方吉（中石化節(jié)能環(huán)保工程科技有限公司，湖北 武漢 430223）

Neem油田氣體綜合利用工藝設(shè)計(jì)及分析

方吉（中石化節(jié)能環(huán)保工程科技有限公司，湖北 武漢 430223）

蘇丹Neem油田氣體綜合利用項(xiàng)目計(jì)劃利用油田伴生氣和氣井天然氣外輸發(fā)電和高壓注氣。結(jié)合氣體的組分和流體的物性，提出了切實(shí)可行的工藝措施，如混合氣脫碳脫水、脫重?zé)N、重?zé)N再利用和CO2氣驅(qū)采油等，優(yōu)化并完善了工藝流程，使得最終產(chǎn)品滿足要求的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，并達(dá)到了節(jié)能減排、提產(chǎn)增效的預(yù)期目的。

節(jié)能減排；采收率；氣驅(qū)；MMSCFD；重?zé)N

1 項(xiàng)目概況

蘇丹投入地面開發(fā)建設(shè)的主要有四大采油區(qū)塊：1/2/4區(qū)、3/7區(qū)、5區(qū)和6區(qū)。大尼羅河石油公司（以下簡稱GNPOC）主要負(fù)責(zé)1/2/4區(qū)塊原油及天然氣的開采、生產(chǎn)和運(yùn)營管理工作。Neem油田位于4區(qū)塊，現(xiàn)轄61口油氣井，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力36,000 BOPD。目前，在Neem區(qū)塊，生產(chǎn)的伴生氣資源大都隨著原油一起輸送到Neem接轉(zhuǎn)站，經(jīng)油氣分離后點(diǎn)火放空，預(yù)計(jì)被放空的伴生氣量達(dá)到10 MMSCFD。

蘇丹石油產(chǎn)業(yè)經(jīng)過近二十年的飛速發(fā)展，政府對(duì)油企節(jié)能減排和環(huán)境保護(hù)的程度越來越重視。作為節(jié)能減排和擴(kuò)產(chǎn)增效的重要一環(huán)，GNPOC計(jì)劃綜合利用這些伴生氣資源和從氣井產(chǎn)出的天然氣資源（預(yù)計(jì)有5 MMSCFD的低壓天然氣和10 MMSCFD的高壓天然氣）：①壓縮這些氣體到一定的壓力然后注入到地下提高原油采收率。②輸送這些氣體資源到6區(qū)Fula電站（距離Neem接轉(zhuǎn)站56km）供燃?xì)獍l(fā)電機(jī)使用。

注氣要求：所注天然氣壓力要大于目標(biāo)油藏所在地層壓力，約為18MPa。

外輸氣去電站發(fā)電要求：①烴露點(diǎn)不高于5℃，水露點(diǎn)低于-10℃；②外輸壓力為5MPa；③甲烷含量不小于70%，乙烷含量不大于10%，丙烷含量不大于4%，二氧化碳含量不大于6%，氮?dú)夂坎淮笥?%；④凈熱值不小于37MJ/Nm3。

伴生氣主要來自Neem接轉(zhuǎn)站內(nèi)的游離水分離器（FWKO），溫度為45℃，壓力為200kPa（絕壓）；天然氣則來自Neem油區(qū)附近的氣井，從井口出來的低壓天然氣壓力范圍為2～5MPa，高壓天然氣為壓力范圍為6～10MPa。

伴生氣及天然氣氣源組分見表1:

表1 氣源組分表

組分伴生氣摩爾分?jǐn)?shù)（%）質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）天然氣摩爾分?jǐn)?shù)（%）質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）C311.891 18.210 4.667 9.194 i-C41.751 3.535 0.535 1.389 n-C422-Mpropane i-C5n-C5C6+ 4.224 -0.963 1.244 0.89 8.528 -2.414 3.117 2.650 C7 C8 C9 C10 --------CO2N2 H2O 10.632 0.506 2.939 16.283 0.493 1.841 1.680 0.014 0.374 0.600 0.603 0.528 0.469 0.156 0.318 0.333 0.892 -4.363 0.036 1.206 1.934 2.322 2.364 2.394 0.894 2.022 0.417 1.757 -

2 工藝流程簡介

來自Neem接轉(zhuǎn)站的油田伴生氣和降壓分離后的低壓氣井天然氣混合后進(jìn)入壓縮機(jī)增壓到5MPa,然后和高壓氣井天然氣（降壓到5MPa）混合，再進(jìn)入MDEA脫碳裝置和三甘醇脫水裝置，脫碳脫水后的天然氣進(jìn)入丙烷制冷裝置脫除重組分得到合格的產(chǎn)品氣用來注氣或者外輸發(fā)電。

MDEA脫碳裝置脫出來的CO2可增壓至超臨界狀態(tài)，用來氣驅(qū)采油；丙烷制冷脫出來的重?zé)N可進(jìn)一步分餾，得到普通燃料氣、LPG和輕油產(chǎn)品。

本項(xiàng)目的工藝總流程簡圖如下：

圖1 Neem油田氣體綜合利用工藝流程簡圖

3 工藝設(shè)計(jì)及分析

3.1 伴生氣和氣井天然氣脫碳脫水

從氣源組分看，該伴生氣CO2含量比較多，達(dá)10.632%，甲烷含量（51.111%）不高，重組分也較多，通過HYSYS查看其臨界性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)其臨界壓力為10.59MPa，臨界溫度為28.42℃，而最終經(jīng)壓縮機(jī)壓縮冷卻后達(dá)到的壓力和溫度將分別為18.0MPa和60℃，此時(shí)處于超臨界狀態(tài)（注：物質(zhì)的壓力和溫度同時(shí)超過它的臨界壓力和臨界溫度的狀態(tài)叫超臨界狀態(tài)）。

超臨界狀態(tài)的流體同時(shí)表現(xiàn)出液體和氣體的優(yōu)點(diǎn)，即其密度大，接近于液體；粘度小，擴(kuò)散系數(shù)大，接近于氣體，因而具有良好的溶解特性、傳遞特性和化學(xué)反應(yīng)特性[1]。如果將此流體注入到油區(qū)地層，一方面它會(huì)增壓地層的壓力，其次其擴(kuò)散作用也會(huì)降低原油的粘度，使原油體積膨脹，增加液體內(nèi)的動(dòng)能，從而提高驅(qū)油效率。但CO2在有水分存在的情況下，除了具有弱酸腐蝕外，還可能對(duì)設(shè)備和管材產(chǎn)生儲(chǔ)蝕。由于本項(xiàng)目中伴生氣CO2和水含量均比較高，直接增壓和通過管道注氣，對(duì)設(shè)備和管材的腐蝕不可小視。

一般情況下，CO2分壓低于0.021MPa時(shí)腐蝕不嚴(yán)重，在0.021MPa～0.21 MPa時(shí)，可能出現(xiàn)腐蝕，高于0.21MPa時(shí)，通常要出現(xiàn)腐蝕[2]。為了減緩對(duì)設(shè)備和管材的腐蝕，除了要從材料上考慮耐腐蝕的鋼材和增加腐蝕余量外，還需從本質(zhì)上減輕或消除伴生氣中CO2的影響。

為了滿足電站外輸氣的壓力要求（5MPa），本項(xiàng)目設(shè)計(jì)中先將伴生氣與低壓天然氣（節(jié)流降壓至200kPa,可脫除部分重組分）混合，然后通過壓縮機(jī)增壓到5MPa,這時(shí)的混合氣中CO2分壓為0.376MPa，高于0.21MPa,會(huì)產(chǎn)生腐蝕,高CO2分壓出現(xiàn)在壓縮機(jī)的最后一級(jí)增壓時(shí)，可選用耐腐蝕的不銹鋼作為壓縮機(jī)的過流部件。再將此氣體和來自氣井的高壓天然氣（節(jié)流降壓至5.0MPa）混合，得到的混合氣CO2分壓為0.243MPa，仍略高于0.21MPa，會(huì)產(chǎn)生腐蝕，如不處理的話，后期通過外輸管道輸送到電站或者增壓到18MPa注氣,產(chǎn)生的危害將更大。故需要考慮脫碳和脫水處理。

本工程脫碳選用MDEA濕法脫碳工藝，該工藝技術(shù)成熟，能耗適中，已成功用于氣田天然氣脫碳裝置,常用于大流量、濃度低于20%的CO2脫除[3]。

目前世界上天然氣脫水應(yīng)用最多的方法是溶劑吸收法中的甘醇法，而國內(nèi)普遍采用的是三甘醇法[4]。這種脫水系統(tǒng)包括分離器、吸收塔和三甘醇再生系統(tǒng)。本工程選用三甘醇脫水。

脫碳脫水處理后，氣體中CO2含量約為2%，水含量為低于0.01%,CO2分壓約為0.1MPa，對(duì)后續(xù)工藝設(shè)備和管線的腐蝕影響較小。

3.2 天然氣制冷脫重?zé)N

脫碳脫水后的混合氣中甲烷含量74.4%，乙烷含量11.9%，丙烷含量7.8%，二氧化碳含量約2%，氮?dú)夂?.42%，乙烷和丙烷含量超出了電站發(fā)電燃料氣的氣質(zhì)組分要求（乙烷≤10%，丙烷≤4%），為了控制重組分的含量以及滿足外輸氣體的烴露點(diǎn)要求，就需要脫重?zé)N。重?zé)N的存在不僅容易使氣缸內(nèi)積碳，還容易在燃燒時(shí)發(fā)生爆震[5]，影響燃?xì)獍l(fā)電機(jī)的運(yùn)行效率和安全。

本工程采用丙烷制冷，設(shè)計(jì)了初冷及深冷換熱器，，初冷換熱器的換熱介質(zhì)是脫水處理后的常溫天然氣和經(jīng)過二級(jí)分離后的低溫天然氣，深冷換熱器的換熱介質(zhì)是冷媒和經(jīng)過初級(jí)分離后的天然氣。換熱后進(jìn)入丙烷制冷的天然氣溫度約為21℃，出來的天然氣溫度為-20℃，經(jīng)過換熱，最終外輸去電站或進(jìn)一步增壓注氣的天然氣溫度為35℃。該氣體組分甲烷含量83.5%，乙烷含量9.6%，丙烷含量3.5%，二氧化碳含量2%，水露點(diǎn)為-20.4℃，烴露點(diǎn)為-20℃，低熱值40.4MJ/Nm3，既能滿足外輸去電站發(fā)電的技術(shù)要求，也能進(jìn)一步直接進(jìn)入壓縮用于高壓注氣。

3.3 重?zé)N再利用

進(jìn)入丙烷制冷前天然氣的流量為24.2MMSCFD，出低溫分離器的氣體流量為18.8 MMSCFD,說明有約5.4MMSCFD的重?zé)N組分在深冷時(shí)析出，這些重?zé)N極不穩(wěn)定，當(dāng)恢復(fù)到常溫常壓時(shí)，就會(huì)變成宜揮發(fā)的氣體，如果直接排放到污油池或站外的燃燒池中，就會(huì)造成巨大的安全隱患和資源的浪費(fèi)。

通過調(diào)研蘇丹當(dāng)?shù)氐木唧w情況，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)周邊居民取柴做飯的生活方式還是很原始，液化石油氣（LPG）的推廣很有市場(chǎng)，再結(jié)合GNPOC的意見，制定了一套利用重?zé)N生產(chǎn)LPG的方案，低價(jià)出售，惠及當(dāng)?shù)鼐用瘢瑢?shí)現(xiàn)企業(yè)的社會(huì)價(jià)值。

從低溫分離器分離出來的重組分經(jīng)一級(jí)分餾，脫出C1、C2，可用來作為燃料氣，供給壓縮機(jī)、熱媒爐和站內(nèi)發(fā)電機(jī)組，塔底部出來的組分再經(jīng)過二級(jí)分餾，主要脫出C3、C4，生產(chǎn)LPG，罐裝給當(dāng)?shù)鼐用袷褂?，塔底出來的C5以上產(chǎn)品（比較穩(wěn)定，揮發(fā)性小）作為輕油直接輸送到輕質(zhì)油儲(chǔ)罐。

3.4 CO2氣驅(qū)采油

本項(xiàng)目的一大目的除了注氣提高原油采收率和輸往電站發(fā)電外，還有著其政治和社會(huì)目的的考量，那就是節(jié)能減排，保護(hù)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境。

MDEA脫碳裝置會(huì)脫出大量的CO2直接排放到大氣中，盡管CO2本身并無污染，但是會(huì)造成溫室效應(yīng)。它具有吸熱和隔熱的功能，使太陽輻射到地表的熱量無法向外層空間發(fā)散，其結(jié)果是地表變熱起來，導(dǎo)致氣候反常，風(fēng)暴增多，土地干旱，沙漠化面積增大。同時(shí)，CO2的大量排放還可能引起酸雨。蘇丹大部分國土處在沙漠或邊緣地帶，油區(qū)不斷的向外排放CO2氣體對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境和生態(tài)肯定是不利的。針對(duì)大型CO2排放點(diǎn)的減少80%～90%CO2排放量的有效措施,CO2的捕獲、儲(chǔ)存和利用即CCSU(Carbon Capture,Storage and Utilization)正在不斷開發(fā)和完善中[6]。

作為單純的CO2氣體，對(duì)于低滲透油田是一種非常好的氣驅(qū)資源，將它注入到地下，能降低原油粘度，改善原油與水的流度比，使原油體積膨脹，降低油水界面張力，改善巖層滲透率，能大大提高原油采收率，比天然氣驅(qū)、注水開采的效果都要好。而且，美國的經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)證明地質(zhì)封存CO2和天然氣封存、提高原油采收率一樣安全。

本項(xiàng)目預(yù)計(jì)脫除的CO2體積流量為0.7MMSCFD，質(zhì)量流量約1.53 t/hr。參照國內(nèi)延長油田CO2氣驅(qū)的工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，每口注氣井平均每天可注10～15t CO2，本項(xiàng)目可供三口注氣井注氣，可作為蘇丹國內(nèi)CO2驅(qū)油的先導(dǎo)實(shí)驗(yàn)區(qū)先行先試，取得預(yù)期效果后大力推廣和應(yīng)用。

4 結(jié)語

（1）Neem油田氣體綜合利用項(xiàng)目目標(biāo)天然氣產(chǎn)品合格達(dá)標(biāo)，既能用來高壓注氣，也可外輸?shù)紽ula電站作為發(fā)電機(jī)組燃料，滿足了業(yè)主單位GNPOC的預(yù)期要求。

（2）本工程低溫分離的重?zé)N組分經(jīng)兩級(jí)分餾后，衍生產(chǎn)品有普通燃料氣、民用LPG和輕油產(chǎn)品，MDEA脫碳裝置脫出來的CO2也可用來氣驅(qū)采油，均能創(chuàng)造一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益；

（3）本工程工藝流程設(shè)計(jì)合理、先進(jìn)，對(duì)資源進(jìn)行了充分利用，做到了不浪費(fèi)，無污染和“近零排放”，對(duì)蘇丹各油田節(jié)能減排、提產(chǎn)增效具有重大的指導(dǎo)意義。

[1]魏然.CO2回注技術(shù)用于中原油田氣驅(qū)采油.油氣田地面工程[J].2012(12):98-99.

[2]馮蓓,楊敏,李秉風(fēng),王棟.二氧化碳腐蝕機(jī)理及影響因數(shù)[J].遼寧化工，2010,39(9):976-979.

[3]汪玉同.天然氣中CO2脫除技術(shù).油氣田地面工程[J].2008, 27(3):51-52.

[4]謝滔,宋保建,閆蕾,吳勇,張國慶.國內(nèi)外天然氣脫水工藝技術(shù)現(xiàn)狀調(diào)研[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2012(21):48-49.

[5]辛順,吉慶林,高銘志,慧寧.海上油田伴生氣用作燃料氣的預(yù)處理方案研究[J].船舶與海洋工程，2015(1):45-48.

[6]吳昊.應(yīng)對(duì)二氧化碳濃度上升問題的研究:CO2的捕獲、儲(chǔ)存與利用[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2008,18(8):5.