低渗透气藏一体化集成装置应用效果评价

姚瑞峰，刘 辉，白自龙，李彦虎

1.长庆油田分公司第三采气厂，陕西西安 710018

2.长庆油田分公司第七采油厂，陕西西安 710000

随着气田开发的不断深入，开发区域由富集区逐步转移至低品位区，地面工程建设主要面临建设周期长、安全环保形势严峻、占地面积大、建设成本高等困难。为确保地面工程建设更好地配套产能建设，集气站一体化集成装置应运而生，但是实际应用过程中仍存在部分问题，本文针对苏里格气田47-3 集气站一体化集成装置应用现状，开展运行效果评价，为今后的一体化集成装置推广应用提供主要技术参数和应用经验。

1 集气站集输工艺现状

苏里格气田按照标准化建设，集气站天然气集输主要分为以下几个单元：进站区、分离器区、压缩机区、外输区、自用气区、气田采出水罐区，如图1所示。

图1 集气站单元划分示意

集气站天然气集输工艺流程为：井口来气通过进站阀组进入进站总机关，再进入分离器进行气液两相分离，经天然气压缩机组增压后通过流量计计量后外输至下游，如图2 所示。

图2 集气站天然气生产工艺流程

从图2 可以看出，集气站工艺流程分布在多个区域。为优化集气模式及工艺流程，引入天然气一体化集成装置。

2 天然气一体化集成装置

天然气一体化集成装置并非简单的设备拼装或者设备橇装，而是将各类不同工艺及功能的设备有机整合为安全性能高、自动化程度高、数字化程度高、机械化程度高、多功能集合的生产设备。

苏里格气田47-3 集气站一体化集成装置将标准集气站内的核心设备橇装化，集中在占地48 m2的底座上，根据集气站不同生产单元的工艺特点及流程，将进站总机关区、分离器区、外输区、自用气区四个生产单元的进站集气汇总、紧急截断、气液两相分离、自动排液、放空分液、闪蒸分液、计量外输、自用气供给、流程切换、智能控制、单独运行、远程监控12 项功能集于一体。主要设备有电动三通球阀、组合式分离闪蒸罐、流量计、疏水阀、电仪系统、放空系统、自用气分离器等[1-4]。

2.1 电动三通球阀

标准化集气站进站总机关的集气、放空、截断三套生产流程通过不同阀门控制，控制节点多，管道布置复杂、占地面积大。采用电动三通球阀有效控制阀门数量，同时利用电动装置，有效实现远程紧急截断和放空的功能，并且降低了进站控制阀门数量。三通阀三种流程状态如图3 所示。

图3 三通阀三种流程状态

一体化集成装置使用电动三通球阀共12 个，其中10 个安装在一体化集成装置集气干管处，组成进站总机关的控制阀门组，规格为PN40、DN80，具备紧急切断和流程切换的功能；另外2个为天然气外输电动三通球阀，规格均为PN40、DN200，具备流程切换的功能。

2.2 组合式分离闪蒸罐

一体化集成装置将集气站的分离器及闪蒸罐的功能有机集合起来，实现气液分离、放空气体闪蒸分离、采出水闪蒸分离三大功能，形成一套完整的组合式分离闪蒸罐，如图4 所示。通过隔板将一个腔体分解为分离和闪蒸两个腔体，分离腔体综合重力分离、旋流分离、过滤分离三种分离功能，分离精度完全满足气田集气管道的输送要求。闪蒸分液腔体综合了放空分液、采出水闪蒸和放空水封的功能，整体上减少了设备数量和占地面积，缩短了装置长度2.7 m。

图4 组合式闪蒸分液罐示意

分离腔的处理能力为50 万m3/d，工作压力为1.0 ～3.6 MPa，设计压力为4.0 MPa，处理精度达到60 μm，分离腔长度为4.2 m。

闪蒸腔采用双筒结构，上下筒通过联通管相连，上筒体接收放空天然气和采出水，放空天然气在上筒体进行气液分离，分离出的液体和进闪蒸腔的采出水在下筒体进行闪蒸，闪蒸出的天然气和放空天然气经出口水封筒后接至火炬，闪蒸后的液体排至装置外的采出水储罐[5]。

闪蒸腔的处理能力为30 万m3/d，工作压力为0.2 ～0.3 MPa，设计压力为4.0 MPa，处理精度达到300 μm，分离腔长度为3.7 m。

2.3 新型电仪接线箱

根据装置内的用电点、数据采集点、控制点的数量和分布特点，定制了多功能配电箱和仪表接线箱，装置有接入电缆6 路、配出电缆38 路。

3 天然气一体化集成装置运行效果评价

3.1 苏47-3 集气站建设情况

苏47-3 集气站位于苏里格气田西区，区块气井产液严重（平均液气比大于0.85 m3/ 万m3），该站建于2011 年，前期设计为清管站，主要设备有一具闪蒸分液罐（DN1000）、一套收球筒（DN400）、一具采出水罐（30 m3）、一具放空火炬和一个阻火器平台。该站采用上古储层中低压集气工艺，2018—2019 年计划投产新气井18 口，配产14.4 万m3/d，鉴于该区域储层含水，除原有闪蒸分液罐继续配合使用外，新增一体化集成集气装置一套、DPC2083 型压缩机组一套，集成集气装置参数见表1。

表1 一体化集成集气装置参数

主要工艺流程改造：将新增一体化集气装置的闪蒸腔作为放空分液罐使用，放空总管接入闪蒸腔，将原有的闪蒸罐作为采出水闪蒸罐使用，天然气一体化集气装置分离腔排污管道接入排污总管，进入采出水闪蒸罐；闪蒸腔排污与旁通排污管道、分离器腔应急排污管道接入原闪蒸分液罐至采出水罐管道，直接排入采出水罐。

3.2 苏47-3 集气站扩建后运行效果评价

该站于2018 年12 月投产，目前投产气井9口，平均日产气量2.0 万m3，平均日产液3.1 m3，一体化装置运行平稳，日常维护工作量大幅降低，安全生产风险环节减少，天然气集输流程简易化，集气站排污放空风险大幅减低，气液分离效果明显，有效地优化了地面工艺流程及气田开发模式。

3.2.1 优化工艺流程

标准化集气站采气集输工艺生产单元复杂，原工艺流程切换繁琐，采用天然气一体化集成装置后二者对比如图5 所示。

图5 天然气一体化集成装置应用工艺流程对比

3.2.2 提高设备自动化程度

天然气一体化集成装置使用电动三通球阀12个，在疏水阀旁通加装普通电动球阀2 个，组成远程监控、远程控制、远程截断的自动化控制集合体。其中普通电动球阀执行机构控制接入数字化平台实现远程控制，在平台添加智能控制程序，实现“高液位自动开启，低液位自动关闭”的功能。该功能有效解决了原有分离器疏水阀的自动排液模式存在的问题，提高排液效率。

3.2.3 减低数字化配属附件

数字化布线采用集约化布置，配置多功能仪表箱及配电箱，电缆铺设减少了32 路，减少比率达85%。实现数字化线路大幅减少，线路铺设风险大幅降低。

3.2.4 减少设备占地面积

标准化集气站设计的进站总机关区、分离器区、外输区、自用气区四个生产单元的占地面积528 m2，天然气一体化集成装置占地面积仅48 m2，占地面积降低90.9%，现场安装图如图6 所示。

图6 苏47-3 集气站天然气一体化集成装置

3.2.5 缩短施工周期

天然气一体化集成装置在现场安装过程中与管网连接点共17 处，而标准化集气站与管网连接点达100 余处，相比较而言，现场施工工作量降低80%以上；标准化集气站进站总机关区、分离器区、外输区、自用气区四个生产单元的建设周期由42 d 降低至30 d，降低35%。前期装置设计时间降低25%。

3.2.6 降低设备投资

天然气一体化集成装置因将标准化集气站的四个生产单元集约成一个，大幅降低了阀门使用数量、管路铺设长度、仪表线路使用数量和现场维护费用。投资降低约20%。

3.3 天然气一体化集成装置运行存在问题及改进措施

该装置目前总体运行平稳，但是运行过程中存在部分问题。

3.3.1 设备空间分布密集

因高度集成化的设备空间布局，造成设备间距过小，如疏水阀腔体与积液包的间距仅30 cm，加之设备加装保温后，空间进一步减小，影响正常操作，由此导致设备日常操作、日常维修和检修时操作空间不足，维护难度增加。

改进措施：充分考虑设备运行集成度的人性化设计，阀体之间预留距离应大于1 m，集气干管间距大于1 m。

3.3.2 设备积液包利用率低下

集气橇所采用的分离器为卧式双筒分离器，属于重力分离。该工艺流程对橇体自带积液包体积有一定要求，充足的体积能保证游离水流出分离器前在积液区有足够的停留时间，以便气泡有足够的时间上升至液面并进入气相。

该站气井产液大（目前平均液气比大于3 m3/万m3），疏水阀排液不及时，需普通电动球阀辅助排液，设备排液后液位最低值保持在50 ～60 cm，这部分存液无法通过疏水阀排出，而积液包顶部对应的液位值为67 cm，这种设计导致了积液包的有效利用容积大幅减小，影响了分离效果。排液设备示意见图7。

图7 天然气一体化集成装置排液设备示意

积液包容积：

V=πR2×L=2 826 （cm3）

实际利用空间：

V1={2 arccos［（R-r） /R］ /360 ×πR2-（R-r） ×R2- （R-r）2}×L=658.7 （cm3）

集气橇积液包容积利用率：

I=V1/V=658.7/2 826=23%

式中：V为积液包体积，cm3；V1为积液包实际利用体积，cm3；R为积液包半径，cm；r 为积液包实际利用半径，cm；L为积液包高，cm；I为积液包容积利用率。

通过计算，设备积液包有效利用空间仅为23%，对高产液气井来气处理缓冲能力不足，容易因疏水阀排液不及时造成液位快速上升。虽然普通电动球阀智能控制功能能够在一定程度上辅助排液，但未能从根本上优化设备自动排液问题。

改进措施：对于该设备的排液优化不足问题，可通过降低疏水阀进液口高度，增大集气橇积液包有效利用空间，提高分离效果。

3.3.3 电动排污线路设计存在缺陷

分离腔应急排污（电动阀排污） 排入采出水罐，且应急排污未经过疏水阀，远程开电动阀排污时易造成采出水罐进气情况，存在采出水罐带压、喷液风险。

改进措施：将疏水阀另一路排污流程改成去闪蒸罐排液流程，实现远程排污后进入采出水闪蒸分液罐。改造前后的对比如图8 所示。

图8 天然气一体化集成装置排液流程改进前后对比

3.3.4 压缩机组自用气进气管道设计存在缺陷

天然气压缩机组自用气使用分离器出口管道来气，通过电动三通球阀控制。当压缩机组正常运行时，该管道设计满足运行要求，当压缩机组空载或者检维修试机时，无法满足自用气使用要求，因电动三通球阀要求全开全关，而无法半开半关，导致压缩机组无充足自用气。

改进措施：将天然气压缩机组自用气管道上的电动三通球阀改成普通球阀，确保天然气压缩机组有充足的自用气源。改造前后如图9 所示。

图9 天然气一体化集成装置压缩机组自用气改进前后对比

4 结束语

（1） 天然气一体化集成装置完全能替代标准化集气站四个生产单元的12 项功能，并且优势突出，工艺安装简便，自动化程度高，运行安全可靠，维护工序减少。

（2） 通过运行效果评价，该装置将原有工艺流程减少80%以上，设备占地面积降低90.9%，建设周期降低35%。

（3） 电动三通球阀的使用有效减少现场控制节点，减化管道布局，提高了安全风险控制。

（4） 该装置的投用有效降低了维护费用、维护强度和用工数量。

（5） 不同地质条件区域应根据现场实际情况针对性开展设计，提高设备现场实用性。

（6） 苏47-3 集气站应用的天然气一体化集成装置运行效果良好，能适应低渗透气藏集气站集输模式，建议推广应用。