李清波 王曉飛 方剛 隋曉東 孫彥虎（長(zhǎng)慶油田分公司第四采油廠）

1 概述

伴生氣也叫油田氣，是易燃易爆、帶有少量雜質(zhì)的氣體混合物，伴隨開(kāi)采出的原油逸出，其組分以甲烷為主，還包括乙烷、丙烷、丁烷等烴類，同時(shí)含有微量的氮?dú)?、二氧化碳、硫化氫等氣體，以及一定的水分[1-2]。石油伴生氣具有非常可觀的經(jīng)濟(jì)效益，其燃燒熱值較無(wú)煙煤、天然氣和電能高，經(jīng)初步氣液分離后，可替代燃煤及部分天然氣加熱，有利于油田節(jié)能減排和清潔生產(chǎn)[3-4]。同時(shí)，伴生氣可用于生產(chǎn)具有較高經(jīng)濟(jì)價(jià)值的液化氣、輕烴產(chǎn)品，亦可用于發(fā)電。

由于甲烷是地球大氣中主要的溫室氣體之一，隨著安全環(huán)保要求越來(lái)越高，為減少溫室氣體排放，應(yīng)對(duì)全球氣候變暖，國(guó)家對(duì)溫室氣體減排要求日益嚴(yán)格，為響應(yīng)國(guó)家藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)工作部署，《陜西省煤炭石油天然氣開(kāi)發(fā)生態(tài)環(huán)境保護(hù)條例》要求，石油開(kāi)發(fā)中產(chǎn)生的伴生氣應(yīng)綜合利用，不得隨意排放。綏靖油田由于特有的地形地貌，站場(chǎng)點(diǎn)多面廣、平面分布不均，存在伴生氣用量不足、井口與增壓點(diǎn)伴生氣放空的不合理狀況，既浪費(fèi)資源又污染環(huán)境。經(jīng)普查，2019 年伴生氣資源量為4.22×104m3/d，放空量為2.09×104m3/d，按照1 m3伴生氣產(chǎn)生1.885 kg 二氧化碳計(jì)算，二氧化碳排放量為39.4 t/d，無(wú)效釋放熱量82.2×104kJ/d。從油田開(kāi)發(fā)遠(yuǎn)景考慮，伴生氣回收利用將成為節(jié)能減排及油田提質(zhì)增效的有效手段。

綏靖油田屬低滲透油藏，原始含水飽和度高，所轄大多數(shù)油田區(qū)塊原始?xì)庥捅鹊停S著油田進(jìn)入中高含水開(kāi)發(fā)階段，伴生氣量進(jìn)一步降低，回收利用難度加大。為了實(shí)現(xiàn)低氣油比區(qū)塊站場(chǎng)伴生氣有效回收利用，開(kāi)展對(duì)站場(chǎng)伴生氣回收利用裝置的研制。

2 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析

經(jīng)分析，站場(chǎng)伴生氣就地利用存在以下兩個(gè)方面的問(wèn)題。

1）氣量小。站場(chǎng)內(nèi)伴生氣量既不能達(dá)到外輸條件，也無(wú)法滿足站內(nèi)加熱爐自用。由于伴生氣分液器出口氣體壓力波動(dòng)較大，若采用補(bǔ)充氣源的利用方式，易與外接的壓力穩(wěn)定的氣源發(fā)生沖突，造成管網(wǎng)壓力不穩(wěn)定，影響生產(chǎn)[4]。

2）攜液量大。常規(guī)站場(chǎng)內(nèi)已建氣液分離器長(zhǎng)時(shí)間服役，故障率高，近年新投數(shù)字化增壓機(jī)組僅配套旋流除霧器，氣液分離效果差，伴生氣分液器屬壓力容器，更換及安裝手續(xù)多、費(fèi)用高。

鑒于以上分析，從非壓力容器類別的氣液分離裝置、伴生氣穩(wěn)壓供氣兩個(gè)方面入手，研制了一種造價(jià)低、工藝簡(jiǎn)單適用、能有效降低伴生氣的攜液量，又能使伴生氣出口氣壓力穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)單且不易與外接壓力穩(wěn)定的氣源發(fā)生沖突的裝置，以滿足“伴生氣為主、天然氣為輔”的經(jīng)濟(jì)利用要求[5]。

3 回收利用裝置研制

3.1 技術(shù)分析

3.1.1 氣液分離

本體尺寸的選擇：依據(jù)最新TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》，需同時(shí)滿足3 個(gè)條件的容器才能定義為壓力容器，由于應(yīng)用系統(tǒng)壓力與使用介質(zhì)已確定，本體尺寸的設(shè)計(jì)只能從容器容積及工作壓力與容積之積入手，選擇DN100管件作為分離裝置本體，裝置長(zhǎng)度可按式（1）計(jì)算。

式中：V為設(shè)備體積，取上限25 L；D 為設(shè)備直徑，取100 mm；C為容器容積及工作壓力與容積之積，根據(jù)壓力容器定義，取上限1.0 MPa·L；P為設(shè)備最高運(yùn)行壓力，取0.1 MPa，經(jīng)計(jì)算L≤3.18 m。

氣液分離方式[6]的選擇：常見(jiàn)的氣液分離方式有重力沉降、折流分離、超濾分離及填料分離等，常見(jiàn)氣液分離方式優(yōu)缺點(diǎn)[7]對(duì)比見(jiàn)表1，綜合本體尺寸、投資成本及分離效率要求，氣液分離裝置方案對(duì)比見(jiàn)表2，分離方式選擇“離心分離”。

表1 常見(jiàn)氣液分離方式及優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

表2 氣液分離裝置方案對(duì)比

3.1.2 穩(wěn)壓供氣

壓力控制方式的選擇：常見(jiàn)的出口壓力控制方式有電動(dòng)三通閥自動(dòng)切換供氣、壓力平衡穩(wěn)壓供氣兩種（表3）。通過(guò)方案對(duì)比，兩種方案均能滿足要求。方案1 存在投資高、需專業(yè)隊(duì)伍安裝調(diào)試的缺點(diǎn)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)管理的需求，綜合比較后，選擇方案2。同時(shí)穩(wěn)壓調(diào)壓閥具有調(diào)壓精度高、可靠性高、投資可接受的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研，最終選擇高壓差高精度籠式調(diào)壓器作為方案2 穩(wěn)壓供氣閥組的主體設(shè)備。

壓力控制裝置的保護(hù)：考慮到穩(wěn)壓調(diào)壓閥出現(xiàn)故障無(wú)法自動(dòng)關(guān)閉時(shí)，引接氣源可能竄入伴生氣系統(tǒng)造成管網(wǎng)壓力不穩(wěn)定，穩(wěn)壓調(diào)壓閥出口增設(shè)氣體止回閥，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓供氣閥組的保護(hù)。

3.2 工藝設(shè)計(jì)

針對(duì)站場(chǎng)內(nèi)伴生氣氣量小、攜液量大及壓力不穩(wěn)定的特點(diǎn)，根據(jù)常見(jiàn)氣液分離工藝原理，借鑒定壓集氣工藝，研制了伴生氣回收利用裝置，主要由兩個(gè)模塊構(gòu)成（氣液分離、穩(wěn)壓供氣），工藝流程見(jiàn)圖1。

3.2.1 氣液分離模塊

雙U 型管簡(jiǎn)易氣液分離器是由DN100 的兩個(gè)U型管及管件組成，上下U 型管均采用法蘭連接形式，直管段安裝旋流除霧擋板，U 型管一端接伴生氣來(lái)氣，另一端為出口，底部積液區(qū)設(shè)有疏水閥，氣液分離模塊結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

表3 穩(wěn)壓供氣方案比選

圖1 伴生氣穩(wěn)壓供氣裝置工藝流程

圖2 氣液分離模塊結(jié)構(gòu)

其工作原理是液相與氣相進(jìn)入分離器后初步折流分離，氣液混合物通過(guò)旋流分離裝置，在慣性力和離心力的作用下，碰撞旋流擋板及管壁，液相在擋板和壁面上附著，并匯聚流至下端U 型管，氣相經(jīng)U 型管出口進(jìn)入下一級(jí)分離裝置或穩(wěn)壓供氣模塊。對(duì)于伴生氣攜液量較大的站點(diǎn)，參考伴生氣分液器可拆式絲網(wǎng)除沫裝置設(shè)計(jì)，結(jié)合油田現(xiàn)場(chǎng)常見(jiàn)阻火器結(jié)構(gòu)，在上下U 型管加裝阻火器用作絲網(wǎng)除沫，即提高氣液分離效果，又可滿足除霧裝置的定期清理或更換需求，也可串接使用，提高分離效果。

3.2.2 穩(wěn)壓供氣模塊

相比天然氣調(diào)壓閥組，伴生氣穩(wěn)壓供氣裝置將減壓閥更換為穩(wěn)壓調(diào)壓閥[8]，同時(shí)增設(shè)氣體止回閥，與壓力穩(wěn)定的天然氣調(diào)壓閥組一并接入加熱爐，穩(wěn)壓供氣模塊結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

圖3 穩(wěn)壓供氣模塊結(jié)構(gòu)

其工作原理是利用壓力平衡原理[9]。通過(guò)設(shè)定穩(wěn)壓調(diào)壓閥壓力，當(dāng)伴生氣分液器氣體出口壓力達(dá)到供氣系統(tǒng)管網(wǎng)設(shè)定壓力，穩(wěn)壓調(diào)壓閥和密封止回閥打開(kāi)，伴生氣進(jìn)入供氣管網(wǎng)；當(dāng)伴生氣出口壓力過(guò)低，自動(dòng)關(guān)閉，使供氣系統(tǒng)平衡，待壓力滿足要求后自動(dòng)打開(kāi)。穩(wěn)壓調(diào)壓閥開(kāi)啟設(shè)定壓力略低于天然氣減壓閥出口壓力0.02 MPa，形成以“伴生氣為主、天然氣為補(bǔ)充”的供氣模式。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

經(jīng)過(guò)在17 座低氣油比站場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，連續(xù)運(yùn)行6 個(gè)月，實(shí)現(xiàn)站內(nèi)伴生氣系統(tǒng)與天然氣供氣系統(tǒng)的壓力平衡，加熱爐燃?xì)膺M(jìn)口壓力平穩(wěn)。

經(jīng)測(cè)算，相比安裝前，消減了17 座站場(chǎng)站外放空火炬，回收伴生氣5 755 m3/d（標(biāo)況），取代天然氣使用6 900 m3/d （標(biāo)況），年節(jié)約燃料費(fèi)115.6 萬(wàn)元，該裝置單套投資成本3.2 萬(wàn)元，投資回收期約6 個(gè)月。通過(guò)該裝置的推廣應(yīng)用，提高了低氣油比站場(chǎng)的伴生氣資源利用率，消滅了站外火炬，減少了環(huán)境污染[10]，形成以“伴生氣為主、天然氣為補(bǔ)充”供氣模式，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著。

沙漠綠島石西油田

5 結(jié)論

1）研制的伴生氣穩(wěn)壓供氣裝置主要應(yīng)用于低氣油比區(qū)塊站場(chǎng)伴生氣的回收燃燒利用，具有簡(jiǎn)便實(shí)用、安裝方便、造價(jià)低的特點(diǎn)，特別是通過(guò)推進(jìn)設(shè)備集成撬裝化，方便運(yùn)輸、便于安裝、維護(hù)簡(jiǎn)單。

2）研制的伴生氣穩(wěn)壓供氣裝置兩個(gè)模塊可同時(shí)使用，也可根據(jù)站場(chǎng)改造需求單獨(dú)使用。穩(wěn)壓供氣模塊可單獨(dú)用于已有伴生氣分液器，且出口伴生氣攜液量低的站場(chǎng)，氣液分離模塊可單獨(dú)用于站場(chǎng)伴生氣分液器的更換，相比伴生氣分液器同型號(hào)更換，由于該裝置不屬于壓力容器，無(wú)需注冊(cè)報(bào)備。

3）研制的伴生氣穩(wěn)壓供氣裝置，不僅解決了站場(chǎng)低產(chǎn)量伴生氣回收利用的問(wèn)題，避免了環(huán)境污染，減少了溫室氣體的排放，踐行了“藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”，同時(shí)減少了原油集輸加溫過(guò)程中天然氣消耗量，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益，有廣泛的推廣價(jià)值。