靖邊氣田集氣站放空系統(tǒng)運(yùn)行分析

溫立憲 許 勇 王 霄 李柏鵬 韓 娜 路曉蕓

（長慶油田分公司第一采氣廠）

1 集氣站放空系統(tǒng)簡介

目前，靖邊氣田集氣站大多采用設(shè)計(jì)初期安裝的放空分液罐對放空天然氣進(jìn)行初步氣液分離，然后進(jìn)入火炬進(jìn)行燃燒處理，以實(shí)現(xiàn)天然氣放空作業(yè)。集氣站內(nèi)放空作業(yè)有以下3種情況：①實(shí)際生產(chǎn)過程中，當(dāng)集氣站設(shè)備運(yùn)行壓力高于安全閥設(shè)置壓力時(shí)，安全閥將自動開啟進(jìn)行泄壓；②冬季生產(chǎn)過程中，采氣管線出現(xiàn)水合物凍堵，此時(shí)采取放空措施進(jìn)行解除凍堵；③為將部分產(chǎn)水氣井井筒內(nèi)積液帶出，通過站內(nèi)放空增大差壓將積液帶出以確保氣井正常生產(chǎn)。集氣站生產(chǎn)流程見圖1。

集氣站內(nèi)放空分液罐容積為1．35m3，主要由筒體、入口導(dǎo)流柵板、出口弦絲捕霧器組成。放空天然氣攜帶游離水進(jìn)入分液罐內(nèi)，由于氣液流速和流向突然改變，使得氣液得以初步分離，同時(shí)絲網(wǎng)捕霧器可將10～100μm或更小一點(diǎn)的液沫除去。氣液分離后的天然氣進(jìn)入Φ159mm×8mm高為15m的放空直筒火炬，通過控制火炬頂部設(shè)置電子點(diǎn)火器將其引燃，放空分液罐和直筒火炬結(jié)構(gòu)示意圖見圖2、圖3。

2 集氣站放空系統(tǒng)存在問題分析

集氣站放空作業(yè)時(shí)操作人員嚴(yán)格控制放空速度，放空天然氣經(jīng)重力沉降氣液分離、絲網(wǎng)捕霧器攔截和聚集，分離后的天然氣中水含量極低。實(shí)際生產(chǎn)表明，采用放空分液罐和直筒火炬能夠滿足氣田開發(fā)初期集氣站放空作業(yè)。

隨著靖邊氣田天然氣深入開發(fā)，氣井產(chǎn)水量逐年增多，同時(shí)泡沫排水采氣等輔助增產(chǎn)工藝，使得氣井產(chǎn)水波動較大，產(chǎn)水量極不穩(wěn)定。在日常生產(chǎn)放空作業(yè)時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)高速氣流攜帶部分油水混合物由火炬筒噴出污染周邊環(huán)境，因此現(xiàn)有放空系統(tǒng)已不再適應(yīng)生產(chǎn)工況發(fā)生變化氣井的放空作業(yè)。

2．1 氣井生產(chǎn)狀況變化

氣田開發(fā)初期，氣井能量充沛，產(chǎn)水較少，隨著氣田開發(fā)的不斷深入，氣井產(chǎn)水量不斷增大，部分氣井?dāng)y液能力降低，依靠自身能量很難將井筒內(nèi)積液帶出。靖邊氣田于2000年開始泡沫排水采氣試驗(yàn)，通過多年的不斷攻關(guān)研究，靖邊泡沫排水采氣工藝已非常成熟，通過向井筒內(nèi)注入起泡劑，與積液混合后，借助天然氣流的攪動，產(chǎn)生大量低密度含水泡沫，降低液體密度，減小了地層水的表面張力，使井底積液轉(zhuǎn)變成泡沫狀流體，減少液體沿油管壁上行時(shí)的“滑脫”損失，提高氣流垂直舉升能力，從而達(dá)到提高產(chǎn)水氣井的自噴帶液能力。以A集氣站1＃氣井為例，該井于2004年實(shí)施泡沫排水采氣工藝以來，放空帶液時(shí)產(chǎn)水量約10～20m3／d，這種不穩(wěn)定產(chǎn)水給集氣站放空作業(yè)帶來很大的難度。

2．2 放空系統(tǒng)分離設(shè)備現(xiàn)狀

現(xiàn)有放空系統(tǒng)核心分離設(shè)備為放空分液罐。放空分液罐為主要?dú)庖悍蛛x設(shè)備，根據(jù)氣液密度差異，利用重力沉降作用達(dá)到氣液分離的目的。如圖4所示，液滴在隨氣流水平方向的速度U運(yùn)動的同時(shí)，在重力作用下以沉降速度Ut向下沉降。在水平速度U不變的情況下，液滴粒徑越大，沉降速度影響越大，受水平速度影響越少，逾先分離。以氣井進(jìn)站壓力6．4MPa為例，說明放空天然氣放空分離情況。當(dāng)氣井進(jìn)行放空解堵作業(yè)時(shí)，6．4MPa高壓原料氣經(jīng)過節(jié)流閥節(jié)流后瞬時(shí)流速可達(dá)370m／s，在高速流體的作用下，原料氣中含有的游離水被拉拽成細(xì)小液體，形成氣霧混合流?；旌虾罅黧w在經(jīng)過放空分液罐時(shí)，一方面由于節(jié)流元件的霧化作用，使得分離器中的液滴粒徑變小，受水平流速U的影響較大，受沉降流速Ut影響變小，液滴通過分離器的時(shí)間變短，部分液滴來不及分離便被帶出分液罐。另一方面，由于流體在順壓力梯度下流動，受到出口向上氣流拉拽作用，干擾了部分液滴向下沉降運(yùn)動，被帶出分液罐。

另外，放空分液罐的絲網(wǎng)捕霧器是由Φ0．25 mm的1Cr18NiTi不銹鋼絲手工纏繞制成。根據(jù)相關(guān)的腐蝕研究資料表明，當(dāng)溶液中的H2S質(zhì)量分?jǐn)?shù)為（10～200）×10－6時(shí)，該材料隨著 H2S質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，氧化膜開始破壞，腐蝕將逐漸加?。?］。地質(zhì)研究表明，靖邊氣田天然氣中H2S體積分?jǐn)?shù)為0．014%～0．098%，質(zhì)量濃度平均約為691mg／m3，局部質(zhì)量濃度較高，最高達(dá)到20g／m3［2－3］。由于上述客觀原因，隨著設(shè)備服役年限增長，高礦化度游離水及含硫天然氣對分液罐捕霧絲網(wǎng)的侵蝕造成大部分絲網(wǎng)破損嚴(yán)重，其捕捉細(xì)小液滴的能力被削弱。

同時(shí)，由于放空火炬僅為Φ159mm×8mm的立管，結(jié)構(gòu)簡單，不具備氣液分離能力，若放空作業(yè)操作速度過快，高速氣流攜帶游離水進(jìn)入火炬立管的機(jī)率增大，將影響火炬的正常燃燒。

3 集氣站放空系統(tǒng)改造

3．1 更換放空分液罐為雙筒式閃蒸分液罐［4］

為減少放空過程中天然氣攜帶游離水情況，消除氣體流速控制不當(dāng)導(dǎo)致游離水進(jìn)入放空火炬帶來的安全隱患。近年來，新建集氣站均采用雙筒式閃蒸分液罐，放空天然氣中攜帶的游離水沉積在積液包中，利用電動球閥控制閃蒸分液罐液位，進(jìn)而很大程度上減少了放空氣體攜帶游離水情況。雙筒式閃蒸分液罐具體結(jié)構(gòu)見圖5。

放空氣體從氣進(jìn)口進(jìn)入，在導(dǎo)流板的作用下，氣流作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，氣體中的液滴向管壁聚結(jié)，并隨氣流一起向下進(jìn)入罐體內(nèi)的折流板中，折流板進(jìn)一步吸收液滴的動能，減少液滴的反彈和霧化，最后向下積聚在罐體的底部積液包中。

溶解有可燃?xì)怏w組分的凝液在閃蒸分液罐內(nèi)實(shí)現(xiàn)氣液分離過程；分離出的液相經(jīng)排液口排出；氣相則進(jìn)入旋流管，沿螺旋隔板作強(qiáng)制旋流運(yùn)動。由于強(qiáng)制的反復(fù)的旋流運(yùn)動，氣體中的液滴在離心力作用下向旋流管內(nèi)壁聚結(jié)，小液滴聚集成大液滴，氣量較小時(shí)，向下沉降進(jìn)入罐體的底部；氣量較大時(shí)，這些聚集的大液滴，會隨氣流向上運(yùn)動，進(jìn)入固定閥罩，由于流通截面的擴(kuò)大，流速降低，向下沉降落入水封液中，補(bǔ)充水封液。進(jìn)入固定閥罩的氣流，通過固定閥罩和浮動閥罩之間狹小的環(huán)形縫隙，進(jìn)入其頂部的封閉空間內(nèi)，使封閉空間內(nèi)的壓力升高，當(dāng)壓力產(chǎn)生的向上作用力大于浮動閥罩的重量時(shí)，浮動閥罩向上運(yùn)動，向上運(yùn)動過程中，封閉空間的容積不斷擴(kuò)大，減緩了向上運(yùn)動的速度，隨著氣體流量的增加，浮動閥罩不斷地向上移動，直至固定閥罩上面的通氣孔被打開，氣體經(jīng)水封液上面的通氣孔從出氣口流出；氣體流量變化時(shí)，通氣孔的開度隨著變化，此時(shí)浮動閥罩內(nèi)外的壓差產(chǎn)生的向上作用力，正好等于浮動閥罩向下的重力，浮動閥罩受力平衡，通氣孔處于一定的開度。氣體經(jīng)水封液上面外環(huán)空間通過時(shí)，部分較大的液滴或霧狀液滴在慣性和離心力作用下，沖向吸收吸附層，吸收吸附層可以有效地吸收液滴的動能，避免液滴的反彈和霧化，使液滴吸附于吸收吸附層上面，并向下流入水封液中，水封液超過一定量時(shí)，經(jīng)回流管流入罐體的底部。若不進(jìn)行放空和閃蒸作業(yè)時(shí)，罐體內(nèi)的氣量減少，氣壓降低，浮動閥罩依靠重力向下運(yùn)動，支撐于支承板上，其下端沉沒于水封液中，罐體處于水封狀態(tài)，通過以上過程就完成了閃蒸、分液和水封阻火的功能。

雙筒式閃蒸分液罐具有集凝液閃蒸、可燃?xì)怏w分液、氣體阻火的水封功能于一體的優(yōu)點(diǎn)，其只有在集氣站進(jìn)行放空作業(yè)或者在分離器排液過程中才承壓存液，設(shè)備本體上安全閥的起跳壓力設(shè)定為2．5 MPa，有效地保證了設(shè)備安全運(yùn)行。

3．2 更換直筒火炬為旋風(fēng)式氣液分離型火炬［5］

為解決直筒火炬放空過程中攜帶液體嚴(yán)重的問題，經(jīng)調(diào)研論證選用旋風(fēng)式氣液分離型火炬代替原有直筒火炬。改型火炬的本體是由漸縮的筒體組成，放空天然氣沿底部直徑最大的筒體切向進(jìn)入火炬內(nèi)部，切向進(jìn)入的天然氣受筒體器壁的約束由上向下作螺旋運(yùn)動，由于水滴和天然氣的密度差，導(dǎo)致游離水向心力大于氣體的向心力，水滴的質(zhì)量越大，向心力作用效果越明顯，從而實(shí)現(xiàn)氣體和水分的進(jìn)一步分離，分離后的氣體由頂部排出，由母火引燃。同時(shí)，放空時(shí)打開火炬底部排污閥門及時(shí)排放分離出的污水，避免了積水過多導(dǎo)致天然氣攜帶水對火炬燃燒的不利影響。RH－II型火炬結(jié)構(gòu)見圖6。

旋風(fēng)式放空分液火炬核心設(shè)備為旋風(fēng)分離器，放空天然氣在旋風(fēng)分離器內(nèi)的運(yùn)動情況見圖7。分離因數(shù)KC是反映旋風(fēng)分離器的重要指標(biāo)，表示離心沉降速度與重力沉降比值，其表示式如下：

式中：uT為切向速度，m／s；R為軸心距，m。

以50m／s放空速度核算旋風(fēng)分離器KC值（R為0．33m），計(jì)算得KC為770，即在6．4MPa氣井放空解堵時(shí)，旋風(fēng)分離器的分離效率為重力分離的770倍。

4 集氣站放空系統(tǒng)改造效果評價(jià)

為了評價(jià)集氣站放空系統(tǒng)的可行性，分別對“雙筒式閃蒸分液罐＋旋風(fēng)式氣液分離型火炬”和“放空分液罐＋旋風(fēng)式氣液分離型火炬”放空工藝模式進(jìn)行效果評價(jià)。

4．1 現(xiàn)場采用“放空分液罐＋旋風(fēng)式氣液分離型火炬”放空系統(tǒng)

為了評價(jià)放空分液罐的分離效率，分別選取A、B、C、D集氣站內(nèi)產(chǎn)水量較大的氣井進(jìn)行放空試驗(yàn)，利用進(jìn)站總機(jī)關(guān)放空針閥控制放空帶液1h，分別在放空分液罐及旋風(fēng)式放空分液火炬底部排放污水，具體見表1所示。

表1 “放空分液罐＋旋風(fēng)式氣液分離型火炬”運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)表Table1 Operational aspect of gas liquid separation venting tank and gas liquid separation cyclone torch

從表1試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，放空分液罐分離效率僅為60%左右，采用旋風(fēng)式放空分液火炬可將分液罐未分離徹底的游離水基本分離出來，但從火炬火焰燃燒情況判斷，由于放空分液罐分離效率較低，加之放空速度過快，采用“放空分液罐＋旋風(fēng)式氣液分離型火炬”無法完全滿足產(chǎn)水量較大氣井的放空需求。

4．2 現(xiàn)場采用“雙筒式閃蒸分液罐＋旋風(fēng)式氣液分離型火炬”放空系統(tǒng)

為評價(jià)雙筒式閃蒸分液罐氣液分離效率，必須對其進(jìn)出口水含量進(jìn)行測定，鑒于氣井放空過程中天然氣含水量較多，成分復(fù)雜，不能滿足目前儀器測量及化學(xué)測量天然氣水含量方法必要條件，通過對放空系統(tǒng)由雙筒式閃蒸分液罐與旋風(fēng)分離器配套組成的E、F、G、H集氣站冬季生產(chǎn)放空帶液情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)來評價(jià)雙筒式閃蒸分液罐的分離效率（見表2）。

從表2可知，雙筒式閃蒸分液罐的氣液分離效率在85%以上。從現(xiàn)場生產(chǎn)情況來看，旋風(fēng)式放空分液火炬出口處天然氣燃燒充分，火炬頂部無液體噴出，可認(rèn)為閃蒸分液罐和旋風(fēng)式放空分液火炬已完全將放空天然氣中的液體分離。

表2 雙筒式閃蒸分液罐運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)表Table 2 Operational TAB of double drum flash tank

通過上述實(shí)驗(yàn)及統(tǒng)計(jì)分析，由于雙筒式閃蒸分液罐氣液分離效率在85%以上，加之配套使用旋風(fēng)式放空分液火炬能完全消除放空攜液環(huán)境污染問題。

5 結(jié) 論

采用雙筒式閃蒸分液罐和旋風(fēng)式放空分液火炬相結(jié)合的放空工藝模式能夠很好地適應(yīng)集氣站產(chǎn)水量大、出水不穩(wěn)定氣井的放空作業(yè)，有效避免了放空過程中氣井采出水對周邊環(huán)境的污染問題，杜絕了由于火炬熄滅導(dǎo)致含H2S天然氣擴(kuò)散對周圍居民人身帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)，具有明顯的社會效益，建議推廣應(yīng)用。

［1］陳志軍，李健，劉亞茹，等．集氣站分離器使用效果評價(jià)及改進(jìn)［J］．石油化工設(shè)備，2007，36（6）：104－106．

［2］萬征平，陳亞凌，劉學(xué)蕊，等．三甘醇脫水過程中吸附硫化氫研究及環(huán)境保護(hù)技術(shù)研討［J］．石油化工應(yīng)用，2012，31（4）：91－93．

［3］謝軍雄，李臻，羅光文，等．三甘醇脫水裝置尾氣達(dá)標(biāo)排放措施研究［J］．石油與天然氣化工，2011，40（1）：32－36．

［4］劉祎，張慶芳，王登海．閃蒸分液水封可燃?xì)怏w放空多功能罐．中國，ZL 200620078546．X［P］．2007－04－11．

［5］馮叔初，郭揆常．油氣集輸與礦場加工［M］．山東東營：中國石油大學(xué)出版社，1992年．