蘇里格氣田某天然氣處理廠凝析油收率模擬分析

梁 平 胡連興 王 敏 鐘 棟 張 丹 付顯朝

（1.重慶科技學(xué)院石油與天然氣工程學(xué)院，重慶 401331；2.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田公司第三采氣廠，陜西 西安 710032；3.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田公司氣田開發(fā)事業(yè)部，陜西 西安 710032）

0 引言

凝析油是指從凝析氣田或者油田伴生天然氣析出的液相組分，凝析油的析出條件受多種因素影響，不同條件下的凝析油收率波動(dòng)較大，造成預(yù)測(cè)值與實(shí)際生產(chǎn)值誤差較大，甚至流失部分凝析油造成直接經(jīng)濟(jì)損失。因此，研究準(zhǔn)確預(yù)測(cè)凝析油收率的方法十分必要［1-6］。通過(guò)文獻(xiàn)分析和計(jì)算得出蘇里格氣田凝析油含量約為2.28 g／m3，根據(jù)鄂爾多斯盆地蘇里格氣田凝析油銷售量與天然氣銷售量之比得出凝析油含量約為10 g／m3，根據(jù)氣田的實(shí)際情況建立流體取樣技術(shù)規(guī)范和流體分析實(shí)驗(yàn)方法，利用閃蒸實(shí)驗(yàn)確定氣田凝析油潛在含量，根據(jù)蘇里格氣田現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)總結(jié)，凝析油含量極少。在前人凝析油收率預(yù)測(cè)方法的基礎(chǔ)上，利用HYSYS 軟件搭建現(xiàn)場(chǎng)工藝流程，分析影響凝析油收率的因素，修正天然氣凈化裝置凝析油收率預(yù)測(cè)模型，以期完成凝析油收率預(yù)測(cè)任務(wù)并指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)。

1 天然氣凈化裝置HYSYS工藝模型

1.1 天然氣凈化裝置工藝流程簡(jiǎn)述

蘇里格氣田某天然氣處理廠建有三套500×104m3／d天然氣凈化裝置，采用先脫水脫烴再增壓和穩(wěn)定凝析油的工藝流程，脫水脫烴采用低溫分離法，降低天然氣露點(diǎn)，滿足外輸要求，流程圖見圖1，現(xiàn)場(chǎng)采用氣相色譜法分析天然氣組分，每月平均組分見表1，天然氣凈化裝置運(yùn)行參數(shù)見表2。

1.2 HYSYS工藝模型模擬及分析

圖1 某天然氣處理廠天然氣凈化裝置工藝流程圖

表1 某天然氣處理廠2018年原料氣組分摩爾分?jǐn)?shù)表

表2 天然氣凈化裝置運(yùn)行參數(shù)表

HYSYS 是由國(guó)際專業(yè)化工軟件生產(chǎn)公司Hyprotech 開發(fā)的流程模擬軟件，具備Microsoft Windows 圖形用戶界面，支持OLE 交互操作特性和XML 技術(shù)，是目前一個(gè)功能強(qiáng)大，實(shí)用方便，很著名的專業(yè)商用化工流程模擬動(dòng)態(tài)仿真軟件。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工藝參數(shù)和流程搭建HYSYS 模型，如圖2。在模型中輸入2018 年1-11 月生產(chǎn)數(shù)據(jù)，組分采用每個(gè)月平均組分，結(jié)果見表3。由表3 和表1 結(jié)合可見：10 月原料氣重組分含量明顯比6月偏高，但這兩個(gè)月實(shí)際凝析油產(chǎn)量相差不大。同時(shí)，10 月原料氣重組分含量明顯比11月偏高，但10月和11月實(shí)際凝析油產(chǎn)量幾乎相同。因此原料氣中重組分測(cè)定結(jié)果不準(zhǔn)確是凝析油產(chǎn)量存在差異的主要原因。下一步需要對(duì)影響凝析油收率的因素進(jìn)行分析，以修正HYSYS工藝模型。

2 凝析油收率影響因素分析

從表3發(fā)現(xiàn)模型計(jì)算誤差偏大，分析凝析油收率的影響因素，以修正模型預(yù)測(cè)功能。通過(guò)模型計(jì)算結(jié)果的分析，凝析油穩(wěn)定的過(guò)程實(shí)質(zhì)是溫度升高氣液溶解平衡的移動(dòng)過(guò)程。主要選取原料氣組分中重?zé)N含量、丙烷制冷單元出口溫度、脫水脫烴單元進(jìn)口壓力進(jìn)行分析。

圖2 凝析油生產(chǎn)裝置HYSYS模型圖

表3 凝析油生產(chǎn)裝置HYSYS模擬結(jié)果表

2.1 原料氣中C6+含量

在1.2節(jié)介紹了模擬裝置產(chǎn)出結(jié)果，模擬中采用某處理廠11 月份原料氣平均組分。在敏感性參數(shù)分析中，考慮C6+含量單因素對(duì)凝析油收率的影響。為了盡可能減小誤差，模擬中將C6+含量的改變值在CH4含量上增減。根據(jù)凝析油月產(chǎn)量，設(shè)置C6+含量摩爾分?jǐn)?shù)變化區(qū)間為0.02%～0.30%，步長(zhǎng)為0.02%，觀察凝析油收率變化關(guān)系（表4）。

從圖3 可以看出，在其他模擬條件不變的情況下，改變?cè)蠚庵蠧6+的含量，凝析油隨C6+含量的增加而增加，但是增加的趨勢(shì)在減緩。同時(shí)值得注意的是，凝析油的增加必然帶來(lái)產(chǎn)品氣產(chǎn)量下降、能耗增加等問(wèn)題。

表4 11月原料氣中C6+含量與凝析油收率變化表

圖3 原料氣C6+含量與凝析油收率變化曲線圖

2.2 原料氣中nC5H12含量

模擬中采用某處理廠11 月份原料氣平均組分，以nC5H12含量作為單因素自變量，凝析油收率作為因變量。設(shè)置nC5H12含量摩爾分?jǐn)?shù)變化區(qū)間為0.20%～0.80%，步長(zhǎng)為0.04%，觀察凝析油收率變化關(guān)系（表5）。

從圖4 可以看出，在其他模擬條件不變的情況下，改變?cè)蠚庵衝C5H12的含量，凝析油量隨nC5H12含量的增加而增加，且增加的趨勢(shì)在不斷加速。但是從模擬結(jié)果可以看出，相對(duì)于C6+含量變化所引起的凝析油的增加權(quán)重而言，nC5H12的含量變化影響較小，換言之C6+含量影響更明顯。

表5 11月原料氣中nC5H12含量與凝析油收率變化表

圖4 原料氣nC5H12含量與凝析油收率變化曲線圖

2.3 原料氣中iC5H12含量

同理，模擬中采用某處理廠11 月份原料氣平均組分，以iC5H12含量作為單因素自變量，凝析油收率作為因變量。設(shè)置iC5H12含量摩爾分?jǐn)?shù)變化區(qū)間為0.05%～0.20%，步長(zhǎng)為0.01%，觀察凝析油收率變化關(guān)系（表6）。

從圖5 可以看出，在其他模擬條件不變的情況下，改變?cè)蠚庵衖C5H12的含量，凝析油量隨iC5H12含量的增加而增加，且整個(gè)凝析油增加的趨勢(shì)在不斷加劇。但是從模擬結(jié)果可以看出，相對(duì)于C6+含量和nC5H12含量變化所引起的凝析油的增加權(quán)重而言，iC5H12的含量變化影響較小，換言之C6+含量和nC5H12的含量影響更顯著。

圖5 原料氣iC5H12含量與凝析油收率變化曲線圖

2.4 丙烷制冷單元出口溫度

由某處理廠11月25號(hào)的工藝參數(shù)數(shù)據(jù)作為模擬條件，即原料氣溫度為12.01 ℃，壓力為2.18 MPa，處理量為1 113.352 5×104m3／d。改變丙烷制冷單元出口溫度這一單一變量，分析其對(duì)凝析油收率的影響?；谒罱Ｐ团c現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行情況，將丙烷制冷單元溫度設(shè)置為5～-18 ℃，步長(zhǎng)為1 ℃。凝析油收率變化如圖6所示。由圖6可知，隨著丙烷蒸發(fā)制冷單元出口溫度的降低，凝析油的產(chǎn)量增加。生產(chǎn)過(guò)程中丙烷制冷系統(tǒng)作為給該模塊提供冷量的來(lái)源，其消耗功率也在增加。

因此綜合來(lái)講，在優(yōu)化某處理廠生產(chǎn)運(yùn)行參數(shù)時(shí)需要將丙烷制冷單元出口溫度設(shè)置在一定的合理區(qū)間內(nèi)，這樣既可以提高凝析油的產(chǎn)量，又可以將能量消耗控制在可接受范圍內(nèi)。

圖6 丙烷制冷出口溫度與凝析油收率變化曲線圖

2.5 脫水脫烴單元進(jìn)口壓力

模擬條件為原料氣溫度43.01 ℃，壓力為2.06 MPa，處理量為433.214 8×104m3／d，丙烷制冷單元出口溫度為-10 ℃。改變脫水脫烴裝置進(jìn)口壓力這一單一變量，分析其對(duì)凝析油收率的影響?；谒罱Ｐ团c現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行情況，將脫水脫烴單元進(jìn)口壓力設(shè)置為2.0～6.0 MPa，步長(zhǎng)為250 kPa。凝析油收率變化如圖7所示。由圖7可知，隨著脫水脫烴裝置進(jìn)口壓力的增加，凝析油產(chǎn)量先增加后降低，存在壓力最優(yōu)點(diǎn)，此工況條件下的最優(yōu)點(diǎn)約為4 000 kPa。生產(chǎn)過(guò)程中壓縮機(jī)增壓系統(tǒng)給該模塊提供能量來(lái)源，其消耗功率也在增加。因此綜合來(lái)講，在優(yōu)化處理廠生產(chǎn)運(yùn)行參數(shù)時(shí)需要將脫水脫烴裝置進(jìn)口壓力設(shè)置在合理區(qū)間內(nèi)，這樣既可提高凝析油的產(chǎn)量，又能將壓縮機(jī)能量消耗控制在可接受的范圍內(nèi)。

圖7 脫水脫烴單元進(jìn)口壓力與凝析油收率變化圖

綜合分析凝析油收率影響因素：在5個(gè)影響因素中，丙烷制冷單元出口溫度、脫水脫烴進(jìn)口壓力和原料氣中iC5H12含量對(duì)凝析油收率影響較小，原料氣中C6+含量和iC5H12含量對(duì)凝析油收率影響最大。通過(guò)分析全年原料氣組分?jǐn)?shù)據(jù)可知：nC5H12含量波動(dòng)小，C6+含量波動(dòng)大。綜合以上分析，原料氣中C6+含量對(duì)凝析油收率影響最大，后期主要修正原料氣中C6+含量，減少計(jì)算誤差。

3 HYSYS工藝模型修正

由于原料氣組分每時(shí)每刻都處于變化狀態(tài)，每月的少量采樣結(jié)果無(wú)法準(zhǔn)確反映真實(shí)情況。因此，在做凝析油收率預(yù)測(cè)時(shí)需要避免C6+組分的變化帶來(lái)的不準(zhǔn)確性［7］。然而，現(xiàn)場(chǎng)采用氣相色譜法分析天然氣組分，測(cè)定結(jié)果存在不確定度［8］，誤差來(lái)源主要包括天然氣組分響應(yīng)值重復(fù)性、標(biāo)氣組分響應(yīng)值重復(fù)性和標(biāo)氣引入的不確定度［9-10］。

由前述分析可知影響凝析油收率的最重要因素為原料氣中C6+的含量，需要修正組分以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)凝析油收率。筆者擬采用HYSYS 軟件還原真實(shí)組分?jǐn)?shù)據(jù)，將現(xiàn)場(chǎng)在役設(shè)備參數(shù)放回模型中［11-12］，以原料氣中C6+含量為自變量，凝析油收率為因變量，還原現(xiàn)場(chǎng)工藝模型。以某天然氣處理廠2018 年1 月為例，通過(guò)在模型中改變C6+含量，當(dāng)C6+含量為0.077%時(shí)，凝析油收率與現(xiàn)場(chǎng)相符，則該組分為2018 年1月的平均組分，通過(guò)此方法可以修正原料氣中C6+的含量，見表7。

表7 2018年原料氣C6+含量修正表

分析表1中現(xiàn)場(chǎng)給出的原料氣可知，部分月份原料氣烴露點(diǎn)低于低溫分離器操作溫度，在這種情況下會(huì)有少量凝析油產(chǎn)生，甚至沒有，原料氣烴露點(diǎn)見表7。這也就驗(yàn)證了凝析油收率誤差大的原因。

通過(guò)對(duì)某天然氣處理廠原料氣組分進(jìn)行修正（表7），運(yùn)用HYSYS 軟件采用修正原料氣后，模擬凝析油收率，具體見表8。

表8 原料氣修正后產(chǎn)量表

修正后的組分模擬現(xiàn)場(chǎng)凝析油收率，結(jié)果表明相對(duì)誤差大大降低，驗(yàn)證了該方法的可行性。

4 凝析油收率預(yù)測(cè)結(jié)果與分析

通過(guò)對(duì)凝析油收率預(yù)測(cè)模型修正對(duì)未來(lái)凝析油收率進(jìn)行預(yù)測(cè)［13-15］。提出兩種預(yù)測(cè)方法，分別為同期法預(yù)測(cè)和遞推法預(yù)測(cè)。其最大區(qū)別在于，同期法預(yù)測(cè)采用上一年同時(shí)期組分預(yù)測(cè)該月產(chǎn)量，而遞推法預(yù)測(cè)采用上一月組分預(yù)測(cè)下一月產(chǎn)量。如預(yù)測(cè)2019年1月凝析油收率，同期法中組分采用2018年1月組分，遞推法中組分則采用2018年12月組分。

4.1 同期法預(yù)測(cè)

現(xiàn)利用修正模型對(duì)2019 年天然氣處理廠1-5 月凝析油收率進(jìn)行預(yù)測(cè)，處理量采用前一月平均每天處理量乘以下一月天數(shù)得到。低溫分離器溫度采用前一月平均操作溫度，組分采用預(yù)測(cè)月的上一年同月修正組分。具體預(yù)測(cè)結(jié)果見表9。

表9 1-5月凝析油收率預(yù)測(cè)結(jié)果表

經(jīng)分析，某天然氣處理廠2019 年1 月計(jì)算處理量為3.7×108m3，相對(duì)誤差為6.1%；而1 月實(shí)際產(chǎn)量為3.77×108m3，采用實(shí)際處理量時(shí)，相對(duì)誤差為4.4%。2019年2月計(jì)算低溫分離器平均操作溫度為-15 ℃，而實(shí)際操作平均溫度為-17 ℃左右，這是造成誤差偏大的原因。同樣地，2019年5月誤差較大是由于低溫分離器平均操作溫度不準(zhǔn)確。

4.2 遞推法預(yù)測(cè)

利用修正模型對(duì)2019 年天然氣處理廠1-5 月凝析油收率進(jìn)行預(yù)測(cè)，處理量采用前一月平均每天處理量乘以下一月天數(shù)得到。低溫分離器溫度采用前一月平均操作溫度，組分采用預(yù)測(cè)月的上一月修正組分。具體預(yù)測(cè)結(jié)果見表10。

表10 1-5月凝析油收率預(yù)測(cè)結(jié)果表

運(yùn)用遞推法預(yù)測(cè)發(fā)現(xiàn)，天然氣處理廠1月和4月誤差偏大，從2018 年全年修正組分來(lái)看，原因在于1-3 月組分較穩(wěn)定，4 月組分有波動(dòng)。而1 月預(yù)測(cè)時(shí)采用了2018 年12 月組分，同理4 月采用了3 月的組分。也就是說(shuō)，2018 年12 月組分和2019 年4 月組分與2019年1-3月組分相差較大，故誤差偏大。

由以上分析可見：原料氣組分在某些月份區(qū)間比較平穩(wěn)，而在個(gè)別月份存在被動(dòng)情況，如4月，在這種情況下使用遞推法預(yù)測(cè)情況不太好。但在平穩(wěn)的月份區(qū)間，如2-3 月，通過(guò)2 月組分預(yù)測(cè)3 月凝析油收率，可以看出使用遞推法計(jì)算的產(chǎn)量比同期法更準(zhǔn)確。因此，可以通過(guò)將兩種預(yù)測(cè)算法合理搭配，以減小預(yù)測(cè)誤差。

5 結(jié)論與建議

1）通過(guò)HYSYS軟件搭建凝析油收率預(yù)測(cè)修正模型，提出同期法和遞推法兩種方法預(yù)測(cè)凝析油裝置產(chǎn)量，結(jié)果表明在同一季節(jié)內(nèi)，采用遞推法相對(duì)誤差較小，在季節(jié)更替月份推薦采用同期法，預(yù)測(cè)誤差較小。使用該預(yù)測(cè)方法，相對(duì)誤差控制在10%以內(nèi)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)具有指導(dǎo)作用。

2）綜合分析凝析油收率影響因素，模擬發(fā)現(xiàn)，在五個(gè)影響因素中，原料氣中C6+含量對(duì)凝析油收率影響最大。

3）目前現(xiàn)場(chǎng)色譜分析儀分析原料氣組分，其中碳組分分析到C6+。為了盡可能準(zhǔn)確得到凝析油收率，建議碳組分分析更為深入，如C10+等。

4）為了進(jìn)一步縮小利用相態(tài)軟件計(jì)算凝析油收率的計(jì)算誤差，建議進(jìn)一步嘗試采用液氮深冷、閃蒸分離等實(shí)驗(yàn)方式和軟件計(jì)算相結(jié)合進(jìn)行研究，以期得到更精確的凝析油收率。