馬國光 崔國彪 張 鋒 曹洪貴

（1.西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院 2.中國石油新疆油田公司采氣一廠）

新疆某凝析氣田氣井總數(shù)12口，設(shè)計(jì)集氣、處理及外輸規(guī)模為150×104m3／d，外輸壓力4.6 MPa，水、烴露點(diǎn)－10℃。氣田開采中后期日產(chǎn)氣量已遞減至36.5×104m3／d，同時(shí)壓力衰減過快，目前氣藏生產(chǎn)井平均井口壓力7.3MPa，接近原設(shè)計(jì)進(jìn)站門檻壓力6.5MPa，節(jié)流壓差逐年減小導(dǎo)致天然氣處理廠工藝系統(tǒng)的適應(yīng)性變差，不能滿足外輸氣烴露點(diǎn)要求。針對(duì)氣田后期產(chǎn)量和壓力日益下降的情況，據(jù)地質(zhì)上提供的氣井開采、配產(chǎn)數(shù)據(jù)及氣井壓力（表1）的預(yù)測(cè)，對(duì)處理廠工藝系統(tǒng)進(jìn)行技改，以滿足氣田在低產(chǎn)量、低壓力情況下的外輸氣質(zhì)量要求［1－5］。氣田天然氣組分和凝析油物性見表2。

1 處理廠原工藝流程

處理廠原工藝見圖1所示，站內(nèi)設(shè)有兩座集氣間。集氣站來氣（壓力10MPa、溫度25℃）經(jīng)過計(jì)量后進(jìn)入生產(chǎn)分離器，分離出的天然氣注入乙二醇（25kg／h），防止水合物生成，進(jìn)入氣氣換熱器換熱到－2℃，經(jīng)過節(jié)流閥節(jié)流降壓到4.8MPa，溫度－25℃，然后進(jìn)入低溫分離器進(jìn)行分離，分離出的天然氣經(jīng)過氣－氣換熱器與原料氣復(fù)熱后，在壓力4.6MPa下外輸。

表1 各氣井油壓（2013～2026年）預(yù)測(cè)Table 1 Oil pressure of each gas well（2013～2026）（MPa）

表2 天然氣組分和凝析油物性Table 2 Gas components and physical properties of condensate oil

2 改造工藝選擇

處理廠原工藝采用JT閥節(jié)流制冷工藝，氣田的壓力衰竭導(dǎo)致沒有足夠可利用的壓差，根據(jù)處理廠現(xiàn)有工藝，以“氣體外輸壓力4.6MPa下烴露點(diǎn)控制在－10℃以下”為目標(biāo)提出以下3種改造工藝：

（1）“JT閥前增壓＋JT閥節(jié)流制冷脫水脫烴工藝”，通過JT閥前增壓來獲得足夠的壓差；

（2）“JT閥前增壓＋丙烷制冷脫水脫烴工藝”，通過丙烷制冷［6］獲得外加冷量；

（3）“丙烷制冷＋JT閥后增壓脫水脫烴工藝”，通過降低節(jié)流后的壓力配以丙烷輔助制冷來獲得足夠的冷量。

2.1 JT閥前增壓＋JT閥節(jié)流制冷脫水脫烴工藝

2.1.1 確定天然氣脫水脫烴的溫度

建立如圖2所示的HYSYS模型，當(dāng)壓力4.8 MPa、溫度－10℃時(shí)低溫分離器的氣相相圖見圖3所示。通過圖3可以看出，低溫分離器溫度達(dá)到－10℃（壓力4.8MPa）時(shí)，分離出的氣相才能滿足烴露點(diǎn)要求（－10℃）。

2.1.2 確定增壓壓力

經(jīng)過計(jì)算，只有當(dāng)處理廠JT閥前壓力大于6.7 MPa時(shí)，才能保證節(jié)流至4.8MPa后，原料氣降至－10℃以下，所以對(duì)進(jìn)站壓力低于7MPa（考慮裝置0.3MPa的壓降）的低壓井來氣進(jìn)行增壓處理。

低壓井來氣經(jīng)過壓縮機(jī)增壓后溫度升高，采用空氣冷卻器冷卻時(shí)，由于氣田地處沙漠地帶，夏季溫度較高（最高43.1℃）會(huì)導(dǎo)致冷卻后溫度較高（48℃），節(jié)流后不能滿足低溫分離的溫度要求（－10℃）；采用水冷時(shí)，冷卻溫度最低也只能達(dá)到35℃，當(dāng)?shù)蛪壕畾饬吭龃髸r(shí)導(dǎo)致節(jié)流后溫度仍然過高。經(jīng)過計(jì)算，從2014年開始此工藝節(jié)流后溫度高于－10℃，不能適應(yīng)氣田的壓力變化，故“JT閥前增壓＋JT閥節(jié)流制冷脫水脫烴工藝”不能滿足氣田后期生產(chǎn)要求［7－9］。

2.2 JT閥前增壓＋丙烷制冷脫水脫烴工藝

由于“JT閥前增壓＋JT閥節(jié)流制冷脫水脫烴工藝”不能滿足低溫分離的溫度要求，因此需要外加輔助制冷。丙烷制冷劑（沸點(diǎn)－42.1℃）在天然氣制冷系統(tǒng)中得到較為廣泛的應(yīng)用，因此，采用丙烷輔助制冷控制天然氣的烴露點(diǎn)。

2.2.1 確定增壓壓力及天然氣脫水脫烴的溫度

丙烷輔助制冷工藝只需滿足外輸壓力要求即可，根據(jù)外輸壓力4.6MPa確定低溫分離器的操作壓力為4.8MPa（考慮裝置0.2MPa的壓降），因此對(duì)進(jìn)站壓力低于4.8MPa的低壓井來氣進(jìn)行增壓處理，據(jù)2.1.1中的分析，低溫分離溫度為－10℃。

2.2.2 改造后的工藝流程

改造后的工藝流程見圖4所示。利用處理廠原工藝中的兩套集氣間分別對(duì)高壓井、低壓井集氣，低壓井來氣經(jīng)計(jì)量分離器和生產(chǎn)分離器計(jì)量分離后，分離出的氣相增壓至4.8MPa，然后經(jīng)水冷換熱器換熱至35℃左右，與其他節(jié)流至4.8MPa的高壓井來氣混合進(jìn)入氣－氣換熱器預(yù)冷，注入乙二醇防凍劑，進(jìn)入丙烷蒸發(fā)器冷卻至－10℃進(jìn)入低溫分離器，分離器出口氣相與氣－氣換熱器換熱再與穩(wěn)定凝析油換熱至25℃左右外輸。

考慮到氣田壓力和各井流量的變化，選用兩臺(tái)壓縮機(jī)，單臺(tái)處理能力為10×104m3／d。預(yù)計(jì)2016年低壓井氣量達(dá)到10.7×104m3／d，所以2013年啟用一臺(tái)壓縮機(jī)，2016年后啟用兩臺(tái)壓縮機(jī)。

2.3 丙烷制冷＋JT閥后增壓脫水脫烴工藝

2.3.1 確定天然氣脫水脫烴的溫度

通過降低JT閥后的壓力來增大壓差，根據(jù)氣田壓力預(yù)測(cè)表（見表1所示），取JT閥后壓力為0.7 MPa，利用圖2中的HYSYS模型計(jì)算0.7MPa下低溫分離器氣相相圖（圖5），得出低溫分離溫度達(dá)到－30℃（0.7MPa）時(shí)即可滿足外輸氣烴露點(diǎn)要求。

2.3.2 改造后的工藝流程

改造后的工藝見圖6所示。利用處理廠原工藝中的兩套集氣間分別對(duì)高、低壓井集氣，高壓氣和低壓氣先后經(jīng)過計(jì)量、分離，氣相進(jìn)入氣－氣換熱器預(yù)冷，注入乙二醇防凍劑（45kg／h），然后高、低壓匯合氣節(jié)流降壓到0.7MPa，進(jìn)入丙烷蒸發(fā)器冷卻至－30℃進(jìn)入低溫分離器，分離器出口氣相與氣氣換熱器換熱，再與穩(wěn)定凝析油換熱至20℃左右后，由新增壓縮機(jī)增壓至4.6MPa后外輸。工藝流程框圖如圖6所示。

3 工藝比較

根據(jù)2.1中的分析，“JT閥前增壓＋JT閥節(jié)流制冷脫水脫烴工藝”適應(yīng)性較差，不能滿足氣田后期生產(chǎn)需求，所以只對(duì)“JT閥前增壓＋丙烷制冷脫水脫烴工藝”和“丙烷制冷＋JT閥后增壓脫水脫烴工藝”進(jìn)行對(duì)比。投資和能耗兩個(gè)方面的對(duì)比結(jié)果見表3和表4所示。由表3可以看出，JT閥前增壓工藝投資較JT閥后增壓工藝少249萬元。從表4可以看出，JT閥前增壓工藝較JT閥后增壓工藝平均能耗降低300MJ／103m3，所以推薦采用“JT閥前增壓＋丙烷制冷脫水脫烴工藝”。

表3 投資比較Table 3 Investment comparisons（ten thousand yuan RMB）（萬元）

表4 能耗比較Table 4 Energy comsumption comparisons （MJ／103 m3）

表5 JT閥前增壓＋丙烷制冷脫水脫烴工藝2013～2026年逐年運(yùn)行參數(shù)Table 5 Operation parameters simulation of pressurization in front of throttle valve＋dehydration and dehydrocarbons by propane refrigeration（2013～2026）

4 JT閥前增壓＋丙烷制冷脫水脫烴工藝適應(yīng)性分析

對(duì)“JT閥前增壓＋丙烷制冷脫水脫烴工藝”未來14年的生產(chǎn)運(yùn)行情況進(jìn)行全面的參數(shù)模擬（外輸壓力取4.6MPa，進(jìn)站溫度取20℃），計(jì)算結(jié)果見表5所示。從表5可以看出，“JT閥前增壓＋丙烷制冷脫水脫烴工藝”能滿足2013～2026年單井來氣壓力情況下的外輸氣質(zhì)量要求。

5 壓縮機(jī)和驅(qū)動(dòng)機(jī)的選取

由于低壓氣壓力低，壓縮比較大，預(yù)計(jì)2026年壓縮比將達(dá)到4.2，因此推薦使用往復(fù)式壓縮機(jī)。處理廠地處新疆沙漠地帶，不具備電驅(qū)條件，故采用燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式［9］。

6 經(jīng)濟(jì)效益分析

“JT閥前增壓＋丙烷制冷脫水脫烴工藝”工程總投資4 094萬元，投資回收期為1.97年，具有非常強(qiáng)的償債能力，具有極強(qiáng)的抗風(fēng)險(xiǎn)能力，經(jīng)營安全程度非常高。

7 結(jié)語

（1）對(duì)凝析氣田處理廠后期采用丙烷制冷脫水脫烴工藝滿足外輸天然氣烴露點(diǎn)要求，當(dāng)壓力低于外輸壓力4.6MPa時(shí)在節(jié)流閥前進(jìn)行增壓處理，可滿足氣田未來14年的生產(chǎn)需求［10］。

（2）利用處理廠原工藝中的兩套集氣間分別對(duì)高、低壓井來氣進(jìn)行集氣，充分利用氣田的壓能，降低丙烷制冷的能耗。

（3）推薦選用燃驅(qū)往復(fù)式壓縮機(jī)組。

（4）“JT閥前增壓＋丙烷制冷脫水脫烴工藝”總投資4 094萬元，投資回收期為1.97年，具有很高的經(jīng)濟(jì)效益。

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