第十章 矿场天然气集输系统

第十章矿场天然气集输系统提示提示提示提示科学、经济有效地开发气田是通过建立和优化配置气田开发系统和矿场集输系统完成的。矿场集输系统由井场、集输管网（采气管线、集气支线和干线）、各种用途的站场（集气站、脱水站、天然气凝液回收站、增压站、清管站、阴极保护站和阀室等）和天然气净化厂（或装置）等组成，构成统一的、密闭的气体动力系统，此外还有自动控制和数据采集系统。我国气田在地理地貌条件、工况和介质条件方面差别很大，有深层异常高压、高温、高产气田，有大面积分布的低渗低产气田，有高含、气田，有富含凝析油的深层凝析气田等等，而且大多数主力气田位于我国中西部，地处沙漠戈壁，荒无人烟，环境条件十分恶劣，交通非常不便，而有的则又位于人口稠密地区、位于广阔海洋，针对不同类型气田特点，形成了各种矿场集输主体工艺技术。本章重点阐述天然气节流、调压调产、分离及水合物防治。天然气净化处理和轻烃（天然气凝液）回收见第十一章。第一节天然气矿场集输站场流程气井所在地需设井场装置，即井场。从气井采出的天然气经节流调压后，在分离器中脱除游离水、凝析油及固体机械杂质，计量后输入集气管线，再进入集气站。在集气站对天然气进行节流、调压、分离、计量，然后输入集气总站或天然气净化厂。在天然气净化厂进行脱除硫化氢、二氧化碳、凝析油、水分，使天然气达到国家规定的外输天然气气质标准。在天然气矿场集输站场流程中，站场流程分为单井集输流程和多井集输流程，按天然气分离时的温度条件，又分为常温分离工艺流程和低温分离工艺流程。一、井场装置一、井场装置一、井场装置一、井场装置井场装置具备三种作用：调节气井的产量；调控天然气的输送压力；防止生成天然气水合物。目前，矿场上采用的井场装置流程通常有两种类型，也是比较典型的流程。一种是加热天然气防止水合物生成的流程，如图10-1所示；另一种是向天然气中注入抑制剂防止水合物生成的流程。1——气井，2——采气树针形阀，3、5——加热炉，4、6——节流阀图10-1加热防止水合物生成的井场装置流程示意图在图10-1中，天然气从针型阀出来后进入井场装置，首先通过加热炉进行加热升温，然后经过第一级节流阀进行气量调控和降压，再通过加热炉进行加热升温，经第二级节流阀进行降压以满足输气管线起点压力的要求。在第二种流程中，抑制剂注入器替换了图10-1中的加热炉，流经注入器的天然气与抑制剂相混合，天然气中的一部分饱和水汽被吸收，天然气水露点随着降低。经过第一级节流阀进行气量调控和降压，再经第二级节流阀进行降压以满足输气管线起点压力的要求。二、单井集输流程二、单井集输流程二、单井集输流程二、单井集输流程当一口井天然气中含有硫化氢、二氧化碳等组分，不宜与其他不含这些组分的气井天然气一起集中处理，或是气井压力太高或过低时，应采用单井集输工艺流程。下面以常温分离为例来介绍单井集输流程。我国目前采用的常温分离单井集输工艺流程有两种，含三相分离器的流程如图10-2所示。1—从井场装置来的采气管线，2—进站截断阀，3—加热炉，4—节流阀，5—三相分离器，6—孔板计量装置，7、11、15—出站截断阀，8—集气管线，9、13—液位控制自动放液阀，10、14—流量计，12—放液烃管线，16—放水管线图10-2常温分离单井集输工艺流程图常温分离单井集气站通常是设置在气井井场。两种流程不同之处在于分离设备的选型不同，前者为三相分离器，后者为气液分离器，因此其使用条件各不相同。前者适用于天然气中液烃和水含量均较高的气井，后者适用于天然气中只含水或液烃较多和微量水的气井。三、多井集输流程三、多井集输流程三、多井集输流程三、多井集输流程当多口井的气体适合于集中处理时，可以将多井天然气汇集在集气站统一处理。但由于不同井、不同气层气体的组分、组成以及气体所处状态可能千差万别，因此对气体的处理、加工等工艺方式并不相同，在集气站，通常有两种处理流程，即常温分离流程和低温分离流程。1、常温分离多井集输流程对于硫化氢含量较低、凝析油含量不高的天然气一般采用常温分离流程。常温分离多井集输流程一般有两种类型，含三相分离器的流程如图10-3所示。图10-3常温分离多井集输工艺流程图两种流程均不同点在于前者的分离设备是三相分离器，后者的分离设备是气液分离器。因此两种流程的适用条件不同，前者适用于天然气中油和水的含量均较高的气田，后者适用于天然气中只有较多水或较多液烃的气田。两种流程所示仅为两口气井的常温分离多井集气站。多井集气站的井数取决于气田井网布置的密度，一般采气管线的长度不超过5km，井数不受限制。以集气站为中心，5km为半径的面积内，所有气井的天然气处理均可集于集气站内。所示仅为两口气井的常温分离多井集气站。2、低温分离多井集输流程对于压力高、产量大、硫化氢和二氧化碳含量高以及凝析油含量高的天然气宜采用低温分离流程。所谓低温分离，即分离器的操作温度在0℃以下，通常为-4—-2℃。天然气通过低温分离可回收更多的液烃。比较典型的低温分离集输流程分别如图10—4所示。图10-4低温分离多井集输工艺流程图这种流程的特点是低温分离器底部出来的混合液在站内进行分离，即将液烃和抑制剂富液分别送到液烃稳定装置和富液再生装置去处理。实际应用中到底采取哪一种低温分离流程，取决于天然气的组成、低温分离器的操作温度、稳定装置和提浓再生装置的流程设计要求。第二节天然气矿场集输管网天然气矿场集输管网是集输系统重要组成部分。集输管线包括采气管线、集气支线和干线。从气井至集气站第一级分离器入口之间的管线称为采气管线；集气至净化厂或长输管线首站之间的管线称为集气管线。集气管线分为集气支线和集气干线。集气管网通常分为枝状、放射状、环状和成组状管网。如图10—5所示。枝状管网形同树枝状（a），它有一条贯穿于气田的主干线，将分布在干线两侧气井的天然气通过支线纳入干线，由干线输至集气总站或净化厂。该集气管网适于长条状气田。放射状集气管网（b）适于井位相对集中的气田。图10-5矿场集输管网的类型1—气井；2—采气站；3—采气管道；4—总站或增压站按集中程度将若干口气井划为一组，每组中设置一集气站，各井天然气通过采气管线纳入集气站。这种管网布局便于天然气和污水的集中处理，也可减少操作人员。环状集气管网（d）是将集气干线布置成环状，承接沿线集气站的来气。在环网上适当的位置引出管线至集气总站。这种集气流程调度气量方便，气压稳定，局部发生事故时影响面小。一般用于构造面积较大的气田。成组状集气管网(c)，在实际工程中，集气管网的类型并不都是单一的某一种类型的管网，而常常是其中的两种甚至三种的组合。此外，集输管网按压力等级分高、中、低压三种，如一般压力在10MPa以上为高压集气，1.6～10MPa为中压集气,小于1.6MPa为低压集气。集输管网的输送方式有干气和湿气输送两种，采气管线一般为湿气输送。含硫气田集气支线和干线多采用干气输送。凝析气田一般采用高压气液混输和低温分离的集输工艺流程。按布站方式可分一般布站（单井集气，在井场实施节流、调压、分离、计量、加温、注醇、排水采气等）和二级布站（多井集气、将分离、计量集中在集气站，这样简化了井口流程及管理）等。见文[1-2]。管网的类型主要取决于气田的形状、井位布置、所在地区的地形、地貌以及集输工艺等诸多方面的因素。因此，管网的布局是一个较为复杂的“系统”问题，要进行优化布置，对提高气田开发经济效益有关键意义。在天然气矿场集输系统中，天然气的节流调压、计量、气液分离以及水合物形成与防治是非常重要的工艺过程，为此，本章下面几节就针对这几个工艺过程分别予以详细介绍。第三节节流调压天然气在管道中流动，通过骤然缩小的孔道，例如孔板或针形阀的孔眼，由于摩擦耗能使气压显著下降，这种现象称为节流。利用节流，可以达到降压或调节流量的目的。针形阀是井场及低温、常温集气站的主要节流手段。节流有一次节流和多级节流之分，根据井口压力大小和安全生产的需要加以选择。本节先说明两点：（1）天然气节流为什么温度会降低；（2）如何预测节流后的温降。至于节流后能否生成水合物，后面再作介绍。天然气经过针形阀节流，具有一般气体节流的特点。天然气通过孔眼，在孔眼附近的气流会发生扰动，因此节流是不可逆过程。通过孔眼时流速很高，在孔眼附近的气流和外界的热交换一般很小，可以忽略不计，节流过程可视为绝热过程。实际气体的焓值是温度和压力的函数，所以节流后的温度将发生变化。这一现象称为节流效应或称焦尔—汤姆逊效应。一、微分节流效应一、微分节流效应一、微分节流效应一、微分节流效应节流时，微小压力变化所引起的温度变化称微分节流效应，用微分节流效应系数表示：（10-1）由热力学基本关系式，可导出表示微分节流效应系数与节流前气体状态参数p、V、T之间关系的一般表达式（见第十一章）：（10-2）式中——气体的定压比热，kJ/(kg.K)对于理想气体，由于PV=RT，，由式（10-2）得=0，意指理想气体节流时温度不发生变化。对于实际气体，节流后温度的变化决定于式（10-2）中的分子的正负（因0）。可能有三种情况：时，0，节流后温度降低；时，=0，节流后温度不变；时，0，节流后温度升高。为解释天然气节流后温度降低的物理实质，将式（10-2）用另外一种形式表达。在热力学上，从麦克斯韦关系式导出的焓的普遍式，可以得出：利用上式和焓的定义式（H=E+pV），可以得出（10-3）式中：E——内能，kJ/kg；pV——移动功，kJ/kg；式（10-3）说明主要由内能和移动功两部分能量组成。对所感兴趣的天然气节流过程：（1）由于天然气在绝热膨胀过程中，压力降低、比容增大，此时必须消耗功来克服分子间的吸引力。但是由于外界无能量供给气体，分子间位能的增加只能来自分子动能的减少，因此产生使气体温度降低的效应。即或（2）对于天然气节流，其移动功随压力降低而增加。即或综合动能和移动功的变化，得出0的结论清楚说明，天然气节流后温度降低。有关节流膨胀的详细计算参见本书第十一章。二、积分节流效应二、积分节流效应二、积分节流效应二、积分节流效应实际节流时，压力变化为一有限值，有限压力变化所引起的温度变化，称积分效应，用符号表示：（10-4）式中、——分别为气体节流前、后的温度，K；、——分别为气体节流前、后的压力，MPa。由于积分符号内的不仅是压力的函数，而且还是温度的函数。因此（10-4）不能积分，不可能有精确的解析解。近似计算时（10-5）式中：——在范围内的平均值。计算式为（10-6）第四节天然气计量一、天然气计量分级与仪表配备一、天然气计量分级与仪表配备一、天然气计量分级与仪表配备一、天然气计量分级与仪表配备1、天然气计量分级一级计量——油田外输干气的交接计量。二级计量——油田内部干气的生产计量。三级计量——油田内部湿气的生产计量。2、天然气计量仪表的配备1）一级计量。油田外输气为干气，排量大，推荐用标准节流装置（准确度±1%）。在有条件的地方应选用高级孔板易换装置（也称高级孔板阀）可以带压更换孔板。所选孔板必须由不锈钢制造，并必须由检定单位按JJG《天然气流量测量用标准孔板》的要求检定，获合格证书后方可安装使用。孔板计量必须按国标GB2624—81《节流装置的设计安装和使用》及行业标准SYL04—83《天然气流量的标准孔板计量方法》要求进行设计计算及安装。选用准确度为±0.5%的压力及温度变送器。在直管段前安过滤器。目前，我国对天然气输量一级计量的综合计量误差为±3%，标准孔板可满足此要求。2）二级计量。二级计量的介质为干气，选用孔板节流装置比较合适（准确度应不低于±1.5%）。由于高级孔板易换装置造价高，为保证检测方便，推荐选用普通孔板易换装置（又称普通孔板阀）或简易孔板易换装置（又称简易孔板阀）。可选用准确度为±1%的压力及温度变送器，二级计量的综合计量误差应在±5%以内。3）三级计量。三级计量的介质为湿气，不适合选用孔板计量，可选用气体腰轮流量计、涡街流量计等。仪表的准确度应不低于±1.5%，一般为离线检定，应保证拆装方便，流量计前应配过滤器。三级计量的综合计量误差应在±7%以