零散氣井天然氣處理工藝流程優(yōu)化研究

李春秀

(中原油田分公司 天然氣處理廠,河南 濮陽 457162)

天然氣在我國的應(yīng)用越來越廣泛,而國內(nèi)常規(guī)天然氣產(chǎn)量增長已無法滿足需求增長。我國非常規(guī)天然氣資源豐富,發(fā)展好、利用好國內(nèi)非常規(guī)天然氣資源對于完善天然氣供應(yīng)鏈至關(guān)重要。其中,合理評價(jià)我國非常規(guī)天然氣的開發(fā)價(jià)值,優(yōu)選與各類規(guī)模氣田相適應(yīng)的運(yùn)輸方案成為亟待解決的關(guān)鍵問題[1]。伴生氣根據(jù)所處的地理位置不同,可以分為直接進(jìn)入管網(wǎng)的伴生氣和零散邊遠(yuǎn)井區(qū)的伴生氣。直接進(jìn)入管網(wǎng)的伴生氣氣量較大,并且與附近大型管網(wǎng)相鄰,經(jīng)處理后可直接進(jìn)入管網(wǎng)供下游用戶使用。零散井的伴生氣量少且較分散,遠(yuǎn)離天然氣管網(wǎng)不適宜專管外輸[2]。在氣田開發(fā)生產(chǎn)中有一些地處邊遠(yuǎn)且較分散的單井,由于遠(yuǎn)離集輸管網(wǎng)和用戶,多年無法進(jìn)行開采,只能采取關(guān)井措施,不能形成油氣田產(chǎn)能,嚴(yán)重影響了勘探、鉆井成本的回收。因此,尋找一條經(jīng)濟(jì)合理的技術(shù)路線對邊遠(yuǎn)分散單井所產(chǎn)天然氣進(jìn)行處理、加工并對其進(jìn)行綜合利用使其形成油氣田產(chǎn)能,對提高油氣田經(jīng)濟(jì)效益是十分必要的[3]。

受本身氣質(zhì)和地理環(huán)境所限,邊遠(yuǎn)井天然氣往往無法就地使用。為了減少邊遠(yuǎn)井天然氣過多放空,減少環(huán)境污染,節(jié)約不可再生資源,滿足邊遠(yuǎn)井開發(fā)需求,需要對邊遠(yuǎn)井天然氣回收技術(shù)進(jìn)行研究,LNG、CNG、ANG、NGH等非管道運(yùn)輸技術(shù)得到了重視和發(fā)展[4-5]。針對某油田單井的天然氣特點(diǎn),研究采用不同深度和處理工藝的天然氣處理工藝,從產(chǎn)品回收率、產(chǎn)品質(zhì)量、裝置可操作性等方面進(jìn)行對比分析,研究適宜開發(fā)利用的天然氣處理工藝。

1 單井采出氣組分分析

某油田零散單井的試采天然氣組分如表1所示,處理量為2萬m3/d,氣相烴露點(diǎn)為55.3 ℃,C3+含量≥5.99%,C5+含量≥1.54%,重?zé)N超標(biāo),對于集輸工藝和后續(xù)加工存在以下問題:陸相氣烴露點(diǎn)不合格,進(jìn)入酸氣系統(tǒng),造成重?zé)N(C6+)富集,增大下游天然氣凈化廠胺液發(fā)泡概率;上游裝置富液含油帶烴嚴(yán)重,造成胺液發(fā)泡,導(dǎo)致富液來量波動(dòng),造成液位下降、閃蒸汽波動(dòng)[6]。

表1 某單井天然氣組分

根據(jù)道氏化學(xué)公司的有關(guān)數(shù)據(jù),胺液在液化氣中的溶解度為50 μg/g。當(dāng)進(jìn)料胺液溫度低于原料液化氣的溫度,就會導(dǎo)致液化氣中重組分烴類物質(zhì)殘留,當(dāng)以微小液滴的形式懸浮在胺液中時(shí),將與MDEA分子形成膠狀層,提高溶液的表面黏度,溶液的發(fā)泡速度也會由此加快[7]。

C3～C10的輕烴組分可通過飽和態(tài)的天然氣帶入酸氣系統(tǒng),造成成品氣烴露點(diǎn)不合格,且現(xiàn)有工藝無法從根本上解決該問題;下游凈化系統(tǒng)未設(shè)置脫烴裝置,含烴酸氣輸送凈化廠,僅通過閃蒸或分離處理,分離出的介質(zhì)被放空或作為污水處理,造成資源浪費(fèi)和安全風(fēng)險(xiǎn)。

2 采出氣處理必要性分析

通過對陸相氣中輕烴進(jìn)行回收,拔出天然氣中的混烴或液化氣,降低油氣損耗、提高油氣資源整體利用率,是提質(zhì)增效和提高產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)效益的重要手段,同時(shí)避免輕烴輸送至下游隨污水或放空外排而造成的資源浪費(fèi)。陸相氣含重?zé)N類組分隨集輸進(jìn)入酸氣系統(tǒng),重?zé)N類物質(zhì)在胺液會出現(xiàn)富集現(xiàn)象(再生溫度125 ℃,C7+等重?zé)N閃蒸溫度≥150 ℃),重?zé)N超標(biāo)會增加凈化廠胺液發(fā)泡概率,長期循環(huán)會致使胺液失活報(bào)廢,同時(shí)烴含量高會造成商品氣烴露點(diǎn)不合格,需通過脫烴滿足商品氣烴露點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量要求。烴露點(diǎn)升高會對下游LNG企業(yè)帶來工藝上的影響,下游企業(yè)未設(shè)置脫烴裝置的則會出現(xiàn)天然氣析液現(xiàn)象,原料氣中重?zé)N類增加也會導(dǎo)致LNG工藝中的冷箱低溫凍堵。

3 采出氣處理工藝分析

重?zé)N對MDEA溶液產(chǎn)生起泡的主要成分為C6+,根據(jù)文獻(xiàn)[8]中提及C6+含量>0.1%(物質(zhì)的量分?jǐn)?shù))時(shí)胺液發(fā)泡概率大大提高,因此本次研究,將外輸天然氣中的C6+目標(biāo)含量<0.1%。針對該原料氣特點(diǎn),提出了三種工藝方案。

3.1 方案一

根據(jù)表1中天然氣組分等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)利用工程模擬軟件建立了天然氣處理工藝模型如圖1所示。在計(jì)算中直接采用淺冷處理工藝方式,利用丙烷制冷機(jī)組提供冷源,通過冷箱將原料氣冷卻至-25 ℃,進(jìn)入低溫分離器僅直接低溫冷卻至-25 ℃(烴露點(diǎn)-25 ℃),C6+≤0.04%(最大),可滿足輸送要求。

圖1 天然氣處理工藝模型

來自采氣設(shè)備的高壓(8.5 MPa)原料氣經(jīng)過分離器進(jìn)行氣液分離后,進(jìn)入干燥單元,在干燥單元中將水分脫除至目標(biāo)值以下,然后經(jīng)過冷箱進(jìn)行冷凝處理。冷凝后的原料氣(-25 ℃)經(jīng)過低溫分離器進(jìn)行氣液相分離,液相經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流降壓至3.0 MPa,與塔頂物流換熱至-36 ℃后,進(jìn)入液化氣塔。低溫分離器的氣相物流返回冷箱后,經(jīng)冷箱回溫至28 ℃左右與混合輕烴塔頂氣相混合后經(jīng)壓縮機(jī)增壓(8.4 MPa)后外輸?；旌陷p烴塔底部的混合輕烴進(jìn)入穩(wěn)定輕烴塔進(jìn)行進(jìn)一步分離。塔頂?shù)玫揭夯瘹猱a(chǎn)品,塔底得到穩(wěn)定輕烴產(chǎn)品。具體的物流信息見表2。

表2 方案一中物流信息

3.2 方案二

輕烴的收率決定于冷箱冷凝后的原料氣溫度,即低溫分離器的入口溫度。為進(jìn)一步提高收率,根據(jù)丙烷制冷機(jī)組的制冷深度,在不改變方案一中建立的整體工藝模型的基礎(chǔ)上,通過調(diào)整制冷劑丙烷的流量可將低溫分離器入口溫度降低至-35 ℃。

3.3 方案三

在方案二工藝的基礎(chǔ)上,將低溫分離器的頂部氣相物流經(jīng)過一個(gè)節(jié)流設(shè)備膨脹機(jī)(見圖2)或節(jié)流閥(見圖3)進(jìn)行節(jié)流降壓至4.2 MPa后,與混合輕烴塔頂物流在分離器中進(jìn)行混合,混合后的液相返回塔中作為塔的液相回流,氣相經(jīng)冷箱升溫至28 ℃左右,再經(jīng)外輸壓縮機(jī)增壓至8.2 MPa后外輸。

圖2 增加膨脹機(jī)后的工藝模型

圖3 增加節(jié)流后的工藝模型

3.4 方案對比

三種工藝方案模擬得到的關(guān)鍵參數(shù)結(jié)果如表3所示。

表3 模擬計(jì)算關(guān)鍵工藝參數(shù)

從表3中可以看出,方案一中低溫分離器入口溫度為-25 ℃,混合輕烴產(chǎn)量為38.3 t/d,C3+產(chǎn)品收率為51.8%。穩(wěn)定輕烴產(chǎn)品產(chǎn)量為25.1 t/d,穩(wěn)定輕烴的飽和蒸汽壓為181.4 kPa,滿足《穩(wěn)定輕烴》GB 9053—2013中“1號穩(wěn)定輕烴飽和蒸汽壓74～200 kPa”的要求,可以作為標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品進(jìn)行銷售。丙烷制冷壓縮機(jī)和干氣外輸壓縮機(jī)功率分別為182.6和64.7 kW。

方案二中,通過調(diào)整丙烷冷劑流量使低溫分離器入口溫度降至-35 ℃,混合輕烴產(chǎn)量由38.3 t/d,增加至44.1 t/d,C3+產(chǎn)品收率由51.8%提高至59.9%,穩(wěn)定輕烴產(chǎn)品產(chǎn)量與方案一相差不大。但是丙烷制冷壓縮機(jī)和干氣外輸壓縮機(jī)功率分別增加至261.5和122.5 kW,對比方案一共增加136 kW。對比方案二中的產(chǎn)品收入和能耗成本費(fèi)用,宜采用方案二中的工藝對本氣井氣進(jìn)行處理。

方案三中,通過改變低溫分離器頂部氣相物流的冷卻方式,混合輕烴產(chǎn)量增加至67.6 t/d,穩(wěn)定輕烴產(chǎn)品產(chǎn)量增加至32.92 t/d,C3+產(chǎn)品收率提高至91.4%。丙烷制冷壓縮機(jī)和干氣外輸壓縮機(jī)功率分別增加至106.1和934.9 kW,對比方案一共增加793.7 kW。這是因?yàn)橥廨敼芫W(wǎng)要求壓力較高,低溫分離器頂部的氣相經(jīng)節(jié)流降壓分離出重組分后,壓力降低至4.2 MPa,再經(jīng)外輸增壓機(jī)增壓至8.2 MPa,導(dǎo)致增壓機(jī)能耗較大。因此,在管網(wǎng)壓力要求不高的場合可以考慮應(yīng)用該方案。另外,若用節(jié)流閥代替膨脹機(jī),C3+產(chǎn)品收率為87.47%,相對于膨脹機(jī)來說,節(jié)流閥便于操作,能耗較低,但是節(jié)流效率較低。因此,膨脹機(jī)節(jié)流可用于要求產(chǎn)品收率較高的站場,為了方便現(xiàn)場操作和降低設(shè)備成本,可考慮利用節(jié)流閥代替膨脹機(jī)。

4 結(jié)論

邊遠(yuǎn)分散單井天然氣的處理加工與綜合利用是長期以來未解決的問題。解決分散單井天然氣的凈化、加工與綜合利用問題對提高油氣田綜合經(jīng)濟(jì)效益是十分重要的。以某單井采出氣為例,制定了三種工藝處理方案,通過以上研究得出以下結(jié)論:

1)對于含有較多重?zé)N的單井采出氣,為了滿足下游用戶要求,需要進(jìn)行脫重?zé)N處理,可以采用以丙烷制冷的淺冷處理方式,制冷深度為-15～-35 ℃。針對本單井原料氣特點(diǎn),通過對比三種方案,宜選擇方案二作為該單井的工藝處理方式;

2)在對零散井采出氣進(jìn)行脫重?zé)N處理的過程中,應(yīng)充分對比能耗和產(chǎn)品收率,選擇適宜的工藝處理方式;對于下游用戶要求外輸氣壓力不高的站場,宜選擇方案三中的工藝處理方式。對于用電受限且對產(chǎn)品收率要求不高的站場可選擇方案一;

3)在對重?zé)N和液化氣進(jìn)行處理的過程中,應(yīng)按照液化氣和穩(wěn)定輕烴標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行生產(chǎn),并充分考慮輕烴產(chǎn)品的運(yùn)輸條件。