張世虎 郭永強(qiáng) 張浩然 崔春江 嚴(yán)銳鋒 呂亞博 王華杰 潘祥

（長(zhǎng)慶油田分公司第三采氣廠）

1 蘇里格氣田概述

蘇里格氣田放空天然氣主要包括井口壓裂放噴氣、集氣站及處理廠檢修維護(hù)放空氣、處理廠閃蒸不凝氣等?；疽匀紵鹁娴男问教幚?，造成能源浪費(fèi)；因此，非常有必要對(duì)放空天然氣回收利用技術(shù)工藝進(jìn)行深入研究，改善相關(guān)工藝流程，減少經(jīng)濟(jì)損失的同時(shí)保護(hù)環(huán)境。

1.1 井口壓裂放噴氣

對(duì)于現(xiàn)有壓裂放噴主體工藝，通過(guò)放噴管線，將氣井內(nèi)攜液天然氣引入燃燒池內(nèi)進(jìn)行燃燒，但此工藝存在以下問(wèn)題。

1）天然氣資源浪費(fèi)。每口井配產(chǎn)按照1×104m3/d，放噴時(shí)間按照10 天計(jì)算，每口井放空天然氣10×104m3，燃燒的天然氣經(jīng)濟(jì)損失達(dá)11.19 萬(wàn)元/口。

2）環(huán)境造成傷害。未經(jīng)處理的天然氣直接點(diǎn)火燃燒會(huì)造成環(huán)境傷害。

3） 地方法律法規(guī)要求。政府部門(mén)要求在鉆井、試采、生產(chǎn)過(guò)程中不讓油污、污水落地，減少天然氣放空和燃燒。

1.2 邊遠(yuǎn)探井天然氣

第三采氣廠目前管轄探井231 口，分布在內(nèi)蒙、寧夏、陜西等地區(qū)，井口裝置主要分為采氣樹(shù)、簡(jiǎn)易井口、盲板井三類。由于分布面廣，附近無(wú)集氣站，無(wú)法接入生產(chǎn)流程，部分井產(chǎn)能無(wú)法發(fā)揮。

1.3 檢修維護(hù)放空氣

天然氣放空主要包括緊急放空和計(jì)劃放空兩部分。蘇里格氣田生產(chǎn)中，在新井連頭、集氣站檢修、處理廠檢修、壓縮機(jī)停機(jī)等情形下，天然氣需要放空，部分天然氣直接放空到大氣中，部分天然氣通過(guò)放空火炬燃燒后排放至大氣中，造成能源浪費(fèi)，同時(shí)影響空氣質(zhì)量。

1.4 閃蒸不凝氣

源自第二處理廠、第四處理廠閃蒸分離器的閃蒸氣和凝析油穩(wěn)定塔的塔頂氣接入燃料氣區(qū)，經(jīng)過(guò)處理后用作燃料氣。由于閃蒸氣中重?zé)N組分含量較高，在溫度降低過(guò)程中有輕烴析出，燃料氣在火炬燃燒時(shí)有黑煙產(chǎn)生。

1.5 自用氣

天然氣處理廠自用氣用于供熱站、火炬、食堂、增壓站等。自用氣能耗控制指標(biāo)為0.85%。

2 放空氣回收工藝技術(shù)優(yōu)化

放空天然氣回收利用技術(shù)主要包括以下幾個(gè)方面：壓縮天然氣（CNG）、液化天然氣（LNG）、吸附天然氣（ANG）、水合物（NGH）、天然氣發(fā)電（GTW）、溴化鋰直燃機(jī)等。蘇里格氣田目前處于起步階段，主要以壓縮天然氣為主。

2.1 壓裂放噴天然氣回收

2.1.1 工藝橇裝設(shè)施

壓裂放噴天然氣回收設(shè)施主要包括自天然氣井口至外輸管網(wǎng)所需的工藝裝置及部分系統(tǒng)配套工程。工藝裝置由油嘴放噴控制系統(tǒng)、除砂脫液系統(tǒng)、節(jié)流減壓控制系統(tǒng)組成；配套工程是指供電系統(tǒng)、污水儲(chǔ)存系統(tǒng)、放空系統(tǒng)[1]。

壓裂放噴氣由采氣井口進(jìn)入油嘴放噴控制系統(tǒng)，經(jīng)控制流量后進(jìn)入立式旋流除砂器，除砂后氣體進(jìn)入臥式三相分離器進(jìn)行氣、水、油三相分離，分離后氣體經(jīng)水套爐加熱、節(jié)流減壓后進(jìn)入管網(wǎng)。壓裂放噴天然氣回收工藝流程見(jiàn)圖1，放噴設(shè)備作業(yè)工序見(jiàn)圖2。

2.1.2 環(huán)境影響評(píng)價(jià)

控制污染源：放噴回收裝置通過(guò)對(duì)天然氣回收利用，將壓裂放噴天然氣進(jìn)行回收，減少了天然氣燃燒帶來(lái)的環(huán)境污染。

污染物處理：生產(chǎn)中產(chǎn)生的廢水量少，大部分為含水壓裂液，固體廢棄物為壓裂砂，廢水統(tǒng)一收集進(jìn)入所設(shè)的污水罐，砂礫收入沉砂罐，統(tǒng)一集中送往回收站處理，滿足污染物不落地的生產(chǎn)理念[2-3]。

圖1 壓裂放噴天然氣回收工藝流程

圖2 放噴設(shè)備作業(yè)工序

2.1.3 裝置技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

回收了被放噴燃燒的天然氣，使資源得到節(jié)約利用。裝置結(jié)構(gòu)緊湊，集放噴、除砂、脫液、天然氣回收一體化。承壓等級(jí)滿足要求，配備除砂脫液系統(tǒng)，減少出砂沖刷及液體腐蝕。

2.1.4 經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)

選取常規(guī)直井、水平井、井組三類進(jìn)行成本、收益計(jì)算。使用設(shè)備采取租賃服務(wù)模式，租賃費(fèi)用為1.65 萬(wàn)元/d。天然氣價(jià)格按0.82 元/m3計(jì)算。

單口常規(guī)直井回收效益并不理想；單口水平井直接創(chuàng)益約8.1 萬(wàn)元；井組整體接入放噴設(shè)備進(jìn)行回收創(chuàng)益約57.3 萬(wàn)元，壓裂放噴天然氣回收經(jīng)濟(jì)效果評(píng)價(jià)見(jiàn)表1。

2019 年，在第三采氣廠4 口井叢開(kāi)展壓裂放噴天然氣回收利用，應(yīng)用效果良好，回收氣量346.7×104m3，創(chuàng)益約152.29 萬(wàn)元。

2019 年，長(zhǎng)慶氣田引進(jìn)12 套一體化設(shè)備，共開(kāi)展76 口井壓裂放噴天然氣回收利用，回收氣量2 520×104m3，CO2減排4 788 t，創(chuàng)益約862.8萬(wàn)元。

表1 壓裂放噴天然氣回收經(jīng)濟(jì)效果評(píng)價(jià)

2.2 邊遠(yuǎn)探井天然氣回收

對(duì)于第三采氣廠管轄探井，根據(jù)井口裝置、壓力等級(jí)劃分為以下五類（圖3）：采氣樹(shù)井（一類井、二類井、三類井）；簡(jiǎn)易井口（四類井）；盲板井（五類井）。近2 年開(kāi)始井口CNG 技術(shù)應(yīng)用，2018 年累計(jì)采氣414.874 2×104m3，2019 年累計(jì)采氣396.631 1×104m3。

圖3 邊遠(yuǎn)探井五類分布情況

隨著近幾年小型橇裝CNG、LNG 裝置的規(guī)模應(yīng)用，借助小型橇裝CNG、LNG 裝置進(jìn)行放空氣回收是最佳井口降壓解決方案。地層壓力降低后，再采用成熟技術(shù)封堵地層、井筒，拆除井口，徹底消除安全隱患。

圖4 CNG 回收工藝流程

2.2.1 CNG 工藝

工藝流程:井口高壓天然氣通過(guò)加熱節(jié)流，將天然氣壓力降至5.0 MPa 左右（油壓＜25 MPa）或直接進(jìn)入脫水系統(tǒng)（油壓＞25 MPa） ，脫水后通過(guò)壓縮生產(chǎn)CNG，CNG 回收工藝流程見(jiàn)圖4。小型橇裝CNG 裝置主要包括計(jì)量調(diào)壓模塊、凈化干燥模塊、壓縮模塊、裝車(chē)模塊、系統(tǒng)控制及公用工程等部分。

2.2.2 LNG 工藝

工藝流程:井口高壓天然氣通過(guò)加熱節(jié)流，將天然氣壓力降至5.0 MPa 左右進(jìn)入凈化系統(tǒng)，脫硫、脫碳、脫水后通過(guò)混合制冷工藝（MRC）生產(chǎn)LNG，LNG 回收工藝流程見(jiàn)圖5。

設(shè)備構(gòu)成：計(jì)量調(diào)壓模塊、凈化處理模塊、液化模塊、儲(chǔ)存模塊、裝車(chē)模塊、系統(tǒng)控制及公用工程等。所有設(shè)備全部成橇，整個(gè)液化裝置由3～5 個(gè)橇塊組成，方便運(yùn)輸安裝[4-5]。

2.2.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2019 年，小型橇裝CNG 及LNG 裝置用于現(xiàn)場(chǎng)9 口 探 井，累計(jì)采氣量396.631 1×104m3，2019 年邊遠(yuǎn)探井現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)情況見(jiàn)表2。按天然氣價(jià)格0.68 元/m3計(jì)算，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益269.09 萬(wàn)元。

2.3 單井管線放空氣回收

放空氣經(jīng)管道進(jìn)入進(jìn)氣過(guò)濾分離器，可將天然氣內(nèi)的液態(tài)水及雜質(zhì)進(jìn)行分離過(guò)濾，分離出的液態(tài)水通過(guò)壓縮機(jī)的排氣壓力排出系統(tǒng)，進(jìn)入排污管線；經(jīng)分離過(guò)濾的天然氣進(jìn)入壓縮機(jī)主機(jī)進(jìn)行壓縮，壓縮以后經(jīng)冷卻、分離后接入后端管網(wǎng)，放空氣壓縮回收工藝流程見(jiàn)圖6。

圖5 LNG 回收工藝流程

圖6 放空氣壓縮回收工藝流程

表2 2019 年邊遠(yuǎn)探井現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)情況

壓縮機(jī)系統(tǒng)采用全自動(dòng)PLC 控制方式，具有完善的自我保護(hù)及安全功能。壓縮機(jī)撬可采用風(fēng)冷活塞式天然氣壓縮機(jī)，選用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，流量為15 000 m3/d （0 ℃， 101.325 kPa），進(jìn)氣壓力0.3～0.5 MPa， 排氣壓力2.0 MPa，電動(dòng)機(jī)功率75～132 kW。

2019 年7 月，選取桃2-4-27 井單井管線進(jìn)行試驗(yàn)。壓縮機(jī)組為三組活塞式壓縮機(jī)，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用橇內(nèi)分離增壓計(jì)量、橇外混合外輸工藝。管線長(zhǎng)度10 km，管線壓力0.8 MPa，管徑50 mm，管容量2 500 m3。

單井管線壓力由0.8 MPa 下降到0.5 MPa，回收氣量410 m3，回收液量7.2 m3，作業(yè)時(shí)間4 h，單井回收試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

試驗(yàn)回收天然氣410 m3，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益336.2元，設(shè)備投入費(fèi)用5 100 元，經(jīng)濟(jì)損失4 763.8 元。壓縮機(jī)進(jìn)氣壓力0.2～1.0 MPa，排氣壓力3.5 MPa，處理量10 000～40 000 m3/d，可在8 h 內(nèi)對(duì)干管或支線放空氣回收，回收率在50%～70%。

表3 單井回收試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.4 處理廠閃蒸氣回收

來(lái)自蘇里格氣田天然氣處理廠的閃蒸氣和凝析油穩(wěn)定塔塔頂氣用作導(dǎo)熱油爐的燃料氣。由于閃蒸氣中重?zé)N組分含量較高，在溫度降低過(guò)程中有凝析油析出，導(dǎo)熱油爐內(nèi)凝析油燃燒不充分，點(diǎn)火時(shí)爐內(nèi)時(shí)常有爆炸聲。

2.4.1 存在問(wèn)題

蘇里格氣田第一、第二、第三、第四天然氣處理廠在冬季運(yùn)行工況下，閃蒸分離器、凝析油穩(wěn)定裝置閃蒸氣在輸往低壓燃?xì)庀到y(tǒng)的過(guò)程中，由于溫度降幅較大，凝析出大量液體，被帶入燃料氣系統(tǒng)，影響設(shè)備正常運(yùn)行。

第二處理廠火炬夏季運(yùn)行過(guò)程中，火炬周?chē)l(fā)現(xiàn)有殘?jiān)袈洌侍亢谏?～4 cm 不規(guī)則塊狀，密度小，類似泡沫塑料。第四處理廠火炬燃燒時(shí)，發(fā)現(xiàn)黑煙現(xiàn)象，具體原因分析如下。

1）火炬頭、長(zhǎng)明燈供氣管線等部位破損，火焰燃燒不穩(wěn)定，形成積炭?；鹁嫦掠^察，經(jīng)常聽(tīng)到“轟”的火焰點(diǎn)燃聲音。

2）閃蒸分離器、凝析油穩(wěn)定系統(tǒng)產(chǎn)生的閃蒸氣和不凝氣進(jìn)入低壓燃?xì)庀到y(tǒng)，自用氣無(wú)法全部消耗，部分氣放空，加劇了火炬炭渣的產(chǎn)生。

3）非甲烷等烴類燃后不充分，產(chǎn)生炭渣，同時(shí)導(dǎo)致火炬產(chǎn)生黑煙。

2.4.2 改造方案

在閃蒸分離器區(qū)閃蒸氣及不凝氣出口管線處增設(shè)1 臺(tái)換熱器，與裝置區(qū)來(lái)凝液進(jìn)行換熱，而后進(jìn)入新增立式分離器，對(duì)凝析出液體進(jìn)行有效分離，分離后的氣體進(jìn)入燃料氣系統(tǒng)，液體進(jìn)入輕烴產(chǎn)品罐。

2019 年在第四天然氣處理廠研制了用于回收閃蒸氣的一體化集成裝置。凝析油穩(wěn)定塔穩(wěn)定運(yùn)行的壓力在0.2～0.4 MPa，因此壓縮機(jī)進(jìn)氣壓力為0.2～0.4 MPa。閃蒸氣回收一體化集成裝置工藝流程見(jiàn)圖7。

于2019 年11 月份完成閃蒸氣回收一體化集成裝置施工圖設(shè)計(jì)，設(shè)備制造已完成，預(yù)計(jì)2020 年6月投運(yùn)。

表4 2019—2020 年自用氣應(yīng)用情況

圖7 閃蒸氣回收一體化集成裝置工藝流程

根據(jù)試驗(yàn)情況，在蘇里格氣田第二、第三處理廠推廣運(yùn)用此裝置。

2.4.3 自用氣運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化

6 座天然氣處理廠2019 年自用氣平均控制指標(biāo)為0.80%。通過(guò)參數(shù)優(yōu)化，2020 年1—5 月各處理廠指標(biāo)為0.77%，相對(duì)于2019 年同期節(jié)約天然氣355.38×104m3，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益397.67 萬(wàn)元，2019—2020 年自用氣應(yīng)用情況見(jiàn)表4。

1）增壓站自用氣約占總量的95%，結(jié)合處理氣量，及時(shí)進(jìn)行壓縮機(jī)的啟停，減少壓縮機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行的狀況。

2）在保證長(zhǎng)明燈的前提下，盡量減少火炬自用氣的用量。

3）定期跟蹤分析四項(xiàng)自用氣耗量，及時(shí)優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)。

3 結(jié)論及建議

1）通過(guò)對(duì)單口常規(guī)直井、單口水平井、井組三種情況壓裂放噴天然氣撬裝設(shè)施回收分析，單口常規(guī)直井回收效益并不理想，水平井及井組應(yīng)用經(jīng)濟(jì)效果明顯。

2）利用小型橇裝CNG、LNG 裝置可以對(duì)探井天然氣回收，設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用較高，產(chǎn)氣量較高且穩(wěn)定的單井選用CNG 裝置。

3）單井管線放空天然氣壓縮回收技術(shù)上是可行的，但成本較高，需要較多放空氣的情況下才能產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益。

4）不斷優(yōu)化處理廠閃蒸運(yùn)行工況，減少閃蒸放空量，閃蒸增壓裝置改造后，可以有效解決火炬黑煙的問(wèn)題。

5）持續(xù)開(kāi)展自用氣參數(shù)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)節(jié)約自用氣的目標(biāo)。