压缩天然气在气田钻井机组的应用

摘 要

摘要：天然气气田钻井发动机机组燃料由柴油改为柴油一天然气双燃料，是提高经济效益、降低开发成本的有效途径之一。论述了苏里格气田柴油一天然气双燃料钻井发动机机组的应用背
摘要：天然气气田钻井发动机机组燃料由柴油改为柴油一天然气双燃料，是提高经济效益、降低开发成本的有效途径之一。论述了苏里格气田柴油一天然气双燃料钻井发动机机组的应用背景、技术和经济上的可行性、压缩天然气供应X-艺流程和设备选型。
关键词：气田；钻井机组；柴油-天然气双燃料发动机机组
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 双燃料钻井发动机机组应用背景
    ① 长庆油田苏里格气田天然气年产量大，成本急需降低。
    长庆油田苏里格气田位于鄂尔多斯盆地西北部，横跨陕北斜坡、伊盟隆起及天环凹陷3个构造单元，勘探面积为4×104km2。根据长庆油田规划，天然气产量到2013年达到230×108m3/a。苏里格气田属于典型的“低渗、低压、低丰度”气田，单井配产低，稳产时间短，要达到230×108m3/a的规划目标，需要大量钻机在苏里格气田工作。根据苏里格气田规划，从2009年到2023年共需钻井约18200口。由于每年钻井数量多，井队钻井发动机机组由柴油改为柴油和天然气双燃料，是降低开发成本，提高经济效益的途径之一。钻井发动机机组燃料由柴油改为柴油和天然气双燃料的技术在我国某油田已经试验成功，但由于压缩天然气运输至钻井井场后的售气价格偏高，现在该技术尚未应用。
    ② 钻井发动机机组燃料由柴油改为柴油和天然气双燃料技术在我国某油田试验成功。
    双燃料发动机机组可以以柴油作为燃料，也可以以柴油-天然气混合物作为燃料，其工作状态分别为纯柴油工作状态和双燃料工作状态。在打相同工况的钻井的情况下，双燃料工作状态比纯柴油工作状态所节省的柴油与纯柴油工作状态所消耗的柴油之比，为双燃料发动机机组的柴油替代率，简称替代率。在油气田中，每处钻井井场布置有3台钻井发动机机组，根据钻井深度、地质构造、钻井所处阶段，可同时开启1台、2台或3台发动机机组。
    2006年9月至10月，某油田3台柴油-天然气双燃料发动机机组进行运行试验。双燃料发动机机组先后使用LNG和CNG两种不同天然气作燃料，经过完整10口井的钻井工作跟踪试验，1号、2号、3号发动机机组在双燃料状态下运行达2 569、1559、2398h，试用情况良好。主要试验数据见表1、2。
表1 某油田双燃料发动机机组试验数据
 
井号
井深/m
双燃料状态下打1口井所需时间/h
单台机组天然气耗量/(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 某油田双燃料发动机机组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)
纯柴油状态
55.4
91.3
124.9
145.0
157.1
双燃料状态
26.9
25.3
24.0
23.0
22.9
油耗率/(g·W-1·h-1)
纯柴油状态
294.6
241.5
220.6
212.3
208.1
双燃料状态
143.0
66.9
42.4
33.8
30.3
燃气质量流量/(kg·h-1)
54.3
94.2
121.5
137.8
146.7
燃气体积流量(m3·h-1)
75.9
132.0
170.0
192.8
205.3
燃气消耗率/(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 双燃料钻井机组在苏里格气田的应用
   ① 双燃料钻井发动机机组对气质的要求
   双燃料钻井发动机机组以柴油机为基础，配套德国海因兹曼调速器及混合器，具有超速断气、断油功能。其对气源的要求是：天然气中甲烷体积分数t＞70%，低热值不低于32MJ/m3，H2S质量浓度≤20mg/m3，总硫质量浓度≤200mg/m3，杂质粒度≤5μm，固体颗粒质量浓度≤30mg/m3，无游离水。
   ② 苏里格气田概况
   苏里格气田勘探区域面积大，单井配产低，钻井发动机机组钻井任务重，井位分散。苏里格气田第一天然气处理厂距气田最北边约130km，最南边约80km，最西边约110km，最东边约90km。这和国内使用(试验)双燃料钻井发动机机组的某油田情况不同，其井位距离供气点仅约20km，井位集中。苏里格气田钻井较深，中区井深约3450～3500m，西区和南区井深在3600m左右，东区井深在3200m左右。但苏里格气田可以使用和国内某油田同一系列的双燃料钻井发动机机组。
    由于井口气含有游离水和烃类杂质，不能满足双燃料钻井发动机机组对气质的要求，集气站距离井场较远，且钻井井队需根据井位的变化而转移，故不宜采用管道供气方式，而采用压缩天然气供气。
    CNG加气站在气田中部，气源稳定而丰富，燃料气源有充分保证，而且还具有价格较低的优势。但由于苏里格气田范围大，井位分散，如何保证及时供气也是使用中的难点。
   ③ 双燃料机组天然气耗量
   2008年11月，在苏里格气田对某气井钻井采用双燃料钻井发动机机组进行测试。气井设计深度为3511m。该气井井场共有3台钻井发动机机组，其中2台为双燃料机组，1台为大修柴油机组。
    测试中，在起钻或者下钻时，负荷突变较为剧烈，在此情况下，替代率较低，测得最低点替代率为33%。正常负荷下，测得替代率为60%～70%。通过试验，证明双燃料机组完全可以适应钻井过程中的动力需求。钻一口井，耗气量平均约206m3/h，替代率能够达到65%以上。2台双燃料钻井发动机机组完全能够满足4000m以内井深的钻井动力需求。
    结合某油田采用双燃料钻井发动机机组耗气量试验和苏里格气田采用双燃料钻井发动机机组耗气量试验，并考虑双燃料钻井发动机机组在不同井深和不同地质情况下所需功率等因素，苏里格气田钻井发动机机组在钻井过程中替代率按65%计，2台双燃料钻井发动机机组耗气量为206m3/h，则日用气量约4944m3/d。
3 压缩天然气的供应
    拟建CNG加气母站位于苏里格气田第一天然气处理厂附近。采用压缩天然气为双燃料钻井发动机机组提供天然气，与车用压缩天然气的情况不同。由于井位分散，且井队随着井位的变化而移动，其用气点范围广而不固定，考虑到钻井的工作性质，供气不能间断，应及时而有效地提供天然气。
    结合苏里格气田现状，气源来自苏里格气田第一天然气处理厂，原料气压力为4.5～5.2MPa，温度为0～20℃，经调压、计量、深度脱水后压缩至20MPa，用CNG气瓶车运输至井场，在井场调压后供双燃料机组使用。根据工艺要求，需要的设备主要有调压计量装置、脱水装置、压缩机、加气柱、CNG气瓶车、双燃料钻井发动机机组前调压计量装置。工艺流程见图1。
 

    调压计量装置采用两路并联，互为备用。调压器选用自力式带指挥器调压器，确保压缩机在稳定工况下工作。
    考虑到压缩机排量和国产压缩机的生产能力及应用情况，选用6台(5用1备)单台排气量为4100m3/h的国产压缩机，以降低造价。
   通过对比，选择3套低压脱水装置，设计压力为6.3MPa，单台处理量为8500m3/h。采用双塔结构，不间断供气，吸附剂采用4A型分子筛，吸附再生采用电加热再生，再生时间＜6h。
    采用大流量自动计量(带信号上传)加气柱对天然气气瓶车加气，加气柱与车载储气装置配套。气瓶车加气时，利用压缩机通过程序控制盘直接充装。最大加气流量为5000m3/h，计量相对误差为±0.5%，标准加气压力为20MPa。信号上传功能可以满足站控要求。
    CNG气瓶车选用8管束移动储气瓶组的半挂车，单个气瓶公称容积为2.25m3，8管束充装天然气约4000m3。启动1台压缩机初次充装8管束瓶组(空瓶)需用60min。初次充装后的后续充装时间将缩短。CNG气瓶车使用寿命在30年左右。
    井场设调压计量装置1套。其流程为：用高压金属软管将CNG气瓶车和调压计量装置相连，20MPa的高压天然气通过电加热器加热后经过一级调压器减压到4.0MPa；经过二级调压器调压到0.2～0.4MPa，进入流量计进行计量；为保证钻机起钻时的瞬时用气量，在调压计量装置后设置1.5m3的缓冲罐1台；经调压后的天然气分3路供气。调压计量装置内气体压力、温度、流量、关键阀门的控制由控制系统进行连锁控制。
4 结论
    ① 在苏里格气田以天然气部分替代柴油、采用双燃料发动机机组，经估算，共需投资约1.93×108元，建设项目包括处理规模为30×104m3/d的CNG加气母站1座，8l辆CNG气瓶车，25辆牵引车头，60台井场调压橇。以风险投资收益率为12%反算压缩天然气运输至钻井井场用气点后的价格为2.473元/m3，该价格与同热量柴油相比具有较强的价格优势。随着双燃料钻井发动机机组的推广应用，未来市场将会发展壮大，供气规模随之扩大，将具有更好的效益前景。
    ② 以天然气部分替代柴油既可就地取得气源，又符合国家能源调整和节能减排政策，对改善当地环境质量具有重要作用。
    ③ 天然气压缩技术经过多年发展，已日趋成熟，可供选择的压缩机组较多。脱水装置能满足气体露点要求，CNG气瓶车等制造加工技术、检验技术完全满足要求。所需的各种工艺技术成熟。
    ④ 经测算，每个井队每天可节约柴油约3.6t/d，计划改造60个井队，柴油价格以4700元/t计，压缩天然气价格以2.73元/m3计，则每天可节省燃料费约28.6×104元/d，经济效益明显。
   ⑤ 钻井发动机机组燃料由柴油改为柴油一天然气双燃料后，钻一口井可节约开发成本约8×104元。2009年苏里格气田有逾10台双燃料钻井发动机机组投入使用，节约开发成本700×104元/a以上。
   ⑥ 双燃料发动机机组在苏里格气田的应用，为促进苏里格气田的大规模、低成本开发开辟了一条新路。
 
(本文作者：郑欣 张磊 杨莉 张凤喜 吴俊锋 西安长庆科技工程有限责任公司 陕西西安 710018)