站場伴生氣減排回收工藝研究與應(yīng)用

李清波 王曉飛 方剛 隋曉東 孫彥虎（長慶油田分公司第四采油廠）

1 概述

伴生氣也叫油田氣，是易燃易爆、帶有少量雜質(zhì)的氣體混合物，伴隨開采出的原油逸出，其組分以甲烷為主，還包括乙烷、丙烷、丁烷等烴類，同時含有微量的氮氣、二氧化碳、硫化氫等氣體，以及一定的水分[1-2]。石油伴生氣具有非常可觀的經(jīng)濟效益，其燃燒熱值較無煙煤、天然氣和電能高，經(jīng)初步氣液分離后，可替代燃煤及部分天然氣加熱，有利于油田節(jié)能減排和清潔生產(chǎn)[3-4]。同時，伴生氣可用于生產(chǎn)具有較高經(jīng)濟價值的液化氣、輕烴產(chǎn)品，亦可用于發(fā)電。

由于甲烷是地球大氣中主要的溫室氣體之一，隨著安全環(huán)保要求越來越高，為減少溫室氣體排放，應(yīng)對全球氣候變暖，國家對溫室氣體減排要求日益嚴格，為響應(yīng)國家藍天保衛(wèi)戰(zhàn)工作部署，《陜西省煤炭石油天然氣開發(fā)生態(tài)環(huán)境保護條例》要求，石油開發(fā)中產(chǎn)生的伴生氣應(yīng)綜合利用，不得隨意排放。綏靖油田由于特有的地形地貌，站場點多面廣、平面分布不均，存在伴生氣用量不足、井口與增壓點伴生氣放空的不合理狀況，既浪費資源又污染環(huán)境。經(jīng)普查，2019 年伴生氣資源量為4.22×104m3/d，放空量為2.09×104m3/d，按照1 m3伴生氣產(chǎn)生1.885 kg 二氧化碳計算，二氧化碳排放量為39.4 t/d，無效釋放熱量82.2×104kJ/d。從油田開發(fā)遠景考慮，伴生氣回收利用將成為節(jié)能減排及油田提質(zhì)增效的有效手段。

綏靖油田屬低滲透油藏，原始含水飽和度高，所轄大多數(shù)油田區(qū)塊原始氣油比低，隨著油田進入中高含水開發(fā)階段，伴生氣量進一步降低，回收利用難度加大。為了實現(xiàn)低氣油比區(qū)塊站場伴生氣有效回收利用，開展對站場伴生氣回收利用裝置的研制。

2 現(xiàn)場調(diào)查分析

經(jīng)分析，站場伴生氣就地利用存在以下兩個方面的問題。

1）氣量小。站場內(nèi)伴生氣量既不能達到外輸條件，也無法滿足站內(nèi)加熱爐自用。由于伴生氣分液器出口氣體壓力波動較大，若采用補充氣源的利用方式，易與外接的壓力穩(wěn)定的氣源發(fā)生沖突，造成管網(wǎng)壓力不穩(wěn)定，影響生產(chǎn)[4]。

2）攜液量大。常規(guī)站場內(nèi)已建氣液分離器長時間服役，故障率高，近年新投數(shù)字化增壓機組僅配套旋流除霧器，氣液分離效果差，伴生氣分液器屬壓力容器，更換及安裝手續(xù)多、費用高。

鑒于以上分析，從非壓力容器類別的氣液分離裝置、伴生氣穩(wěn)壓供氣兩個方面入手，研制了一種造價低、工藝簡單適用、能有效降低伴生氣的攜液量，又能使伴生氣出口氣壓力穩(wěn)定、操作簡單且不易與外接壓力穩(wěn)定的氣源發(fā)生沖突的裝置，以滿足“伴生氣為主、天然氣為輔”的經(jīng)濟利用要求[5]。

3 回收利用裝置研制

3.1 技術(shù)分析

3.1.1 氣液分離

本體尺寸的選擇：依據(jù)最新TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》，需同時滿足3 個條件的容器才能定義為壓力容器，由于應(yīng)用系統(tǒng)壓力與使用介質(zhì)已確定，本體尺寸的設(shè)計只能從容器容積及工作壓力與容積之積入手，選擇DN100管件作為分離裝置本體，裝置長度可按式（1）計算。

式中：V為設(shè)備體積，取上限25 L；D 為設(shè)備直徑，取100 mm；C為容器容積及工作壓力與容積之積，根據(jù)壓力容器定義，取上限1.0 MPa·L；P為設(shè)備最高運行壓力，取0.1 MPa，經(jīng)計算L≤3.18 m。

氣液分離方式[6]的選擇：常見的氣液分離方式有重力沉降、折流分離、超濾分離及填料分離等，常見氣液分離方式優(yōu)缺點[7]對比見表1，綜合本體尺寸、投資成本及分離效率要求，氣液分離裝置方案對比見表2，分離方式選擇“離心分離”。

表1 常見氣液分離方式及優(yōu)缺點對比

表2 氣液分離裝置方案對比

3.1.2 穩(wěn)壓供氣

壓力控制方式的選擇：常見的出口壓力控制方式有電動三通閥自動切換供氣、壓力平衡穩(wěn)壓供氣兩種（表3）。通過方案對比，兩種方案均能滿足要求。方案1 存在投資高、需專業(yè)隊伍安裝調(diào)試的缺點。結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)管理的需求，綜合比較后，選擇方案2。同時穩(wěn)壓調(diào)壓閥具有調(diào)壓精度高、可靠性高、投資可接受的優(yōu)點。通過市場調(diào)研，最終選擇高壓差高精度籠式調(diào)壓器作為方案2 穩(wěn)壓供氣閥組的主體設(shè)備。

壓力控制裝置的保護：考慮到穩(wěn)壓調(diào)壓閥出現(xiàn)故障無法自動關(guān)閉時，引接氣源可能竄入伴生氣系統(tǒng)造成管網(wǎng)壓力不穩(wěn)定，穩(wěn)壓調(diào)壓閥出口增設(shè)氣體止回閥，實現(xiàn)穩(wěn)壓供氣閥組的保護。

3.2 工藝設(shè)計

針對站場內(nèi)伴生氣氣量小、攜液量大及壓力不穩(wěn)定的特點，根據(jù)常見氣液分離工藝原理，借鑒定壓集氣工藝，研制了伴生氣回收利用裝置，主要由兩個模塊構(gòu)成（氣液分離、穩(wěn)壓供氣），工藝流程見圖1。

3.2.1 氣液分離模塊

雙U 型管簡易氣液分離器是由DN100 的兩個U型管及管件組成，上下U 型管均采用法蘭連接形式，直管段安裝旋流除霧擋板，U 型管一端接伴生氣來氣，另一端為出口，底部積液區(qū)設(shè)有疏水閥，氣液分離模塊結(jié)構(gòu)見圖2。

表3 穩(wěn)壓供氣方案比選

圖1 伴生氣穩(wěn)壓供氣裝置工藝流程

圖2 氣液分離模塊結(jié)構(gòu)

其工作原理是液相與氣相進入分離器后初步折流分離，氣液混合物通過旋流分離裝置，在慣性力和離心力的作用下，碰撞旋流擋板及管壁，液相在擋板和壁面上附著，并匯聚流至下端U 型管，氣相經(jīng)U 型管出口進入下一級分離裝置或穩(wěn)壓供氣模塊。對于伴生氣攜液量較大的站點，參考伴生氣分液器可拆式絲網(wǎng)除沫裝置設(shè)計，結(jié)合油田現(xiàn)場常見阻火器結(jié)構(gòu)，在上下U 型管加裝阻火器用作絲網(wǎng)除沫，即提高氣液分離效果，又可滿足除霧裝置的定期清理或更換需求，也可串接使用，提高分離效果。

3.2.2 穩(wěn)壓供氣模塊

相比天然氣調(diào)壓閥組，伴生氣穩(wěn)壓供氣裝置將減壓閥更換為穩(wěn)壓調(diào)壓閥[8]，同時增設(shè)氣體止回閥，與壓力穩(wěn)定的天然氣調(diào)壓閥組一并接入加熱爐，穩(wěn)壓供氣模塊結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 穩(wěn)壓供氣模塊結(jié)構(gòu)

其工作原理是利用壓力平衡原理[9]。通過設(shè)定穩(wěn)壓調(diào)壓閥壓力，當(dāng)伴生氣分液器氣體出口壓力達到供氣系統(tǒng)管網(wǎng)設(shè)定壓力，穩(wěn)壓調(diào)壓閥和密封止回閥打開，伴生氣進入供氣管網(wǎng)；當(dāng)伴生氣出口壓力過低，自動關(guān)閉，使供氣系統(tǒng)平衡，待壓力滿足要求后自動打開。穩(wěn)壓調(diào)壓閥開啟設(shè)定壓力略低于天然氣減壓閥出口壓力0.02 MPa，形成以“伴生氣為主、天然氣為補充”的供氣模式。

4 現(xiàn)場應(yīng)用情況

經(jīng)過在17 座低氣油比站場現(xiàn)場應(yīng)用，連續(xù)運行6 個月，實現(xiàn)站內(nèi)伴生氣系統(tǒng)與天然氣供氣系統(tǒng)的壓力平衡，加熱爐燃氣進口壓力平穩(wěn)。

經(jīng)測算，相比安裝前，消減了17 座站場站外放空火炬，回收伴生氣5 755 m3/d（標況），取代天然氣使用6 900 m3/d （標況），年節(jié)約燃料費115.6 萬元，該裝置單套投資成本3.2 萬元，投資回收期約6 個月。通過該裝置的推廣應(yīng)用，提高了低氣油比站場的伴生氣資源利用率，消滅了站外火炬，減少了環(huán)境污染[10]，形成以“伴生氣為主、天然氣為補充”供氣模式，經(jīng)濟和社會效益顯著。

沙漠綠島石西油田

5 結(jié)論

1）研制的伴生氣穩(wěn)壓供氣裝置主要應(yīng)用于低氣油比區(qū)塊站場伴生氣的回收燃燒利用，具有簡便實用、安裝方便、造價低的特點，特別是通過推進設(shè)備集成撬裝化，方便運輸、便于安裝、維護簡單。

2）研制的伴生氣穩(wěn)壓供氣裝置兩個模塊可同時使用，也可根據(jù)站場改造需求單獨使用。穩(wěn)壓供氣模塊可單獨用于已有伴生氣分液器，且出口伴生氣攜液量低的站場，氣液分離模塊可單獨用于站場伴生氣分液器的更換，相比伴生氣分液器同型號更換，由于該裝置不屬于壓力容器，無需注冊報備。

3）研制的伴生氣穩(wěn)壓供氣裝置，不僅解決了站場低產(chǎn)量伴生氣回收利用的問題，避免了環(huán)境污染，減少了溫室氣體的排放，踐行了“藍天保衛(wèi)戰(zhàn)”，同時減少了原油集輸加溫過程中天然氣消耗量，取得了明顯的經(jīng)濟效益，有廣泛的推廣價值。