低壓油田伴生氣雜質(zhì)脫除技術(shù)——以大慶油田為例

摘 要

摘要：油田伴生氣含有大量油、水及細(xì)小粉塵雜質(zhì)，對(duì)于氣負(fù)荷較大、壓力較低、雜質(zhì)顆粒小的油田伴生氣加工，常規(guī)及單一的分離技術(shù)難以達(dá)到工藝生產(chǎn)要求。為此，上?；ぱ芯吭貉邪l(fā)出
摘要：油田伴生氣含有大量油、水及細(xì)小粉塵雜質(zhì)，對(duì)于氣負(fù)荷較大、壓力較低、雜質(zhì)顆粒小的油田伴生氣加工，常規(guī)及單一的分離技術(shù)難以達(dá)到工藝生產(chǎn)要求。為此，上?；ぱ芯吭貉邪l(fā)出一種針對(duì)油田伴生氣雜質(zhì)脫除的組合高效氣體凈化技術(shù)，集重力沉降分離、旋風(fēng)分離、深層過(guò)濾多級(jí)分離技術(shù)于一體，各級(jí)分離技術(shù)間相互配合，不僅利用了重力沉降、旋風(fēng)分離的油水強(qiáng)排污能力，更利用了中空纖維濾料的深層過(guò)濾強(qiáng)“吸附”能力，滿足了生產(chǎn)裝置對(duì)壓力損失的高敏感度。試驗(yàn)裝置運(yùn)行考核結(jié)果表明：①該裝置雜質(zhì)脫除效果明顯，液體脫除量比原分離裝置高出720g/104m3，固體雜質(zhì)捕集量比原分離裝置高出237g/104m3，其中重力沉降分離和旋風(fēng)分離段脫出的黏稠膠狀物質(zhì)比原分離裝置高出780g/104m3，過(guò)濾單元脫出的固體雜質(zhì)為3.54g/104m3，僅為原分離裝置固體雜質(zhì)重的1.5%，排放量減少98.5%；②該裝置有很強(qiáng)的操作彈性和適應(yīng)性；③該裝置維護(hù)操作簡(jiǎn)單，檢修維護(hù)費(fèi)用低。
關(guān)鍵詞：油田伴生氣；氣體凈化裝置；重力沉降分離；旋風(fēng)分離；過(guò)濾器；深層過(guò)濾；中空纖維濾料；大慶油田
    中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司大慶油田伴生氣初加工工藝的分離單元采用了錐形濾筒式過(guò)濾器，過(guò)濾效果較差，大量雜質(zhì)進(jìn)入壓縮機(jī)，導(dǎo)致壓縮機(jī)等重要設(shè)備堵塞，致使系統(tǒng)故障頻發(fā)甚至停機(jī)。僅2007年一年，雜質(zhì)堵塞問(wèn)題就造成天然氣加工裝置停機(jī)170多次，為此研發(fā)了一種組合分離裝置。
1 大慶油田伴生氣加工生產(chǎn)特點(diǎn)
1.1 主要工藝特點(diǎn)
    1) 天然氣生產(chǎn)單元規(guī)模(喇壓淺冷設(shè)計(jì)流量)：80×104m3/d。
    2) 油田伴生氣組成：油田伴生氣組成見(jiàn)表1。
    3) H2S含量：冬季為158.69mg/m3、夏季為169.16mg/m3。
    4) 天然氣溫度：-5℃～25℃。
    5) 天然氣壓力：0.12～0.16MPa(正常值0.13～0.14MPa)。
    6) 雜質(zhì)含量：壓縮機(jī)入口錐形過(guò)濾器每周清除雜質(zhì)(油泥)約0.5kg，壓縮機(jī)每年檢修清除雜質(zhì)(干燥的固體雜質(zhì))10kg。
1.2 加工的技術(shù)指標(biāo)
    1) 油田伴生氣液體雜質(zhì)脫除量：1kg/104m3(氣)以上。
    2) 油田伴生氣固體雜質(zhì)脫除量：5g/104m3(氣)以上。
    3) 在滿足油田伴生氣加工裝置正常運(yùn)行前提下，油田伴生氣雜質(zhì)脫除系統(tǒng)的壓降不大于0.01MPa。
2 油田伴生氣雜質(zhì)特性分析
    油田伴生氣的雜質(zhì)主要是來(lái)自原油脫氣分離過(guò)程中攜帶的固體顆粒(泥沙)、管輸過(guò)程中由于金屬表面的化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)生成的腐蝕產(chǎn)物、長(zhǎng)輸管道事故處理時(shí)進(jìn)入管道的泥沙和鐵屑等雜質(zhì)。
    分析表明，分離器內(nèi)的固體沉積物主要是無(wú)機(jī)硫化合物、鐵氧化物、來(lái)氣攜帶的礦物質(zhì)(K、Na、Mg、Ca、Fe等)的硅鋁酸鹽(黏土)及少量硫酸鹽等的混合物。黏土礦物中既含有以上元素的氧化物，又含有Fe的各級(jí)氧化物單元，其中鐵氧化物含量較多。
3 油田伴生氣雜質(zhì)分離技術(shù)
    國(guó)內(nèi)氣體凈化工藝普遍采用重力沉降分離、離心分離和過(guò)濾分離技術(shù)。應(yīng)用較多的主要是重力沉降分離技術(shù)，這種技術(shù)利用了雜質(zhì)與氣體的密度差進(jìn)行沉降分離，雖分離效率相對(duì)較低，但因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)備造價(jià)低廉而得以廣泛應(yīng)用；其次是離心分離技術(shù)，流體中相對(duì)較重的液體和固體在離心力作用下從氣相中被分離出來(lái)。旋風(fēng)分離器是離心分離的一種典型設(shè)備，要求所處理的含雜質(zhì)氣體具有一定的初速度，并且在某一速度段能獲得較好的分離效果，但要獲得更好的分離效果必須對(duì)旋風(fēng)分離器進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)，合理的結(jié)構(gòu)可以引導(dǎo)多相三維氣流的徑向和切向運(yùn)動(dòng)，最大限度地消除或減少短路渦流、外渦流等各種渦流影響，提高分離效率[1～2]。通常情況下，旋風(fēng)分離器對(duì)粒徑大于20μm的粉塵或液滴具有很好的脫除效果；過(guò)濾分離技術(shù)主要用于過(guò)濾粒徑很小的粉塵，過(guò)濾分離器的種類(lèi)很多，過(guò)濾精度較高，但壓力損失相對(duì)較大，對(duì)過(guò)濾介質(zhì)的運(yùn)行工況要求比較高。
    近年來(lái)國(guó)內(nèi)在高效纖維過(guò)濾技術(shù)上的研發(fā)取得了較好的成果，上?；ぱ芯吭阂呀?jīng)研制出了一系列特殊中空纖維濾料，并成功應(yīng)用于煤氣、天然氣及煤層氣的凈化工藝中。這種特殊中空纖維制成的濾料具有很大的空隙率，吸附能力強(qiáng)，彈性好。使實(shí)際使用過(guò)程中，該濾料啟用時(shí)初始阻力小，由于粉塵及油漿在濾料中呈現(xiàn)立體的彌散式分布，生產(chǎn)過(guò)程中過(guò)濾器納污量大，系統(tǒng)阻力上升緩慢，操控性能好，且濾料的耐受性能好，操作彈性大，不受氣量的大幅波動(dòng)及總阻力的增大而損壞。因此這種特種纖維過(guò)濾技術(shù)比較適合操作壓力低、氣量多波動(dòng)、雜質(zhì)成分復(fù)雜且總量多的油田伴生氣加工工藝。
    從油田伴生氣加工裝置實(shí)際運(yùn)行狀況和設(shè)備內(nèi)沉積污垢(油泥)的情況分析來(lái)看，油田伴生氣中的液體(油、水)含量較高，而天然氣加工工藝條件要求系統(tǒng)阻力小，對(duì)于氣負(fù)荷較大、壓力較低、雜質(zhì)顆粒小的油田伴生氣加工，普通及單一的分離技術(shù)難以達(dá)到工藝生產(chǎn)要求，需要研制出一種結(jié)合了重力沉降、離心分離及過(guò)濾多級(jí)分離技術(shù)的組合凈化裝置。
4 油田伴生氣雜質(zhì)脫除裝置研究及應(yīng)用
4.1 雜質(zhì)脫除裝置試驗(yàn)方案優(yōu)選
    自壓集氣的油田伴生氣壓力一般都在30～70kPa，生產(chǎn)壓力比較低，因此選擇的氣體凈化技術(shù)首先要保證壓力損失在保證加工裝置正常運(yùn)行的工況范圍內(nèi)，只有壓降保持在10～15kPa以內(nèi)，才能保證天然氣初加工裝置正常運(yùn)行。因此確定采用集重力沉降的預(yù)處理(分離出氣體中污油、游離水和粒徑較大的砂等)+旋風(fēng)分離較細(xì)分離(分離出氣體中大于20μm的粉塵和液滴)+中空纖維的精密過(guò)濾(過(guò)濾氣體中1μm以上的雜質(zhì))3種氣體凈化技術(shù)組合的方案，研制出一套凈化裝置，其原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。初始?jí)航?△p)為1～3 kPa，系統(tǒng)總阻力隨運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸增加，設(shè)計(jì)生產(chǎn)檢修周期為1a，控制△pmax不大于15kPa，1μm以上固體雜質(zhì)去除率超過(guò)90%。
4.2 組合凈化裝置的工作原理及其特點(diǎn)
    油田伴生氣組合凈化裝置是由重力沉降分離(初步分離)+高效旋風(fēng)分離(細(xì)分離)[3]+深層過(guò)濾分離(精細(xì)分離)[4]為核心技術(shù)組合而成的3級(jí)凈化分離裝置。
    當(dāng)含油、水和雜質(zhì)的氣體由進(jìn)氣口進(jìn)入組合凈化裝置時(shí)，首先進(jìn)入重力沉降室，此時(shí)氣體流速較低(0.9～1.2m/s)。因此粒徑超過(guò)200μm大顆粒(如石塊、泥水、油等雜質(zhì))由于重力沉降效應(yīng)被分離出來(lái)，落入大簡(jiǎn)體的下部；氣體經(jīng)重力沉降室預(yù)處理后，進(jìn)入內(nèi)置式旋風(fēng)分離器進(jìn)行第2級(jí)分離，對(duì)20μm以上的粉塵顆粒及油(水)滴進(jìn)行有效分離，分離出的雜質(zhì)可通過(guò)旋風(fēng)分離器下面的中間灰斗及時(shí)排放；高效氣體(深層)過(guò)濾器作為第3級(jí)凈化分離設(shè)備，采用多層結(jié)構(gòu)形式，即設(shè)置成若干個(gè)過(guò)濾箱體，箱體內(nèi)填裝具有強(qiáng)吸附能力的特制中空纖維作為濾料，由上至下按密度(或空隙率)從疏松到致密分層，這種濾料具有高精度、高納污量、高效率、壓損小、運(yùn)行阻力低和生產(chǎn)穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)3級(jí)處理后的氣體，其液體和同體雜質(zhì)去除量可超過(guò)1000g/104m3(氣)[5～7]。
 

4.3 組合凈化裝置精密過(guò)濾單元濾料的選擇
    上海化工研究院研制的SRI系列特制中空纖維濾料是一種具有一定過(guò)濾層數(shù)且選擇不同纖維直徑、不同空隙率及不同厚度的多種纖維組成的過(guò)濾濾料[8]，濾料使用的特制纖維為中空多孔結(jié)構(gòu)，纖維直徑的范圍為1～40μm，因此纖維還特別具備“吸附”作用(毛細(xì)管效應(yīng))，非常適合于過(guò)濾含有一定水分、油分及細(xì)微雜質(zhì)的氣體。目前上?；ぱ芯吭阂呀?jīng)研究開(kāi)發(fā)出40余種不同空隙率、不同過(guò)濾精度及不同材質(zhì)的SRI系列纖維濾料，可以根據(jù)工藝要求相應(yīng)調(diào)整過(guò)濾精度。
    特制SRI系列中空纖維濾料屬柔性濾料，本身具有很大的壓縮性(彈性)，它利用了多孔纖維的直接截留、慣性碰撞、篩分、布朗擴(kuò)散、靜電及吸附等多重效應(yīng)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耐壓力、耐腐蝕、空白阻力小、納污量大的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還具備過(guò)濾精度高、凈化效率好和生產(chǎn)檢修周期長(zhǎng)的特點(diǎn)，特別適用于對(duì)生產(chǎn)壓損要求高、雜質(zhì)復(fù)雜、含量多的氣體進(jìn)行高效、深度過(guò)濾。
    油田伴生氣凈化除塵技術(shù)及裝置的試驗(yàn)成功與否，關(guān)鍵在于試驗(yàn)裝置中作為凈化裝置過(guò)濾單元的SRI系列中空纖維濾料能否適應(yīng)于油田伴生氣加工工藝特點(diǎn)及滿足壓降要求。如果氣體通過(guò)濾料層的壓差太大，組合凈化裝置的總壓差也會(huì)很大，就會(huì)影響到天然氣加工裝置壓縮機(jī)的正常運(yùn)行。因此，根據(jù)SRI系列中空纖維過(guò)濾濾料的過(guò)濾精度、容塵情況和吸附能力等性能對(duì)油田伴生氣特點(diǎn)及加工裝置的生產(chǎn)運(yùn)行工況要求的滿足情況，對(duì)十幾種濾料從以下4個(gè)方面進(jìn)行了篩選：①運(yùn)行穩(wěn)定可靠，濾料的纖維不會(huì)因起刺、掉毛而被吸入到壓縮機(jī)內(nèi)；②要有很強(qiáng)的吸附能力，適應(yīng)含有一定油、水的油田伴生氣雜質(zhì)過(guò)濾；③有很高的空隙率和納污量，在滿足氣量負(fù)荷和運(yùn)行時(shí)間的條件下，其壓力損失應(yīng)在規(guī)定的范圍內(nèi)；④濾料不會(huì)因氣量負(fù)荷、系統(tǒng)壓力的波動(dòng)以及壓縮機(jī)的抽吸而損壞。
    通過(guò)對(duì)比分析，選定了1#、3#和5#濾料作為組合凈化裝置內(nèi)過(guò)濾單元的濾料，技術(shù)參數(shù)如表2所示。
 

4.4 雜質(zhì)脫除技術(shù)試驗(yàn)
    1) 試驗(yàn)地點(diǎn)選擇：經(jīng)過(guò)分析及對(duì)比選擇，試驗(yàn)地點(diǎn)選定在大慶油田喇壓淺冷生產(chǎn)基地。
    2) 主要試驗(yàn)設(shè)備及工流程：試驗(yàn)裝置選用的主要設(shè)備為4套(Φ1600mm×6650mm)由重力沉降室、內(nèi)置式高效旋風(fēng)分離器、內(nèi)置式高效氣體(深層)過(guò)濾器以及排灰緩沖罐(中間灰斗)組成的3級(jí)氣體凈化裝置。
4.5 組合凈化裝置的實(shí)際應(yīng)用情況及效果考核
    根據(jù)確定的試驗(yàn)方案，結(jié)合中空纖維濾料現(xiàn)場(chǎng)可行性應(yīng)用試驗(yàn)結(jié)果，完成了大慶油田喇壓濕氣組合凈化試驗(yàn)裝置的設(shè)備、平臺(tái)的設(shè)計(jì)制造和基礎(chǔ)沒(méi)施的設(shè)計(jì)施工，同時(shí)也做好了試驗(yàn)凈化裝置配合原生產(chǎn)裝置聯(lián)網(wǎng)的工藝管網(wǎng)(包括凈化裝置的排污工藝)以及儀表配電等系統(tǒng)配套設(shè)計(jì)和準(zhǔn)備工作，油田伴生氣組合凈化試驗(yàn)裝置于2009年1月18日正式投產(chǎn)運(yùn)行。
4.5.1組合凈化試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)運(yùn)行情況
    在試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)試驗(yàn)裝置進(jìn)、出匯管的現(xiàn)場(chǎng)高精度壓力顯示儀表來(lái)觀察試驗(yàn)運(yùn)行期間的差壓變化情況，每2h錄取1次數(shù)據(jù)。
    試驗(yàn)裝置連續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行前4個(gè)月，進(jìn)出口差壓變化很小，一直在5kPa以內(nèi)，每天平均排放液體約80kg。2009年5月19日起試驗(yàn)裝置進(jìn)出口差壓開(kāi)始增高，5月30日達(dá)到20kPa，差壓曲線圖如圖2所示，已超出15kPa的設(shè)計(jì)監(jiān)控值，但還沒(méi)影響到壓縮機(jī)的正常運(yùn)行。2009年6月5日更換了試驗(yàn)裝置中的4#凈化器的濾料，經(jīng)分析，試驗(yàn)裝置進(jìn)出口壓差突然增高的原因是高效氣體(深層)過(guò)濾器內(nèi)的中空纖維濾料吸收液態(tài)雜質(zhì)達(dá)到飽和所致。
 

4.5.2液體分離及排放情況
    污水延期以12d為排放周期，通過(guò)幾次對(duì)試驗(yàn)裝置集中排放后稱(chēng)重，4個(gè)試驗(yàn)裝置共排出液體約1.3t，平均每天分離出的液體量約100kg，平均脫除液體1.2kg/104m3。
4.5.3固體雜質(zhì)脫除情況
    氣量負(fù)荷大的油田伴生氣的雜質(zhì)含量分析只能采取在線檢測(cè)方法，但目前國(guó)內(nèi)沒(méi)有此類(lèi)檢測(cè)手段。因此我們通過(guò)中空纖維過(guò)濾試驗(yàn)和取樣分析檢測(cè)裝置的固體脫除效果。
    1) 重力沉降和旋風(fēng)分離固體雜質(zhì)脫除情況：通過(guò)對(duì)組合凈化裝置重力沉降和旋風(fēng)分離排出的雜質(zhì)多次取樣進(jìn)行蒸餾法化驗(yàn)分析，得到大慶油田喇壓濕氣組合凈化試驗(yàn)裝置排出液體中的不揮發(fā)物平均為1086g/104m3(氣)，其中旋風(fēng)分離器排出液體中的不揮發(fā)物為72.1g/104m3(氣)，說(shuō)明大部分黏稠膠狀不揮發(fā)物還是在重力沉降中得到分離。
    2) 高效氣體(深層)過(guò)濾器內(nèi)中空纖維吸附的雜質(zhì)分析：對(duì)高效氣體(深層)過(guò)濾器中空纖維所含雜質(zhì)進(jìn)行分析可知，18090g雜質(zhì)中有水6.4g(0.04%)、油7734g(42.75%)、固體雜質(zhì)10350g(57.21%)。
4.5.4試驗(yàn)結(jié)果分析
    1) 雜質(zhì)脫除效果明顯：通過(guò)以上試驗(yàn)和考核分析，喇壓油田伴生氣組合凈化裝置的液體和固體脫除量均超過(guò)了設(shè)計(jì)指標(biāo)。液體脫除量比原分離裝置高出720g/104m3(氣)。固體雜質(zhì)捕集量比原分離裝置高出237g/104m3(氣)。其中重力沉降和旋風(fēng)分離段(第1、2級(jí)分離)脫出的黏稠膠狀物質(zhì)比原分離裝置高出780g/104m3(氣)；組合凈化裝置過(guò)濾單元脫出的固體雜質(zhì)為3.54g/104m3 (氣)，僅為原分離裝置固體雜質(zhì)重的1.5%，排放量減少98.5%。
    2) 有很強(qiáng)的操作彈性和適應(yīng)性：油田伴生氣雜質(zhì)脫除組合凈化裝置在大慶油田喇壓淺冷生產(chǎn)裝置試驗(yàn)期間，大慶油田喇壓淺冷生產(chǎn)裝置每天的來(lái)濕氣量負(fù)荷波動(dòng)較大，一般在(79～92)×104m3范圍內(nèi)波動(dòng)，來(lái)氣壓力一般在0.3～0.68MPa范圍內(nèi)波動(dòng)。目前該試驗(yàn)裝置已連續(xù)運(yùn)行18個(gè)多月，在大慶油田喇壓淺冷生產(chǎn)裝置來(lái)氣工況頻繁變化條件下，試驗(yàn)裝置運(yùn)行平穩(wěn)，適應(yīng)性強(qiáng)。大慶油田喇壓雜質(zhì)脫除試驗(yàn)裝置投運(yùn)前由于壓縮機(jī)入口過(guò)濾器堵塞，經(jīng)常發(fā)生壓縮機(jī)軸振動(dòng)超高報(bào)警現(xiàn)象。試驗(yàn)裝置投運(yùn)后，大慶油田喇壓淺冷生產(chǎn)裝置運(yùn)行平穩(wěn)，壓縮機(jī)從未出現(xiàn)過(guò)軸振動(dòng)超高報(bào)警或停機(jī)現(xiàn)象。
    3) 試驗(yàn)裝置維護(hù)操作簡(jiǎn)單，檢修維護(hù)費(fèi)用低：試驗(yàn)裝置過(guò)濾單元的濾料按每年更換1次考慮，該濾料更換操作簡(jiǎn)單、快捷，貨源充足，費(fèi)用低廉，大慶油田喇壓淺冷生產(chǎn)裝置的單個(gè)高效氣體(深層)過(guò)濾器更換1次濾料的費(fèi)用約2萬(wàn)元，相比每年壓縮機(jī)停產(chǎn)損失及維修費(fèi)用，試驗(yàn)裝置所需費(fèi)用降低很多。
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(本文作者：金偉1 田英男2 張志軍3 1.上?；ぱ芯吭海?.大慶油田天然氣規(guī)劃設(shè)計(jì)院3.大慶澳龍石油化工有限公司)