馬國(guó)光 董文浩 馬俊杰 溫 馨 許培林 曹 迪

1.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué) 2.中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司

凝析氣田外輸氣烴露點(diǎn)控制方法研究

馬國(guó)光1董文浩1馬俊杰2溫 馨1許培林1曹 迪1

1.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué) 2.中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司

凝析氣田普遍為高壓氣田，處理廠采用傳統(tǒng)的節(jié)流閥制冷控制外輸氣烴露點(diǎn)工藝，在氣田開發(fā)后期出現(xiàn)不適應(yīng)性現(xiàn)象。為了進(jìn)一步提高處理工藝對(duì)氣田開發(fā)的適應(yīng)性，提出了用透平膨脹機(jī)代替節(jié)流閥制冷以控制烴露點(diǎn)的工藝。通過(guò)對(duì)節(jié)流閥制冷脫烴工藝和透平膨脹機(jī)制冷脫烴工藝的對(duì)比分析認(rèn)為，透平膨脹機(jī)低溫脫烴工藝不僅能降低集輸壓力，延遲工藝調(diào)整的時(shí)間，而且降低了工程建設(shè)投資及能耗，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，可為其他凝析氣田處理工藝設(shè)計(jì)提供新的思路。

凝析氣 節(jié)流閥制冷 透平膨脹機(jī) 烴露點(diǎn)

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)新開發(fā)的凝析氣田主要集中在準(zhǔn)格爾盆地和塔里木盆地，其中，準(zhǔn)格爾盆地[1]開發(fā)的克拉美麗、盆5、瑪河、呼圖壁氣田和塔里木盆地[2]中的克拉2、迪娜、吉拉克、塔中等氣田均為高壓凝析氣田。凝析氣田生產(chǎn)的氣體中含有大量丙烷、丁烷、戊烷和戊烷以上烴類，未經(jīng)處理的凝析氣進(jìn)入長(zhǎng)輸管道后會(huì)析出凝析油，嚴(yán)重影響長(zhǎng)輸管道的輸氣效率。因此，需嚴(yán)格控制凝析氣的烴露點(diǎn)。強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 17820-2012《天然氣》[3]中明確規(guī)定：在天然氣交接點(diǎn)的壓力和溫度條件下，天然氣中應(yīng)不存在液態(tài)烴。

為了充分利用氣藏的壓力，凝析氣田一般采用高壓集氣、井口加熱、二級(jí)布站，處理廠普遍采用節(jié)流制冷控制天然氣的烴、水露點(diǎn)(即J-T閥工藝)。凝析氣田地面工藝集輸流程如圖1所示。高壓凝析氣田采用的開發(fā)方式為衰竭式開發(fā)[4]，在開發(fā)過(guò)程中，井口壓力不斷下降，使傳統(tǒng)節(jié)流閥制冷、低溫分離工藝的后期生產(chǎn)難以適應(yīng)。透平膨脹機(jī)制冷效率大于節(jié)流閥，在天然氣輕烴回收的深冷、淺冷工藝和油田伴生氣的脫水工藝中應(yīng)用十分廣泛，但在凝析氣田地面控制烴、水露點(diǎn)工藝中還未見使用。因此，針對(duì)凝析氣田節(jié)流閥制冷工藝后期適應(yīng)性差的現(xiàn)象，對(duì)凝析氣田傳統(tǒng)的烴、水露點(diǎn)控制工藝進(jìn)行分析和總結(jié)，提出采用透平膨脹機(jī)制冷工藝控制烴、水露點(diǎn)以改善凝析氣田后期的適應(yīng)性，對(duì)節(jié)流閥制冷和透平膨脹機(jī)制冷兩種工藝及其投資進(jìn)行對(duì)比分析和實(shí)例論證。

1 節(jié)流閥制冷烴露點(diǎn)控制工藝

針對(duì)井口壓力普遍較高(≥20 MPa)的特點(diǎn)，為了不浪費(fèi)地層能量，在控制烴露點(diǎn)時(shí)通常采用膨脹制冷、低溫脫水脫烴工藝[5]。目前，國(guó)內(nèi)主要采用的是節(jié)流閥膨脹制冷，其工作原理是氣流產(chǎn)生的焦耳-湯姆遜效應(yīng)。采用節(jié)流閥膨脹制冷，設(shè)備簡(jiǎn)單，投資節(jié)省，操作彈性大[6]，節(jié)流閥制冷烴露點(diǎn)控制工藝流程如圖2所示。該工藝充分利用了來(lái)氣的壓力能，采用兩次注乙二醇工藝防止因形成水合物造成設(shè)備凍堵。

原料氣自集輸管道進(jìn)入處理廠，經(jīng)生產(chǎn)分離器進(jìn)行初步氣液分離，分離后的天然氣經(jīng)一次注醇后與干氣換熱預(yù)冷，然后經(jīng)二次注醇后節(jié)流進(jìn)入低溫分離器進(jìn)行低溫分離，分離后的干氣與原料氣換熱后外輸。

一般凝析氣田的外輸壓力在4 MPa左右，在國(guó)內(nèi)，天然氣外輸烴露點(diǎn)≤-5 ℃即可滿足天然氣質(zhì)量要求，考慮到低溫分離器的分離效率，低溫分離溫度應(yīng)控制在-10～-15 ℃，節(jié)流前富氣經(jīng)過(guò)換熱后的溫度控制在約5 ℃。經(jīng)節(jié)流計(jì)算，天然氣進(jìn)處理廠的壓力應(yīng)不低于7.0 MPa，故井口至處理廠的集輸管線的設(shè)計(jì)壓力一般按9 MPa設(shè)計(jì)。

2 透平膨脹機(jī)制冷烴露點(diǎn)控制工藝

根據(jù)熱力學(xué)理論分析可知，節(jié)流閥為等焓膨脹制冷，其效率約為30%；而透平膨脹機(jī)利用等熵膨脹原理制冷[5]，膨脹端效率約為85%。因此，用透平膨脹機(jī)代替節(jié)流閥制冷，可降低凝析氣田天然氣集輸壓力，降低膨脹比。采用透平膨脹機(jī)代替節(jié)流閥進(jìn)行制冷烴露點(diǎn)控制的工藝流程見圖3。

原料氣自集輸管道進(jìn)入處理廠，經(jīng)生產(chǎn)分離器進(jìn)行初步氣液分離，分離后的天然氣經(jīng)一次注醇后與干氣換熱預(yù)冷。然后經(jīng)二次注醇后透平膨脹機(jī)的膨脹端膨脹進(jìn)入低溫分離器進(jìn)行低溫分離，分離后的干氣與原料氣換熱后進(jìn)入透平膨脹機(jī)的壓縮端，增壓至4 MPa后外輸。

3 兩種工藝對(duì)比分析

3.1 膨脹制冷參數(shù)分析

膨脹后的天然氣壓力取4.0 MPa，膨脹前的溫度取5 ℃，節(jié)流閥與透平膨脹機(jī)在不同的膨脹壓差下所產(chǎn)生的溫降如圖4所示。

從圖4可以看出，節(jié)流閥每產(chǎn)生1.0 MPa的壓降，可以帶來(lái)約5 ℃的溫降，而透平膨脹機(jī)每產(chǎn)生1 MPa的壓降能帶來(lái)約25 ℃的溫降，透平膨脹機(jī)的制冷效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于節(jié)流閥。

根據(jù)膨脹效應(yīng)用HYSYS軟件進(jìn)行計(jì)算，處理廠采用透平膨脹機(jī)與節(jié)流閥在相同工況下對(duì)進(jìn)站壓力的要求見表1。

表1 透平膨脹機(jī)與節(jié)流閥對(duì)進(jìn)站壓力要求對(duì)比表Table1 Inletpressurecomparisonbetweenturboexpanderandthrottle項(xiàng)目低溫分離溫度/℃出站壓力/MPa要求進(jìn)站壓力/MPa膨脹機(jī)-104.04.8節(jié)流閥-104.07.0

由表1可知，當(dāng)?shù)蜏胤蛛x器工況要求-10 ℃、出站壓力要求4.0 MPa時(shí)，采用透平膨脹機(jī)進(jìn)站壓力只需達(dá)到4.8 MPa就可滿足要求，而采用節(jié)流閥制冷工藝最低進(jìn)站壓力要在7.0 MPa以上。因此，采用透平膨脹機(jī)可大大降低處理廠所需的進(jìn)站壓力。

由于節(jié)流閥制冷工藝最低進(jìn)站壓力要在7.0 MPa以上，因此，在井場(chǎng)和集氣站設(shè)計(jì)時(shí)集輸壓力等級(jí)一般按9.0 MPa設(shè)計(jì)；而采用透平膨脹機(jī)進(jìn)站壓力只需達(dá)到4.8 MPa就可滿足控制烴、水露點(diǎn)的要求，在井場(chǎng)和集氣站設(shè)計(jì)時(shí)集輸壓力等級(jí)一般按6.0 MPa設(shè)計(jì)。由此可看出，在烴露點(diǎn)控制工藝設(shè)計(jì)中，采用透平膨脹機(jī)代替節(jié)流閥可降低整個(gè)集輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力等級(jí)，大大降低管網(wǎng)和集氣站設(shè)備的投資費(fèi)用。

3.2 生產(chǎn)適應(yīng)性分析

節(jié)流閥對(duì)原料氣的組成、壓力和產(chǎn)量變化適應(yīng)性好，操作彈性范圍大，適應(yīng)范圍更廣。因此，在以往的設(shè)計(jì)中，對(duì)于控制天然氣外輸露點(diǎn)的處理廠，普遍采用節(jié)流閥制冷。但節(jié)流閥存在制冷效率低、進(jìn)站壓力高、氣田集輸和處理廠運(yùn)行壓力高、對(duì)氣田開發(fā)及運(yùn)行的安全性較差、氣田開始增壓的年份早、增壓負(fù)荷大、管理復(fù)雜、處理廠壓力等級(jí)高、總投資高等缺點(diǎn)[6]。

透平膨脹機(jī)制冷效率高，進(jìn)站所需壓力低，可充分利用天然氣壓力能，能耗低，氣田開始增壓年份晚，增壓負(fù)荷小，安全可靠性高，且總投資較低。但透平膨脹機(jī)制冷工藝具有流程復(fù)雜、操作維修復(fù)雜、對(duì)壓力、氣量調(diào)節(jié)范圍差、進(jìn)氣不能帶液等缺點(diǎn)。膨脹機(jī)通過(guò)可調(diào)式噴嘴可使膨脹機(jī)處理量在50%～120%內(nèi)變化，因此，可在氣田壓力不斷下降、產(chǎn)量減少的情況下高效運(yùn)行[5]。

生產(chǎn)初期，凝析氣田井口壓力在20 MPa以上，可滿足節(jié)流閥工藝的壓降要求，而凝析氣田普遍采用衰竭式開發(fā)，壓力下降快，當(dāng)單井天然氣進(jìn)處理廠的壓力降至7.0 MPa以下時(shí)，需對(duì)原有處理工藝流程進(jìn)行改造，根據(jù)文獻(xiàn)[7]，改造方案需增加壓縮機(jī)和丙烷制冷設(shè)備。而采用透平膨脹機(jī)工藝，當(dāng)單井天然氣進(jìn)處理廠的壓力降至4.8 MPa以下時(shí)，需增加壓縮機(jī)設(shè)備進(jìn)行改造。從地面開發(fā)整體情況來(lái)看，采用透平膨脹機(jī)工藝可延遲上動(dòng)力設(shè)備的時(shí)間，減少整個(gè)開發(fā)期的運(yùn)行能耗，從而降低運(yùn)行費(fèi)用。

4 實(shí)例分析

某高壓凝析氣田共設(shè)計(jì)產(chǎn)能井50口，建立3座集氣站，1座處理廠，單井產(chǎn)量平均為6×104m3/d，井口采用加熱節(jié)流防凍工藝，氣田采用放射狀集氣，表2為氣田未來(lái)25年的集輸壓力和產(chǎn)氣量數(shù)據(jù)。下面對(duì)兩種烴露點(diǎn)控制工藝從投資和生產(chǎn)適應(yīng)性兩個(gè)方面進(jìn)行比較。

表2 某高壓凝析氣田生產(chǎn)集輸壓力產(chǎn)氣量參數(shù)Table2 Gatheringandtransferringpressureandgasproductionofahighpressurecondensategasfield年份集輸壓力/MPa進(jìn)站氣量/(104m3/d)外輸壓力要求/MPa第1年～第5年7.63004.0第6年～第12年6.02804.0第13年～第21年4.82204.0第22年～第25年1.61504.0

4.1 適應(yīng)性分析

如果氣田地面處理工藝采用節(jié)流制冷低溫分離工藝設(shè)計(jì)，根據(jù)文獻(xiàn)[7]可知，第1次工藝改造采用丙烷制冷設(shè)備進(jìn)行外部制冷，第2次工藝改造，在生產(chǎn)分離器與氣氣換熱器之間增設(shè)壓縮機(jī)，采用“前增壓+丙烷制冷”工藝，節(jié)流閥不再使用，經(jīng)兩次改造后，氣田天然氣滿足外輸烴露點(diǎn)的要求。如果氣田地面工藝采用透平膨脹機(jī)制冷低溫分離工藝設(shè)計(jì)，只需在第22年增設(shè)壓縮機(jī)。透平膨脹機(jī)工藝與節(jié)流閥工藝后期改造時(shí)間見表3。

表3 透平膨脹機(jī)工藝與節(jié)流閥工藝后期改造對(duì)照表Table3 Latereformationcomparisonbetweenturboexpanderprocessandthrottleprocess時(shí)間膨脹機(jī)方案(改造內(nèi)容)節(jié)流閥方案(改造內(nèi)容)第1年～第5年第6年～第21年丙烷制冷設(shè)備第22年～第25年壓縮機(jī)壓縮機(jī)+丙烷制冷

從表3可以看出，節(jié)流閥工藝改造時(shí)間早，且需進(jìn)行兩次改造；而透平膨脹機(jī)工藝改造時(shí)間晚，且只需進(jìn)行1次改造。在氣田開發(fā)的25年中，節(jié)流閥工藝平均能耗808 MJ/104m3；透平膨脹機(jī)工藝平均能耗414 MJ/104m3，約為節(jié)流閥工藝運(yùn)行能耗的一半。因此，透平膨脹機(jī)制冷工藝對(duì)凝析氣田的適應(yīng)性更強(qiáng)。整個(gè)氣田開發(fā)采用節(jié)流閥工藝的累計(jì)能耗費(fèi)用為18 797萬(wàn)元；采用透平膨脹機(jī)工藝的累計(jì)能耗費(fèi)用為9 477萬(wàn)元。

4.2 投資分析

節(jié)流閥膨脹制冷工藝與透平膨脹機(jī)制冷工藝的集輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力分別按9.0 MPa和6.0 MPa設(shè)計(jì)，表4為2種工藝的主要設(shè)備投資，由表4可知，采用透平膨脹機(jī)前期投資比節(jié)流閥工藝節(jié)省了1 190萬(wàn)元。

5 結(jié)論和認(rèn)識(shí)

節(jié)流閥制冷脫烴工藝對(duì)凝析氣田中后期適應(yīng)性差，氣田內(nèi)部為高壓集輸，管道建設(shè)投資費(fèi)用高，中、后期需要上外制冷和壓縮機(jī)等設(shè)備進(jìn)行兩次工藝改造，且改造后運(yùn)行費(fèi)用較高；采用透平膨脹機(jī)代替節(jié)流閥對(duì)天然氣的進(jìn)行烴露點(diǎn)控制，減少了對(duì)進(jìn)出站壓力差的需求，要求處理氣量和工況條件相對(duì)較穩(wěn)定，減少了集輸系統(tǒng)建設(shè)投資，延遲了上動(dòng)力設(shè)備的時(shí)間，可降低運(yùn)行費(fèi)用且適應(yīng)性更強(qiáng)。因此，在處理氣體工況相對(duì)穩(wěn)定、進(jìn)出站壓差相對(duì)較小的條件下，推薦采用透平膨脹機(jī)制冷工藝進(jìn)行外輸氣烴露點(diǎn)控制。

表4 主要設(shè)備投資對(duì)比(萬(wàn)元)Table4 Investmentcomparisonofmainequipment項(xiàng)目節(jié)流閥膨脹制冷工藝(集輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力9MPa)透平膨脹制冷工藝(集輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力6MPa)井口工藝50座水套加熱爐240190集氣站工藝4座三相分離器2401905座12井式管匯3102704座計(jì)量分離器160140管道投資采集氣管道18601210處理廠壓縮機(jī)200(壓縮比2.5)300(壓縮比3)丙烷制冷4000膨脹機(jī)080氣氣換熱器110110合計(jì)35202490

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Researchonhydrocarbondewpointcontrolmethodofoutputgasincondensategasfield

MaGuoguang1,DongWenhao1,MaJunjie2,WenXin1,XuPeilin1,CaoDi1

(1.StateKeyLaboratoryofOilandGasReservoirGeologyandExploitation,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu610500,China； 2.CNPCChuanqingDrillingEngineeringCo.Ltd.,Chengdu610051，China)

Most of condensate gas fields are high-pressure gas field. Traditional throttle refrigeration de-hydrocarbon process shows inadaptability during the later period of gas field development. In order to improve the adaptability of treatment process, the scheme of replacing the throttle with turbine expander was proposed to control hydrocarbon dew point. By the comparison and analysis of the two processes，it was concluded that the expansion turbine low temperature de-hydrocarbon process could not only reduce the gathering pressure and delay process modification time，but also lower the engineering investment and energy consumption. Therefore, it provides a new idea for process design of the condensate gas field.

condensate gas， throttle refrigeration， turbo expander， hydrocarbon dew point

馬國(guó)光，男，四川巴中人，博士學(xué)歷，副教授，現(xiàn)任職于西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，主要從事天然氣儲(chǔ)運(yùn)教學(xué)、設(shè)計(jì)、科研工作，發(fā)表論文20余篇，合作出版專著6部。E-mailswpimgg@126.com

TE868

A

10.3969/j.issn.1007-3426.2015.03.004

2014-08-23；編輯溫冬云