吳俊杰 康 寧 鄭天旭 吳 博 榮浩鈞 苗 建

中海石油(中國)有限公司深圳分公司, 廣東 深圳 518000

0 前言

深水氣田的開發(fā)生產(chǎn)作為海上油氣田的重點開發(fā)領(lǐng)域,擔(dān)負(fù)著增儲上產(chǎn)的重任。荔灣氣田依托于水下生產(chǎn)設(shè)施進行開發(fā),井流物通過深水海管長距離輸送至中心平臺進行集中處理。為保障深水長輸海管的管輸安全,防止天然氣水合物生成[1],需向深水海管連續(xù)注入天然氣水合物抑制劑乙二醇[2]。乙二醇處理系統(tǒng)[3]作為深水天然氣開發(fā)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié),主要用于對從深水海管返回的吸收了大量生產(chǎn)水的富乙二醇溶液進行回收再生處理,達(dá)到循環(huán)利用目的,其穩(wěn)定運行對深水氣田的生產(chǎn)至關(guān)重要。針對乙二醇處理系統(tǒng)硬度值異常升高的處理問題,就目前國內(nèi)海上油氣生產(chǎn)來說,尚無成熟經(jīng)驗可以借鑒。2020年9月乙二醇處理系統(tǒng)硬度值突增現(xiàn)象是荔灣氣田自投產(chǎn)以來首次出現(xiàn),為此進行了大量的數(shù)據(jù)分析及實驗研究。

1 乙二醇處理系統(tǒng)介紹

為保證深水生產(chǎn)系統(tǒng)的管輸安全及滿足海管流動性保障要求[4],需向深水海管連續(xù)注入可回收再生化學(xué)藥劑乙二醇,防止在管輸過程中天然氣在高壓低溫條件下形成天然氣水合物[5]。荔灣氣田乙二醇處理系統(tǒng)主要用于對從深水海管返回的吸收了大量水分的富乙二醇進行回收再生處理,經(jīng)處理后的富乙二醇變成含水量小于10%、含鹽量小于 30 000 mg/L的貧乙二醇儲存于平臺樁腿中供循環(huán)使用。

荔灣氣田乙二醇處理系統(tǒng)包括預(yù)閃蒸、預(yù)處理、脫水、脫鹽四大單元[6],見圖1。預(yù)閃蒸主要用于脫除富乙二醇溶液所吸收的烴類液體、天然氣、二氧化碳等物質(zhì);預(yù)處理單元為二價鹽處理單元,包括預(yù)處理罐和顆粒過濾器等設(shè)備,在預(yù)處理罐內(nèi)富乙二醇溶液中的二價鈣鎂離子可與pH平衡溶液進行反應(yīng),反應(yīng)物隨后通過下游的顆粒過濾器去除;再生單元為脫水單元,通過換熱器把富乙二醇溶液升溫至145 ℃左右,閃蒸脫除其吸收的大量水分;脫鹽單元主要是脫除一價陽離子。富乙二醇溶液通過上述處理可有效去除其中的烴類、水分、鹽分、酸性氣體、腐蝕雜質(zhì)等物質(zhì),乙二醇回收率高達(dá)99.5%[7]。

圖1 荔灣氣田乙二醇處理系統(tǒng)流程圖

2 乙二醇處理系統(tǒng)存在問題及其影響

2.1 硬度值升高

溶液硬度值是表示溶液中所含鈣、鎂、鐵、鍶、鋁等離子含量的多少,通常以鈣離子、鎂離子含量計算。硬度值作為監(jiān)控參數(shù)之一,取樣分析頻率為每周一次,系統(tǒng)指標(biāo)要求富乙二醇溶液硬度值小于50 mg/L。從2020年9月開始,化驗數(shù)據(jù)顯示富乙二醇溶液硬度值呈快速上漲趨勢,最高時達(dá)到180 mg/L以上,遠(yuǎn)高于指標(biāo)所要求的小于50 mg/L,見圖2。為對此次乙二醇處理系統(tǒng)硬度值升高的緣由進行跟蹤分析,采樣頻率由之前的每周一次調(diào)整為每日一次,著重關(guān)注總硬度值變化趨勢。

圖2 富乙二醇溶液硬度值數(shù)據(jù)曲線圖

2.2 工藝系統(tǒng)影響

當(dāng)溶液硬度值過高并遭遇高溫環(huán)境時,其內(nèi)所含的鈣、鎂、鐵等離子容易在系統(tǒng)或設(shè)備中沉積結(jié)垢[8],進而影響整個系統(tǒng)的處理能力。碳酸鈣是海上油氣田結(jié)垢中最常見的物質(zhì)[9],其在水中的溶解度很低,結(jié)垢物質(zhì)的生成造成地面系統(tǒng)中管線、熱交換器內(nèi)部堵塞,大大增加了設(shè)備、管線的清洗頻率和更換費用,嚴(yán)重時還會引起設(shè)備和管道的局部腐蝕,在很短的時間內(nèi)出現(xiàn)穿孔,使用壽命大大縮短[10]。

2.2.1 系統(tǒng)內(nèi)換熱器結(jié)垢嚴(yán)重

系統(tǒng)內(nèi)富乙二醇溶液硬度值急劇上漲后,換熱器內(nèi)部結(jié)垢嚴(yán)重,需要對其頻繁地進行酸洗及機械清洗[11]。重沸器內(nèi)部換熱通道及換熱板上覆蓋著大量的白色結(jié)垢物質(zhì),見圖3。系統(tǒng)內(nèi)熱貧/富乙二醇換熱器清洗頻率增至每周一次,單次清洗需耗時2 d。富乙二醇重沸器頻率增至每月一次,單次清洗耗時7 d。清洗作業(yè)占用大量的人力物力資源并且嚴(yán)重影響系統(tǒng)的平穩(wěn)運行。

a)重沸器蓋板移除后端面

2.2.2 顆粒過濾器處理量下降

乙二醇顆粒過濾器,主要用于過濾去除預(yù)處理階段反應(yīng)沉淀的二價陽離子[12],兩用一備。硬度值升高后,單套顆粒過濾器總處理量顯著下降,由原來的7 000 m3降至500～1 000 m3,每月切換清洗次數(shù)最高達(dá)15次?？擅黠@看出更換下來的濾布表面附著大量雜質(zhì),嚴(yán)重影響了濾布的過濾效果,見圖4。

圖4 顆粒過濾器濾布照片

2.2.3 威脅深水海管管輸安全

荔灣氣田平臺庫存有1 500 m3貧乙二醇,正常生產(chǎn)時乙二醇處理系統(tǒng)處理量保持在24 m3/h,累計1 d能夠處理600 m3富乙二醇溶液,系統(tǒng)內(nèi)富乙二醇溶液硬度值急劇上漲后,系統(tǒng)處理量最低下降至12 m3/h。在大氣量生產(chǎn)情況下,每日需要往深水海管內(nèi)注入將近400 m3左右的貧乙二醇,如無法有效提高乙二醇處理系統(tǒng)的處理能力,后期將面臨無潔凈貧乙二醇溶液可用的局面,嚴(yán)重影響深水海管的管輸安全,進一步影響整個深水氣田的天然氣產(chǎn)量。

3 原因分析

3.1 樣品化驗

為了分析硬度值異常升高的原因,對從換熱器及顆粒過濾器清洗下來的結(jié)垢物質(zhì)進行取樣化驗分析。取 1 g 結(jié)垢物質(zhì)進行分析,化驗結(jié)果為三氧化二鐵占比2.9%,碳酸鈣、碳酸鎂占比87.4%,不溶解固體占比7.5%,其他占比2.2%?？梢娊Y(jié)垢物質(zhì)主要成分為碳酸鈣和碳酸鎂,以鈣、鎂離子為主。

根據(jù)荔灣深水氣田整體生產(chǎn)工藝流程,來自深水海管吸收了井流物中生產(chǎn)水的富乙二醇溶液全部進入乙二醇處理系統(tǒng)進行處理。井流物中的生產(chǎn)水主要包含凝析水和地層水兩大類[13]。凝析水,在地層高溫高壓條件下,以氣態(tài)或霧狀液滴方式與天然氣共存,當(dāng)采至井筒或地面后,壓力和溫度降低才凝聚為液態(tài)的水,氣藏開發(fā)中凝析水以礦化度極低而明顯區(qū)別于地層水[14];地層水礦化度較高,含有大量的鹽和各種雜質(zhì)、離子,其中包括大量的鈣、鎂離子。因此推測硬度值的異常升高與該氣田的地層水產(chǎn)出增多有關(guān)。

3.2 氣井產(chǎn)水增多

通過查閱氣田各井的日產(chǎn)氣量、產(chǎn)液量數(shù)據(jù)及對段塞流捕集器含水監(jiān)控,發(fā)現(xiàn)該氣田11井存在出水現(xiàn)象。

為了對11井的產(chǎn)水量進行更精確的測算,采取單獨關(guān)井?dāng)?shù)天后再復(fù)產(chǎn)的方法。氣田產(chǎn)水量與11井生產(chǎn)狀態(tài)關(guān)系見圖5,通過圖5及相關(guān)數(shù)據(jù)計算可知,氣田總產(chǎn)氣量保持在1 400×104m3/d,11井產(chǎn)氣量在60×104m3/d 左右,氣田總產(chǎn)水量平均為188 m3/d;11井關(guān)井期間,總產(chǎn)水量降低至平均138 m3/d;11井復(fù)產(chǎn)后,調(diào)節(jié)該井產(chǎn)氣量至40×104m3/d左右后,產(chǎn)水量提高至平均165 m3/d。由此推斷11井地層水產(chǎn)出增多,富乙二醇溶液吸收大量地層水后硬度值異常升高。上述關(guān)系的進一步驗證見圖6。該氣田從2022年6月底開始關(guān)11井進行生產(chǎn),11井關(guān)井前富乙二醇溶液硬度值在40～45 mg/L范圍內(nèi)波動,11井關(guān)井后溶液硬度值逐漸降低,保持在25～30 mg/L范圍內(nèi),進一步可以證明11井的開井生產(chǎn)對富乙二醇溶液硬度值產(chǎn)生了較大影響。

圖5 氣田產(chǎn)水量與11井生產(chǎn)狀態(tài)關(guān)系圖

圖6 11井關(guān)井前后硬度值變化曲線圖

3.3 乙二醇處理系統(tǒng)處理效果下降

富乙二醇溶液硬度值升高后,給乙二醇處理系統(tǒng)帶來了極大挑戰(zhàn)。乙二醇處理系統(tǒng)對鈣鎂離子的處理效果受pH平衡溶液、一價鹽系統(tǒng)及顆粒過濾器的影響。從2020年9月開始,隨著富乙二醇溶液硬度值異常升高,經(jīng)過乙二醇處理系統(tǒng)處理后的貧乙二醇溶液硬度值仍然高于50 mg/L,無法達(dá)到KPI指標(biāo)要求,再次循環(huán)利用后加重了系統(tǒng)負(fù)荷,見圖7。

圖7 乙二醇系統(tǒng)處理后貧乙二醇溶液硬度值圖

4 采取措施

4.1 控制氣井出水

為了解決乙二醇處理系統(tǒng)硬度值升高問題,首先要解決11井的出水問題。從圖5可知,11井實施關(guān)井恢復(fù)地層壓力后復(fù)產(chǎn),并調(diào)節(jié)產(chǎn)氣量至40×104m3/d左右后,產(chǎn)水量有明顯減小,從之前的50 m3/d降至30 m3/d。為了防止11井的出水情況出現(xiàn)惡化,現(xiàn)場通過采取優(yōu)化氣井產(chǎn)量的方法來控制出水量,在滿足配產(chǎn)需求及該井?dāng)y液能力的基礎(chǔ)上,適當(dāng)調(diào)小該井的產(chǎn)量,并避免出現(xiàn)過大的生產(chǎn)壓差[15]。

隨著深水氣田的不斷開采,水氣比呈上升趨勢,見圖8。在今后氣田生產(chǎn)過程中,氣井出水是一個不可避免的難題,硬度值升高的現(xiàn)象將會再次出現(xiàn)。為了能夠探索出更好的解決方法,還需針對氣藏剖面分析探討間歇性開采[16]等方法的適用性,以及結(jié)合現(xiàn)場具體實際生產(chǎn)情況,從優(yōu)化工藝流程方面尋求解決辦法。

圖8 深水氣田水氣比趨勢圖

4.2 工藝流程優(yōu)化

通過查閱國外相關(guān)海上氣田生產(chǎn)資料,發(fā)現(xiàn)澳大利亞維多利亞州的海上氣田在采用乙二醇作為天然氣水合物抑制劑時,在生產(chǎn)過程中曾發(fā)生碳酸鈣結(jié)垢現(xiàn)象,尤其是當(dāng)乙二醇溶液在再生過程中被加熱到高溫時,碳酸鈣和碳酸鐵的結(jié)垢趨勢會隨著溫度的升高而增加,其通過在生產(chǎn)系統(tǒng)中探索利用堿性pH穩(wěn)定劑氫氧化鈉和阻垢劑結(jié)合的辦法來緩解系統(tǒng)中地層水產(chǎn)出時遇到的結(jié)垢問題。針對上述例子并結(jié)合荔灣氣田具體實際生產(chǎn)情況,考慮到現(xiàn)有生產(chǎn)系統(tǒng)中已注入阻垢劑,從優(yōu)選pH平衡溶液、提高一價鹽系統(tǒng)處理量、顆粒過濾器濾布換型等幾個方面來處理硬度值升高問題。

4.2.1 優(yōu)選pH平衡溶液

平臺現(xiàn)有pH平衡溶液為氫氧化鈉和碳酸鈉溶液[17],首先采取在預(yù)處理罐加注氫氧化鈉和碳酸鈉溶液,通過化學(xué)反應(yīng)來使鈣、鎂離子在預(yù)處理罐內(nèi)反應(yīng)沉積下來,再通過下游顆粒過濾器進行過濾去除的辦法。但由于大量的鈣、鎂離子在預(yù)處理罐內(nèi)反應(yīng)沉淀,增加了顆粒過濾器處理負(fù)荷,極大地縮短了顆粒過濾器的在線處理量,需頻繁地對顆粒過濾器進行清洗和切換。

因此,需在化學(xué)藥劑注入和顆粒過濾器在線處理量之間尋求平衡點。化學(xué)藥劑加注量過少,處理效果不理想,同時造成化學(xué)藥劑的浪費和生產(chǎn)成本的增加。化學(xué)藥劑加注量過多,系統(tǒng)反應(yīng)劇烈,顆粒過濾器在線處理量急劇下降。

為了探索該平衡點,進行了多組加注試驗,試驗原溶液總硬度值為93 mg/L,藥劑加注試驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 藥劑加注試驗數(shù)據(jù)表

從上述化驗數(shù)據(jù)及現(xiàn)場實際情況得知以下結(jié)論。

隨著氫氧化鈉溶液的添加,溶液pH值得到提升,硬度去除率增加。因為當(dāng)溶液環(huán)境呈堿性時,pH值的提升有助于鈣、鎂離子沉淀物生成。當(dāng)pH值小于8.5時,硬度去除具有一定的效果,但不是很明顯;當(dāng)pH值達(dá)到10.0時,開始出現(xiàn)絮狀物,說明此時溶液pH值過高,反應(yīng)劇烈,絮狀物的出現(xiàn)會給下游設(shè)備的運轉(zhuǎn)帶來其他影響。綜合多種因素考慮,當(dāng)pH值為9.5時,處理效果最好。

碳酸鈉溶液的注入,對降低硬度值具有一定的效果。但從海管返回的富乙二醇溶液本身就攜帶有大量碳酸氫根離子,氫氧化鈉溶液注入后會和碳酸氫根離子反應(yīng)生成碳酸根離子。過多碳酸鈉溶液的注入會再次引入大量的碳酸根離子,增加了系統(tǒng)內(nèi)腐蝕的風(fēng)險并對下游的顆粒過濾器帶來極大的負(fù)荷。

因此,為了平衡顆粒過濾器的在線處理量與化學(xué)藥劑加注之間的關(guān)系,現(xiàn)場采用單一加注氫氧化鈉溶液并控制pH值在9.5左右的辦法,即可有效地去除鈣、鎂離子,又可延長顆粒過濾器的在線時間。

4.2.2 提高脫一價鹽系統(tǒng)處理量

脫一價鹽系統(tǒng)[18]包含閃蒸分離器、循環(huán)泵、循環(huán)加熱器、真空橇塊、離心機等設(shè)備,經(jīng)再生系統(tǒng)脫水處理后的含鹽貧乙二醇溶液進入閃蒸分離器后,在一定操作壓力和溫度下,貧乙二醇閃蒸成蒸汽從閃蒸分離器頂部排出。隨著閃蒸分離器內(nèi)的乙二醇和水不斷蒸發(fā),閃蒸分離器內(nèi)部的乙二醇溶液逐漸變得過飽和,開始析出結(jié)晶鹽顆粒。鹽顆粒在重力的作用下經(jīng)過閃蒸分離器底部沉降管后匯集到鹽罐,實現(xiàn)乙二醇與鹽的分離。系統(tǒng)設(shè)計脫水后的含鹽貧乙二醇溶液約有34%需通過脫一價鹽單元進行脫鹽處理,處理后再與未脫一價鹽的貧乙二醇混合后注入水下井口,維持系統(tǒng)內(nèi)含鹽量低于 30 000 mg/L。

經(jīng)一價鹽系統(tǒng)處理后的貧乙二醇溶液取樣化驗分析結(jié)果見表2,可以明顯看出一價鹽系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)對二價陽離子能夠起到一定的凈化作用。貧乙二醇溶液中鈣離子含量經(jīng)一價鹽系統(tǒng)處理后由43 mg/L降至1 mg/L,鋇離子含量由5.1 mg/L降至0.1 mg/L以下。如果按照設(shè)計要求,34%的貧乙二醇溶液均能夠通過一價鹽系統(tǒng)進行處理,那么整個系統(tǒng)內(nèi)的二價陽離子將極大地降低。通過現(xiàn)場實際操作經(jīng)驗及流程優(yōu)化[19],一價鹽系統(tǒng)的處理量從最初的3 m3/h提高至最大9 m3/h左右,一價鹽系統(tǒng)處理量的提高對整個乙二醇處理系統(tǒng)的二價陽離子起到很好的凈化作用。

表2 乙二醇溶液離子含量對比表

4.2.3 顆粒過濾器濾布換型

通過對添加pH平衡溶液后產(chǎn)生的沉淀物進行過濾實驗分析,發(fā)現(xiàn)沉淀物中粒徑在25～100 μm的二價陽離子能被顆粒過濾器有效地過濾去除,5～25 μm的二價陽離子可以被攜帶入下游設(shè)備,造成一定的結(jié)垢現(xiàn)象,這就要求顆粒過濾器具有良好的過濾效果。

為了提高顆粒過濾器的過濾效果,對其濾布進行重新選型及試驗[20]。原有濾布的流通量為40 L/m2·s,新選用的濾布流通量為37 L/m2·s。為了充分論證新濾布的適用性,先是在實驗室對新舊兩款濾布的過濾效果進行模擬分析。

在相同模擬條件下,經(jīng)新型濾布過濾后的乙二醇溶液中粒徑在5～15 μm的顆粒數(shù)為 54 760 個,15～25 μm的顆粒數(shù)為 1 390 個。經(jīng)原有濾布過濾后的乙二醇溶液中粒徑在5～15 μm的顆粒為 256 220 個,15～25 μm的顆粒為 4 130 個。新型濾布對粒徑5～15 μm及15～25 μm 的顆粒過濾效果均好于原有濾布的過濾效果。在現(xiàn)有試驗結(jié)果支撐的條件下,開展了新型濾布的線上試驗,以便于根據(jù)實際工況來論證新型濾布的過濾有效性。現(xiàn)場共有3套顆粒過濾器,正常生產(chǎn)情況為兩用一備,顆粒過濾器B使用的是新型濾布,顆粒過濾器C使用的是原有濾布。對正常在線生產(chǎn)時顆粒過濾器B和C過濾后的溶液進行取樣分析,一共進行了16組試驗,見圖9。從圖9可知,經(jīng)顆粒過濾器B過濾后的溶液顆粒含量均小于顆粒過濾器C過濾后的溶液顆粒含量,尤其是在對粒徑15～25 μm及25～50 μm的顆粒過濾方面,經(jīng)顆粒過濾器B過濾后的溶液顆粒含量顯著降低。因此使用了新型濾布的顆粒過濾器B對粒徑為15～25 μm、25～50 μm及50～100 μm的顆粒過濾效果均優(yōu)于使用原有濾布的顆粒過濾器C。從上述實驗室模擬實驗結(jié)果以及現(xiàn)場實際使用實驗結(jié)果可得知,通過對顆粒過濾器濾布換型,選用流通量更小、過濾精度更高的濾布,有助于提高對系統(tǒng)乙二醇溶液中所含粒徑15～100 μm 的二價陽離子的過濾能力,從而減少二價陽離子被攜帶入下游設(shè)備中的量,降低下游設(shè)備結(jié)垢風(fēng)險。

a)粒徑15～25 μm

5 實施效果

5.1 乙二醇處理系統(tǒng)處理量及硬度值恢復(fù)正常

針對平臺實際生產(chǎn)情況及現(xiàn)有資源,通過采取優(yōu)化氣井產(chǎn)量、優(yōu)選pH平衡溶液、提高一價鹽系統(tǒng)處理量及顆粒過濾器濾布重新選型等多種措施,乙二醇處理系統(tǒng)硬度值持續(xù)降低,處理量恢復(fù)到24 m3/h。措施后富乙二醇溶液硬度值數(shù)據(jù)曲線見圖10,從圖10可知自2021年1月起,硬度值逐漸降低并始終保持在小于指標(biāo)值 50 mg/L 的范圍內(nèi)。

圖10 措施后富乙二醇溶液硬度值數(shù)據(jù)曲線圖

5.2 換熱器清洗及顆粒過濾器切換頻率下降

得益于乙二醇處理系統(tǒng)硬度值的持續(xù)下降,系統(tǒng)內(nèi)的熱貧/富乙二醇換熱器清洗頻率由每月4次降低至每月1次,重沸器幾乎不用進行清洗,顆粒過濾器切換頻率由最高每月15次降低至每月2次,單套單次處理量恢復(fù)到7 000 m3,逐步恢復(fù)正常。

6 結(jié)論

通過結(jié)合該深水氣田的實際生產(chǎn)情況及試驗,總結(jié)出乙二醇處理系統(tǒng)硬度值異常升高的原因為乙二醇溶液吸收含有大量鈣、鎂離子的地層水且未能被乙二醇處理系統(tǒng)有效處理?，F(xiàn)場在滿足實際生產(chǎn)情況及配產(chǎn)需求的前提下,采取了調(diào)整出水氣井11井產(chǎn)量至40×104m3/d,向預(yù)處理罐內(nèi)加注氫氧化鈉溶液并控制pH值為9.5,顆粒過濾器濾布換型,通過率從40 L/m2·s降至37 L/m2·s、提高一價鹽系統(tǒng)處理量至9 m3/h四種措施,使得乙二醇處理系統(tǒng)硬度值得到有效降低,從最高值180 mg/L降至40 mg/L左右,到目前為止整個乙二醇處理系統(tǒng)硬度值一直保持在50 mg/L內(nèi)平穩(wěn)運行。

以上措施分別從產(chǎn)量調(diào)整、化學(xué)藥劑添加、設(shè)備材料換型、工藝參數(shù)優(yōu)化四個方面來降低乙二醇處理系統(tǒng)的硬度值,考慮到隨著氣田生產(chǎn)進入到中后期,氣井出水現(xiàn)象變得明顯,調(diào)減產(chǎn)量會極大降低生產(chǎn)效益,化學(xué)藥劑的持續(xù)大量注入也會相應(yīng)增加生產(chǎn)作業(yè)成本的開支。就經(jīng)濟性對比方面來分析,工藝參數(shù)優(yōu)化、設(shè)備材料換型優(yōu)于產(chǎn)量調(diào)整和化學(xué)藥劑添加的方法。

深水氣田的開發(fā)生產(chǎn)是將來油氣田的重點開發(fā)領(lǐng)域及增儲上產(chǎn)的主力軍,而乙二醇處理系統(tǒng)是深水天然氣開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。隨著氣田進入生產(chǎn)中后期,氣藏能量衰減,氣井地層水產(chǎn)出增加現(xiàn)象會變得更為明顯,地層出水量的增多會給乙二醇處理系統(tǒng)的平穩(wěn)運行帶來更大的挑戰(zhàn)。上述在該深水氣田遭遇的問題及應(yīng)對思路將會給后期類似項目的運行提供寶貴的生產(chǎn)運維經(jīng)驗。