LNG液化工藝在邊遠分散井中的應(yīng)用分析

計維安 溫冬云

(中國石油西南油氣田公司天然氣研究院)

LNG液化工藝在邊遠分散井中的應(yīng)用分析

計維安 溫冬云

(中國石油西南油氣田公司天然氣研究院)

分析了天然氣脫硫、脫水、脫碳、脫汞及凝液回收等預(yù)處理工藝對邊遠分散井的適應(yīng)性，同時對階式制冷循環(huán)、混合冷劑(MRC)制冷循環(huán)和膨脹機制冷循環(huán)3種天然氣液化工藝應(yīng)用于邊遠分散井的工作特性進行了對比。階式制冷由于工藝復(fù)雜不適用于邊遠分散井。MRC制冷操作彈性大、能耗低、適應(yīng)性較強，可在大多數(shù)邊遠分散井應(yīng)用。膨脹機制冷操作簡單、占地面積小且易橇裝化，適合在工況較為穩(wěn)定且有較高井口壓力的場合應(yīng)用。從當前的技術(shù)水平來看，不含硫、低含碳且重?zé)N含量低的單井更適合進行LNG液化工藝的應(yīng)用和推廣。

LNG 液化 邊遠分散井 脫硫 脫水 脫碳 脫汞 凝液回收

一般來說，天然氣輸送包括管道輸送、液化天然氣(LNG)運輸、壓縮天然氣(CNG)運輸及天然氣水合物(NGH)運輸?shù)确绞?。其中，管道輸送是目前天然氣集輸過程中最主要、最常用的方式，普遍適用于各類大、中、小型氣田[1]。然而，我國天然氣資源具有分布地域廣、氣井數(shù)量大、儲量及單井產(chǎn)量高低不均等特點，這就為除管道輸送以外的非常規(guī)輸送方式提供了較為廣闊的應(yīng)用空間。

我國不僅有克拉2、蘇里格、羅家寨和普光等大中型氣田，在中國石油西南、長慶、大慶、新疆等油氣田公司還有一批邊遠分散井因產(chǎn)量低、管道輸送經(jīng)濟性差等原因，完井后一直未能投入開發(fā)生產(chǎn)，造成了前期勘探、鉆井資金的巨大浪費。實現(xiàn)LNG、CNG或NGH等非常規(guī)輸送手段對邊遠分散氣井的經(jīng)濟開發(fā)，不但可以提高天然氣產(chǎn)量，還可以回收可觀的前期費用，這將成為對天然氣開發(fā)領(lǐng)域科學(xué)、可持續(xù)發(fā)展的積極探索。本文立足于分析LNG液化工藝在邊遠分散井開發(fā)中的適應(yīng)性，嘗試探索出一條適用于邊遠分散井采用LNG運輸方式進行開采的工藝路線。

1 天然氣液化工藝適應(yīng)性

不適合采用管道輸送方式進行開發(fā)的邊遠分散井，一般具有單井產(chǎn)量低、開采期內(nèi)產(chǎn)量及壓力變化較大、開采周期不確定、生產(chǎn)場所所處區(qū)域偏遠以及周邊可依托的公用工程條件差等特點，若采用LNG運輸方式進行開發(fā)，在進行工藝選擇時需要考慮上述因素。所選工藝應(yīng)具有經(jīng)濟性好、操作彈性大、易橇裝、操作簡單和公用工程要求低等特點。以下將結(jié)合邊遠分散井的特點，分別對多種預(yù)處理和液化工藝進行適應(yīng)性分析。

1.1預(yù)處理工藝

預(yù)處理工藝包括天然氣脫硫、脫碳、脫水、脫汞和凝液回收等。

1.1.1天然氣脫硫

H2S是劇毒物質(zhì)，在有水條件下還會造成系統(tǒng)腐蝕，應(yīng)嚴格控制其在天然氣中的含量。液化天然氣中H2S體積分數(shù)應(yīng)小于4×10-6[3]。在有水條件下，其他硫化物(如有機硫)也可能導(dǎo)致系統(tǒng)腐蝕，故液化天然氣中總硫質(zhì)量濃度為15～50 mg/m3[2]。

脫硫工藝主要包括溶劑吸收-再生型[4]、液相氧化還原型和非再生固體脫硫劑型[5]。其中，溶劑吸收-再生型和液相氧化還原型均屬溶液再生循環(huán)使用工藝。除此之外還有分子篩法和膜法等，受它們自身特點的限制，應(yīng)用不多。3種主要脫硫工藝對比情況見表1。

表1 主要脫硫工藝對比表Table1 Comparisonofmaindesulfurizationprocesses脫硫工藝類型適用潛硫量范圍/t操作占地面積公用工程需求操作彈性溶液吸收-再生型≥2復(fù)雜大高較小液相氧化還原型>0.1,<2較復(fù)雜較大較高較大非再生固體脫硫劑型≤0.1簡單小低大

從表1可以看出，非再生固體脫硫劑型工藝因具有操作簡單、占地面積小、對公用工程需求較低和操作彈性大等特點適合在邊遠分散井使用。但因其在潛硫量較大時運行成本較高，只適宜處理潛硫量低于100 kg的天然氣，若考慮裝置實現(xiàn)橇裝，適宜處理天然氣的潛硫量還需進一步降低。

1.1.2天然氣脫碳

在有水的條件下，CO2的存在會導(dǎo)致腐蝕的發(fā)生。另外，低溫下CO2還將成為固體使裝置凍堵。液化天然氣中CO2體積分數(shù)上限為100×10-6[3]。

脫除天然氣中CO2的方法大致可分為8大類：①化學(xué)吸收法；②物理吸收法；③物理-化學(xué)吸收法；④物理吸附法；⑤膜分離法；⑥堿洗法；⑦低溫分離法；⑧聯(lián)合法。

目前，化學(xué)吸收法是液化天然氣脫碳的主要工藝方法，主要適用于CO2含量較高的場合。此類工藝操作較為復(fù)雜，對公用工程需要較高，操作彈性偏小，占地面積大，在邊遠分散井應(yīng)用存在一定的局限性。當邊遠分散井天然氣中CO2含量較低時可采用物理吸附法，如分子篩吸附法。該方法固體凈化工藝的特點為：操作簡單、占地面積小、對公用工程需求較低以及操作彈性大，在CO2體積分數(shù)低于0.5%時具有較好的經(jīng)濟性，且容易實現(xiàn)橇裝。

1.1.3天然氣脫水

水是H2S、CO2等物質(zhì)發(fā)生腐蝕的先決條件，干H2S、CO2氣體無腐蝕性。此外，水在低溫狀態(tài)下會形成冰或水合物堵塞裝置。因此，必須對天然氣進行脫水處理。液化天然氣中水的體積分數(shù)上限為1×10-6[3]。

天然氣脫水工藝主要包括溶劑吸收-再生法、吸附法和低溫法。液化天然氣要達到規(guī)定的水含量要求，采用分子篩吸附法較為經(jīng)濟，該工藝同樣適用于邊遠分散井。

1.1.4天然氣脫汞

鋁是低溫過程中較為常用的材料，由于汞能與鋁發(fā)生反應(yīng)生成汞齊并腐蝕鋁制設(shè)備，故必須予以脫除。液化天然氣中汞的質(zhì)量濃度上限為0.01 μg/m3[3]。

固體吸附法是目前普遍采用的主流脫汞工藝。通常采用的是不可再生的固定床(帶S的活性炭、含S分子篩、金屬硫化物)，目前也有使用可再生物質(zhì)HgSIV的新型脫汞工藝，可在對氣體進行干燥的同時脫除汞。該物質(zhì)已在Pacific Rim的一家LNG廠投入應(yīng)用，可將天然氣中汞的質(zhì)量濃度從25 μg/m3降至0.01 μg/m3。上述方法均適合在邊遠分散井應(yīng)用。

1.1.5天然氣凝液回收

天然氣凝液回收工藝主要有冷凝分離法、油吸收法、吸附法和膜分離法。其中，冷凝分離法是最為常用的凝液回收工藝，特別是在液化天然氣過程中，因冷凝分離法工藝可利用液化過程的冷量，無需增加額外的能耗，故更為適用。然而，由于凝液回收工藝需要通過分餾生產(chǎn)各種產(chǎn)品，而該工藝使用的塔設(shè)備較高，儲存產(chǎn)品所需占地面積較大，因而限制了其在邊遠分散井的應(yīng)用。

1.2液化工藝

天然氣液化工藝根據(jù)工作原理的不同可分為兩大類：一類屬于冷劑制冷法，即天然氣通過與制冷劑換熱降溫，選擇合適的制冷劑通過一級或多級冷卻就能達到天然氣液化的目的；另一類是膨脹制冷法，即讓高壓天然氣流經(jīng)膨脹機或節(jié)流閥降壓，在降壓的同時通過等熵膨脹或等焓膨脹使天然氣降溫，降壓產(chǎn)生的低溫天然氣與原料天然氣換熱形成冷量循環(huán)，可逐漸降低天然氣溫度，使其達到液化溫度。

目前，工業(yè)上采用的天然氣液化過程大多綜合了以上兩類液化方法。主要的液化工藝包括：階式制冷循環(huán)、混合冷劑(MRC)制冷循環(huán)和膨脹機制冷循環(huán)。各種液化工藝均有自己的特點，其對邊遠分散井的適應(yīng)性分析如下。

1.2.1階式制冷循環(huán)

該工藝共三級制冷系統(tǒng)，至少需3臺冷劑壓縮機工作，除具有能耗低、操作彈性大、技術(shù)成熟可靠等優(yōu)點外，還具有一次性投資大、工藝流程復(fù)雜、操作及維護繁瑣、占地面積大和難以實現(xiàn)小型化橇裝等缺點。這就使得該工藝更適用于大型天然氣液化裝置，難以應(yīng)用于邊遠分散井。

1.2.2混合冷劑(MRC)制冷循環(huán)

混合冷劑(MRC)制冷循環(huán)不同于階式制冷循環(huán)使用多種純物質(zhì)的制冷劑，而是使用單一的多組分混合制冷劑?；旌现评鋭┩ǔＳ傻獨夂蜔N類(C1～C5)等組分組成，其成分可根據(jù)被液化天然氣的物性進行調(diào)配，使其能在與之相似的溫度范圍內(nèi)氣化。采用MRC作為制冷劑能夠涵蓋天然氣液化所需的全部溫度范圍，制冷只需一臺冷劑壓縮機即可，流程較之階式制冷循環(huán)大大簡化。

與階式制冷循環(huán)相比，MRC制冷循環(huán)液化具有一次性投資低、工藝流程簡單、操作及維護方便、占地面積小和易橇裝化等優(yōu)點，能夠在邊遠分散井得以應(yīng)用。

1.2.3膨脹機制冷循環(huán)

膨脹機制冷循環(huán)可由單一組分或多組分氣流的壓縮和膨脹做功來實現(xiàn)，主要采用以下3種形式：①天然氣直接膨脹制冷；②氮膨脹制冷；③N2-CH4混合膨脹制冷。與階式制冷循環(huán)及MRC制冷循環(huán)相比，膨脹機制冷循環(huán)具有啟動、停車較為簡單快捷的優(yōu)點，從這點上來說適合在邊遠分散井應(yīng)用。然而因其能耗較高，使得其在邊遠分散井的應(yīng)用受到限制。為了提高單一膨脹機的循環(huán)效率，常規(guī)上可采用丙烷預(yù)冷的方式降低約20%的能耗，也可采用雙膨脹機的流程減小溫度驅(qū)動力，以提高熱力學(xué)效率的方式節(jié)能。但上述方式在提高效率、降低能耗的同時又增加了工藝流程的復(fù)雜性，難以應(yīng)用到邊遠分散井場合。實際上，為了有效利用天然氣井口壓力，采用天然氣直接膨脹制冷工藝可降低能耗，增加了其在邊遠分散井應(yīng)用的可能性。

天然氣直接膨脹制冷的主要工作過程是：原料天然氣在與低溫回流天然氣逆流換熱冷卻后，以等熵膨脹的方式進入膨脹機推動渦輪以實現(xiàn)降壓降溫。降溫降壓后的天然氣返回，與原料天然氣換熱后由壓縮機增壓返回原料氣，完成天然氣的循環(huán)。循環(huán)時，部分天然氣在降壓降溫的過程中實現(xiàn)液化。渦輪產(chǎn)生的有用功通過膨脹機升壓端回收，膨脹機升壓端是主循環(huán)壓縮機的補充。

由于邊遠分散井一般產(chǎn)量比較低且開采周期不確定，故其經(jīng)濟性相對較差，投資風(fēng)險也比較大，因此要求液化裝置的投資和能耗均較低，且易橇裝化可實現(xiàn)低成本搬遷，這樣才能具有現(xiàn)實的經(jīng)濟可行性。同時，因其在整個開采周期內(nèi)壓力及氣質(zhì)的波動較大，液化裝置的操作彈性高也是必需的。另外，氣井往往遠離人口稠密區(qū)，地處山區(qū)，地形較為復(fù)雜(特別是在西南油氣田)，會給裝置布置和人員配置帶來困難。因此，裝置操作簡單、占地面積小就顯得尤為重要。

將常用的階式制冷循環(huán)、MRC制冷循環(huán)和膨脹機制冷循環(huán)的工作特性進行比較，其結(jié)果見表2。

表2 天然氣液化工藝循環(huán)特性比較Table2 Cyclecharacteristicscontrastofnaturalgasliquefactionprocess項目階式制冷MRC制冷膨脹機制冷總投資高較低低能耗低低高①操作彈性高高低操作復(fù)雜較復(fù)雜較簡單占地面積大中小橇裝化困難中等容易 注:①當采用天然氣直接膨脹工藝且井口壓力較高時,能耗較低。

從表2中可以看出，除階式制冷外， MRC和膨脹機制冷在邊遠分散井應(yīng)用各有優(yōu)缺點。MRC由于其操作彈性大、能耗低、適應(yīng)性較強，能在大多數(shù)的邊遠分散井應(yīng)用。而膨脹機制冷則因其操作簡單、占地面積小和易橇化等特點，適合在工況較為穩(wěn)定且有較高井口壓力的場合應(yīng)用。

2 邊遠分散井天然氣液化

傳統(tǒng)的天然氣液化主要包括：天然氣粗分離除雜質(zhì)、天然氣脫硫、天然氣脫碳、天然氣脫水、天然氣脫汞和天然氣脫重?zé)N等預(yù)處理及天然氣液化過程。

其工藝流程框圖見圖1。

其工藝流程如下所述：

從上述流程中可以看出，天然氣液化過程較為復(fù)雜，不利于在邊遠分散井上的應(yīng)用。選擇適合的單井是LNG液化工藝能在邊遠分散井應(yīng)用的關(guān)鍵之一。原料天然氣不含硫或含硫量極低、CO2含量低以及重?zé)N含量低均有利于LNG液化在邊遠分散井的成功應(yīng)用。這類氣質(zhì)在常規(guī)天然氣中較為少見，而在非常規(guī)的頁巖氣中則較為常見。不含硫、低含碳、重?zé)N含量低的天然氣液化工藝可在傳統(tǒng)工藝的基礎(chǔ)上進行較大幅度的簡化。

簡化后的工藝流程框圖見圖2。

圖2中吸附劑凈化單元包括分子篩脫水、分子篩脫碳和固體吸附劑脫汞等過程。從圖2可以看出，不含硫、低含碳、重?zé)N含量低的天然氣液化流程較之傳統(tǒng)流程有較大幅度的簡化，其經(jīng)濟性也將隨之上升，可在邊遠分散井得以應(yīng)用。

通常常規(guī)天然氣中的CO2含量較高，有時還含有H2S，而凝析氣中的重?zé)N含量較高。從目前的技術(shù)水平來看，針對此類天然氣的脫硫、化學(xué)吸收法脫碳和分餾裝置都存在小型化、橇裝化較為困難的問題。因此，由于邊遠分散井開采周期不確定，將會大大增加投資風(fēng)險。如何實現(xiàn)上述裝置的小型化、橇裝化以及如何簡化其操作是LNG液化工藝在邊遠分散井應(yīng)用過程中亟待解決的問題。筆者認為裝置的標準化、模塊化和集成化將成為技術(shù)發(fā)展的主要方向。同時，研究如何降低工藝過程對高塔的需求也將會為LNG液化工藝在邊遠分散井中的應(yīng)用注入源動力。

3 結(jié) 語

LNG液化工藝可應(yīng)用于邊遠分散井開發(fā)，以達到提高天然氣產(chǎn)量和減少前期鉆井投資浪費的目的。目前，可率先在不含硫、低含碳且重?zé)N含量低的單井進行試點，應(yīng)用成功后再結(jié)合應(yīng)用經(jīng)驗、單井具體情況及下步技術(shù)攻關(guān)的進展進行逐步推廣。

[1] 郭潔瓊，仇晶，杜學(xué)平. 華北華東地區(qū)天然氣季節(jié)調(diào)峰對比分析探討[J].石油與天然氣化工，2012，41(5)：488-490.

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ApplicationanalysisofLNGliquefactiontechnologyinoutlyingdispersedwell

JiWeian,WenDongyun

(ResearchInstituteofNaturalGasTechnology,PetroChinaSouthwestOil&GasfieldCompany,Chengdu610213,Sichuan,China)

Adaptability of natural gas pretreatment process including desulfurization, dehydration, decarburization, demercuration and condensate recovery in outlying dispersed well are analyzed. In order to be used in outlying dispersed well, working characteristics of three natural gas liquefaction processes including cascade refrigeration cycle, mixed refrigerant refrigeration cycle and expander refrigeration cycle have also been compared. The process of cascade refrigeration cycle is too complex to be suitable for outlying dispersed well. MRC refrigeration has high flexibility, low energy consumption and strong adaptability, therefore it can be used to most of outlying dispersed wells. Expander refrigeration is characterized by simple operation, small occupied area and easy to be skid-mounted, so it is suitable for stable operation conditions and higher well head pressure. So far as current technology level, the single wells containing no sulfur, low carbon dioxide and low heavy hydrocarbon content are more suitable for outlying dispersed well.

LNG, liquefaction, outlying dispersed well, desulfurization, dehydration, decarburization, demercuration, condensate recovery

TE626.7

：ADOI: 10.3969/j.issn.1007-3426.2014.01.008

2013-05-20；

2013-08-14；編輯：康莉

計維安(1973-)，男，江蘇南京人，1995年畢業(yè)于西北大學(xué)，工程師，現(xiàn)任職于中國石油西南油氣田公司天然氣研究院，長期從事天然氣凈化工藝研究與設(shè)計工作，曾發(fā)表論文15篇。地址：(610213)四川省成都市華陽天研路218號天然氣研究院。電話：028-85604569-804。E-mail：jiwa@petrochina.com.cn