水源井伴生氣綜合利用

馬亮 張紹廣 李勝旺（中海石油（中國）有限公司天津分公司）

節能是生態文明建設的重要內容，是推進碳達峰和碳中和、促進高質量發展的重要支撐。近年來，中國海油堅定不移走生態優先、綠色低碳的高質量發展道路，推動全系統能效綜合創新，節能降碳綠色轉型。渤海油田堅持把生態優先擺在油田開發建設的重要戰略位置，將綠色低碳發展理念和節能減排實施行動融入油氣勘探開發生產全生命周期，努力為建設人與自然和諧共生的生態環境積極做出貢獻[1-2]。

1 項目背景及問題分析

注水是油田開發過程中向地層補充能量、提高油田采收率的重要手段之一，已成為當前采油生產中最重要的工作之一。油田注水是一項非常復雜的系統工程，它是以注入水的水質處理和水質穩定為手段，以保護油層為基礎，以達到保持油層壓力、實現油田穩產增產為目的的油田系統工程之一。渤海油田海上采油平臺常用的注水水源主要是水源井產出水和原油處理系統分離出的含油污水[3-4]。水源井產出水與經過原油處理系統分離的含油污水進入生產污水處理系統進行除油、過濾凈化處理，處理達到回注標準后經過注水泵增壓后回注到地層，既可以補充地層能量，又可以實現生產污水的零排放。

渤海油田某采油平臺設置兩口水源井A、B，兩口水源井運行工況見表1。水源井A 和B 產出水從采油樹油嘴出來后進入一條6 英寸主管線交匯在一起，之后通過海水板式換熱器進行換熱；換熱后的水源井水與原油處理系統分離出的含油污水共同進入斜板除油器；加氣浮選器、核桃殼過濾器進行凈化處理；處理達標的生產水進入注水緩沖罐緩存，再經注水泵增壓后回注到地層。水源井生產處理流程見圖1。

圖1 水源井生產處理流程Fig.1 Production treatment process of water source well

表1 水源井運行工況Tab.1 Operating condition of water source well

隨著滾動開發的需求，油田配注量持續增加，水源井需要提頻生產。在生產中發現：斜板除油器、加氣浮選器、開排罐液位波動范圍大且頻繁，經常出現磁翻板液位計浮子跳變現象；數個連接至開排系統的甲板地漏間斷性出現少量天然氣外溢、開排罐頂部呼吸口連續性有天然氣放空、冷放空系統放空氣量增大的現象，且當水源井提頻至50 Hz頻率生產時上述現象尤為明顯。針對上述問題，逐節點、逐設備進行了溯源排查，鎖定引起上述現象的主要原因是水源井伴生氣導致。隨著水源井的開采，地層能量降低，出現脫氣現象，使得水源井產出伴生氣量增加。通過對水源井采油樹套管路流程和油嘴下游流程所產流體取樣，并采用氣相色譜法[5]進行水源井伴生氣組分分析（表2），驗證套管路和油管路流程均有連續、大量伴生氣存在，且套管路物流為單一的天然氣。由于斜板除油器、加氣浮選器、注水緩沖罐、開排系統均不具備處理天然氣的功能，使得水源井伴生氣進入生產污水處理系統后，一部分通過與其連通的開排系統外溢排放，另一部分通過冷放空系統大量放空。如果這些天然氣資源得不到有效回收，數量越來越多[6]，既造成了水源井伴生氣資源的浪費，同時又對現場安全生產帶來隱患。

表2 水源井伴生氣組分Tab.2 Associated gas composition of water source well %

2 技術研究

為實現水源井伴生氣的綜合利用，解決水源井伴生氣進入生產污水處理系統后外溢和放空帶來的安全隱患，響應公司“積極主動謀劃，聚焦踐行‘雙碳’目標要求，實施綠色發展跨越工程”節能低碳工作號召，抓好節能降耗減碳，對該采油平臺制定臨時措施及根本解決方案，以實現水源凈化、天然氣回收及生產隱患的治理。臨時措施主要是對兩口水源井降頻，在滿足油田注水量需求的前提下盡可能使水源井在低頻率下運行，降低其伴生氣產出量，并做好監測及相應的安全措施；根本解決方案是對兩口水源井伴生氣綜合回收利用。

2.1 套管伴生氣回收

水源井套管產氣回收方式較為簡便，在利用生產、計量管匯預留口的基礎上，通過對采油樹套管路從套管翼閥連接配有定壓放氣閥組的工藝管線到生產、計量管匯預留口進行地面配套流程升級改造，使水源井套管伴生氣進入原油處理系統凈化穩定，并與原油處理系統分離出的天然氣共同進入天然氣處理系統進一步處理，實現了對水源井套管伴生氣的回收，日回收天然氣可達2 000 m3。

2.2 油管伴生氣回收

對于水源井油管路物流，由于伴生氣與大量地層水混合呈氣液兩相流狀態，要實現對伴生氣的回收，物流首先需要通過一個可以進行氣液兩相分離的脫氣裝置，分離出的天然氣再進入天然氣處理流程進一步回收，分離出的水則可進入生產污水處理系統處理。按照投資費用低、天然氣回收率高、改造工作量小、設備運行穩定的原則，結合水源井油管物流水量大同時攜帶較多伴生氣的特點，水源井脫氣工藝系統及氣液分離器選用需要滿足以下條件：

1） 對于任何已經選定規模的水處理工藝而言，其處理能力均有水量處理上限的問題，因此，在設計工藝上應具備較大的抗水力沖擊負荷能力，適應較大的水量波動。

2）水源井伴生氣氣量較大，進入脫氣系統的氣液比接近4∶1，對脫氣裝置氣液分離能力有較高要求。

3）現場安裝空間有限，對設備尺寸有一定要求，設備的安裝不影響現場火區劃分。

4） 處理設施運行可靠、穩定，操作管理簡便，處理過程安全。

5）設備須整體防爆以滿足現場安全要求。

按照上述思路，對水源井脫氣工藝系統及氣液分離器進行了研究，并制定實施方案。

方案一：利用處于閑置狀態的高壓注氣罐或高效靜電聚結分離器作為氣液分離器，并對工藝流程進行適應性改造。通過校核，兩口水源井產液超過了高壓注氣罐和高效靜電聚結分離器的處理能力，不滿足使用需求。

方案二：新增一套氣液分離裝置，并對工藝流程進行適應性改造。根據兩口水源井氣液混合物特點、平臺生產實際，對現有臥式氣液分離、T 型管式氣液分離、GLCC 氣液分離、旋流氣液分離技術及現狀進行了工藝比對及適用性分析[7-10]。氣液分離技術適用性分析見表3。

表3 氣液分離技術適用性分析Tab.3 Applicability analysis of gas-liquid separation technology

結合現場實際情況，因高度限制，立式兩相分離器GLCC 無法滿足安裝要求。考慮到日后水源井提頻，水源含氣量不穩定，T 型管脫氣裝置不能滿足分離要求。比選三種常用兩相分離器，臥式兩相分離器工況操作范圍廣、適應日后水源井提頻需求，設備滿足現場安裝要求，因此推薦使用臥式氣液兩相分離器。

3 伴生氣綜合利用工藝

3.1 脫氣裝置

臥式氣液兩相分離器結構見圖2。該臥式氣液兩相分離器內部結構采用兩階段設計，可去除99%粒徑大于10 μm 的所有顆粒，適用于要求極細夾帶物去除的場合。第一階段使用一臺離心分離器，確保流體以理想的方式進入分離裝置，提高分離效率和穩定性。第二階段使用葉片分離，從氣體中去除幾乎所有剩余的液滴和粒徑小于0.3 μm 的顆粒。

圖2 臥式氣液兩相分離器結構Fig.2 Structure of horizontal gas-liquid two phase separator

脫氣裝置選用傳統的臥式氣液兩相分離器，內組件由不銹鋼片定制而成，特殊流體力學設計，具有以下特點：液體處理量大，高段塞流處理能力強，脫氣率大于99%；強度高、耐磨、 耐腐蝕、不容易損壞、分離組件可拆卸移動；孔隙率大，能有效阻止結垢，同時入口處設置了藥劑、酸洗預留口，可定期對裝置內部進行酸洗，基本不受結垢物質影響；能實現長周期運行，無需更換，日常維護簡單。

3.2 脫氣工藝系統適應性改造

該脫氣裝置設置在水源井出口管線和海水板式換熱器之間，工藝流程配套性改造主要是在水源井出口總管線上引出一路流程接入脫氣裝置，脫氣裝置液相出口與板式換熱器入口連接，在原管線和新增脫氣裝置進出口管線上分別增加隔離閥門；脫氣裝置底部排污管線連接至閉排系統，緊急放空管線接入火炬放空系統。分離出的生產水經板式換熱器冷卻后進入生產污水處理系統進一步處理；分離出的天然氣經天然氣冷卻器冷卻后進入天然氣系統處理（圖3），經過凈化、增壓后進入天然氣外輸管網輸送到陸地終端，實現對伴生氣的綜合回收利用。

圖3 水源井脫氣系統工藝Fig.3 Degassing system process of water source well

儀表系統主要是對脫氣裝置配套設置1 只壓力表、1 臺壓力變送器、2 臺液位變送器、1 臺液位調節閥、1 臺壓力調節閥、1 臺流量計。控制系統方面主要是新增1 路溫度信號、1 路液位信號和1 路調節閥控制信號，接入原平臺PCS 系統實現工藝流程控制。新增1 路液位信號，接入原平臺ESD 系統實現液位低低切斷連鎖保護。

優化后的水源井伴生氣回收設備及工藝流程對平臺原火區劃分無影響，新增設備及流程在原有水噴淋系統、消防軟管站安全保護區域內，只對該臥式氣液兩相分離器增加了4 組消防水噴頭即滿足了消防及安全要求。

水源井脫氣工藝系統施工完成后經過調試投入運行。通過調整水源井運行頻率，對水源井、脫氣裝置、污水處理系統運行工況，以及地漏、開排罐呼吸口、冷放空等關鍵點定人、定點進行連續監測，驗證流程運行工況及脫氣裝置的使用效果。

4 應用效果分析

1） 水源井脫氣工藝系統及套管流程投用后，斜板除油器、加氣浮選器、開排罐液位變化趨于平緩，磁翻板液位計浮子跳變現象基本消除，系統投運前后液位變化趨勢對比非常明顯。投用前后污水系統運行參數見表4。從表4 可以看出，系統投用后生產污水處理系統運行工況更加穩定。

表4 水源井脫氣工藝系統投用前后污水系統運行參數Tab.4 Operating parameter of sewage system before and after the commissioning of degassing system process from water source well

2）甲板地漏天然氣外溢現象消除，用氣體檢測儀進行檢測未檢測到天然氣；開排罐呼吸口連續性天然氣外排現象消失；冷放空放空量明顯減少；天然氣從地漏外溢及在開排罐呼吸口連續大量外排的隱患得到治理，保證了現場生產環境的安全。

3）實現了水源井進入污水處理系統水源的凈化和攜帶伴生氣的綜合利用。水源井運行工況穩定，運行頻率由長期的30 Hz 低頻率運行模式調整為50 Hz 滿頻運行，水源井產能得到釋放，日增產水量可達950 m3，年增注水34.675×104m3，保證了地層注夠水的需求。通過脫氣裝置每日回收伴生氣可達1.05×104m3，綜合套管伴生氣的回收量，全年累計回收天然氣可達456.25×104m3，年折合標準煤約6 000 t，減少了天然氣放空，年減少CO2排放約1.5×104t，相當于植樹約81 萬棵。

5 結論

1）通過對水源井伴生氣脫氣裝置的改進進行分析，研究表明，海上采油平臺水源井伴生氣含量超標會影響污水系統的穩定運行，對水源井物流進行氣液分離是解決該問題行之有效的方法，同時也表明海上采油平臺水源井伴生氣治理需要采取油管和套管同時回收的方式才能取得好的效果。

2）再次對現有水源井伴生氣治理的研究進行了驗證，在水源井伴生氣回收利用的必要性和氣液分離方式上進行了補充，并對現有的氣液分離技術進行了簡要對比和分析，為以后海上油田進行污水系統和水源井的管理以及工藝流程初始設計提供了實踐依據。