海上油田外輸天然氣品質(zhì)提升的實(shí)驗(yàn)與探究

李珞，王煜(中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300450)

0 引言

某油田是區(qū)域天然氣外輸?shù)臉屑~平臺，肩負(fù)著區(qū)域天然氣處理外輸、輕烴處理外輸?shù)钠D巨任務(wù)。該油田日外輸天然氣約50萬立方米，由于目前外輸天然氣露點(diǎn)偏高(-15 ℃)，從而造成甲醇使用量較大，同時由于至終端海管連接處為三通，無法實(shí)現(xiàn)常規(guī)通球，增加了海管凍堵的風(fēng)險。

另外，外輸輕烴回收系統(tǒng)無法匹配現(xiàn)有工況需求，造成下游接收輕烴品質(zhì)較差，增加了終端輕烴處理負(fù)擔(dān)，無法達(dá)到銷售品質(zhì)，同時增加了海管水化物生成風(fēng)險，影響外輸天然氣海管的運(yùn)行安全。天然氣的外輸品質(zhì)直接影響著終端的天然氣、輕烴品質(zhì)以及海管的穩(wěn)定運(yùn)行。因此提高該區(qū)域的外輸氣品質(zhì)尤為重要[1]。

1 現(xiàn)狀調(diào)查

1.1 露點(diǎn)波動

1.1.1 三甘醇品質(zhì)差

由于三甘醇脫水和再生系統(tǒng)自投運(yùn)以來長時間的運(yùn)行，對三甘醇緩沖罐取樣發(fā)現(xiàn)三甘醇顏色為棕色并帶有小顆粒雜質(zhì)，經(jīng)化驗(yàn)純度為93%，分析認(rèn)為該平臺接收上游A平臺外輸濕氣，由于燃?xì)馄焚|(zhì)問題，天然氣中含有硫化氫(30 mg/L)，且海管較長(32 km)天然氣在輸送過程中有大量液態(tài)水和液烴析出，長時間反應(yīng)腐蝕形成的硫化亞鐵等雜質(zhì)溶于液烴中，硫化氫及液烴進(jìn)入接觸塔造成三甘醇污染。[2]

在該工況條件下，測試天然氣露點(diǎn)為-16.3 ℃；現(xiàn)場添加180 L三甘醇運(yùn)行24 h后，在取樣化驗(yàn)純度為94.2%，現(xiàn)場測試天然氣露點(diǎn)為-20.6 ℃。

1.1.2 三甘醇循環(huán)量不匹配現(xiàn)有工況

三甘醇再生系統(tǒng)有2臺三甘醇循環(huán)泵，為柱塞泵，單臺每小時處理量為1 m3/h，通過調(diào)節(jié)三甘醇循環(huán)泵的沖程來控制三甘醇的循環(huán)量。三甘醇的循環(huán)量直接影響著三甘醇和天然氣的接觸面積，三甘醇越少，吸收的水分也就越少，但三甘醇循環(huán)量過大，貧甘醇進(jìn)入接觸塔時阻力也會增大，可能會出現(xiàn)氣攜液的情況，造成三甘醇的浪費(fèi)(月?lián)p失量＞70 L)，因此需要在現(xiàn)有工況下通過觀察露點(diǎn)找出最合理的的循環(huán)量。

在其他條件不變的情況下，只調(diào)節(jié)三甘醇循環(huán)泵的循環(huán)量，記錄在不同循環(huán)量下，流程穩(wěn)定后的外輸氣露點(diǎn)值，分析循環(huán)量對脫水效果的影響，如圖1所示。

圖1 三甘醇循環(huán)量與外輸氣露點(diǎn)關(guān)系曲線圖

由此看出，三甘醇的循環(huán)量越大，干氣露點(diǎn)越低，但是露點(diǎn)降低的趨勢越來越小。經(jīng)過多次的試驗(yàn)和對數(shù)據(jù)的分析驗(yàn)證，隨著三甘醇循環(huán)量的增大，貧甘醇進(jìn)入接觸塔時阻力會增大，可能會出現(xiàn)氣攜液的情況，造成三甘醇的浪費(fèi)，因此干氣露點(diǎn)的降低趨勢減小。

1.1.3 天然氣中硫化氫含量高

(1)檢測該油田單井物流基本無硫化氫，數(shù)據(jù)如表1所示。

(2)通過對天然氣流程取樣測量硫化氫發(fā)現(xiàn)，上游A平臺入口來氣及流程設(shè)備中的硫化氫含量偏高。如表2所示。

表1 單井產(chǎn)氣硫化氫檢測數(shù)值

表2 硫化氫檢測記錄

檢測該油田單井物流基本無硫化氫。經(jīng)過細(xì)菌檢測，發(fā)現(xiàn)流程各處均存在SRB，由此可知硫化氫來源為流程SRB滋生，進(jìn)而產(chǎn)生次生硫化氫。對生產(chǎn)流程添加殺菌劑，細(xì)菌含量明顯下降，同時硫化氫含量明顯下降。如表3所示。

通過對天然氣流程取樣測量硫化氫發(fā)現(xiàn)，上游A平臺入口天然氣硫化氫偏高，且在輸送過程中有大量液態(tài)水和液烴析出，長時間腐蝕反應(yīng)形成的硫化亞鐵等雜質(zhì)溶于液烴中，硫化氫及液烴進(jìn)入接觸塔造成三甘醇污染，從而降低三甘醇純度，造成露點(diǎn)升高。

1.1.4 天然氣溫度偏高

中壓壓縮機(jī)天然氣出口溫度顯示在35～38 ℃，分析認(rèn)為天然氣溫度越低，天然氣中的水分就越容易析出，也就越容易被三甘醇所吸收脫出，因此認(rèn)為天然氣的溫度偏高也是導(dǎo)致露點(diǎn)偏高的因素之一[3]。

表3 殺菌劑處理結(jié)果對比表

該平臺中壓壓縮機(jī)天然氣出口溫度在35～38 ℃，在通過改變上游壓縮機(jī)海水冷卻器的流量進(jìn)而改變天然氣進(jìn)入三甘醇接觸塔的溫度，待流程穩(wěn)定后，記錄下外輸天然氣的露點(diǎn)，得出多個數(shù)據(jù)繪制如圖2所示。

由圖2可以看出濕氣的進(jìn)塔溫度對外輸氣的露點(diǎn)影響較大，濕氣進(jìn)塔溫度越高或者越低時，干氣露點(diǎn)反而越大。經(jīng)過仔細(xì)研究發(fā)現(xiàn)，濕氣溫度越高越不利于水分的析出，濕氣溫度越低時，會造成吸收塔內(nèi)溫度過低，和氣流直接接觸的貧甘醇溫度就會過低，進(jìn)而造成甘醇溶液黏度過大，氣泡增多，甘醇的損失量也會增加。

圖2 濕氣進(jìn)塔溫度與外輸氣露點(diǎn)關(guān)系曲線圖

1.2 輕烴品質(zhì)差

1.2.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理

該油田接收上游B平臺外輸濕氣，經(jīng)長距離輸送后，接收來液中存在游離水的情況，段塞流捕集器為氣液兩相分離器，排液出口位于容器底部，即使在罐內(nèi)實(shí)現(xiàn)了烴水分層，在底部排出管線內(nèi)將再次烴水混合，容易造成烴中還有較多的游離水，增加了下游中壓分離器的處理負(fù)擔(dān)。如果不進(jìn)行回收，則烴水混合物排入閉排，造成資源浪費(fèi)的同時，增加了環(huán)境污染，火炬黑煙現(xiàn)象嚴(yán)重。如果烴水混合物直接排放至下游海管，不但增加了終端的處理負(fù)擔(dān)，更增加了海管凍堵的風(fēng)險(圖3)。

1.2.2 溫度設(shè)定不滿足要求

上游B平臺天然氣物流經(jīng)過電加熱器加熱后進(jìn)入本平臺段塞流捕集器，電加熱器原來的安裝理念是將天然氣中的輕烴汽化處理，但是如此一來一方面會增加火炬燃燒灰度，污染環(huán)境，造成輕烴的資源浪費(fèi)；另一方面輕烴隨天然氣進(jìn)入壓縮機(jī)分離后排進(jìn)閉排，排放的烴液對閉排處理造成很大負(fù)荷。目前的處理思路是對天然氣中的輕烴進(jìn)行脫水提純回收，所以隨著處理要求的改變，電加熱器的設(shè)定溫度已不適合現(xiàn)有工況需求。

1.2.3 硫化氫腐蝕

該平臺接收上游A外輸濕氣，天然氣中含硫化氫，長時間反應(yīng)腐蝕形成的硫化亞鐵等雜質(zhì)溶于液烴中，海管通球取樣發(fā)現(xiàn)有較多黑色雜質(zhì)，進(jìn)入中壓分離器后，不能完全將黑色雜質(zhì)脫除，隨輕烴經(jīng)過輕烴泵增壓后打入下游海管，造成下游終端廠接收輕烴品質(zhì)較差。通球過程中收球筒雜質(zhì)較多，且通球期間靶點(diǎn)測試發(fā)現(xiàn)氣樣品質(zhì)較差。

2 對策實(shí)施

2.1 降低露點(diǎn)

2.1.1 三甘醇置換

如圖4和圖5所示，對三甘醇進(jìn)行了整體替換，以提高其純度。

圖3 新增段塞流捕集器流程圖

圖4 置換前三甘醇取樣

圖5 置換后三甘醇取樣

效果驗(yàn)證：系統(tǒng)恢復(fù)正常后記錄的天然氣露點(diǎn)為-23 ℃，此時的三甘醇濃度為99%，三甘醇置換前后的露點(diǎn)對比如表4所示。

表4 三甘醇濃度及露點(diǎn)對比表

2.1.2 三甘醇循環(huán)量調(diào)整

隨著三甘醇循環(huán)量的增大，貧甘醇進(jìn)入接觸塔時阻力會增大，可能會出現(xiàn)氣攜液的情況，造成三甘醇的浪費(fèi)，因此干氣露點(diǎn)的降低趨勢減小，通過不斷摸索，將三甘醇循環(huán)量確定為0.33 m3/h，日循環(huán)量為8 m3/d。

效果驗(yàn)證：經(jīng)過一段時間的運(yùn)行，外輸天然氣露點(diǎn)由-23 ℃降至-29 ℃，此舉對降低外輸天然氣露點(diǎn)有明顯效果。

2.1.3 清除硫化氫

上游A平臺天然氣海管入口加氣相緩蝕劑和脫硫劑，減緩海管腐蝕，降低硫化氫含量，定期開展海管通球，清除海管內(nèi)雜質(zhì)。

效果驗(yàn)證：通過對氣相出硫化氫測試對比，海管出口硫化氫濃度明顯降低，靶點(diǎn)測試結(jié)果明顯好轉(zhuǎn)，海管通球取樣黑色物質(zhì)減少。

2.2 輕烴品質(zhì)提升

2.2.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)改造

對該平臺段塞流捕集器進(jìn)行改造，賦予新增段塞流捕集器氣、水、烴三相分離排放的功能。在新增段塞流捕集器內(nèi)部液相管線出口處安裝一段高度為700 mm短節(jié)，使捕集器內(nèi)部液相出口管線始終排出上層輕烴介質(zhì)，隔離下層底水，利用原有控制邏輯，將輕烴液位調(diào)節(jié)閥控制液位設(shè)定為900 mm，實(shí)現(xiàn)輕烴自動輸送至中壓分離器或者下游輸氣海管，達(dá)到輕烴回收目的。同時從罐體底部預(yù)留球閥新增配套底水排放流程，接入到該平臺生產(chǎn)分離器，并新增烴水界面液位計，用于控制罐體底部水層自動排放，防止水層液位過高造成輕烴含水，保障了外輸輕烴品質(zhì)100%達(dá)標(biāo)。改造流程如圖6和圖7所示。

圖6 新增段塞流輕烴流程改造示意圖

圖7 改造前后段塞流內(nèi)部排烴管線入口高度對比圖

效果驗(yàn)證：目前新增段塞流罐體內(nèi)部結(jié)構(gòu)已經(jīng)改造完成，實(shí)現(xiàn)了捕集器氣、水、烴三相有效分離的功能。底部至該中心平臺生產(chǎn)分離器頂部入口流程已經(jīng)改造完成，等待下一步完全接入，罐體底部積水利用原有流程自動排放至閉排。經(jīng)取樣化驗(yàn)，輕烴出口達(dá)到基本無水狀態(tài)，效果優(yōu)異。

2.2.2 摸索調(diào)整電加熱器設(shè)定溫度

如表5所示，合理降低電加熱器溫度，減少輕烴汽化，增加輕烴回收量的同時有效脫出游離水[4]。

表5 溫度對烴液回收量和冷凝水量的影響對比表

通過不斷摸索，整理出電加熱器溫度對輕烴回收和冷凝水排出量的影響數(shù)據(jù)(圖8)，可知將電加熱器溫度設(shè)定值由40 ℃降低至34 ℃之后，再繼續(xù)下調(diào)溫度，輕烴回收量不在增加，冷凝水量基本不漲，為防止輕烴排液管線出現(xiàn)凍堵，最終將電加熱器溫度設(shè)定為34 ℃。

效果驗(yàn)證：經(jīng)過一段時間的運(yùn)行，段塞流輕烴無含水，火炬黑煙消失。

圖8 溫度對烴液回收量和冷凝水量的影響對比圖

2.2.3 清除硫化氫

參見2.1.3。

3 效果核實(shí)

3.1 降低露點(diǎn)

3.1.1 檢查目標(biāo)完成情況

此項(xiàng)目完成于2021年10月底，通過以上方法改進(jìn)技術(shù)和運(yùn)行一個月后，前后取樣對比如圖9所示。

圖9 項(xiàng)目實(shí)施前后露點(diǎn)變化對比圖

從露點(diǎn)變化趨勢可以看出，通過上述措施的綜合實(shí)施，外輸天然氣露點(diǎn)明顯降低，并且能夠保持穩(wěn)定，達(dá)到了此次活動的初衷。

3.1.2 經(jīng)濟(jì)效益

成本：本次活動不需要外委施工，均為自檢自修，成本可忽略不計。

收益：由于對策效果明顯，外輸天然氣露點(diǎn)顯著下降，減少了三甘醇及甲醇兩種藥劑的消耗，降低了運(yùn)營成本。據(jù)估算，每年可減少三甘醇消耗8桶(180 L/桶)，可節(jié)省費(fèi)用約6.5萬元；每年可減少甲醇消耗5罐(2 m3/罐)，可節(jié)省費(fèi)用約3.76萬元。以3年為期減少藥劑消耗量，降本增效的收益約30萬元。

效益：30萬元(收益)-0萬元(成本)=30萬元

因此此次活動收益至少為30萬元，由于此次活動長期有效，效益也將繼續(xù)增大。

3.1.3 環(huán)保效益

通過此次項(xiàng)目實(shí)施，使得該平臺至天然氣終端的天然氣海管凍堵的安全風(fēng)險大大降低，海管安全運(yùn)行得到有力保障。另外，因海管凍堵造成的天然氣大量放空的概率也接近于0，間接降低了因火炬放空量較大帶來的環(huán)保風(fēng)險。

3.2 外輸輕烴品質(zhì)提升

3.2.1 檢查目標(biāo)完成情況

(1)此項(xiàng)目完成于2021年9月底，通過以上方法改進(jìn)技術(shù)和運(yùn)行一個月后，上游A平臺天然氣海管通球產(chǎn)物黑色物質(zhì)消失，達(dá)到目標(biāo)值。

(2) 2021年10月20日實(shí)驗(yàn)中心對該油田外輸輕烴樣品進(jìn)行化驗(yàn)，確定輕烴外輸流程低點(diǎn)樣品為烷烴、環(huán)烷烴、芳香烴類物質(zhì)，未發(fā)現(xiàn)其他類物質(zhì)，符合輕質(zhì)油成分特征，達(dá)到目標(biāo)值。

(3)上游A平臺氣海管進(jìn)行防腐治理之后，達(dá)到了很好的效果，外輸輕烴品質(zhì)提升明顯，無黑色雜質(zhì)，硫化氫含量降至為0，達(dá)到目標(biāo)值(表6和圖10)。

表6 上游A平臺天然氣海管添加脫硫機(jī)前后硫化氫濃度對比表

圖10 上游A平臺天然氣海管添加脫硫機(jī)前后硫化氫濃度曲線圖

3.2.2 經(jīng)濟(jì)效益

成本：新增段塞流內(nèi)部改造需要外委施工，改造總成本15萬元。

收益：由于對策效果明顯，外輸輕烴品質(zhì)得到了明顯提升，達(dá)到了銷售品質(zhì)，每天可新增合格輕烴外輸量達(dá)40立方米，按照每方4 000元計算，每年可創(chuàng)造效益超5 000萬元。

效益：2 160萬元(收益)-15萬元(成本)=2 145萬元由于此次活動長期有效，效益也將繼續(xù)增大。

3.2.3 環(huán)保效益

火炬黑煙消失，為海洋環(huán)境保護(hù)作出了貢獻(xiàn)，達(dá)到目標(biāo)值。

4 結(jié)語

項(xiàng)目實(shí)施從油田生產(chǎn)實(shí)際需求出發(fā)，多方位多角度對生產(chǎn)流程問題進(jìn)行了整改優(yōu)化，保證了平臺外輸氣品質(zhì)極大優(yōu)化，降低了外輸天然氣海管凍堵的可能性，保證了海管的穩(wěn)定運(yùn)行。目前日回收輕烴約50立方米，保障了陸地天然氣的供應(yīng)，同時降低了外輸天然氣的硫化氫含量，滿足了人民群眾對天然氣的供給需求，踐行了保供氣的社會責(zé)任，降低了三甘醇的浪費(fèi)和消耗，節(jié)約了成本，也為日后新平臺相關(guān)系統(tǒng)的投用和調(diào)試積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。