多氣源海上平臺(tái)天然氣低溫脫烴工藝生產(chǎn)模式創(chuàng)新實(shí)踐

劉建波 伍永巴依

1中海石油（中國(guó)）有限公司崖城作業(yè)公司

2新疆油田公司風(fēng)城油田作業(yè)區(qū)

我國(guó)南海崖城13-1 氣田持續(xù)開發(fā)至今近25年，自1996 年投產(chǎn)以來，下游用戶對(duì)崖13-1 氣田外輸天然氣品質(zhì)一直有嚴(yán)格的合同要求，其中就包含了對(duì)烴露點(diǎn)的要求（在規(guī)定的交付壓力范圍內(nèi)的任何壓力下，不高于55 ℉）。

崖13-1 氣田的天然氣從井筒出來，經(jīng)過井口冷卻器，到達(dá)脫烴系統(tǒng)的溫度約為100 ℉，而烴露點(diǎn)主要通過J-T 效應(yīng)和低溫分離器控制，以達(dá)到低溫脫烴的效果，將烴露點(diǎn)控制低于55 ℉。從開發(fā)初期到穩(wěn)產(chǎn)期，再到衰落期，氣田在原工藝流程基礎(chǔ)上完成了多次的脫烴工藝技術(shù)優(yōu)化及流程改造并成功實(shí)踐，始終保持著天然氣烴露點(diǎn)合格外輸，從沒發(fā)生過一起不合格氣外輸?shù)氖录?/p>

正值南海大氣區(qū)管網(wǎng)的逐步建成，多氣源接入崖13-1 氣田，提供了生產(chǎn)模式創(chuàng)新的多種可能。因此，氣田需再次進(jìn)行生產(chǎn)模式的創(chuàng)新實(shí)踐，確保外輸氣烴露點(diǎn)合格，延長(zhǎng)氣田開采壽命，最大限度提高氣田的采收率。

1 天然氣低溫脫烴的技術(shù)原理

1.1 天然氣低溫脫烴原有的工藝流程

經(jīng)過三甘醇脫水系統(tǒng)及水露點(diǎn)合格的天然氣，進(jìn)入低溫分離器的氣/氣換熱器后至J-T 閥，會(huì)產(chǎn)生一定的壓降[1]，氣體膨脹。崖13-1 氣田就是采用J-T 閥的氣體膨脹吸熱原理達(dá)到降低氣體溫度的目的。

天然氣經(jīng)過強(qiáng)降溫后，其中的重組分凝析成液態(tài)。天然氣到達(dá)低溫分離器（它是控制天然氣烴露點(diǎn)的主要設(shè)備），可以把天然氣中的這些液體分離出來，以保證天然氣的烴露點(diǎn)滿足下游設(shè)備及商業(yè)合同的要求。

從低溫分離器出來并經(jīng)過脫烴處理的天然氣會(huì)經(jīng)過氣/氣換熱器，與未脫烴的天然氣進(jìn)行熱傳遞，以使經(jīng)過J-T 閥的天然氣初始溫度更低、更易達(dá)到脫烴效果[2]（圖1）。

圖1 天然氣低溫脫烴系統(tǒng)原有的工藝流程Fig.1 Original process flow of natural gas low temperature dehydrocarbon system

1.2 系列改造后的低溫脫烴工藝流程

隨著氣藏壓力的逐步下降[3]，增加了濕氣壓縮機(jī)來保證J-T 閥上游有一定的壓力以產(chǎn)生足夠的壓力降；再改造濕氣壓縮機(jī)出口回流工藝，即低溫分離器出口回流至濕氣壓縮機(jī)入口，直接通過系統(tǒng)內(nèi)部循環(huán)處理完成單個(gè)生產(chǎn)串天然氣的烴露點(diǎn)控制，而無需降低整個(gè)平臺(tái)的外輸流量[4]。改造后的低溫脫烴工藝流程如圖2 所示。

圖2 系列改造后的低溫脫烴工藝流程Fig.2 Low temperature dehydrogenation process after series of modification

2 氣田脫烴技術(shù)的創(chuàng)新實(shí)踐

以往崖13-1 氣田單獨(dú)生產(chǎn)時(shí)，如外輸氣烴露點(diǎn)出現(xiàn)異常[5]（比如復(fù)產(chǎn)初期階段烴露點(diǎn)不合格），則需中斷向香港管線外輸天然氣，將烴露點(diǎn)不合格的天然氣輸送至海南管線，待處理合格后再切換至香港管線。這樣不僅減少了天然氣的香港外輸量，甚至可能造成供氣短缺。正值南海大氣區(qū)管網(wǎng)的逐步建成，多氣源的接入為崖13-1 氣田提供了生產(chǎn)創(chuàng)新的可能[6]。

在東方13-2 氣田接入后，單獨(dú)使用一個(gè)生產(chǎn)串，且無需經(jīng)過濕氣壓縮機(jī)增壓；在此工況下，崖城13-1 氣田通過工藝流程調(diào)整，形成天然氣低溫脫烴工藝五種模式，極大地提高了脫烴效率，又能使各相關(guān)氣田產(chǎn)能達(dá)到最大化，同時(shí)滿足外輸天然氣的烴露點(diǎn)合同要求。

2.1 單串小循環(huán)制冷模式

假設(shè)以下應(yīng)用工況：東方13-2 氣田來氣所在的B 生產(chǎn)串烴露點(diǎn)合格，保持正常外輸；而崖城13-1 氣田所在的A 生產(chǎn)串需要恢復(fù)生產(chǎn)，烴露點(diǎn)不合格。這時(shí)可通過濕氣壓縮機(jī)出口回流管線，即所謂的小循環(huán)管線（從低溫分離器出口連接至濕氣壓縮機(jī)入口）使部分天然氣循環(huán)通過J-T 閥持續(xù)降溫預(yù)冷，部分天然氣從三甘醇接觸塔出口直接輸送至海南管線，直至崖城13-1 天然氣烴露點(diǎn)合格后再切換至干氣壓縮機(jī)增壓輸送香港[7]，工藝流程如圖3 所示。

圖3 單串小循環(huán)脫烴制冷模式Fig.3 Single-train small-cycle dehydrocarbon cooling mode

這樣的工藝流程調(diào)整可實(shí)現(xiàn)不影響天然氣外輸香港，將外輸氣量損失降到最低，這在下游用戶用氣量大時(shí)保持供氣穩(wěn)定尤為重要。

2.2 單串大循環(huán)制冷模式

假設(shè)以下應(yīng)用工況：香港海管壓力背壓偏高導(dǎo)致干氣壓縮機(jī)入口壓力高，將致使A 串J-T 閥上下游壓差不足，低溫分離器降溫脫烴能力不足。而此時(shí)兩臺(tái)濕氣壓縮機(jī)串聯(lián)運(yùn)行，井口壓力上升、產(chǎn)量偏低，不能穩(wěn)定運(yùn)行。

單串大循環(huán)制冷模式[8]如圖4 所示，即保持B串東方13-2 天然氣正常脫烴處理，通過干氣壓縮機(jī)出口處回流至射流器管線循環(huán)部分天然氣到濕氣壓縮機(jī)入口，這樣既可以保證濕氣壓縮機(jī)有足夠的流量通過而穩(wěn)定運(yùn)行，也可以使用大量烴露點(diǎn)合格的天然氣混合少量烴露點(diǎn)不合格天然氣，使得兩串天然氣混合合格后增壓外輸。

圖4 單串大循環(huán)脫烴制冷模式Fig.4 Single-train large-cycle dehydrocarbon cooling mode

這種工況充分利用了B 串東方13-2 氣田來氣的多余冷量，彌補(bǔ)A 串崖城13-1 生產(chǎn)降溫脫烴的能力不足，使得外輸氣量最大化，并在保證天然氣銷售量的同時(shí)，最大程度維持壓縮機(jī)在低負(fù)荷下穩(wěn)定運(yùn)行。

2.3 單串大小循環(huán)并用制冷模式

在生產(chǎn)中，單臺(tái)濕氣壓縮機(jī)水洗或單個(gè)生產(chǎn)串停產(chǎn)檢修是有必要的。但會(huì)出現(xiàn)以下問題：由于檢修串J-T 閥上下游壓差不足或無氣體流動(dòng)，烴露點(diǎn)不斷上升，影響生產(chǎn)恢復(fù)時(shí)天然氣質(zhì)量，導(dǎo)致產(chǎn)量損失。

通過流程調(diào)整，在東方13-2 接入有足夠的氣量和足夠低的烴露點(diǎn)的前提下，通過單串大小循環(huán)并用的制冷模式，使檢修串低溫分離器保持低溫狀態(tài)，便于快速?gòu)?fù)產(chǎn)。將脫烴處理合格的天然氣通過射流器管線引回到A 串處理系統(tǒng)，在另一臺(tái)濕氣壓縮機(jī)維持運(yùn)行的情況下保持適量的天然氣流動(dòng)，大部分天然氣通過小循環(huán)回流濕氣壓縮機(jī)入口補(bǔ)充流量，小部分通過走大循環(huán)流程與B 串脫烴處理合格的天然氣混合外輸，從而實(shí)現(xiàn)不中斷向香港供氣[9]（圖5），而且極大地減少低溫分離器降溫預(yù)冷時(shí)間，快速恢復(fù)檢修串的生產(chǎn)，減少產(chǎn)量損失。

圖5 單串大、小循環(huán)并用脫烴制冷模式Fig.5 Dehydrocarbon cooling mode of combination of single train large and small cycle

2.4 兩串小循環(huán)交叉制冷模式

當(dāng)東方13-2 海管來氣所在的B 生產(chǎn)串需要停產(chǎn)檢修時(shí)，B 串低溫分離器溫度在此期間將會(huì)持續(xù)升高，在復(fù)產(chǎn)時(shí)需要進(jìn)行在線降溫預(yù)冷，以避免產(chǎn)生不合格氣和產(chǎn)量損失[10]。

在這種工況下，崖城13-1 氣田所在的A 生產(chǎn)串烴露點(diǎn)合格，保持外輸香港。東方13-2 海管來氣所在的B 生產(chǎn)串關(guān)閉大循環(huán)，通過小循環(huán)管線將不合格天然氣輸送至濕氣壓縮機(jī)入口，再經(jīng)過A 生產(chǎn)串進(jìn)行降溫脫烴，B 串低溫分離器保持有天然氣流動(dòng)持續(xù)降溫，直至烴露點(diǎn)合格后，再打開通往干氣壓縮機(jī)入口閥門外輸香港（圖6）。

圖6 兩串小循環(huán)交叉脫烴制冷模式Fig.6 Cross-dehydrocarbon cooling mode of cross of two small cycles

2.5 利用氣氣換熱器降壓生產(chǎn)

崖城13-1 氣田進(jìn)入開發(fā)后期，產(chǎn)量下降明顯，難以保持J-T 閥上下游的壓降，控制烴露點(diǎn)變得困難。氣田結(jié)合濕氣壓縮機(jī)換芯改造，充分利用氣氣換熱器（印刷電路板式換熱器）的換熱高效率對(duì)脫烴系統(tǒng)工藝流程進(jìn)行改造。連通A、B 串低溫脫烴系統(tǒng)的冷氣，充分利用B 串減壓制冷產(chǎn)生的多余冷量給A 串進(jìn)行制冷，使外輸天然氣烴露點(diǎn)滿足香港供氣合同要求，同時(shí)解除J-T 閥壓差大對(duì)降低井口生產(chǎn)壓力的制約[11]（圖7）。

圖7 利用B 串多余冷量對(duì)A 串進(jìn)行脫烴制冷Fig.7 Dehydrocarbon refrigeration of A train by using the excess cooling capacity of B train

實(shí)施后，A 串低溫分離器外輸氣烴露點(diǎn)滿足香港供氣合同要求；還可將氣田的井口背壓降低，提高氣田采收率。

3 應(yīng)用效果

崖城13-1 氣田作為供氣樞紐，低溫脫烴工藝生產(chǎn)模式的創(chuàng)新尤為重要，其改造、優(yōu)化所投入的成本較少，多是在原有工藝流程上進(jìn)行創(chuàng)新優(yōu)化及總結(jié)，摸索出新的生產(chǎn)模式，可實(shí)現(xiàn)快速?gòu)?fù)產(chǎn)、增產(chǎn)增收、節(jié)能保供的效果，有力地提升崖城13-1氣田乃至整個(gè)南海大氣區(qū)供氣管網(wǎng)的穩(wěn)定性。

如按原低溫脫烴生產(chǎn)模式不變，任意一個(gè)生產(chǎn)串產(chǎn)生計(jì)劃維修或者非計(jì)劃關(guān)停后，復(fù)產(chǎn)時(shí)預(yù)冷時(shí)間過長(zhǎng)，損失的產(chǎn)量巨大，則南海大氣區(qū)的各個(gè)氣田接入崖城13-1 氣田后，產(chǎn)能釋放將受到制約，南海大氣區(qū)經(jīng)濟(jì)效益將大打折扣[12]。假設(shè)每次復(fù)產(chǎn)時(shí)需要預(yù)冷3 h，將天然氣烴露點(diǎn)控制在35 ℉開始外輸（外輸氣的烴露點(diǎn)應(yīng)低于合同要求的55 ℉，并保持一定的安全余量；35 ℉為經(jīng)驗(yàn)值，防止不合格氣進(jìn)入海管），按照目前東方13-2 海管每天接入580×104m3，以及崖城13-1 氣田自產(chǎn)氣170×104m3/d 進(jìn)行改造前和改造后效果對(duì)比（表1）。

表1 低溫脫烴系統(tǒng)改造前、后的效果對(duì)比Tab.1 Comparison of effects of low temperatture dehydrocarbon system before and after modification

而利用氣氣換熱器的換熱高效率，進(jìn)一步降壓生產(chǎn)，實(shí)施后可達(dá)到效果：A 串低溫分離器最低溫度可達(dá)到31 ℉左右，外輸氣烴露點(diǎn)35 ℉左右，滿足香港供氣合同要求；可將氣田的井口上產(chǎn)壓力降到40 psi，經(jīng)濟(jì)年限內(nèi)將累積增產(chǎn)約1×108m3天然氣，提高氣田采收率。

4 結(jié)論

崖城13-1 氣田在多氣源接入平臺(tái)后低溫脫烴工藝生產(chǎn)模式的創(chuàng)新，提高了設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，縮短了生產(chǎn)恢復(fù)時(shí)間，工藝流程調(diào)整更靈活，在南海大氣區(qū)供氣管網(wǎng)互聯(lián)互通的總體框架下，最大程度地釋放各個(gè)氣田的產(chǎn)能，增加香港、海南兩地天然氣銷售量，助力上產(chǎn)2 000×104m3，保障國(guó)家能源安全。