涂 敖, 王 圣, 謝 奎

1中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司試修公司 2中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司川西鉆探公司

0 引言

頁巖氣在能源消費(fèi)中占有越來越重要的地位，不過其開采技術(shù)仍有許多需要攻克的技術(shù)難點(diǎn)，地面測(cè)試作為頁巖氣開發(fā)的技術(shù)支撐之一，起著節(jié)流降壓、捕屑除砂、分離計(jì)量等作用，測(cè)試流程(即測(cè)試設(shè)備及管線的工藝布局)的優(yōu)化簡(jiǎn)化步伐一直沒有停止[1-2]。四川氣田常規(guī)井勘探開發(fā)中，地面測(cè)試作業(yè)普遍存在高溫、高壓、高產(chǎn)、高含硫特點(diǎn),而長(zhǎng)寧—威遠(yuǎn)示范區(qū)頁巖氣井產(chǎn)量和壓力相對(duì)較低，加之頁巖氣低成本作業(yè)的需求，存在對(duì)地面測(cè)試作業(yè)在頁巖氣勘探開發(fā)中重要性的片面認(rèn)識(shí)[3]，頁巖氣測(cè)試流程及裝備主要來源于常規(guī)井地面流程，兼顧了常規(guī)及非常規(guī)天然氣井的作業(yè)需求，雖經(jīng)幾輪優(yōu)化設(shè)計(jì)，仍存在流程占地廣、設(shè)備處理能力過剩、不能掌握單井實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等問題，因此有必要進(jìn)行針對(duì)性研究，提出技術(shù)對(duì)策。

1 頁巖氣排采流程優(yōu)化的主要難點(diǎn)

1.1 頁巖氣測(cè)試流程設(shè)備多、占地廣、安裝周期長(zhǎng)

頁巖氣井測(cè)試沒有專有的測(cè)試流程及裝備，設(shè)備數(shù)量多、體積大、管線長(zhǎng)、流程占地面積廣且安裝周期長(zhǎng)(表1)。頁巖氣開發(fā)一直強(qiáng)調(diào)成本控制，要求排采流程盡量簡(jiǎn)化，雖經(jīng)過頁巖氣規(guī)模開發(fā)初期多次優(yōu)化，但為了滿足頁巖氣施工的諸多要求，在井場(chǎng)有限的作業(yè)空間內(nèi)仍投入較多設(shè)備和管線，導(dǎo)致流程安裝周期長(zhǎng)，占用場(chǎng)地面積大，與頁巖氣低成本、高效率開發(fā)的初衷不適應(yīng)。

表1 頁巖氣地面測(cè)試流程設(shè)備數(shù)量、占地面積及安裝周期統(tǒng)計(jì)

1.2 當(dāng)前輪換計(jì)量不能實(shí)時(shí)掌握單井排采數(shù)據(jù)

頁巖氣儲(chǔ)層滲透率低，單井產(chǎn)量低，排采作業(yè)前期產(chǎn)量變化非常明顯，需要及時(shí)掌握同一平臺(tái)各井的動(dòng)態(tài)產(chǎn)量數(shù)據(jù)，有利于后期頁巖氣井生產(chǎn)制度的優(yōu)化調(diào)整及其他相關(guān)研究工作的開展。為了實(shí)現(xiàn)商業(yè)化開發(fā)，頁巖氣采用叢式井平臺(tái)布井模式[4]，通常一個(gè)平臺(tái)6口井。測(cè)試和試采過程中，需要單井準(zhǔn)確計(jì)量產(chǎn)量，目前出于節(jié)約設(shè)備和場(chǎng)地空間考慮，多井共用設(shè)備，單平臺(tái)配備的分離器少于井口數(shù)，通常為4臺(tái)，滿足各井輪換計(jì)量的要求，必然存在2口井、甚至多口井同時(shí)進(jìn)入一臺(tái)分離器進(jìn)行混合計(jì)量的情況，這就對(duì)單井氣液產(chǎn)量的計(jì)量存在影響，取全數(shù)據(jù)與有效控制成本難以兼得[5]。

1.3 頁巖氣測(cè)試設(shè)備處理能力過剩

頁巖氣地面測(cè)試沿用常規(guī)氣井模式，使用測(cè)試分離器，先分離再計(jì)量。平臺(tái)配置4套分離器，滿足單井一對(duì)一分離計(jì)量以及合排計(jì)量需求[6]，單臺(tái)分離器處理量就達(dá)到100×104m3/d，而絕大多數(shù)平臺(tái)氣產(chǎn)量一般不超過150×104m3/d，以當(dāng)前4臺(tái)分離器的配置，處理能力明顯過剩。

2 頁巖氣測(cè)試流程優(yōu)化的技術(shù)對(duì)策

頁巖氣開發(fā)初期，根據(jù)頁巖氣井測(cè)試工藝需求，遵從“安全、環(huán)保、高效、穩(wěn)定、連續(xù)、快速”的排液需求[7]，且在簡(jiǎn)化地面測(cè)試流程、降本增效的前提下，地面測(cè)試流程逐漸形成4大功能模塊:井口組合模塊、捕屑除砂模塊、節(jié)流降壓模塊和分離計(jì)量模塊。其中，捕屑除砂模塊的設(shè)計(jì)已為最優(yōu)化，精簡(jiǎn)后只有1套捕屑器、1套除砂器，且整合在一條管路上，這是因?yàn)榛趯?duì)頁巖氣返排特征的認(rèn)識(shí)，地層大量出砂僅在返排初期的一段時(shí)間，一般只持續(xù)3～4 h[8-10]，各單井錯(cuò)峰使用1套捕屑器和除砂器，能夠滿足頁巖氣多井組平臺(tái)返排測(cè)試期間地面捕屑除砂需求。因此，測(cè)試流程進(jìn)一步優(yōu)化的重點(diǎn)放在井口組合、節(jié)流降壓和分離計(jì)量模塊上。

2.1 優(yōu)化井口并聯(lián)分流模塊實(shí)現(xiàn)流體集中和分流

在頁巖氣多井組平臺(tái)，井筒流體的集中和分流是通過多臺(tái)臨時(shí)拼裝的閥門組合來實(shí)現(xiàn)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，隨意性強(qiáng)，連接出來的流程極為復(fù)雜。優(yōu)化設(shè)計(jì)的井口并聯(lián)模塊將多口井流體集中到1臺(tái)管匯并實(shí)現(xiàn)流體走向的任意分配，其上游分別與n口井的出口管道連接，下游與捕屑除砂模塊、節(jié)流降壓模塊連接。井口并聯(lián)模塊能夠?qū)口井中任意一口井的返排流體輸送給捕屑和除砂裝置，并將剩下n-1口井的返排流體分別輸送給節(jié)流降壓裝置。如此，井口并聯(lián)模塊可滿足6口井同時(shí)開井且井間不串壓、任意井單獨(dú)壓裂砂堵后解堵、任意井單獨(dú)鉆磨捕屑、任意井單獨(dú)高壓除砂的需求，確保開井后不隨意關(guān)井。在各井筒流體之間不干擾的情況下，井筒流體可向下游流程自由切換。

2.2 開發(fā)復(fù)式降壓分流管匯實(shí)現(xiàn)流體的集中和再分配

由于場(chǎng)地限制和出于成本控制的考慮，頁巖氣多井組平臺(tái)的分離器數(shù)量少于井口數(shù)量，不能達(dá)到一一對(duì)應(yīng)，井筒流體在油嘴管匯節(jié)流降壓后，必須通過低壓分流管匯對(duì)井筒流體進(jìn)行分流，多口井導(dǎo)入1臺(tái)分離器合排計(jì)量或單井導(dǎo)入1臺(tái)分離器單獨(dú)計(jì)量，需要使用油嘴管匯和低壓分流管匯分別達(dá)到節(jié)流降壓和低壓分流的目的。油嘴管匯和低壓分流管匯的數(shù)量多，加上兩種設(shè)備之間的連通油管，該模塊的占地面積較大。

優(yōu)化設(shè)計(jì)的復(fù)式降壓分流管匯，采用兩進(jìn)口四出口的結(jié)構(gòu)，兩口井同時(shí)使用一個(gè)油嘴管匯，中間油嘴作為臨時(shí)的流體通道，檢查或更換油嘴時(shí)使用。油嘴下游整合融入了低壓分配管線，節(jié)流后的井筒流體可進(jìn)行低壓分流。單臺(tái)設(shè)備即實(shí)現(xiàn)了節(jié)流降壓和低壓分流兩個(gè)功能，將兩種設(shè)備集成為一種設(shè)備，使用復(fù)式油嘴管匯后，節(jié)流降壓模塊的占地面積節(jié)約了30%。

2.3 引入兩相流量計(jì)形成“單井單獨(dú)計(jì)量、平臺(tái)集中分離”計(jì)量模式

兩相流量計(jì)是一種新型計(jì)量?jī)x器,它的最大特點(diǎn)就是不用經(jīng)過傳統(tǒng)的氣水分離作業(yè),直接計(jì)量管線中混輸?shù)臍馑畠上嗟母髯援a(chǎn)量。在地層流體不需要分離的情況下,通過測(cè)量器具進(jìn)行總量測(cè)算,采用特殊技術(shù)得出地層流體中各單相所占的比率,進(jìn)而對(duì)數(shù)據(jù)處理運(yùn)算得出各單相流體的流量[11-12]。

在我國(guó)頁巖氣開采力度的加大和“降本增效”的大背景下，兩相流量計(jì)有著體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、工藝簡(jiǎn)潔、維護(hù)保養(yǎng)少、全面反映排液測(cè)試動(dòng)態(tài)(包括壓力、氣、液變化)等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，引入“兩相流量計(jì)”可取消部分計(jì)量用分離器、計(jì)量管線以及計(jì)量匯管,而且兩相流量計(jì)節(jié)約了空間，使現(xiàn)有測(cè)試流程的進(jìn)一步優(yōu)化得以實(shí)現(xiàn)[13-14]，對(duì)于單井的產(chǎn)量計(jì)量，不用再使用分離器進(jìn)行逐一分離，直接將各井流體導(dǎo)入兩相流量計(jì)，即可隨時(shí)獲知各井產(chǎn)量的連續(xù)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)單井全過程動(dòng)態(tài)管理[15]。根據(jù)近年來對(duì)頁巖氣返排特征的認(rèn)識(shí)，頁巖氣多井組平臺(tái)總氣產(chǎn)量介于50×104～150×104m3/d之間，而測(cè)試分離器的氣處理能力為100×104m3/d，因此在測(cè)試階段引入兩相流量計(jì)后，頁巖氣平臺(tái)配置的分離器可從原來的3～4臺(tái)縮減至1～2臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備管線數(shù)量的減少和測(cè)試工藝的簡(jiǎn)化。

3 頁巖氣地面測(cè)試流程的優(yōu)化定型

通過上述技術(shù)措施，頁巖氣平臺(tái)地面測(cè)試流程得到進(jìn)一步優(yōu)化：一是利用多流程井口并聯(lián)模塊化布局，在井口處實(shí)現(xiàn)了流體集中和分流，解決了多井眼、多工況同時(shí)作業(yè)的難題，可同時(shí)滿足6口井分別進(jìn)行加砂壓裂、鉆塞洗井、返排測(cè)試等作業(yè)；二是利用復(fù)式油嘴管匯對(duì)節(jié)流降壓模塊進(jìn)行優(yōu)化，1臺(tái)設(shè)備可對(duì)2口井進(jìn)行測(cè)試，并將油嘴管匯和低壓分流管匯2種設(shè)備的功能整合進(jìn)1種設(shè)備，在節(jié)流后實(shí)現(xiàn)了測(cè)試設(shè)備間流體的集中和再分配，在提高作業(yè)效率的同時(shí)也減小了流程的占地面積；三是通過引入非分離氣液計(jì)量技術(shù)，改變了傳統(tǒng)的計(jì)量模式，滿足了平臺(tái)井單井實(shí)時(shí)計(jì)量的需求，常規(guī)測(cè)試分離器的數(shù)量縮減至1臺(tái)，同時(shí)大幅減少工藝管線數(shù)量。優(yōu)化后的流程簡(jiǎn)明清晰，一目了然，功能齊全，如圖1所示。

圖1 優(yōu)化后的頁巖氣多井組平臺(tái)地面測(cè)試流程

流程設(shè)備:井口并聯(lián)管匯1臺(tái)、捕屑器1臺(tái)、除砂器1臺(tái)、油嘴管匯3臺(tái)、兩相流量計(jì)6臺(tái)、分離器1臺(tái)。

測(cè)試工藝流程：井口→井口并聯(lián)管匯→捕屑器→除砂器→油嘴管匯→兩相流量計(jì)→分離器→燃燒池/輸氣撬。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

優(yōu)化后的地面測(cè)試工藝流程在長(zhǎng)寧、威遠(yuǎn)等頁巖氣示范區(qū)進(jìn)行了近10個(gè)4或6井組頁巖氣平臺(tái)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了“單井實(shí)時(shí)計(jì)量，平臺(tái)集中分離”，減少了設(shè)備數(shù)量，縮減了流程占地面積，提高了流程安裝效率。

以WH38平臺(tái)為例，該平臺(tái)部署4口氣井，排采期間單井氣相產(chǎn)量在0.4×104～20×104m3之間，單井液相產(chǎn)量在55～264 m3之間。本平臺(tái)應(yīng)用了模塊化的地面測(cè)試流程，通過井口并聯(lián)模塊高效實(shí)現(xiàn)流體的集中與分配，節(jié)流降壓模塊整合流體降壓和低壓分配功能，分離計(jì)量模塊完成單井實(shí)時(shí)計(jì)量和氣液集中分離外輸。

在氣液計(jì)量方面，每口井均配置1臺(tái)氣液兩相流量計(jì)，實(shí)時(shí)獲取單井產(chǎn)量。計(jì)量數(shù)據(jù)與高級(jí)孔板流量計(jì)和渦輪液體流量計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，結(jié)果氣相日產(chǎn)量相對(duì)偏差小于5%的數(shù)據(jù)占總樣本97.78%，液相日產(chǎn)量相對(duì)偏差小于5%的數(shù)據(jù)占總樣本93.33%，表明氣液兩相流量計(jì)的測(cè)量值能與標(biāo)準(zhǔn)值達(dá)到較好的一致性。

在測(cè)試流程優(yōu)化效果方面，由于兩相流量計(jì)的應(yīng)用，WH38平臺(tái)在排采階段分離器縮減至1臺(tái)，而常規(guī)模式需要3臺(tái)，優(yōu)化后分離器用量減少66%；由此帶來的管線用量從常規(guī)模式的平均1 991 m縮減至1 180 m，減少40.7%；優(yōu)化后的流程占地面積也減小33%。由于分離器和工藝管線的大幅減少，W204H38平臺(tái)地面測(cè)試流程的安裝效率得到進(jìn)一步提高，安裝完整測(cè)試流程的時(shí)間為7 d，較常規(guī)模式的安裝周期(平均為10.6 d)縮短33.9%。

5 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

通過優(yōu)化井口并聯(lián)模塊和節(jié)流降壓模塊，并把非分離式的氣液計(jì)量技術(shù)引入頁巖氣測(cè)試作業(yè)中，改進(jìn)了頁巖氣平臺(tái)井計(jì)量模式，并進(jìn)一步優(yōu)化簡(jiǎn)化了地面測(cè)試流程，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和適應(yīng)性分析，得出如下結(jié)論：

(1)優(yōu)化改進(jìn)了井口組合管匯和降壓分流復(fù)式油嘴管匯，將多件、多種設(shè)備的功能集成到一件撬裝管匯上，提高了設(shè)備的集成化程度，簡(jiǎn)化了工藝流程。

(2)引入非分離氣液實(shí)時(shí)計(jì)量技術(shù)，形成了適用于頁巖氣多井組平臺(tái)的“單獨(dú)計(jì)量、集中分離”氣液計(jì)量與分離技術(shù)，兩相流量計(jì)單井計(jì)量，分離器集中分離外輸，為氣田生產(chǎn)決策提供單井實(shí)時(shí)和準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，減少了分離器數(shù)量，進(jìn)一步優(yōu)化簡(jiǎn)化了頁巖氣地面測(cè)試流程。

(3)優(yōu)化簡(jiǎn)化后形成的頁巖氣地面測(cè)試工藝流程，解決了將常規(guī)測(cè)試流程應(yīng)用于頁巖氣多井組平臺(tái)帶來的設(shè)備管線多、流程占地面積廣、設(shè)備處理能力過剩等問題，達(dá)到了降本增效的目的，適合頁巖氣工廠化生產(chǎn)模式的需求。