油气集输工艺技术现状与展望-第三章天然气集输

第三章天然气集输天然气是埋藏在地下的一种可燃气体，是以多种低碳饱和烃为主的气体混合物，其主要成份为甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷、戊烷及微量的重碳氢化合物和少量的其它气体，如氮气、二氧化碳、一氧化碳、氦气、硫化氢、水汽等。天然气从生产来源上一般分为气层气和油田伴生气两类。气层气是从气田开采出来的天然气，其中甲烷含量占总体积的90%以上；油田伴生气则是指从油田中和石油一起开采的可燃气体，亦称石油气。石油气的成份和气田气差不多，但重碳氢化合物的含量则较气田气高，甲烷含量一般占总体积的80%~90%。一般来说天然气中甲烷含量大于90%的称为干气或贫气。甲烷含量低于90%，而乙烷、丙烷等烷烃的含量在10%以上的称为湿气或富气。根据天然气开采的方式不同，天然气可分为：气田气、凝析气田气、油田气层气和油田气。表3—1列出了部分天然气的气体组成。表3-1各种天然气组成对照表化合物名称C1C2C3C4C5》C6其他气田气（四川高阳寺）98·811·050·17///0·96凝析气田气（大港板桥）68·7311·106·403·791·786·731·47油田气层气（胜利油田）97·700·100·500·300·200·103·10原油直接分出气（胜利胜坨油田）86·604·203·502·601·100·301·70原油稳定气（胜利油田）2·536·9018·6433·1830·454·603·61从表中可以看出，气田气和油田气层气中甲烷含量高，丙烷以上重主分含量低，而原油稳定气和原油直接分出气的甲烷含量相对较少，重主分含量较多。天然气集输的内容包括气井矿场集输、天然气净化、增压技术、泄漏与防盗监测技术、天然气计量等内容。1.气层气地面集输工艺气层气生产主要采取枯竭式开采工艺，即靠自喷生产。随着气田天然气的不断开采，气井天然气的压力逐步降低，当降至低于集气管线压力时，便不能集入集气管网。这种低压气在我国开采较早的天然气气田正在逐年增多。对于气井压降不一致的气田，如果条件许可时，因尽量实行高、低压管分输。低压气输给当地用户，高压天然气进入集气干线；若因种种原因，气田气以建一个系统为宜时，则需建气田天然气增压站，将低压气增压后进入管网。天然气从气井采出后，在流经节流元件时，由于节流作用，使气体压力降低，体积膨胀，温度急剧下降，这样可能生成水化物而影响生产。为了防止水化物的生成，我国目前有两套气田地面集输工艺模式：一是井口加热节流地面工艺模式，二是井口注醇高压集输工艺模式。国内外广泛采用加热的方法来提高天然气的温度，以使节流前后气体温度高于气体所处压力下水化物的形成温度。井口加热节流地面集输模式，在四川气田、胜利油田等老油田使用较多。在井场对气井产出的天然气先加热，然后节流，对于压力较高的井，可两次加热两次节流，并进行气液分离并计量，或去集气站分离、计量后外输。配有井下气嘴的气井，在地面集输过程中不再配备加温设备。井口注醇集输模式，在近年来新开发的西部气田使用较多，如靖边气井、涩北气田都采用了这种模式。在井口不设任何设施，设在集气站的注醇泵通过注醇管线将醇注入井口产出的天然气中，以防冻堵。注醇后的天然气直接集中到集气站，在集气站节流、分离、计量，然后输往总站集中处理（脱硫、脱水）。这种模式的工艺特点是：简化了流程，管理方便，投资低，但由于需要注醇，运行费用较高。2.天然气集输工艺主要设备2.1气嘴气嘴是气井地面流程的重要部件，用于调节控制气井的产量。在实际生产中，有多种情况要求限制气井的产量，如防止底水锥进、地层出砂以及控制井口压力，以满足地面设备的耐压要求或防止生成水化物等。高压气体在气嘴中的流动处于“临界流”状态，此时，气嘴下游压力变化对气井产量没有影响。2.1.1气嘴的形状常用的气嘴呈圆柱孔状，孔径根据配产的需要而定，胜利油田一般在3mm左右。除了气嘴之外，还有针型阀，四川气田多用针形阀，其优点是便于调节，不像气嘴那样需要停井、拆卸、更换等操作；其缺点是不耐磨，非常容易被刺坏，因此，四川气田的一些高压高产井也开始改用直孔状气嘴。气嘴的形状还有文丘里喷管状。要达到临界流状态，气嘴后的压力应在气嘴前压力的60%以下，而使用文丘里喷嘴，则在85%以下即可，从而减小了气嘴的能耗，延长了临界流的范围，适用于低压气井。2.2.2耐磨气嘴气嘴对于出砂气田则更为关键。由于气井地处野外，分布分散，不便于生产管理，在日常生产中不可能、也不应该频繁关井检查气嘴，而且现如今气井监控主要靠工人责任心，都没有装自动化监测仪表。所以对于气嘴的性能要求是高度的可靠性。气嘴刺大是由于气流带砂，对气嘴内壁高速冲刷而造成的磨损，属于磨料磨损。假设气井油压4.8Mpa，回压1.7Mpa，气体在气嘴内达到音速状态，此时的气体速度达到487m/s，如此高速比喷砂除锈厉害多了。对于磨料磨损，应选择抗磨损的材料。石英砂粒的HRC硬度是66，所以气嘴的硬度要大于66。我们经过调查和试验，选取了ZrO2工程陶瓷两种材料。ZrO2工程陶瓷是一种性能优越的工程陶瓷，具有硬度高、抗磨损，抗腐蚀等特点，另外它的热膨胀系数非常接近于金属，也就没有了陶瓷与金属结合因温差变化而带来的诸多问题，是近几年来研究开发很活跃的新型材料，在刀具、喷砂嘴、抽油泵凡尔球等方面取得了显著的效益。有资料介绍，该材料的耐磨能力是中碳钢的20—25倍，工具钢的4倍。它以ZrO2工程陶瓷为原料，经过粉料煅烧、静压成型、高温烧结等十几道工序加工而成，其主要性能见表3—2。表3—2PSZ陶瓷材料的主要性能硬度（HRC）密度(g/cm2)弯曲强度（Mpa）断裂韧性（MPa.m1/2）热膨胀系数（10-6/°C）扬氏模量（Mpa）88—935.7—6.0800—110011.0—18.511.42.4×105结构及加工工艺：陶瓷气嘴的外套仍是钢材，内芯是陶瓷。陶瓷与钢件之间过盈配合，结合紧密。在气嘴的出口端有一个台阶，装配面还涂抹了胶粘剂，这样形成三保险，防止陶瓷内衬在高压作用下移动、脱离。陶瓷气嘴耐磨性很好，大大延长了气嘴寿命，提高了气井的安全系数，使一些严重出砂井恢复了生产，使用寿命可达两年以上，值得在出砂气田推广应用。2.2.3井下活动气嘴气嘴大多安装在井口，进加热炉之前。1988年，四川石油管理局发明了井下活动气嘴，即把气嘴安装在井下油管内。井下活动气嘴是指将通常安装在井口地面的气嘴改为安装到井下油管内，利用了地热，省掉了井口地面加热炉，节约燃气，降低了生产建设成本。但是井下气嘴的更换比较麻烦，故在出砂、出水较多的气井尽量不使用井下气嘴，而且地热的加热效果有限，不适合寒冷地区。2.2增压设备天然气增压的方法，一般有两种：2.2.1机械增压法机械增压法所使用的设备是天然气压缩机。压缩机在原动机的驱动下运转，将天然气引入压缩机，在压缩机转子或活塞的运转的运动过程中，通过一定的机械能转换和热力变换过程，使天然气的压能增加，从而达到增压目的。气体压缩机的种类很多，如往复式、离心式、螺杆式等等。2.2.2高、低压气压能传递增压法高、低压气压能传递增压法所使用的文丘里管喷射器（亦称增压喉），用高压天然气通过喷射器，以很高的速度喷出，并把喷射器喷嘴前的低压气带走。即利用了文丘里喉管的抽吸效应来引射低压气，使低压气达到升压的目的。它的特点是不需外加能源，结构简单，喷嘴可更换调节，操作使用方便，但效率低，适合在高低压气井相邻的气田推广应用。据美国《近海》杂志1994年12月号报道，Schutte&KertingBensalem公司利用这种技术大幅度提高了低压气井的产量。生产平台的一口浅层气井地层压力为2.1MPa，产出气跟邻井汇合后外输，由于邻井压力较高，此井产量较低，而采用压缩机又不合算。公司安装了文丘里喷射机，使器产气量由原来的4.25×104m3/d提高到14×104m3/d，使这个几乎要关闭的气井重新恢复生产。在四川气田也有应用。自1982年7月，我国首次安装试运于天然气集输工程的燃气发动机—压缩机组在四川兴3井建成投产以来，天然气气田增压工作得到了迅速发展，不仅在四川13个气田建了增压站，而且在中原、辽河、大庆、胜利、华北、大港等油田，增压站也迅速增加。据不完全统计，到1999年底，全国共有气田天然气增压机组260多套，表3-3列出了部分增压机组的有关数据。表3—3国内气田天然气压缩机组使用现状表胜利油田油气集输公司在孤东、孤岛气田共安装了五台DW—1/5—20型天然气增压机组，该机组是由蚌埠压缩机厂生产的TY0120型天然气压缩机和胜利油田动力机械厂生产的1190NT—3型天然气发动机配套组成的，每年可增压天然气600余万m3，经济效益300余万元。2.3分离器制造厂机型排量m3/min压力，MPa轴功率KW驱动机型号或类型使用油田名称台数（台）进气排气上海压缩机厂H22（Ⅱ）—260/152601.52000TDK260/55—24大庆/大港11/6沈阳气体压缩机厂4M12—100/421004.21000电动机辽河16北京第一通用机械厂4L—45/1—6450.10.6150电动机辽河13北京第一通用机械厂P—28/2—8280.20.890电动机胜利3四川空气压缩机厂2D16-10.4—14.4/5—6810.4~14.40.5~6.06.8283~757TDF800—16/2150四川2美国艾瑞尔公司JGR/2—L150G379天然气发动机四川2美国库伯能源服务公司DPC—6045二冲程天然气发动机四川6美国英格索兰公司2KDA/G342NA27.20.351.05149G342天然气发动机华北2美国英格索兰公司2KOA—1200.05~0.150.8632天然气发动机胜利3美国德来赛兰公司2RDS—186.10.31.2700G399天然气发动机中原16天然气中往往含有液体和固体杂质。液体杂质包括水和油，固体杂质包括泥砂、岩石颗粒等。这些杂质如不及时除掉，会对采气、输气、脱硫以及用户带来很大危害，影响生产正常进行。因此，为了避免上述危害，天然气从井底产出后，先必须进行气液分离。2.3.1分离设备类型及适用范围分离器是分离气液（固）的重要设备。它广泛用于采气井场、集气站、输气管道以及天然气净化厂中。采输系统所使用的分离器种类很多，根据分离器的类型可分为：立式分离器、卧式分离器、球形分离器和卧式三相分离器等。按作用原理可分为：重力式、离心式和混合式三种分离器。①重力分离器重力分离器有各种各样的结构形式，但其原理都是利用天然气和被分离物质的密度差来实现的。除温度、压力等参数外，最大处理量是设计分离器的一个主要参数，只要实际处理量在最大设计处理量的范围内，重力分离器能够适应较大的负荷波动。在采气工程中，由于单井产量的递减、新井投产以及配气要求等原因，使气量变化较大，因此重力分离器应用也较为广泛。立式重力分离器占地面积小，易于清除筒体内污物，便于实现排污与液位自动控制，通常用于分离含液量较多，液体或固体微粒较大的天然气，以及对净化要求不高的气井口、集气站的天然气初步分离。②离心分离器天然气中所含粉状杂质仅靠重力分离是不能满足工艺要求的，因为要想分离的颗粒直径越小，所需的分离器直径就越大。这样不仅耗费钢材，而且筒体直径增大，壁厚增加，加工困难，很不经济。因此还常用离心式分离器。其主要特点是天然气和被分离液体沿分离器筒体切线方向以一定速度进入分离器，并沿筒体内壁作旋转运动，在其离心力的作用下，达到气液分离目的。离心分离器分离效率较高，可基本除去5μm以上的液滴，结构较简单、分离粉状杂质好的分离设备，在现场得到了广泛应用，但却不适应负荷波动较大的场所，使其在集气站和采气井场的应用受到限制。③气体过滤器天然气经过管线长距离输送后，气体中的主要杂质将是腐蚀产物和粉尘杂质（如硫化铁粉末），而一般的重力式和离心式分离器很难分离这些粉尘。因此，集气站上往往也用气体过滤器来解决天然气的分离粉尘问题。气体过滤器可分为干式过滤器和过滤分离器等，它们都具有多功能的复合体，前者适用于清除固体粉尘，后者适用于分离液体除尘问题。④其它类型分离器