致密氣地面集輸工藝系統(tǒng)設(shè)計要點探析

喬洪虎,黃少杰,鞏鑫賢，朱法廳,狄曉亮

(中海油石化工程有限公司，山東 濟南 250101)

致密氣(Tight Gas)一般指孔隙度低、滲透率低(小于0.1 md)、含氣飽和度低、含水飽和度高、天然氣在其中流動速度緩慢的致密砂巖層中的天然氣[1]。致密氣作為重要的非常規(guī)天然氣資源，已經(jīng)逐漸成為天然氣產(chǎn)量的主要增長點。非常規(guī)天然氣資源具有低碳、清潔、環(huán)保等優(yōu)點。

1 采氣井場設(shè)計要點

1.1 井場的工藝流程特點

根據(jù)井型的不同，井場井型一般分為水平井、直井和定向井。

井口采集的致密氣首先經(jīng)節(jié)流減壓措施進入地面輸送系統(tǒng)，致密氣輸送系統(tǒng)包括緊急切斷閥、生產(chǎn)集氣匯管、計量匯管以及放空系統(tǒng)。經(jīng)集氣匯管后的致密氣經(jīng)集輸管網(wǎng)送至臨時集氣站。

致密氣經(jīng)節(jié)流后會降溫形成水合物，一般要求天然氣集輸溫度應(yīng)高于水合物形成溫度3℃以上。為了防止水合物的形成，可采用天然氣加熱、保溫、向天然氣中加入抑制劑或脫水等措施。采用抑制劑防止天然氣水合物時，可采用乙二醇、甲醇，一般多采用甲醇。

1.2 緊急切斷閥的設(shè)置

根據(jù)GB 50349-2015《氣田集輸設(shè)計規(guī)范》要求氣井井口應(yīng)設(shè)置井口高低壓緊急截斷閥，緊急切斷閥與壓力進行聯(lián)鎖[2]。井場一般處于偏僻地帶，無法采用空壓站供氣，在選擇開關(guān)閥時需注意選擇節(jié)省氣源的閥門。開關(guān)閥選用雙作用氣缸執(zhí)行機構(gòu)，閥體采用球閥，并帶有現(xiàn)場控制功能。因井場開關(guān)閥較多采用氮氣鋼瓶供氣，為防止氮氣失氣后巡檢不到位，該開關(guān)閥要求配備事故空氣罐，并滿足儀表氣源失氣后三次以上的開關(guān)要求，確保安全。另外，開關(guān)閥需帶有閥位開關(guān)回訊，在控制系統(tǒng)上可指示出閥門的位置。

1.3 管材選型設(shè)計

根據(jù)資料數(shù)據(jù)，致密氣井口出口溫度在20～25℃之間，井口初始出氣壓力處于8～12.0MPa，經(jīng)節(jié)流后進入輸氣管路。節(jié)流后壓力一般控制在1.5～3MPa，因壓差大，導(dǎo)致節(jié)流降溫比較明顯，降溫幅度約為3～5℃/MPa，以致出現(xiàn)低溫小于-20℃情況。因此，在井場管道材質(zhì)選擇時應(yīng)注意選擇能夠耐低溫的合金鋼。

1.4 電氣電信系統(tǒng)設(shè)置

采氣井場位于空曠地帶，無法采取電網(wǎng)線路供電。主要用電設(shè)施為自控儀表、照明等，為了滿足用電需求，一般在井場設(shè)置太陽能供電系統(tǒng)。并需配置UPS電源系統(tǒng)，要求能夠滿足3～7天的用量，避免連續(xù)陰雨天導(dǎo)致無法生產(chǎn)的情況。

2 致密氣集輸管網(wǎng)布局

目前，致密氣集輸管網(wǎng)主要有以下幾種形式：樹枝狀、放射狀、環(huán)形管網(wǎng)及組合式管網(wǎng)。

(1)樹枝狀的集輸管網(wǎng)：采氣井口由采氣支線連接到采氣干線，然后由一條采氣干線連接集氣站與中心處理站，直至外輸。

(2)放射狀的集輸管網(wǎng)：由中心處理站引出若干集氣干線以輻射狀方式分布，集氣干線的末端再引出若干集氣支線也以輻射方式分布，用來連接井場與集氣站。

(3)環(huán)形的集輸管網(wǎng)：有一條集氣干線呈環(huán)狀分布，井場或集氣站通過集氣支線就近連接到環(huán)狀集氣干線。

(4)組合式的集輸管網(wǎng)：由上述集輸方式中的兩種或兩種以上組合而成的集輸方式稱之為組合式，組合式集輸管網(wǎng)應(yīng)用比較廣泛。

3 臨時集氣站工藝設(shè)計要點

考慮到采氣井場的輸送距離問題，通常設(shè)置多處臨時集氣站，致密氣由各采氣井場集輸后至臨時集氣站進行預(yù)處理脫水、脫輕烴后再輸送至永久集氣站進一步處理輸送至用戶。

臨時集氣站工藝流程為：各井場匯總后的輸氣管線接入臨時集氣站，通過三相分離器、過濾器進分子篩或三甘醇脫水撬脫水后經(jīng)計量送出界區(qū)。三相分離后的液體進入污水罐、輕烴罐，收集后裝槽車外運處理。

3.1 三相分離器的設(shè)計

致密氣中含天然氣、輕烴及污水三相物流，氣、油、水同時存在，一般設(shè)置三相臥式分離器進行一次分離。三相分離器至少設(shè)置兩套液位控制系統(tǒng)，其中一套為界面計，設(shè)備內(nèi)部設(shè)置堰板用于輕烴相溢流分離。

圖1 三相分離器設(shè)計簡圖

三相分離器直徑的計算：

(1)

式中：D——分離器內(nèi)徑(m)；qv——標(biāo)準(zhǔn)狀況下氣體流量(m3/h)；T——操作溫度(K)； Z——氣體壓縮因子；P——操作壓力(絕)(MPa)；Wo——液滴沉降速度(m/s)，可按公式2計算；K2——氣體空間占有的空間面積分率；K3——氣體空間占有的高度分率；K4——長徑比。當(dāng)操作壓力P(絕壓)≤1．8MPa時，K4取3.0；1.8MPa3.5MPa時，K4取5.0。

液滴在分離器中的沉降速度計算：

(2)

(3)

式中：Wo——液滴在分離器中的沉降速度(m/s)；g——重力加速度，g=9.81m/s2；dL——液滴直徑，取60×10-6m～100×10-6m；ρL——液體的密度(kg/m3)； ρG——氣體在操作條件下的密度(kg/m3)；f——阻力系數(shù)；Re——雷諾數(shù)；μG——氣體在操作條件下的黏度(Pa·s)。

3.2 脫水撬設(shè)備的選擇

天然氣脫水的方法主要有物理降溫脫水法、膨脹冷卻法、加壓冷卻法、固體吸附劑吸附法、溶劑吸收法等[3-4]。結(jié)合各種脫水方法的特點，其中三甘醇脫水和固體吸附法中的分子篩脫水應(yīng)用較多。

三甘醇脫水屬于溶劑吸收法，是天然氣脫水的主要方法之一。其流程主要由吸收塔、再生塔、過濾器、閃蒸罐、換熱器以及循環(huán)泵等組成。三甘醇脫水的優(yōu)點是：(1)三甘醇溶液易于再生，穩(wěn)定性高，吸水性強，蒸氣壓低且回收后損失少；(2)占地面積小；(3)處理量大時，相對投資少。缺點是：(1)脫水工藝較復(fù)雜，不易操作；(2)三甘醇溶液再生過程中公用工程消耗較多。(3)需要引入溶劑三甘醇；(4)無法脫除天然氣中的酸性氣體。

分子篩脫水屬于固體吸附法的范疇，其流程一般分為兩塔、三塔或多塔流程，含有再生加熱系統(tǒng)、壓縮系統(tǒng)。其優(yōu)點有：(1)技術(shù)成熟，應(yīng)用較廣泛；(2)脫水是物理過程，操作簡單且要求不高；(3)更適合深度脫水，露點可以降低到-40℃以下；(4)脫水同時還能兼顧對天然氣中酸性氣、輕烴的分離。缺點有：(1)成本較高；(2)能量綜合利用率低；(3)占地面積較大。

三甘醇脫水與分子篩脫水工藝各有優(yōu)劣，因此，在進行脫水工藝選擇時，應(yīng)根據(jù)脫水的目的、要求、能耗、裝置處理規(guī)模等進行綜合比較。分子篩脫水相比三甘醇脫水，其脫水深度高，操作靈活適應(yīng)性好。在處理規(guī)模較大時，三甘醇脫水的建設(shè)投資和運行成本相對較低。

3.3 儀表氣源的設(shè)計選取

臨時集氣站所用儀表氣量較少，主要為脫水裝置和三相分離器撬塊使用，無必要單獨設(shè)置空分空壓裝置。初始開車時，儀表氣源可采用氮氣鋼瓶供氣。正常運行時，可使用處理干燥后的致密氣作為儀表氣源。但設(shè)計時需注意滿足以下要求：(1)處理后的致密氣需滿足儀表氣源的露點要求；(2)因致密氣為易爆氣體，不可就地排放，要求儀表閥門的排氣進行收集后集中處置。

3.4 其它設(shè)置

一般情況下，臨時集氣站地處比較偏遠，動力供電不易接入。臨時集氣站的用電設(shè)備主要有脫水裝置中的再生電加熱器和再生增壓機、輕烴泵及污水泵。其它為電信設(shè)備、照明和生活用電。用電量較少，在進行電力選擇時需綜合考慮，若距離電網(wǎng)供電設(shè)施較近，首選電網(wǎng)供電。若電網(wǎng)供電不易實現(xiàn)，則選擇發(fā)電機供電，可選用燃油/燃氣兩用的發(fā)電機，致密氣處理裝置正常運行后，切換至天然氣發(fā)電。

4 結(jié)語

隨著開發(fā)技術(shù)的日益成熟，致密氣作為非常規(guī)天然氣已成為新能源發(fā)展的重要方向。通過對其設(shè)計要點的探析，明確了關(guān)鍵點的工藝系統(tǒng)設(shè)計原則。同時結(jié)合致密氣點田的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、模塊化建設(shè)，可以使設(shè)備和材料供應(yīng)實現(xiàn)系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、定型化，有效降低安全風(fēng)險，提高生產(chǎn)安全保障能力，確保整個致密氣田安全高效地運行，縮短設(shè)計建設(shè)周期。