射流技術在油田放空天然氣回收工程中的應用

雷 鍇，張彥鑫

（中海石油（中國）有限公司天津分公司 天津 300450）

0 引言

某油田開采原油通過兩級分離器進行油氣分離，實現原油穩定。其中一級分離器分離出的天然氣進入天然氣壓縮機處理系統，經增壓后一部分用于油田透平發電機及鍋爐加熱器燃料使用，大部分天然氣經增壓后通過海管輸送到陸地，進入陸地城市燃氣管網，實現天然氣的回收利用。二級分離器分離出的天然氣因壓力低無法進入壓縮機處理系統而直接通過火炬放空燃燒。

通過對放空氣取樣進行組分分析，確定放空氣組成。根據組分分析結果，二級放空氣中C1～C3組分體積占比達83.61%，具有很大的回收價值，且回收后可減少直接CO2排放及燃料造成的碳排放，具有可觀的經濟效益和環境效益。

目前各油田的天然氣回收以增壓壓縮機回收為主，該技術應用成熟，可供選擇的壓縮機型號較多，但前期投資較大，油田改造工作量大，后期操作維護成本較高。射流裝置應用于低壓天然氣增壓項目，相比傳統的壓縮機回收系統具有較為明顯的優勢：一是投資小，回報周期短；二是占地面積小，流程改造工作量小，安裝方便；三是無需專人操作和后期維護，噴嘴壽命長。

1 射流技術原理

天然氣射流增壓技術源于文丘里效應原理，高壓流體通過噴嘴時，勢能轉換為動能，即壓力降低，流速加快[1]，在噴嘴出口形成低壓區。高壓天然氣作為驅動動力，由射流器裝置前端進入，流經噴嘴后進入混合腔，在噴嘴出口形成負壓，將側面進入的低壓天然氣吸入混合腔內，兩者在混合室內進行速度均衡，混合后氣流由混合室進入擴散室而獲得增壓[2]，最 終混合后的天然氣經過膨脹擴壓達到設計的壓力， 見圖1。

圖1 射流裝置簡圖Fig. 1 Jet device diagram

2 流程設計改造

該油田有2套天然氣處理系統。其中一套為燃料氣處理系統，該系統由燃料氣冷卻器、氣液分離罐、燃料氣壓縮機橇、燃料氣儲氣罐、燃料過濾器和燃料氣加熱器組成。來自原油處理器一級分離器的伴生氣，先經燃料氣冷卻器冷卻至40℃，再由氣液分離罐脫液后進入燃料氣壓縮機，經兩級壓縮后，燃料氣的壓力由 350kPa增壓至2550kPa，高壓燃料氣通過壓縮機后冷卻器冷卻至40℃后進儲氣罐，再經燃料氣過濾器過濾，最后經燃料氣加熱器加熱至60℃，供透平發電機及鍋爐使用，剩余燃料氣進入外輸氣儲罐通過外輸氣海管進行外輸。燃料氣壓縮機橇含2臺壓縮機，單臺壓縮機處理量為10×104Sm3/d。

另外一套天然氣處理系統由天然氣冷卻器、氣液分離罐、天然氣壓縮機橇、出口滌氣罐組成，天然氣壓縮機橇含2臺高壓壓縮機，單臺處理量達15×104Sm3/d，壓縮機額定排放壓力為3900kPa，該系統天然氣經增壓后直接進入外輸氣海管。

二級分離器接收一級分離器處理后的原油，二級分離器設定壓力為50kPa，通過降壓進行油氣再次分離實現原油進一步穩定，二級分離器處理后原油進入電脫水器進行深度脫水處理，原油含水率降低至0.5%以下后進行外輸，見表1。

表1 二級分離器參數Tab.1 Parameters of second-stage separator

由于新系統天然氣處理量大，壓縮機排放壓力高，接入低壓氣回收系統不影響油田自身天然氣用戶，可用于支持射流器，提供高壓氣源。流程設計改造如圖2所示，粗線條為新增管線及閥組。

圖2 流程設計改造圖Fig.2 Process design reformation diagram

根據供氣系統處理能力，設計選用相應的射流器。射流器本體結構如圖3所示。

圖3 射流器結構圖Fig.3 Jet device structure

將射流器接入油田 DCS 控制系統，利用現場控制箱的信號源，通過氣動執行機構帶動針型閥桿動作，實現調整噴嘴的有效流通面積，達到調整高壓氣體流量的目的。射流器運行參數如表2所示。

表2 射流器參數Tab.2 Parameters of jet device

3 回收過程記錄

導通回收流程，啟動1臺壓縮機供給高壓氣，記錄不同射流器開度下射流器高壓端、低壓端、出口端壓力及二級分離器放空閥開度，如表3所示。

表3 射流器回收數據記錄1 Tab.3 Jet device data record one

調試過程中，發現不斷增大射流器開度過程中，高壓端壓力逐漸下降，達不到射流器運行設計參數3850kPa，且低壓端壓力遠大于二級分離器設定壓力50kPa，無法實現二級分離器放空氣回收。

將射流器開度調整至100%，啟動第2臺壓縮機并逐步加載，通過持續增大射流器高壓端供氣量，使射流器高壓端壓力接近設計所需壓力，記錄數據如表4所示。

表4 射流器回收數據記錄2Tab.4 Jet device recycle data record two

從記錄數據可以看出，逐步增大供氣量的過程中，低壓端壓力呈現逐步下降的趨勢，二級分離器放空閥的開度也逐漸變小，最低達到0開度，表明實現了二級分離器放空氣的零排放。DCS系統電腦顯示的二級分離器放空閥開度也記錄了明顯的下降過程，見圖4。

圖4 二級分離器放空閥開度曲線1Fig.4 Second-stage separator vent valve open curve one

逐步調小射流器開度，記錄數據，如表5所示。逐步關小射流氣開度，即降低射流器高壓端供氣量時，低壓端壓力呈現逐步上漲的趨勢，二級分離器放空閥開度也逐漸增大，放空氣量增加。DCS系統電腦顯示的二級分離器放空閥開度也記錄了該變化過程，如圖5所示。

表5 射流器回收數據記錄3Tab.5 Jet device data record three

圖5 二級分離器放空閥開度曲線2Fig.5 Second-stage separator vent valve open curve two

由放空閥開度曲線可以看出，在射流器開度大于75%時，射流器開度大小對二級分離器放空閥開度影響較??；射流器開度減小到75%時，二級分離器放空閥開度明顯增大，且波動頻率和幅度也明顯增大。

4 結論及建議

在射流器高壓端供給壓力接近設計運行參數且氣量滿足時，回收效果較好，能實現二級分離器放空氣的全部回收。在保持高壓端入口壓力穩定的情況下調整射流器開度降低射流器高壓供氣量，射流器下降至一定程度時，回收效果出現顯著下降。按過程數據來看，當射流器開度降至75%時，放空氣回收效果明顯下降?？梢娨獙崿F好的回收效果，需同時滿足供氣量及高壓端壓力需求。

根據數據記錄，達到最佳回收效果時，高壓氣供氣量為23.5×104m3/d-1，實現二級分離器放空氣全部回收為1.5×104m3/d-1。整個調試過程中高壓供氣量保持在19.5×104m3/d-1以上，才能保證低壓氣有回收效果，按設計參數，高壓供氣量滿足最低5.89×104m3/d-1即可實現回收1.12×104m3/d-1，實際回收時高壓氣需求量已遠高于設計值。

射流器的引射系數（驅動入口天然氣流量與吸入口天然氣流量的比例關系）與混合出口和吸入口天然氣的壓縮比、驅動入口和吸入口天然氣的膨脹比有 關[3]，在設計配氣的過程中應盡量實現降低壓縮比和提高膨脹比。結合數據分析，由于混合出口天然氣壓力和吸入口天然氣壓力均為流程壓力，即壓縮比一定，調試過程中出現的現象為供氣量滿足設計需求的情況下，逐漸增大射流器開度過程中，驅動入口天然氣壓力迅速下降，無法實現高膨脹比。經分析認為問題在于射流器噴嘴選型不當，需對噴嘴尺寸進行重新校核，以實現設計流量下的高膨脹比，提高天然氣回收效果[4]。