灘海油田伴生氣回收研究

高 釗，劉德俊，王 芙，馬 焱，李小月，高吉慶

（遼寧石油化工大學，遼寧 撫順113001）

作為一種清潔高效的優質能源，天然氣將在我國能源結構中扮演越來越重要的角色[1]。近些年來，隨著越來越多的灘海油田進入開發階段，伴生氣的回收問題逐漸被人們所關注。因為規模小，故而其回收受到經濟條件和技術問題等制約。灘海油田伴生氣的產量一般較小，加之所需要的加工處理工藝比一般的氣田氣和凝析氣的處理工藝更為復雜，通常采用直接燃燒的方法處理[2]。這種方法即浪費資源，又污染環境。因此，找到一個技術性、經濟性合理的伴生氣回收方案成為灘海油田亟待解決的問題。

1 灘海油田伴生氣的凈化工藝

鑒于灘海油田可操作平臺面積小，不宜在上面安裝大型的伴生氣加工處理裝置。因此，可以考慮把伴生氣進行預處理，使其達到運輸要求后集中運輸到天然氣加工廠進行處理。國內外現存的天然氣凈化工藝種類很多，而且新的技術也不斷的嘗試應用于工業生產。一般的常規天然氣凈化技術具有工藝流程長、占地面積大等特點，而且設備復雜、投資和操作費用較高，不適合灘海油田伴生氣的凈化。目前，一些具有設備簡單、體積小和機動性強等特點的橇裝天然氣凈化技術被用于邊遠地區天然氣的凈化，該技術包括變壓吸附[3]（PSA）、膜分離[4]和旋轉噴霧干燥[5]（SDA）等技術。相關部門可以對這些技術和設備進行簡單的調整，使其達到凈化灘海油田伴生氣的要求。哪種技術的經濟性和技術性最合理取決于一些不同的標準，例如：伴生氣的供給情況、油田周圍的環境、過程的控制和操作、產品的標準等。

2 灘海油田伴生氣的回收方法

灘海油田伴生氣的回收成分主要是天然氣。除了管道輸送外，還可以把天然氣轉化成液化天然氣（LNG）、壓縮天然氣（CNG）、吸附天然氣（ANG）、天然氣水合物（NGH）等產品進行運輸[6]。隨著技術的發展，天然氣發電也逐漸被廣泛應用。

2.1 管道輸送

從世界天然氣工業發展來看，管道是天然氣發展的重要途徑。目前，世界上約75%的天然氣采用管道方式輸送。天然氣管道輸送系統包括集輸管道體統、長輸管道系統和配氣管道系統。集輸管道系統負責收集、凈化天然氣，把天然氣輸送到長輸管道首站；長輸管道系統由輸氣站和線路兩大部分組成，主要負責輸氣。配氣管道系統把輸氣管道來的天然氣進行除塵、計量、調壓、添味，然后輸入各級配氣管網[7]。

海底管道是灘海油田伴生氣回收設施中不可缺少的一部分[8]。管道形式包括挖溝淺埋管道、挖溝不埋管道和平鋪在海床上的管道等形式。海底管道技術主要包括管道的設計與分析、管道的鋪設和一些其他新的技術，例如：焊接技術和防沖刷保護技術等。為確保管道安全運行，應對海底管道的施工技術、安全評估狀態和疲勞壽命分析評估等進行相關研究[9]。隨著技術的發展，我國在海底管道鋪設方面取得了巨大的進步，到2005年底，我國已經累計鋪設了約3 000 km的海底管道。海底管道的優點是可以連續輸送，幾乎不受環境條件的影響，不會因海上儲氣設施容量限制或穿梭船只的接運不及時而迫使油田減產或停產，故輸氣效率高，運氣能力大。管道輸送適用于大流量輸送，多用在使用期限為20年以上的天然氣輸送。海底管道輸送存在的問題主要是：

(1)施工周期長，初始投資大；

(2)靈活性不足，受油田期限和地質條件等影響，油田一旦枯竭，管道將要報廢，不能它用；

(3)海底管道比陸地管道更容易發生腐蝕，引起管道泄漏，而且其檢查和維修相對來說也比較困難。

2.2 液化天然氣

液化天然氣是天然氣經過脫水、脫酸性氣體和重烴后經壓縮、膨脹、液化而形成的低溫液體[10]。LNG的儲存溫度為-162 ℃，其密度為 450到 470 kg/m3,標準狀態下為甲烷的600多倍，有利于其儲存和輸送，體積能量密度為汽油的72%。

隨著技術的發展，液化天然氣的應用越來越廣泛，既可作為燃料用于飛機、汽車和船舶等交通工具，又可以用來發電[11]。世界上利用LNG發電的成功實例已有很多。近10年來，LNG的消費量年均增長率為8.5%，高于其他一次能源的增長。

液化天然氣工藝包括天然氣預處理、液化、儲運、再汽化等。隨著技術和設施日趨成熟，LNG的生產工藝流程可以模塊化成橇。該技術已經在陸地油田和邊遠地區油田得到廣泛應用。液化天然氣的運輸分為海上運輸和陸地運輸：遠洋運輸以油輪和LNG運輸船為主，陸地運輸多以LNG槽車和LNG罐箱為主。在國外，LNG海上運輸已經實現工業化。我國也已經成功開發出小型儲罐和海運罐式集裝箱等LNG儲運裝置，并且正逐步走向工業化。除了上述運輸方式外，LNG管道運輸也逐漸應用于工業領域[12]。

LNG運輸的最重要的特點是安全、可靠和穩定，宜用于伴生氣產量較高、運輸距離較遠的油田。但液化天然氣的預處理和液化流程相對復雜，此外LNG需儲存在溫度低的環境下，對設備的材質和保溫性有特殊要求。因此，LNG運輸方案的初始投資和操作成本較高。

2.3 壓縮天然氣

壓縮天然氣[13]就是將天然氣加壓至15 MPa到25 MPa，使其體積縮小，裝入到壓力容器中。天然氣在25 MPa時，其體積為壓縮前的1/250，該工藝有效的利用了天然氣的壓縮特性，提高了儲運效率。

CNG的預處理和壓縮過程相對簡單，處理技術和設備較成熟，投資費用適中。CNG作為車用天然氣燃料，被國內外廣泛應用，但其在海上的應用還未被工業化。目前，國外有多家公司正在研究CNG海上運輸并將其工業化，加拿大Sea NG公司等已經建造完成CNG運輸船，并正式投入使用。相對于LNG運輸船來說，CNG運輸船更適合用于2 000 km以下的短途運輸。

圖1 纏繞中的4型壓力容器Fig.1 Winding of Prototype Type-4 Pressure Vessel

壓力容器作為一個儲存CNG的重要裝置，亦受到國內外廣泛關注。加拿大Trans Ocean Gas公司為復合材料壓力容器技術公司，通過專利技術設計和制造多元氣體壓力容器。圖1為纏繞中的4型壓力容器。該容器為復合材料壓力容器[14]，可以承受75 MPa的壓力。使用3.0的安全系數時，該壓力容器的工作壓力為25 MPa，工作溫度為零下40 ℃到40℃。4型壓力容器除了可以運輸CNG、PLNG外，還可以運輸氫氣、液體二氧化碳、丙烷、氮氣等許多其他氣體。在商業運輸中，一般把8個4型壓力容器放到一個標準集裝箱中進行運輸。

2.4 吸附天然氣

吸附天然氣的原理是利用儲罐內活性吸附劑的內表面和微孔結構將天然氣吸附，該技術的關鍵是開發出適合天然氣儲存的高效專用吸附劑[15]。國內外現用的吸附劑包括多空碳質天然氣吸附劑、金屬有機框架吸附劑及多孔材料內吸附天然氣水合物等。ANG的最大優點是在低壓下（3.5~3.6 MPa，僅為CNG的1/4~1/5）即可獲得接近于高壓下（20 MPa）CNG的儲存能量密度。

天然氣吸附技術的研究主要包括優良吸附劑材料、天然氣吸附熱質傳遞過程、吸附儲存容器等方面。歐美等西方國家和我國在天然氣吸附儲存技術方面均進行了大量的試驗和研究開發，并取得了許多成果。在國外研究中，在室溫和壓力為 3.5~4.8 MPa的壓力范圍內，天然氣吸附儲存的體積比達到200。我國利用大比例表面積的吸附劑儲存天然氣，在室溫和壓力為4~6 MPa 的條件下，儲氣體積比在148~181之間, 達到了世界先進水平。ANG技術[16]具有以下特點：

（1）對儲運設施承壓能力要求較低；

（2）使用天然氣時安全性能高；

（3）日常維護方便，操作費用低。

吸附劑的主要問題在于其使用壽命短，該點已成為國內外研究的焦點。

2.5 天然氣水合物

利用天然氣水合物儲存天然氣的技術被稱為天然氣固態儲存技術。天然氣水合物是由甲烷、乙烷、丙烷、異丁烷、正丁烷、CO2、N2及 H2S等分子在一定溫度和壓力條件下，與游離水結合，形成的結晶籠狀固體[17]。一個單位體積的 NGH固體能儲存150~200倍體積的天然氣氣體。

水合物儲運天然氣包括3個過程，即水合物生產、運輸及分解，其中天然氣水合物的生產技術最為關鍵。NGH的生產目前尚處于實驗階段，沒有應用于工業生產。天然氣水合物在常壓、常低溫下即可穩定儲存，對容器沒有特殊要求，因此增加了運輸的安全性并節省部分費用。NGH船的單位運輸量為同樣規格的LNG運輸船的1/4，但是NGH船裝卸方便，不需要技術復雜的加工設備。NGH也可以用冷藏集裝箱進行裝運。目前，NGH船舶正處于研究階段，還沒得到實際應用。

2.6 天然氣發電

隨著燃氣發電所占比例不斷增加，天然氣逐漸成為發電的首選燃料。天然氣發電與傳統的發電相比，有以下幾個優點[18]：（1）效率高，燃氣發電熱效率可達到55%；（2）污染小，表1為燃煤和燃天然氣電廠的比較[19]；（3）體積小、運輸安裝方便；（4）建造周期短、單位投資少；（5）啟停靈活、可靠性高,燃氣電廠的可用率達 90%，而常規電廠為80%左右。天然氣發電在一定程度上可緩解該地區的能源緊張狀況。目前，我國使用的天然氣發電裝置多為燃氣發電機組。

表1 燃煤、燃天然氣電廠的比較Table 1 The comparison of coal and natural gas-fired power plant

燃氣發電機組的原理是利用燃氣發動機驅動電機產生電能。燃氣發動機對燃料的要求很簡單，大部分的灘海油田伴生氣經過簡單處理都可以達到。燃氣機組每小時消耗20 左右的伴生氣，因此，大部分灘海油田可以選擇使用燃氣發電機組。

目前，歐美等發達國家已形成比較成熟的天然氣發電市場,燃氣發電機組在技術上也比較成熟[20]。我國天然氣發電僅占 3.7%，仍處于起步階段,主要原因有：（1）天然氣產量少，常常處于供不應求的局面；（2）技術上受制于人，我國的燃氣發電機組主要從國外引進,機組的調試及運行帶來諸多問題不能得到很好地解決,進而影響發電機組的正常運行。因此，要發展我國天然氣發電事業，一方面必須積極推進天然氣的勘探與開發；另一方面，研究機構和相關企業應加大在技術方面的投入，生產出高效率、高可靠性的國產燃氣發電機組。

3 結 論

通過對現存天然氣回收方法的簡單分析，可以看出灘海油田伴生氣的回收具有廣闊的前景。目前，我國在灘海油田伴生氣回收這方面剛剛處于起步階段，需要做大量的研究工作。通過學習國外灘海油田伴生氣回收的技術和經驗，根據油田伴生氣產量、油田周圍環境和當地用戶的需求，對各種工藝進行分析研究，找到一套最佳的油田伴生氣回收方案，

從而達到提高油田效益、減少環境污染的目的。

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