(tài),設(shè)備有故障會及時報警,出現(xiàn)險情可及時自?;蛉斯ねC。對于回收回注現(xiàn)場通過安裝視頻監(jiān)控、氣體檢測儀、槽車運行督查、現(xiàn)場專人巡查、定期檢查等方式提高回收回注安全管理水平,降低安全運行風(fēng)險。

      (3)防控火炬回火:保留原放噴管線的阻火器,滿足在進(jìn)行回收作業(yè)的同時低壓系統(tǒng)放空點火,因此需要保留原有的阻火器防止回火。在分離器出口管道上安裝定壓閥,既可以阻擋回火,也能防止回收系統(tǒng)超壓時無法放空。

      4?放空氣回收系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用效果及經(jīng)濟效益評價

      4.1?現(xiàn)場應(yīng)用效果

      NC6井為中石化重慶頁巖氣有限公司部署在南川頁巖氣田道真區(qū)塊的一口風(fēng)險探井,分27段進(jìn)行壓裂儲層改造,改造段長為1900m,壓裂累計總液量為61302.65m3,支撐劑總量為4786.43m3。由于該井為該區(qū)塊第一口風(fēng)險探井,且地面集輸系統(tǒng)受地勢影響,管網(wǎng)建設(shè)相對滯后,因此在2021年8月完成最后一段壓裂,依次經(jīng)過連續(xù)油管鉆塞、各項油嘴制度測試系統(tǒng)資料后采取放空氣回收措施,放空氣回收之前放噴總液量為4530.1m3,返排率為739%,套壓為21MPa,試氣放噴測試曲線圖如圖3所示,前期放空天然氣量約89萬m3,每天放空氣量約為5萬m3,固選取最大處理能力為5萬m3/天的放空氣回收系統(tǒng)進(jìn)行回收處理。

      該井于2021年8月31日—2021年9月15日采用5mm油嘴進(jìn)行放空氣回收,考慮夜間施工安全等因素,只在白天上午8點至下午5點進(jìn)行回收處理,累計回收天然氣29.4萬m3,若不考慮夜間放空氣量,回收率接近100%。

      4.2?經(jīng)濟效益評價

      放空氣回收系統(tǒng)服務(wù)費用為0.96元/m3,包含氣體增壓處理、CNG槽車運輸、管網(wǎng)回注等各項綜合費用,按照144元/m3(不含稅)氣價進(jìn)行銷售,NC6井共產(chǎn)生經(jīng)濟效益14.11萬元;若在NC6井放噴期間全時段回收天然氣,可累計回收天然氣105.39萬m3,產(chǎn)生經(jīng)濟效益50.59萬元。

      若該套回收系統(tǒng)在南川頁巖氣田推廣應(yīng)用,以NC6井為例,每天放空天然氣量約為5萬m3/天,試氣周期按照15天計,每年回收15口井,可增加天然氣產(chǎn)量1125萬m3,產(chǎn)生直接經(jīng)濟效益為540萬元;每年減排二氧化碳198萬噸,大幅減少了溫室氣體的排放,同時也減少了試氣求產(chǎn)放噴對周圍環(huán)境造成的影響,達(dá)到了保護(hù)環(huán)境、節(jié)約資源的目的,實現(xiàn)了氣田的清潔生產(chǎn)。

      5?下步推廣思路

      針對南川頁巖氣田開發(fā)現(xiàn)狀,實施“一井一策、一平臺一策、一片區(qū)一策”,充分對壓裂試氣放噴求產(chǎn)過程中頁巖氣進(jìn)行回收利用,真正做到“顆粒歸倉”。

      5.1?產(chǎn)建區(qū)新井試采放空氣回收利用

      5.1.1?針對平橋南及東勝區(qū)塊平臺集氣管網(wǎng)已建成的新井

      在試氣放噴流程分離器流量計后加裝三通,利用現(xiàn)有井場區(qū)域安裝撬裝或車載壓縮機組,井口產(chǎn)氣通過測試流程初脫水后進(jìn)入壓縮機組壓縮后進(jìn)入集氣管網(wǎng)外輸。建議采用車載燃?xì)鈮嚎s機為佳,設(shè)備之間采用快速連接,實現(xiàn)放空氣當(dāng)天回收進(jìn)管網(wǎng)。

      5.1.2?針對東勝及陽春溝區(qū)塊平臺集氣管網(wǎng)未建成的新井

      在試氣放噴流程分離器流量計后加裝三通,利用現(xiàn)有井場區(qū)域安裝撬裝或車載一體化回收設(shè)備,井口產(chǎn)氣通過測試流程初脫水后進(jìn)入分離器撬+壓縮脫水充裝撬,處理增壓至25MPa左右進(jìn)入槽車外運至周邊回注點。

      5.2?外圍探井及零散井

      根據(jù)單井及片區(qū)的產(chǎn)能情況和回收設(shè)備,要綜合考慮井場周圍地面交通運輸環(huán)境、需求市場等各項情況。對于周邊有穩(wěn)定市場但管網(wǎng)不具備接入條件的,建議落實回收單位建設(shè)回收裝置加工成CNG后直銷;對于周邊沒有穩(wěn)定市場的,建議落實客戶自建撬裝CNG直銷或CNG回注具備條件的回注點。

      6?結(jié)論及建議

      (1)經(jīng)過各項論證分析和現(xiàn)場實際應(yīng)用,試采放空天然氣CNG回收回注工藝技術(shù)是安全可靠可行的;

      (2)頁巖氣的勘探開發(fā)生產(chǎn)各環(huán)節(jié)均存在大量放空天然氣,充分回收利用既可氣田增產(chǎn),又可減少溫室氣體排放,具有巨大的經(jīng)濟和社會效益,應(yīng)大力推廣應(yīng)用;

      (3)試氣后期開展作業(yè)時,可以將放空氣回收利用工序一并開展,有效延長試氣作業(yè)時間,充分獲取地層系統(tǒng)測試資料,同時井場統(tǒng)一規(guī)劃平面布局,最大限度回收利用放空氣;

      (4)建議在產(chǎn)建區(qū)塊集輸管網(wǎng)末端預(yù)留CNG回注接入口,方便后期外圍井產(chǎn)氣回收回注。

      參考文獻(xiàn):

      [1]劉璟,方亮,師煜凱,等.淺析天然氣壓裂放噴氣回收應(yīng)用[C]//.第31屆全國天然氣學(xué)術(shù)年會(2019)論文集(06儲運安全環(huán)保及綜合),[出版者不詳],20191030:498501.

      [2]代清華.天然氣井放噴排液過程中天然氣回收技術(shù)探析[J].機電工程技術(shù),2018,47(08):9193+227.

      [3]李俊,許多,鄭杰.油田放空天然氣回收利用探討[J].油氣田地面工程,2010,29(03):5859.

      [4]魏云峰,王沖,何中凱,等.塔里木油田零散井放空天然氣CNG回收技術(shù)[J].油氣田環(huán)境保護(hù),2011,21(01):810+60.

      [5]張世虎,郭永強,張浩然,等.蘇里格氣田天然氣回收利用技術(shù)研究及評價[J].石油石化節(jié)能,2020,10(12):6570+12.

      [6]黃永章,蔣成銀,朱禮明,等.放噴天然氣回收技術(shù)現(xiàn)場試驗效果與評價[J].石油化工應(yīng)用,2020,39(07):2832.

      作者簡介:陳吉平(1982—?),男,漢族,湖北蘄春人,本科,工程師,研究方向:零散氣回收。

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