壓縮天然氣在氣田鉆井機組的應用

摘 要

摘要：天然氣氣田鉆井發(fā)動機機組燃料由柴油改為柴油一天然氣雙燃料，是提高經(jīng)濟效益、降低開發(fā)成本的有效途徑之一。論述了蘇里格氣田柴油一天然氣雙燃料鉆井發(fā)動機機組的應用背
摘要：天然氣氣田鉆井發(fā)動機機組燃料由柴油改為柴油一天然氣雙燃料，是提高經(jīng)濟效益、降低開發(fā)成本的有效途徑之一。論述了蘇里格氣田柴油一天然氣雙燃料鉆井發(fā)動機機組的應用背景、技術(shù)和經(jīng)濟上的可行性、壓縮天然氣供應X-藝流程和設(shè)備選型。
關(guān)鍵詞：氣田；鉆井機組；柴油-天然氣雙燃料發(fā)動機機組
Application of Compressed Natural Gas to Well Drilling Rig Unit in Gas Field
ZHENG Xin，ZHANG Lei，YANG Li，ZHANG Feng-xi，WU Jun-feng
Abstract：Replacing diesel by diesel-natural gas as the fuel for drilling engine unit in natural gas field is one of the effective ways for improving economic benefit and reducing development cost. The application background，technical and economic feasibility of diesel-NG dual fuel engine unit in Sulige gas field，the process flow for supplying compressed natural gas and the equipment type selection are expounded.
Key words：gas field；drilling rig；diesel-NG dual fuel engine unit
1 雙燃料鉆井發(fā)動機機組應用背景
    ① 長慶油田蘇里格氣田天然氣年產(chǎn)量大，成本急需降低。
    長慶油田蘇里格氣田位于鄂爾多斯盆地西北部，橫跨陜北斜坡、伊盟隆起及天環(huán)凹陷3個構(gòu)造單元，勘探面積為4×104km2。根據(jù)長慶油田規(guī)劃，天然氣產(chǎn)量到2013年達到230×108m3/a。蘇里格氣田屬于典型的“低滲、低壓、低豐度”氣田，單井配產(chǎn)低，穩(wěn)產(chǎn)時間短，要達到230×108m3/a的規(guī)劃目標，需要大量鉆機在蘇里格氣田工作。根據(jù)蘇里格氣田規(guī)劃，從2009年到2023年共需鉆井約18200口。由于每年鉆井數(shù)量多，井隊鉆井發(fā)動機機組由柴油改為柴油和天然氣雙燃料，是降低開發(fā)成本，提高經(jīng)濟效益的途徑之一。鉆井發(fā)動機機組燃料由柴油改為柴油和天然氣雙燃料的技術(shù)在我國某油田已經(jīng)試驗成功，但由于壓縮天然氣運輸至鉆井井場后的售氣價格偏高，現(xiàn)在該技術(shù)尚未應用。
    ② 鉆井發(fā)動機機組燃料由柴油改為柴油和天然氣雙燃料技術(shù)在我國某油田試驗成功。
    雙燃料發(fā)動機機組可以以柴油作為燃料，也可以以柴油-天然氣混合物作為燃料，其工作狀態(tài)分別為純柴油工作狀態(tài)和雙燃料工作狀態(tài)。在打相同工況的鉆井的情況下，雙燃料工作狀態(tài)比純柴油工作狀態(tài)所節(jié)省的柴油與純柴油工作狀態(tài)所消耗的柴油之比，為雙燃料發(fā)動機機組的柴油替代率，簡稱替代率。在油氣田中，每處鉆井井場布置有3臺鉆井發(fā)動機機組，根據(jù)鉆井深度、地質(zhì)構(gòu)造、鉆井所處階段，可同時開啟1臺、2臺或3臺發(fā)動機機組。
    2006年9月至10月，某油田3臺柴油-天然氣雙燃料發(fā)動機機組進行運行試驗。雙燃料發(fā)動機機組先后使用LNG和CNG兩種不同天然氣作燃料，經(jīng)過完整10口井的鉆井工作跟蹤試驗，1號、2號、3號發(fā)動機機組在雙燃料狀態(tài)下運行達2 569、1559、2398h，試用情況良好。主要試驗數(shù)據(jù)見表1、2。
表1 某油田雙燃料發(fā)動機機組試驗數(shù)據(jù)
 
井號
井深/m
雙燃料狀態(tài)下打1口井所需時間/h
單臺機組天然氣耗量/(m3·h-1)
替代率
/%
 
井1
3171
155.8
73.1
73.5
 
井2
2400
173.0
51.5
69.5
 
井3
2645
133.5
44.6
58.4
井4
1938
151.8
48.6
62.4
井5
1880
138.9
58.2
62.7
平均
150.6
55.2
65.3
井6
2970
351.0
66.4
70.0
井7
2450
193.0
63.2
67.1
井8
2550
184.0
58.2
68.5
井9
2350
533.0
57.9
66.7
井10
2400
179.0
65.3
67.5
平均
288.0
62.2
68.0
表2 某油田雙燃料發(fā)動機機組在不同功率下的燃料耗量和替代率
功-率/kW
188
378
566
680
755
油耗量(kg·h-1)
純柴油狀態(tài)
55.4
91.3
124.9
145.0
157.1
雙燃料狀態(tài)
26.9
25.3
24.0
23.0
22.9
油耗率/(g·W-1·h-1)
純柴油狀態(tài)
294.6
241.5
220.6
212.3
208.1
雙燃料狀態(tài)
143.0
66.9
42.4
33.8
30.3
燃氣質(zhì)量流量/(kg·h-1)
54.3
94.2
121.5
137.8
146.7
燃氣體積流量(m3·h-1)
75.9
132.0
170.0
192.8
205.3
燃氣消耗率/(g·kW-1·h-1)
288.8
249.2
218.5
202.6
194.3
替代率/%
46.0
72.3
80.8
84.2
85.4
2 雙燃料鉆井機組在蘇里格氣田的應用
   ① 雙燃料鉆井發(fā)動機機組對氣質(zhì)的要求
   雙燃料鉆井發(fā)動機機組以柴油機為基礎(chǔ)，配套德國海因茲曼調(diào)速器及混合器，具有超速斷氣、斷油功能。其對氣源的要求是：天然氣中甲烷體積分數(shù)t＞70%，低熱值不低于32MJ/m3，H2S質(zhì)量濃度≤20mg/m3，總硫質(zhì)量濃度≤200mg/m3，雜質(zhì)粒度≤5μm，固體顆粒質(zhì)量濃度≤30mg/m3，無游離水。
   ② 蘇里格氣田概況
   蘇里格氣田勘探區(qū)域面積大，單井配產(chǎn)低，鉆井發(fā)動機機組鉆井任務重，井位分散。蘇里格氣田第一天然氣處理廠距氣田最北邊約130km，最南邊約80km，最西邊約110km，最東邊約90km。這和國內(nèi)使用(試驗)雙燃料鉆井發(fā)動機機組的某油田情況不同，其井位距離供氣點僅約20km，井位集中。蘇里格氣田鉆井較深，中區(qū)井深約3450～3500m，西區(qū)和南區(qū)井深在3600m左右，東區(qū)井深在3200m左右。但蘇里格氣田可以使用和國內(nèi)某油田同一系列的雙燃料鉆井發(fā)動機機組。
    由于井口氣含有游離水和烴類雜質(zhì)，不能滿足雙燃料鉆井發(fā)動機機組對氣質(zhì)的要求，集氣站距離井場較遠，且鉆井井隊需根據(jù)井位的變化而轉(zhuǎn)移，故不宜采用管道供氣方式，而采用壓縮天然氣供氣。
    CNG加氣站在氣田中部，氣源穩(wěn)定而豐富，燃料氣源有充分保證，而且還具有價格較低的優(yōu)勢。但由于蘇里格氣田范圍大，井位分散，如何保證及時供氣也是使用中的難點。
   ③ 雙燃料機組天然氣耗量
   2008年11月，在蘇里格氣田對某氣井鉆井采用雙燃料鉆井發(fā)動機機組進行測試。氣井設(shè)計深度為3511m。該氣井井場共有3臺鉆井發(fā)動機機組，其中2臺為雙燃料機組，1臺為大修柴油機組。
    測試中，在起鉆或者下鉆時，負荷突變較為劇烈，在此情況下，替代率較低，測得最低點替代率為33%。正常負荷下，測得替代率為60%～70%。通過試驗，證明雙燃料機組完全可以適應鉆井過程中的動力需求。鉆一口井，耗氣量平均約206m3/h，替代率能夠達到65%以上。2臺雙燃料鉆井發(fā)動機機組完全能夠滿足4000m以內(nèi)井深的鉆井動力需求。
    結(jié)合某油田采用雙燃料鉆井發(fā)動機機組耗氣量試驗和蘇里格氣田采用雙燃料鉆井發(fā)動機機組耗氣量試驗，并考慮雙燃料鉆井發(fā)動機機組在不同井深和不同地質(zhì)情況下所需功率等因素，蘇里格氣田鉆井發(fā)動機機組在鉆井過程中替代率按65%計，2臺雙燃料鉆井發(fā)動機機組耗氣量為206m3/h，則日用氣量約4944m3/d。
3 壓縮天然氣的供應
    擬建CNG加氣母站位于蘇里格氣田第一天然氣處理廠附近。采用壓縮天然氣為雙燃料鉆井發(fā)動機機組提供天然氣，與車用壓縮天然氣的情況不同。由于井位分散，且井隊隨著井位的變化而移動，其用氣點范圍廣而不固定，考慮到鉆井的工作性質(zhì)，供氣不能間斷，應及時而有效地提供天然氣。
    結(jié)合蘇里格氣田現(xiàn)狀，氣源來自蘇里格氣田第一天然氣處理廠，原料氣壓力為4.5～5.2MPa，溫度為0～20℃，經(jīng)調(diào)壓、計量、深度脫水后壓縮至20MPa，用CNG氣瓶車運輸至井場，在井場調(diào)壓后供雙燃料機組使用。根據(jù)工藝要求，需要的設(shè)備主要有調(diào)壓計量裝置、脫水裝置、壓縮機、加氣柱、CNG氣瓶車、雙燃料鉆井發(fā)動機機組前調(diào)壓計量裝置。工藝流程見圖1。
 

    調(diào)壓計量裝置采用兩路并聯(lián)，互為備用。調(diào)壓器選用自力式帶指揮器調(diào)壓器，確保壓縮機在穩(wěn)定工況下工作。
    考慮到壓縮機排量和國產(chǎn)壓縮機的生產(chǎn)能力及應用情況，選用6臺(5用1備)單臺排氣量為4100m3/h的國產(chǎn)壓縮機，以降低造價。
   通過對比，選擇3套低壓脫水裝置，設(shè)計壓力為6.3MPa，單臺處理量為8500m3/h。采用雙塔結(jié)構(gòu)，不間斷供氣，吸附劑采用4A型分子篩，吸附再生采用電加熱再生，再生時間＜6h。
    采用大流量自動計量(帶信號上傳)加氣柱對天然氣氣瓶車加氣，加氣柱與車載儲氣裝置配套。氣瓶車加氣時，利用壓縮機通過程序控制盤直接充裝。最大加氣流量為5000m3/h，計量相對誤差為±0.5%，標準加氣壓力為20MPa。信號上傳功能可以滿足站控要求。
    CNG氣瓶車選用8管束移動儲氣瓶組的半掛車，單個氣瓶公稱容積為2.25m3，8管束充裝天然氣約4000m3。啟動1臺壓縮機初次充裝8管束瓶組(空瓶)需用60min。初次充裝后的后續(xù)充裝時間將縮短。CNG氣瓶車使用壽命在30年左右。
    井場設(shè)調(diào)壓計量裝置1套。其流程為：用高壓金屬軟管將CNG氣瓶車和調(diào)壓計量裝置相連，20MPa的高壓天然氣通過電加熱器加熱后經(jīng)過一級調(diào)壓器減壓到4.0MPa；經(jīng)過二級調(diào)壓器調(diào)壓到0.2～0.4MPa，進入流量計進行計量；為保證鉆機起鉆時的瞬時用氣量，在調(diào)壓計量裝置后設(shè)置1.5m3的緩沖罐1臺；經(jīng)調(diào)壓后的天然氣分3路供氣。調(diào)壓計量裝置內(nèi)氣體壓力、溫度、流量、關(guān)鍵閥門的控制由控制系統(tǒng)進行連鎖控制。
4 結(jié)論
    ① 在蘇里格氣田以天然氣部分替代柴油、采用雙燃料發(fā)動機機組，經(jīng)估算，共需投資約1.93×108元，建設(shè)項目包括處理規(guī)模為30×104m3/d的CNG加氣母站1座，8l輛CNG氣瓶車，25輛牽引車頭，60臺井場調(diào)壓橇。以風險投資收益率為12%反算壓縮天然氣運輸至鉆井井場用氣點后的價格為2.473元/m3，該價格與同熱量柴油相比具有較強的價格優(yōu)勢。隨著雙燃料鉆井發(fā)動機機組的推廣應用，未來市場將會發(fā)展壯大，供氣規(guī)模隨之擴大，將具有更好的效益前景。
    ② 以天然氣部分替代柴油既可就地取得氣源，又符合國家能源調(diào)整和節(jié)能減排政策，對改善當?shù)丨h(huán)境質(zhì)量具有重要作用。
    ③ 天然氣壓縮技術(shù)經(jīng)過多年發(fā)展，已日趨成熟，可供選擇的壓縮機組較多。脫水裝置能滿足氣體露點要求，CNG氣瓶車等制造加工技術(shù)、檢驗技術(shù)完全滿足要求。所需的各種工藝技術(shù)成熟。
    ④ 經(jīng)測算，每個井隊每天可節(jié)約柴油約3.6t/d，計劃改造60個井隊，柴油價格以4700元/t計，壓縮天然氣價格以2.73元/m3計，則每天可節(jié)省燃料費約28.6×104元/d，經(jīng)濟效益明顯。
   ⑤ 鉆井發(fā)動機機組燃料由柴油改為柴油一天然氣雙燃料后，鉆一口井可節(jié)約開發(fā)成本約8×104元。2009年蘇里格氣田有逾10臺雙燃料鉆井發(fā)動機機組投入使用，節(jié)約開發(fā)成本700×104元/a以上。
   ⑥ 雙燃料發(fā)動機機組在蘇里格氣田的應用，為促進蘇里格氣田的大規(guī)模、低成本開發(fā)開辟了一條新路。
 
(本文作者：鄭欣 張磊 楊莉 張鳳喜 吳俊鋒 西安長慶科技工程有限責任公司 陜西西安 710018)