李文豐　劉　俊　高　鑫　王海蘭　楊　凡　班久紅

中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司，　四川　成都　610041

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小型天然氣氣井開發(fā)生產(chǎn)模式探討

李文豐劉俊高鑫王海蘭楊凡班久紅

中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司，四川成都610041

對(duì)產(chǎn)氣量較小的天然氣氣井(10×104～30×104m3/d)，可就近建立小型LNG工廠。根據(jù)天然氣生產(chǎn)的工藝特點(diǎn)及流程，通過模塊化劃分方法，將LNG生產(chǎn)全過程進(jìn)行橇裝設(shè)計(jì)，用搭積木的方式，將主要設(shè)備及工藝管道集成于一個(gè)、多個(gè)或多層的鋼結(jié)構(gòu)上，在制造廠制造及預(yù)組裝，完成全部工序后，運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的復(fù)位安裝，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)快速安裝、投產(chǎn)，節(jié)約工期及成本，形成高效、快捷、易搬遷的小型LNG工廠建設(shè)模式，具有小型天然氣氣井快速開發(fā)和生產(chǎn)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，并已在實(shí)際生產(chǎn)中得到應(yīng)用。

小型氣井；LNG工廠；模塊化；橇裝化；一體化；邊際氣田；零散氣田；非常規(guī)氣田

0　前言

我國(guó)天然氣資源豐富且分布廣泛，存在著大量?jī)?chǔ)量較少的零散氣田和開采成本較高的邊際氣田、非常規(guī)氣田[1-3]。這些氣田的特點(diǎn)是量少而質(zhì)富，但因就地?zé)o用戶，且無法承擔(dān)長(zhǎng)距離管道運(yùn)輸?shù)某杀径y以進(jìn)入天然氣市場(chǎng)。針對(duì)這些氣田，就近建立小型LNG工廠，減少天然氣管輸成本，有利于邊遠(yuǎn)天然氣的儲(chǔ)存和利用，也有利于天然氣使用中的調(diào)峰和市場(chǎng)開拓，擴(kuò)展了天然氣的利用形式，具有重要意義和價(jià)值。因此，提供從天然氣井口到LNG產(chǎn)品全過程的模塊化、橇裝化、一體化解決方案，將打破產(chǎn)氣量小的零散氣田、邊際氣田、非常規(guī)氣田的開發(fā)建設(shè)模式，形成高效、快捷、易搬遷的小型LNG工廠建設(shè)模式。該模式對(duì)我國(guó)開發(fā)邊遠(yuǎn)小型氣田，充分利用分散天然氣資源有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1　小型天然氣氣井生產(chǎn)工藝流程

1.1單井天然氣生產(chǎn)工藝流程

井口來天然氣經(jīng)節(jié)流、降壓后進(jìn)入氣液分離器進(jìn)行氣液分離，分離后的氣體經(jīng)過計(jì)量后由管輸系統(tǒng)運(yùn)送至下游LNG系統(tǒng)，分離后的液體經(jīng)自動(dòng)排液系統(tǒng)排放至污水池[4]。單井天然氣生產(chǎn)工藝流程，見圖1。

圖1　單井天然氣生產(chǎn)工藝流程

1.2LNG工廠典型工藝流程

天然氣液化前，需將原料氣中的H2S、CO2、H2O、重金屬及重?zé)N等組分脫除，滿足天然氣液化要求，避免CO2、H2O、重?zé)N在低溫下凍結(jié)而堵塞系統(tǒng)設(shè)備和管線，以及H2S和重金屬對(duì)系統(tǒng)設(shè)備的腐蝕。原料天然氣要滿足LNG原料氣質(zhì)量要求，必須對(duì)其進(jìn)行深度凈化預(yù)處理。

自單井站或集氣站來的原料天然氣，進(jìn)入天然氣脫碳裝置吸收塔(井口壓力較低，需增壓后進(jìn)入；井口壓力滿足要求，可直接進(jìn)入)，脫除CO2。脫除CO2后的濕凈化天然氣進(jìn)入分離器氣、液分離后，氣相送至脫水脫重金屬裝置進(jìn)行處理。從吸收塔底部出來的富胺溶液進(jìn)入再生循環(huán)系統(tǒng)，再生后的貧胺液經(jīng)貧液循環(huán)泵增壓后返回吸收塔，完成整個(gè)溶液系統(tǒng)的循環(huán)[5-9]。

天然氣經(jīng)脫碳后進(jìn)入天然氣脫水脫重金屬裝置的分子篩脫水塔進(jìn)行吸附脫水，然后進(jìn)入脫重金屬塔，脫重金屬后的天然氣經(jīng)粉塵過濾器過濾后，進(jìn)入液化單元。脫水再生氣計(jì)量后，作為燃料氣使用。

經(jīng)過凈化的天然氣進(jìn)入原料氣/閃蒸氣換熱器和來自罐區(qū)的BOG換熱，換熱后天然氣進(jìn)入冷劑換熱器。經(jīng)預(yù)冷后的凈化天然氣從冷箱中抽出進(jìn)入重?zé)N分離器，分離出天然氣中C3及以上重?zé)N組分。脫重?zé)N后的天然氣返回冷箱繼續(xù)冷卻液化，并過冷，再經(jīng)J-T閥節(jié)流降壓后進(jìn)入LNG儲(chǔ)罐，經(jīng)閃蒸后得到LNG產(chǎn)品以及部分閃蒸氣(BOG)。

從重?zé)N分離器分離的低溫重?zé)N經(jīng)復(fù)熱后進(jìn)入重?zé)N分離罐。分離出的氣體輸送至燃料氣系統(tǒng)，分離出的液相存儲(chǔ)后裝車外運(yùn)。

LNG產(chǎn)品通過LNG管道泵輸送至裝車區(qū)進(jìn)行裝車外運(yùn)。

LNG工廠典型生產(chǎn)工藝流程[10-11]，見圖2。

圖2　LNG工廠典型生產(chǎn)工藝流程

2　小型天然氣氣井開發(fā)建設(shè)方案

2.1模塊化、橇裝化、一體化方案設(shè)計(jì)

2.1.1單井設(shè)計(jì)

單井橇裝一體化是將天然氣生產(chǎn)單井站中的水套爐、分離器、節(jié)流元件、自用氣裝置、計(jì)量裝置以及配套閥門、管線、儀表等集成于同一橇座上形成一整體設(shè)備。通過利用橇裝模塊化技術(shù)，集加熱、節(jié)流、分離、計(jì)量等功能為一體，優(yōu)化輔助功能，在有效減少橇塊尺寸的同時(shí)實(shí)現(xiàn)單井天然氣生產(chǎn)裝置的整裝化、快裝化，實(shí)現(xiàn)單井天然氣快速生產(chǎn)外輸。單井一體化橇裝裝置的三維模型見圖3。

圖3　單井一體化橇裝裝置三維模型

2.1.2LNG工廠設(shè)計(jì)

圖4　LNG工廠模塊化、橇裝化、一體化三維設(shè)計(jì)整體模型

LNG工廠裝置包括原料氣增壓模塊、脫碳模塊、脫水及脫重金屬模塊、天然氣液化模塊、冷劑存儲(chǔ)模塊、閃蒸氣增壓模塊以及導(dǎo)熱油供熱系統(tǒng)等主體工藝模塊。各模塊單獨(dú)設(shè)計(jì)，均可根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行微調(diào)，滿足在不同天然氣處理裝置上的通用性。此外，對(duì)于不宜成橇的裝置及設(shè)備，可在制造廠內(nèi)完成設(shè)備與橇裝裝置連接管線的預(yù)制，僅在現(xiàn)場(chǎng)留少數(shù)焊口，減少現(xiàn)場(chǎng)工作量。LNG工廠模塊化、橇裝化、一體化三維設(shè)計(jì)整體模型見圖4。

2.2模塊化、橇裝化、一體化建造方案

模塊化、橇裝化、一體化建造的實(shí)質(zhì)是將大量施工現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)轉(zhuǎn)移至工廠內(nèi)完成，最大限度實(shí)現(xiàn)工廠預(yù)制化。其建造流程主要包含：原材料入廠驗(yàn)收、模塊建造、模塊出廠驗(yàn)收、模塊拆分包裝運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)到貨驗(yàn)收、現(xiàn)場(chǎng)復(fù)位安裝、現(xiàn)場(chǎng)試運(yùn)行等環(huán)節(jié)。模塊化、橇裝化、一體化建造流程見圖5。

圖5　模塊化、橇裝化、一體化建造流程

2.2.1原材料入廠驗(yàn)收

模塊建造所需原材料(管道、鋼材、非標(biāo)設(shè)備、儀器儀表、電氣設(shè)備、油漆等)的入廠驗(yàn)收，與傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)施工模式不同，因建造地點(diǎn)在工廠，故模塊內(nèi)所有物資的驗(yàn)收均需轉(zhuǎn)移至工廠。入廠驗(yàn)收過程應(yīng)由業(yè)主、制造廠質(zhì)檢部門、項(xiàng)目監(jiān)理、物資采購(gòu)單位等多方代表參與。原材料的質(zhì)量直接關(guān)系到整個(gè)模塊化建設(shè)工程的進(jìn)度、費(fèi)用和質(zhì)量，因此，原材料的入場(chǎng)驗(yàn)收尤為重要。

2.2.2模塊建造

模塊制造是將所有模塊內(nèi)的管道、設(shè)備、鋼結(jié)構(gòu)及電儀設(shè)備等按照工廠制造圖組裝成具備功能需求的整體，制造過程中完成所有焊接及無損檢測(cè)、管線的熱處理、管道及模塊整體強(qiáng)度測(cè)試、設(shè)備及管道保溫防燙、鋼結(jié)構(gòu)防火、噴砂涂漆等工序。模塊制造是整個(gè)模塊化建造最關(guān)鍵、難度最大的環(huán)節(jié)。

2.2.3模塊出廠驗(yàn)收

模塊建造各項(xiàng)工作完成后，由業(yè)主及其代表組織進(jìn)行檢驗(yàn)驗(yàn)收。出廠驗(yàn)收過程應(yīng)按照業(yè)主批準(zhǔn)的工廠驗(yàn)收程序進(jìn)行，該程序一般包括實(shí)物與圖紙的符合性檢查、實(shí)物外觀檢查、調(diào)節(jié)及切斷類閥門功能性測(cè)試、電儀通電實(shí)驗(yàn)、資料檢測(cè)等。模塊出廠驗(yàn)收結(jié)果將直接判定其是否具備出廠條件。

2.2.4模塊拆分包裝運(yùn)輸

制定對(duì)應(yīng)模塊的拆分、包裝、運(yùn)輸?shù)瘸绦蛭募?，并?yán)格按照每個(gè)程序文件對(duì)模塊進(jìn)行拆分、包裝、運(yùn)輸。能否對(duì)該過程進(jìn)行嚴(yán)格把控將決定模塊是否能完好無損抵達(dá)安裝現(xiàn)場(chǎng)。

2.2.5現(xiàn)場(chǎng)到貨驗(yàn)收

根據(jù)模塊自身特點(diǎn)，其現(xiàn)場(chǎng)到貨驗(yàn)收程序有別于一般工程項(xiàng)目的設(shè)備到貨驗(yàn)收。模塊驗(yàn)收的不同標(biāo)準(zhǔn)也可能導(dǎo)致驗(yàn)收要求的實(shí)現(xiàn)程度存在差異，其驗(yàn)收內(nèi)容的具體要求會(huì)反饋到模塊化建設(shè)前述的所有階段，從而引起工期、質(zhì)量和費(fèi)用方面的變化。

2.2.6現(xiàn)場(chǎng)安裝

模塊的現(xiàn)場(chǎng)安裝與傳統(tǒng)建造的現(xiàn)場(chǎng)施工存在較大差異。為達(dá)到零返工的理想效果，模塊的現(xiàn)場(chǎng)復(fù)位安裝需要在模塊制造廠商的指導(dǎo)下，嚴(yán)格按照模塊制造廠商出具的現(xiàn)場(chǎng)復(fù)裝手冊(cè)進(jìn)行。模塊是否能成功安裝是制約項(xiàng)目成敗的關(guān)鍵，因此，該環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制尤為重要。

2.2.7現(xiàn)場(chǎng)試運(yùn)行

現(xiàn)場(chǎng)試運(yùn)行作為模塊化建設(shè)的最后環(huán)節(jié)，其順利與否是評(píng)價(jià)項(xiàng)目成功的重要指標(biāo)。

3　生產(chǎn)應(yīng)用

小型天然氣氣井以模塊化、橇裝化、一體化生產(chǎn)模式進(jìn)行開發(fā)生產(chǎn)應(yīng)用于某工程，原料天然氣流量為15×104m3/d，溫度為0～35℃，天然氣井口壓力經(jīng)一體化橇裝裝置節(jié)流降壓至5.0 MPa后進(jìn)入天然氣液化處理裝置。原料天然氣經(jīng)預(yù)處理后，經(jīng)液化裝置液化過冷，出冷箱后節(jié)流降壓，在LNG儲(chǔ)罐中閃蒸并得到LNG產(chǎn)品，產(chǎn)品流量為4.2 t/h，壓力為0.02 MPa，溫度為-160.8 ℃。

該套裝置共劃分17個(gè)橇裝裝置模塊，單個(gè)橇裝裝置尺寸3.5 m×6.5 m，采用多層設(shè)計(jì)，在制造廠內(nèi)完成所有工藝、儀表、電氣、結(jié)構(gòu)的安裝，并進(jìn)行預(yù)組裝，完成整體試壓后出廠，運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)后進(jìn)行少量復(fù)位安裝工作，短時(shí)間內(nèi)完成投產(chǎn)試運(yùn)。

通過該工程的成功應(yīng)用，可將小型天然氣氣井模塊化、橇裝化、一體化生產(chǎn)模式的優(yōu)點(diǎn)總結(jié)如下：

1)工藝成熟、可靠，運(yùn)行平穩(wěn)，操作簡(jiǎn)便，自動(dòng)化程度高。

2)大大減少現(xiàn)場(chǎng)施工工作量，保證施工安全。將裝置內(nèi)的焊接、探傷、熱處理、裝配、試壓、儀電檢測(cè)及單機(jī)試運(yùn)轉(zhuǎn)等工作轉(zhuǎn)移至制造廠完成，現(xiàn)場(chǎng)僅需少量人員進(jìn)行模塊復(fù)位安裝、試壓、聯(lián)合調(diào)試，降低了現(xiàn)場(chǎng)大量人員施工及交叉作業(yè)引起的安全風(fēng)險(xiǎn)。

3)顯著縮短項(xiàng)目建設(shè)周期。利用制造廠人力資源、施工機(jī)具資源、施工場(chǎng)地等優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)單體模塊同時(shí)制造，同時(shí)規(guī)避惡劣天氣對(duì)工期的影響，有效縮短裝置施工工期[14]。

4)提高項(xiàng)目建設(shè)質(zhì)量。依托制造廠嚴(yán)格的質(zhì)量管理體系、良好的室內(nèi)施工條件、可靠的質(zhì)量檢驗(yàn)器具，通過裝置制造過程中的質(zhì)量控制和出廠驗(yàn)收，提高裝置建造質(zhì)量[15-16]。

4　結(jié)論

小型天然氣氣井工廠模塊化、橇裝化、一體化開發(fā)建設(shè)方案，提供了天然氣從井口產(chǎn)出到LNG產(chǎn)品出廠全過程的模塊化解決方案。該方案將單井一體化與小型LNG模塊化工廠建造技術(shù)相結(jié)合，并依托施工配套設(shè)施先進(jìn)、質(zhì)量管理控制體系完善、人力及物資資源充足的制造廠完成各橇裝化、模塊化裝置的廠內(nèi)建造。經(jīng)檢驗(yàn)合格后，根據(jù)運(yùn)輸條件限制，將裝置拆分為可以運(yùn)輸?shù)哪K運(yùn)抵建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)?，F(xiàn)場(chǎng)施工方可在短時(shí)間內(nèi)將各模塊按搭積木的方式復(fù)位安裝。這種高效、快捷、易搬遷的從井口采氣到LNG產(chǎn)品的一體化建設(shè)模式適用于產(chǎn)氣量較小的天然氣氣井，在儲(chǔ)量較少的零散氣田、邊際氣田、非常規(guī)氣田的開采利用領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

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2015-12-06

國(guó)家科技重大專項(xiàng)“頁(yè)巖氣氣藏工程及采氣工藝技術(shù)”(2016 ZX 05037)

李文豐(1978-)，男，四川廣安人，工程師，學(xué)士，主要從事天然氣加工工藝技術(shù)研究及工程設(shè)計(jì)管理工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2016.02.005