姜琳

[摘 要]對具有高壓力、高產(chǎn)量，壓力產(chǎn)量變化快、產(chǎn)水量高的頁巖氣藏的開發(fā)進(jìn)行分析，對比現(xiàn)有的技術(shù)與開發(fā)頁巖氣藏所需要的工藝設(shè)備以及壓力溫度等的需求，提出簡要的頁巖氣地面技術(shù)設(shè)計規(guī)程，通過對HYSYS以及PIPELINE等軟件的使用，實(shí)現(xiàn)模型具體化、數(shù)字化的呈現(xiàn)設(shè)計。

[關(guān)鍵詞]頁巖氣集輸;水合物;集輸工程

[中圖分類號]TE863 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

頁巖氣藏具有高壓力、高產(chǎn)量，開采過程壓力下降迅速、開采初期氣量大、產(chǎn)水量高，開采過程氣量衰減快、后期氣量小，進(jìn)入增壓開采短等特點(diǎn)，導(dǎo)致了一系列的設(shè)計需求以及工藝設(shè)備需求。

1 水合物生成預(yù)測及防止

由于頁巖氣藏具有高壓力，初期開采時可借助氣藏壓力進(jìn)行輸送至集氣閥或相應(yīng)的天然氣處理廠，經(jīng)過處理后進(jìn)行外輸。但是由于單個氣井壓力高，產(chǎn)水量大，極容易引起冰堵現(xiàn)象。因此，首先需要根據(jù)天然氣氣質(zhì)組分及壓力對水合物的形成進(jìn)行預(yù)測并根據(jù)環(huán)境的溫度壓力條件建立生成模型以觀測?，F(xiàn)以單井壓力初期48MPa，后期2MPa，埋深處地溫10℃，天然氣成分（mol）按下表（1）所示。

若開初期借用氣藏壓力實(shí)現(xiàn)天然氣的外輸，有效減少增壓站的設(shè)置，但由于初期壓力過高，致使外輸至外輸站時壓力遠(yuǎn)大于所需的外輸壓力，同時，開井初期壓力過高，促進(jìn)水合物的生成，因此，選擇對水合物進(jìn)行節(jié)流措施。

1.1 節(jié)流方式

節(jié)流是流體流動時由于通道截面突然縮小（如孔板、閥門等）而使壓力降低的熱力過程。為了獲得降壓的效果必然會引起溫度的上升，因此在節(jié)流過程中應(yīng)注意節(jié)流的溫度，密切關(guān)注水合物的生成條件，以水合物生成作為表準(zhǔn)進(jìn)行節(jié)流壓力的選取，觀測溫度變化。

常規(guī)控制井口壓力的方法主要有井口加熱節(jié)流和井下節(jié)流兩種。

（1）井口加熱節(jié)流。井口加熱節(jié)流采用井口加熱爐加熱以提高集氣氣流溫度，利用井口針閥節(jié)流降低集氣管線壓力，從而保證在降壓處理要求。由于針閥節(jié)流降壓會導(dǎo)致溫度的瞬間降低，極易出現(xiàn)水合物堵塞的現(xiàn)象，采用井口加熱可以提高氣流溫度，在節(jié)流壓降作用時使溫度不致降至水合物生成的溫度。但由于氣流速度快，井口加熱僅僅作用于局部而對井筒及加熱爐前管線不存在保護(hù)作用，在生產(chǎn)壓力極大的情況下，必須考慮流動注醇車的配備。井口加熱節(jié)流耗費(fèi)器材量大，后期投入高，設(shè)備以及生產(chǎn)管理難度大。

（2）井下節(jié)流。井下節(jié)流通過井下節(jié)流氣嘴來完成節(jié)流壓降。井下節(jié)流可以充分利用地溫對氣體以及管道的保溫作用，對相應(yīng)的部分進(jìn)行加熱，可以使節(jié)流后的氣體流動溫度基本與節(jié)流之前的溫度一致，減少了如井口節(jié)流所需考慮的注醇量，有效減少注醇投資。井下節(jié)流工藝極大地簡化了地面流程，同時提高了氣井?dāng)y液能力，有效防止水合物的生成，更益于保護(hù)地層。

1.2 方案設(shè)計

由水合物預(yù)測圖以及結(jié)合輸氣站外輸壓力（取5MPa），可選取設(shè)計方案如下三種：

（1）井下節(jié)流至4.5MPa時水合物生成溫度為7.625℃，低于管道埋深處平均地溫10℃從而保證在沿線環(huán)境溫度下不會有水合物生成，初期可以不使用保溫、加熱、增壓設(shè)備，直接輸送至天然氣處理廠，增壓至5.02MPa外輸至輸氣站;后期井口壓力2MPa采取在天然氣處理站將氣體進(jìn)行增壓外輸。

（2）井下節(jié)流至5.06MPa，使初期產(chǎn)氣能夠滿足沿線的壓力輸送，無需再沿途進(jìn)行增壓，直接借井口壓力輸送至集氣站、處理廠以及輸氣站，但需在井口設(shè)置加熱爐，以防止水合物的生成;后期井口壓力2MPa，在集氣站前需要設(shè)置壓縮機(jī)使得有足夠的壓力輸送至天然氣處理廠，由于輸氣站外輸壓力為高于現(xiàn)有壓力，后期輸送天然氣采取處理站氣體增壓。

（3）井下節(jié)流至5.06MPa，使氣井初期具有足夠的壓力憑借井口壓力直接輸送至天然氣處理廠，接著輸送至輸氣站，無需增壓。而管道埋深處地溫10℃，無法完全保證水合物不生成，因此采氣初期增設(shè)加熱爐進(jìn)行加熱，防止水合物的生成。后期亦須進(jìn)行增壓外輸。

2 集氣管網(wǎng)和站場布局

2.1 規(guī)劃概述

在管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計中，采用優(yōu)化技術(shù)確定合理的結(jié)構(gòu)并確定最佳工藝設(shè)計方案可以獲得較好經(jīng)濟(jì)效益。因此以產(chǎn)量長度和最小為約束的最優(yōu)化目標(biāo)和以管線總長度為約束的最優(yōu)化目標(biāo)，根據(jù)集氣半徑對管網(wǎng)集輸方式進(jìn)行初步的構(gòu)造，并采用Lingo建立相關(guān)數(shù)學(xué)模型，通過計算得到以管線總長度為約束的管網(wǎng)布局方案。

（1）在AutoCAD中建立坐標(biāo)讀取相應(yīng)各個平臺坐標(biāo)。

（2）根據(jù)氣田現(xiàn)場狀況以及周邊公路情況進(jìn)行相應(yīng)的定點(diǎn)。

（3）使用Lingo進(jìn)行最佳位置的定點(diǎn)計算，并得出計算點(diǎn)坐標(biāo)。

2.2 井組劃分

井組的最優(yōu)劃分是確定井與站之間的最佳隸屬關(guān)系，即在一定的井式約束及其他約束下，把各氣井劃分為其所隸屬集氣站，以達(dá)到節(jié)約建設(shè)費(fèi)用的目的。

根據(jù)集輸半徑要求、初步確定集氣站個數(shù)、進(jìn)行系統(tǒng)聚類。通過系統(tǒng)聚類可得出初步集氣站管轄井，在集氣站管轄范圍內(nèi)進(jìn)行初步串接。

2.3 集氣站位置的確定

采用Lingo最優(yōu)化算法以產(chǎn)量長度和最小為優(yōu)化目標(biāo)確定集氣站位置。對數(shù)據(jù)和初步方案需要進(jìn)行必要的擬合修正，比如對井間串接管網(wǎng)布置方式進(jìn)行調(diào)整，以確保流程的正常進(jìn)行。

3 管網(wǎng)的水力、熱力計算校核

3.1 水力計算校核

以下圖2串聯(lián)井網(wǎng)為例進(jìn)行pipeline運(yùn)行工況的校核。圖中左側(cè)為各個集氣平臺的接連，右側(cè)為集氣站。

單個平臺平均流量為10.15×104m3/d，井口節(jié)流后壓力4.5MPa，管道埋深處地溫為10℃，利用pipeline校核結(jié)果如下圖3所示，即上述管線尺寸設(shè)計可以滿足輸量要求。

3.2 熱力計算校核

根據(jù)三個方案中需要加熱爐進(jìn)行加熱來保持水合物不生成的方案進(jìn)行熱力校核計算。

用單井流量、長距離輸送的工況設(shè)計出來的加熱爐功率偏大，熱量富余較大，故具有能耗高，經(jīng)濟(jì)效益差的缺點(diǎn)。因此需要進(jìn)行加熱溫度優(yōu)化?？紤]到串聯(lián)井網(wǎng)的計算比較復(fù)雜，利用Pipeline模擬計算已有管網(wǎng)布局情況下各井口的加熱溫度優(yōu)化與熱力水力校核。

通過Pipeline軟件模擬可得各條管線的壓降及溫降曲線，對應(yīng)條件下可保證不生成水合物。

其余管徑選取、管材選擇、穿跨越管道設(shè)計以及集氣站、天然氣處理廠的設(shè)計等均需根據(jù)實(shí)地應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)計算和設(shè)計，包括方案適應(yīng)性分析、各類工藝設(shè)備的選用，管道以及設(shè)備的防腐設(shè)計、相應(yīng)的氣田管網(wǎng)泄漏及應(yīng)急預(yù)案、自動控制測量儀表，以及環(huán)境保護(hù)、消防設(shè)施的設(shè)置、職業(yè)安全衛(wèi)生等。

通過對氣藏條件的分析，天然氣氣質(zhì)組分的構(gòu)成以及外設(shè)條件的要求，結(jié)合軟件運(yùn)算模擬以及各類工程規(guī)范的指導(dǎo)，進(jìn)行技術(shù)工程的設(shè)計。

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