油藏型儲氣庫高效除黑油技術(shù)研究與實(shí)踐

劉賢明 王鐵軍 賈雪松 王林峰 叢延剛 王緒文 寇 鵬

1. 中國石油北京項(xiàng)目管理公司天津設(shè)計(jì)院, 天津 300457;2. 大港油田天津儲氣庫分公司, 天津 300270;3. 中國石油吉林油田公司天然氣部, 吉林 松原 138000

0 前言

在采氣期,油藏型儲氣庫采出的天然氣會攜帶少量黑油[1],造成下游設(shè)備、管線堵塞,影響裝置安全運(yùn)行,通過對黑油的產(chǎn)出、影響及危害分析，以及物性及沉積機(jī)理的探討[2],設(shè)置了旋流分離器+過濾分離器兩級過濾除黑油流程[3],從天然氣中過濾出99.9%以上直徑大于 1 μm 的液滴[4],成功解決了儲氣庫采氣期天然氣攜帶黑油進(jìn)入后續(xù)低溫處理裝置的問題。通過對過濾系統(tǒng)的研究,研發(fā)出了一體化精細(xì)除黑油分離器,此分離器將更高效地提高油藏型儲氣庫的除黑油效果。

1 儲氣庫黑油的產(chǎn)出

大港儲氣庫群的某儲氣庫是中國首座利用枯竭油藏建庫,屬于油藏型儲氣庫。在采氣期時,對3口黑油井進(jìn)行生產(chǎn)參數(shù)統(tǒng)計(jì),見表1。

表1 3口黑油井生產(chǎn)參數(shù)表

3口黑油井在開井后由于冬季調(diào)峰提產(chǎn)要求,頻繁調(diào)整油嘴,發(fā)現(xiàn)黑油后不再進(jìn)行油嘴調(diào)整。通過對3口黑油井生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析,在油壓較低時頻繁擴(kuò)產(chǎn)可導(dǎo)致黑油產(chǎn)出提前,降低采注比。因此,在生產(chǎn)期對3口黑油井采取限產(chǎn)方式生產(chǎn),減少或避免油嘴上調(diào)以延遲黑油產(chǎn)出時間。

2 黑油產(chǎn)生的影響及危害

經(jīng)設(shè)備拆檢發(fā)現(xiàn),黑油產(chǎn)生位置主要包括低溫分離器、管殼式換熱器、乙二醇再生系統(tǒng)、丙烷蒸發(fā)器等處,見圖1。結(jié)垢為固態(tài)、微粒狀黑色物質(zhì),比水輕,點(diǎn)火可燃燒,室內(nèi)放置部分揮發(fā)。

圖1 裝置拆檢照片

油藏型儲氣庫采用低溫法進(jìn)行露點(diǎn)控制,制冷后的介質(zhì)溫度遠(yuǎn)低于黑油的凝固點(diǎn)。以某儲氣庫為例,露點(diǎn)控制系統(tǒng)預(yù)冷器的制冷溫度為25 ℃,J-T閥、丙烷蒸發(fā)器的制冷溫度為-5～-15 ℃,而黑油的凝固點(diǎn)為35 ℃。井流物中攜帶的黑油進(jìn)入空冷器和后續(xù)管路、設(shè)備,在預(yù)冷器和后續(xù)管路中發(fā)生凝固,極易造成黑油附著在管壁上,隨著運(yùn)行時間的增長,黑油附著量逐漸增加,造成后續(xù)管路、設(shè)備堵塞,對整個“油藏型”儲氣庫的安全生產(chǎn)造成惡劣影響。

為了摸索黑油與輕烴、黑油與乙二醇溶液在不同溫度下的物態(tài)變化規(guī)律,取某儲氣庫黑油樣品與輕烴,記錄各溫度下樣品顏色、狀態(tài)、燒杯內(nèi)壁黑油吸附情況。黑油與輕烴混合降溫實(shí)驗(yàn)記錄見表2,黑油與輕烴混合不同溫度油樣狀態(tài)見圖2。

a)50 ℃時油樣狀態(tài)

表2 黑油與輕烴混合降溫實(shí)驗(yàn)記錄表

以上實(shí)驗(yàn)主要為黑油樣品靜止?fàn)顟B(tài)所得,實(shí)際運(yùn)行儲氣庫采氣工況中由于降溫過程析出大量游離液會對黑油產(chǎn)生稀釋作用而降低其凝固點(diǎn),減緩其在各溫度節(jié)點(diǎn)流動性及黏度變化;且管道中天然氣為高速氣流,黑油在管壁某個點(diǎn)的滯留時間遠(yuǎn)小于實(shí)驗(yàn)狀態(tài),在高速氣流疏通沖洗下會減少在管壁形成聚結(jié)的數(shù)量。

對于油藏型儲氣庫,若井流物中的黑油不能得到有效分離,則一部分將隨天然氣一起進(jìn)入低溫分離器。黑油密度通常為0.9 g/m3,而吸水后的富乙二醇(質(zhì)量濃度為50%～60%)密度為1.049 g/m3,兩者相差較小,在低溫分離器中無法實(shí)現(xiàn)有效分離,從而帶入乙二醇再生系統(tǒng)。取某儲氣庫黑油樣品分別與乙二醇混合,記錄各溫度下樣品顏色、狀態(tài)、燒杯內(nèi)壁及溫度計(jì)外壁黑油吸附情況。黑油與乙二醇混合升溫實(shí)驗(yàn)記錄見表3,黑油與乙二醇混合15 ℃、70 ℃、110 ℃時油樣狀態(tài)分別見圖3～5。

表3 黑油與乙二醇混合升溫實(shí)驗(yàn)記錄表

圖3 15 ℃時黑油與乙二醇富液狀態(tài)照片

圖4 70 ℃時黑油與乙二醇富液狀態(tài)照片

圖5 110 ℃時黑油與乙二醇富液狀態(tài)照片

實(shí)驗(yàn)中,隨著溫度升高,乙二醇溶液中黑油顆粒逐漸變小,由松散塊狀顆粒直至與溶液混溶;同時,隨著溫度升高,黑油硬度逐漸變軟、黏度變小、流動性增強(qiáng)。溫度40 ℃時,黑油黏度開始明顯減小,流動性及吸附性開始增強(qiáng);溫度90 ℃時,黑油與乙二醇出現(xiàn)混溶。實(shí)際運(yùn)行中,乙二醇再生系統(tǒng)運(yùn)行溫度為15～120 ℃,黑油會在乙二醇再生系統(tǒng)的過濾器、換熱器、閃蒸分離器及管路中聚結(jié),造成設(shè)備及管路堵塞,乙二醇泵出現(xiàn)故障,影響乙二醇再生效果。

3 黑油物性分析及沉積機(jī)理

儲氣庫生產(chǎn)中所指的“黑油”,即為凝固點(diǎn)較高的采出氣伴生油品,其性質(zhì)接近于石蠟。為進(jìn)一步分析油品組成,采用四組分分離法,此法最早由Corbett提出,包含有飽和分(Saturates)、芳香分(Aromatics,也稱環(huán)烷-芳香分Naphthene-aromatics)、膠質(zhì)(Resins,也稱極性芳香分Polar-aromatics)及瀝青質(zhì)(Asphaltenes)四組分,亦稱SARA法。重質(zhì)油四組分中,飽和分由烴類組成；芳香分基本也屬于烴類,含有一些含硫、氮的雜環(huán)化合物;膠質(zhì)和瀝青質(zhì)則完全由非烴化合物組成,即由苯環(huán)和芳環(huán)縮合而成。依據(jù)SH/T 0509—2010《石油瀝青四組分測定法》的方法,對某儲氣庫在不同分離器處取油樣進(jìn)行四組分分析,結(jié)果見表4。

表4 某儲氣庫不同分離器油樣四組分分析結(jié)果表

由表4可知,預(yù)分離器、生產(chǎn)分離器、低溫分離器油樣的飽和分含量逐漸增加,膠質(zhì)、瀝青質(zhì)含量逐漸降低。這是因?yàn)?各井場來井流物匯總進(jìn)入預(yù)分離器[5],得到的油相膠質(zhì)、瀝青質(zhì)含量較高,經(jīng)生產(chǎn)分離器分離后,重組分(膠質(zhì)、瀝青質(zhì))因分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜,以較大顆粒形式存在,因此被分離富集到液相中。經(jīng)過重力分離和節(jié)流后的天然氣,已脫除部分膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等重組分,低溫分離器油相中,主要為直鏈烷烴、環(huán)烷烴等組分。

對以上油樣進(jìn)行化驗(yàn),天然氣經(jīng)過預(yù)分離器、生產(chǎn)分離器、低溫分離器,分離得到的油品密度、凝固點(diǎn)變化趨勢見圖6。

圖6 不同分離器油樣凝固點(diǎn)與密度關(guān)系圖

由圖6可知,天然氣經(jīng)過預(yù)分離器、生產(chǎn)分離器、低溫分離器,分離得到的凝液密度逐漸降低、凝固點(diǎn)逐漸升高。低溫分離器油相主要為直鏈烷烴、環(huán)烷烴等組分,此部分大分子直鏈烷烴亦石蠟的基本組成,因此,低溫分離器中油相石蠟含量過多,導(dǎo)致凝固點(diǎn)升高,甚至析出堵塞管道,這也是黑油產(chǎn)生的根本原因[6]。

4 除黑油技術(shù)研究

原油根據(jù)蠟質(zhì)量含量可分為三類:即低含蠟0.5%～2.5%、含蠟2.5%～10%、高含蠟>10%。某儲氣庫的黑油蠟質(zhì)量含量14.5%,為高含蠟,需考慮設(shè)置除黑油工藝。

天然氣攜帶的液滴為復(fù)雜的油水混合物,根據(jù)液滴大小的不同,將液滴分為飽和凝析、霧化、液滴夾帶三種存在狀態(tài),見圖7。

圖7 天然氣中液滴存在狀態(tài)分布圖

1)液滴以飽和凝析狀態(tài)下存在于天然氣中時,液滴直徑為0.1～10 μm。

2)液滴以霧化狀態(tài)下存在于天然氣中時,液滴直徑為10～100 μm。

3)液滴以液滴夾帶狀態(tài)下存在于天然氣中時,液滴直徑為>100 μm。

上述三種狀態(tài)處于相互轉(zhuǎn)化的平衡狀態(tài),其中飽和凝析狀態(tài)的液滴無法通過肉眼觀察,且大量分離器試驗(yàn)表明,其存在不受流通通道的限制,僅與液滴組成、溫度壓力、氣流性質(zhì)有關(guān)。

綜上所述,高含蠟原油采出時,受重力分離器的效果限制,天然氣攜帶少量黑油組分(粒徑10 μm以下)進(jìn)入下游裝置,并且隨著逐級分離,石蠟的組成逐漸升高。凝液經(jīng)過低溫系統(tǒng)時,由于黑油凝固點(diǎn)高、遇冷凝結(jié),造成后續(xù)管殼式換熱器、丙烷蒸發(fā)器等設(shè)備壓差增大,黑油被攜帶到了乙二醇再生系統(tǒng),固體黑油顆粒堵塞了乙二醇泵入口過濾器,導(dǎo)致乙二醇泵的波動。

通過停產(chǎn)儲氣庫副產(chǎn)黑油井,對采氣裝置進(jìn)行觀察,發(fā)現(xiàn)某儲氣庫露點(diǎn)裝置各節(jié)點(diǎn)壓差逐漸恢復(fù)正常,乙二醇富液過濾器內(nèi)部黑油量也逐漸減少,系統(tǒng)均恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。因此,生產(chǎn)操作也驗(yàn)證了黑油存在對露點(diǎn)控制裝置的影響。

為避免由于天然氣處理裝置攜帶的黑油進(jìn)入下游乙二醇再生單元,影響乙二醇泵的波動,某儲氣庫將原有乙二醇貧液泵入口過濾器更換為濾網(wǎng)精度120目的過濾器,在采氣后期乙二醇系統(tǒng)又出現(xiàn)黑油,造成乙二醇泵波動,更換濾芯頻率增加,未能從根本上解決黑油出現(xiàn)造成的乙二醇泵波動問題。

對于油藏型儲氣庫,防止黑油對露點(diǎn)控制裝置造成的影響,最有效的方法是在流程上進(jìn)行控制,當(dāng)井流物進(jìn)集注站后,先將其中的黑油組分脫除再進(jìn)入后續(xù)裝置進(jìn)行處理。因此,對于露點(diǎn)控制裝置前黑油的脫除,技術(shù)核心在于對黑油徹底、有效地進(jìn)行脫除,即研發(fā)高精度、高效過濾分離設(shè)備。

5 高效除黑油設(shè)備研究

5.1 油氣田常用的油氣分離設(shè)施

油氣田常用的油氣分離設(shè)施主要有:高效聚結(jié)器、過濾分離器、內(nèi)裝絲網(wǎng)除沫器型分離器、旋流分離器、普通重力沉降式分離器等。各分離器設(shè)備能力對比見表5。

表5 分離設(shè)備能力對比表

對于脫除油藏型儲氣庫井流物中攜帶的黑油,為從源頭阻止黑油進(jìn)入下游冷卻系統(tǒng),需要在生產(chǎn)分離器出口設(shè)置高效過濾分離器設(shè)施,如果單獨(dú)設(shè)置過濾分離器,天然氣進(jìn)入到過濾分離器時,黑油直接進(jìn)入濾芯,可能導(dǎo)致濾芯堵塞失效,影響使用壽命及使用效果,因此考慮采用旋流分離器+過濾分離器的兩級分離:第一級分離將天然氣中直徑大于10 μm液滴進(jìn)行粗分；第二級分離將天然氣中直徑大于1 μm及以上的液滴進(jìn)行細(xì)分,嚴(yán)格控制進(jìn)入下游的黑油量,防止黑油發(fā)生聚結(jié)、沉積。旋流分離器、過濾分離器外形見圖8。

a)旋流分離器

5.1.1 旋流分離器

旋流分離器設(shè)備的主要功能是除去輸送介質(zhì)氣體中攜帶的顆粒狀雜質(zhì)和液滴[7],達(dá)到氣固液分離,以保證管道及設(shè)備的正常運(yùn)行。在設(shè)計(jì)壓力和氣量條件下,均可除去≥粒徑10 μm的固體顆粒。在工況點(diǎn),分離效率為99%[8],在工況點(diǎn)±15%范圍內(nèi),分離效率為97%。正常工作條件下,單臺旋流分離器在工況點(diǎn)壓降不大于0.05 MPa[9]。

5.1.2 過濾分離器

過濾分離器不受氣體流量波動的影響,操作和分離效果穩(wěn)定。過濾分離器對粒徑0.1 μm的分離效率為99.9%[10],粒徑0.3 μm的分離效率約為100%。根據(jù)近期分離設(shè)備研究,操作正常時,氣體中的粒徑0.01～10 μm 液滴比例約占40%[11]。其他設(shè)備對這種液滴的分離效率很低[12]。濾芯在設(shè)備正常使用情況下,使用壽命≥12個月,如果過濾器濾芯的前后壓差大于0.3 MPa時,需要更換過濾器濾芯[13-14]。

基于以上研究分析,某儲氣庫在露點(diǎn)控制裝置中增設(shè)了旋流分離器+過濾分離器,增設(shè)后有效地解決了天然氣攜帶黑油問題,后續(xù)換熱器、低溫分離器、乙二醇再生裝置均運(yùn)行平穩(wěn),未出現(xiàn)黑油堵塞設(shè)備及管道情況。某儲氣庫除黑油過濾器現(xiàn)狀見圖9。

圖9 某儲氣庫除黑油過濾器現(xiàn)狀照片

5.2 一體化精細(xì)除黑油分離器

基于對重力分離設(shè)備的優(yōu)化,以及多種分離原理組合,本文作者研發(fā)一體化精細(xì)除黑油分離器以適應(yīng)油藏型儲氣庫在采出天然氣時攜帶的黑油。

5.2.1 重力分離設(shè)備優(yōu)化

油藏型儲氣庫[15-17]進(jìn)站分離系統(tǒng)可采用蛇形板填料型分離器進(jìn)行氣液分離,分離出天然氣攜液直徑小于10 μm。經(jīng)過對填料效果及液滴凝結(jié)規(guī)律的分析研究,采用二級蛇形板聚結(jié)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu),根據(jù)需求聚結(jié)的液量,優(yōu)化一級、二級蛇形板的總體長度。蛇形板結(jié)構(gòu)見圖10～11,液滴在彎曲通道發(fā)生聚結(jié)、強(qiáng)化分離效果,重力聚結(jié)分離后氣相中液滴粒徑均<10 μm。考慮到高黏原油在蛇形板上不易清潔,在各級聚結(jié)器入口設(shè)置反沖洗口,便于設(shè)備的清洗和維護(hù)。

圖10 蛇形板不銹鋼波紋片

圖11 蛇形板聚結(jié)原理圖

5.2.2 創(chuàng)新出口高效除油設(shè)計(jì)

為進(jìn)一步提高油藏型儲氣庫進(jìn)站分離系統(tǒng)的分離精度,在蛇形板填料型分離器后增加更高精度的過濾分離設(shè)備。

蛇形板填料型分離器后的過濾分離設(shè)備可采用絲網(wǎng)除沫器型分離器也可采用高精度過濾分離。采用高精度過濾分離器,分離精度最高,分離粒徑可達(dá)到0.5 μm,但其濾芯對液體的黏度要求較高,蛇形板填料型分離器分離出的天然氣中若攜帶黑油組分,則極易造成濾芯堵塞,影響采氣裝置正常運(yùn)行。而采用絲網(wǎng)除沫器型分離器作為二級分離設(shè)備,分離后的天然氣攜液直徑為5 μm仍偏高,無法徹底避免黑油進(jìn)入下游工段。

近年來，中國在高效纖維過濾技術(shù)上的研發(fā)取得了較好的成果,并成功應(yīng)用于煤氣、天然氣及煤層氣的凈化工藝中。高效纖維濾料具有很大的空隙率,吸附能力強(qiáng)、,彈性好。實(shí)際使用過程中,啟用初始阻力小,由于粉塵及油漿在濾料中呈現(xiàn)立體的彌散式分布,生產(chǎn)過程中納污量大,系統(tǒng)阻力上升緩慢,操控性能好,且耐受性能好,操作彈性大,不受氣量的大幅波動及總阻力的增大而損壞。經(jīng)過該過濾材料后天然氣中液滴顆粒直徑可降低為<1 μm,因此這種過濾介質(zhì)較適用于氣量波動大、雜質(zhì)成分復(fù)雜的采出氣黑油精細(xì)過濾。

由于該材料會吸附液滴中的雜質(zhì),需要定期更換,因此考慮在填料型過濾器出口端設(shè)置過濾組件,并在工藝上設(shè)置旁通,保證濾料可以隨時拆卸及更換。濾料的厚度及相關(guān)參數(shù)需要通過實(shí)驗(yàn)確定,包括對濾料厚度、壓實(shí)厚度、纖維直徑、空隙率、孔數(shù)及過濾精度的實(shí)驗(yàn)分析,最終確定適宜儲氣庫黑油精細(xì)過濾的濾料參數(shù)。

經(jīng)優(yōu)化組合,形成的一體化精細(xì)高效除黑油分離器將會更高效地提高油藏型儲氣庫的除黑油效果。

6 高效除黑油分離器位置

針對油藏型儲氣庫采氣工藝流程,高效除黑油分離器可設(shè)置在空冷器前和空冷器后。設(shè)置在空冷器前由于天然氣溫度高且剛經(jīng)過重力分離,進(jìn)入高效除黑油分離器后脫除的液量少;而設(shè)置在空冷器后由于天然氣經(jīng)過空冷器降溫,會析出部分烴液及水,進(jìn)入高效除黑油分離器后脫除的液量多,可降低后續(xù)注乙二醇量。因此,從節(jié)能降耗角度分析建議將高效除黑油分離器設(shè)置在空冷器后[18-20]。

7 結(jié)論

1)油藏型儲氣庫采氣期,在油壓較低時頻繁擴(kuò)產(chǎn)可導(dǎo)致黑油產(chǎn)出提前,降低采注比。井流物中攜帶的黑油進(jìn)入空冷器和后續(xù)管路、設(shè)備,在預(yù)冷器和后續(xù)乙二醇再生系統(tǒng)中發(fā)生凝固,極易造成黑油附著在管壁上,隨著運(yùn)行時間增長,黑油附著量逐漸增加,造成后續(xù)管路、設(shè)備的堵塞,對整個地下儲氣庫安全生產(chǎn)造成惡劣影響。

2)黑油產(chǎn)生主要由石蠟組分的析出和凝結(jié)導(dǎo)致。采出氣、凝液經(jīng)過兩級重力分離后,分離出部分膠質(zhì)、瀝青質(zhì),使得凝液中蠟含量升高,不受分散作用的控制,使原油的凝點(diǎn)升高。對于露點(diǎn)控制裝置前黑油的脫除,技術(shù)核心在于對黑油徹底、有效地脫除,即研發(fā)高精度、高效率過濾分離設(shè)備。

3)通過兩級過濾除黑油工藝流程,在預(yù)冷器出口設(shè)置旋流分離器+過濾分離器,從天然氣中過濾出粒徑大于1 μm,99.9%以上的液滴,減少天然氣攜帶黑油進(jìn)入后續(xù)低溫處理裝置,某儲氣庫有效工作氣量為4.17×108m3,采出天然氣攜帶黑油致裝置被迫停產(chǎn),大大降低儲氣庫冬季為周邊地區(qū)調(diào)峰供氣的靈活性,該項(xiàng)目除黑油設(shè)備改造投資僅1 350萬元,技術(shù)經(jīng)濟(jì)及社會效益明顯。兩級過濾除黑油技術(shù)在中國首座油藏型儲氣庫的成功應(yīng)用，可為后續(xù)同類型儲氣庫的建設(shè)提供了經(jīng)驗(yàn)借鑒。

4)通過對不同類型分離器的研究,研發(fā)出一體化精細(xì)高效除黑油分離器,此分離器會更高效地提高油藏型儲氣庫的除黑油效果。

5)建議將此高效除黑油分離器設(shè)置在采氣裝置空冷器后,可降低注入乙二醇循環(huán)量,貫徹節(jié)能降耗的運(yùn)行理念。