灘海油田伴生氣回收研究

高 釗，劉德俊，王 芙，馬 焱，李小月，高吉慶

（遼寧石油化工大學(xué)，遼寧 撫順113001）

作為一種清潔高效的優(yōu)質(zhì)能源，天然氣將在我國能源結(jié)構(gòu)中扮演越來越重要的角色[1]。近些年來，隨著越來越多的灘海油田進(jìn)入開發(fā)階段，伴生氣的回收問題逐漸被人們所關(guān)注。因?yàn)橐?guī)模小，故而其回收受到經(jīng)濟(jì)條件和技術(shù)問題等制約。灘海油田伴生氣的產(chǎn)量一般較小，加之所需要的加工處理工藝比一般的氣田氣和凝析氣的處理工藝更為復(fù)雜，通常采用直接燃燒的方法處理[2]。這種方法即浪費(fèi)資源，又污染環(huán)境。因此，找到一個技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性合理的伴生氣回收方案成為灘海油田亟待解決的問題。

1 灘海油田伴生氣的凈化工藝

鑒于灘海油田可操作平臺面積小，不宜在上面安裝大型的伴生氣加工處理裝置。因此，可以考慮把伴生氣進(jìn)行預(yù)處理，使其達(dá)到運(yùn)輸要求后集中運(yùn)輸?shù)教烊粴饧庸S進(jìn)行處理。國內(nèi)外現(xiàn)存的天然氣凈化工藝種類很多，而且新的技術(shù)也不斷的嘗試應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。一般的常規(guī)天然氣凈化技術(shù)具有工藝流程長、占地面積大等特點(diǎn)，而且設(shè)備復(fù)雜、投資和操作費(fèi)用較高，不適合灘海油田伴生氣的凈化。目前，一些具有設(shè)備簡單、體積小和機(jī)動性強(qiáng)等特點(diǎn)的橇裝天然氣凈化技術(shù)被用于邊遠(yuǎn)地區(qū)天然氣的凈化，該技術(shù)包括變壓吸附[3]（PSA）、膜分離[4]和旋轉(zhuǎn)噴霧干燥[5]（SDA）等技術(shù)。相關(guān)部門可以對這些技術(shù)和設(shè)備進(jìn)行簡單的調(diào)整，使其達(dá)到凈化灘海油田伴生氣的要求。哪種技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性最合理取決于一些不同的標(biāo)準(zhǔn)，例如：伴生氣的供給情況、油田周圍的環(huán)境、過程的控制和操作、產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)等。

2 灘海油田伴生氣的回收方法

灘海油田伴生氣的回收成分主要是天然氣。除了管道輸送外，還可以把天然氣轉(zhuǎn)化成液化天然氣（LNG）、壓縮天然氣（CNG）、吸附天然氣（ANG）、天然氣水合物（NGH）等產(chǎn)品進(jìn)行運(yùn)輸[6]。隨著技術(shù)的發(fā)展，天然氣發(fā)電也逐漸被廣泛應(yīng)用。

2.1 管道輸送

從世界天然氣工業(yè)發(fā)展來看，管道是天然氣發(fā)展的重要途徑。目前，世界上約75%的天然氣采用管道方式輸送。天然氣管道輸送系統(tǒng)包括集輸管道體統(tǒng)、長輸管道系統(tǒng)和配氣管道系統(tǒng)。集輸管道系統(tǒng)負(fù)責(zé)收集、凈化天然氣，把天然氣輸送到長輸管道首站；長輸管道系統(tǒng)由輸氣站和線路兩大部分組成，主要負(fù)責(zé)輸氣。配氣管道系統(tǒng)把輸氣管道來的天然氣進(jìn)行除塵、計(jì)量、調(diào)壓、添味，然后輸入各級配氣管網(wǎng)[7]。

海底管道是灘海油田伴生氣回收設(shè)施中不可缺少的一部分[8]。管道形式包括挖溝淺埋管道、挖溝不埋管道和平鋪在海床上的管道等形式。海底管道技術(shù)主要包括管道的設(shè)計(jì)與分析、管道的鋪設(shè)和一些其他新的技術(shù)，例如：焊接技術(shù)和防沖刷保護(hù)技術(shù)等。為確保管道安全運(yùn)行，應(yīng)對海底管道的施工技術(shù)、安全評估狀態(tài)和疲勞壽命分析評估等進(jìn)行相關(guān)研究[9]。隨著技術(shù)的發(fā)展，我國在海底管道鋪設(shè)方面取得了巨大的進(jìn)步，到2005年底，我國已經(jīng)累計(jì)鋪設(shè)了約3 000 km的海底管道。海底管道的優(yōu)點(diǎn)是可以連續(xù)輸送，幾乎不受環(huán)境條件的影響，不會因海上儲氣設(shè)施容量限制或穿梭船只的接運(yùn)不及時而迫使油田減產(chǎn)或停產(chǎn)，故輸氣效率高，運(yùn)氣能力大。管道輸送適用于大流量輸送，多用在使用期限為20年以上的天然氣輸送。海底管道輸送存在的問題主要是：

(1)施工周期長，初始投資大；

(2)靈活性不足，受油田期限和地質(zhì)條件等影響，油田一旦枯竭，管道將要報(bào)廢，不能它用；

(3)海底管道比陸地管道更容易發(fā)生腐蝕，引起管道泄漏，而且其檢查和維修相對來說也比較困難。

2.2 液化天然氣

液化天然氣是天然氣經(jīng)過脫水、脫酸性氣體和重?zé)N后經(jīng)壓縮、膨脹、液化而形成的低溫液體[10]。LNG的儲存溫度為-162 ℃，其密度為 450到 470 kg/m3,標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下為甲烷的600多倍，有利于其儲存和輸送，體積能量密度為汽油的72%。

隨著技術(shù)的發(fā)展，液化天然氣的應(yīng)用越來越廣泛，既可作為燃料用于飛機(jī)、汽車和船舶等交通工具，又可以用來發(fā)電[11]。世界上利用LNG發(fā)電的成功實(shí)例已有很多。近10年來，LNG的消費(fèi)量年均增長率為8.5%，高于其他一次能源的增長。

液化天然氣工藝包括天然氣預(yù)處理、液化、儲運(yùn)、再汽化等。隨著技術(shù)和設(shè)施日趨成熟，LNG的生產(chǎn)工藝流程可以模塊化成橇。該技術(shù)已經(jīng)在陸地油田和邊遠(yuǎn)地區(qū)油田得到廣泛應(yīng)用。液化天然氣的運(yùn)輸分為海上運(yùn)輸和陸地運(yùn)輸：遠(yuǎn)洋運(yùn)輸以油輪和LNG運(yùn)輸船為主，陸地運(yùn)輸多以LNG槽車和LNG罐箱為主。在國外，LNG海上運(yùn)輸已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。我國也已經(jīng)成功開發(fā)出小型儲罐和海運(yùn)罐式集裝箱等LNG儲運(yùn)裝置，并且正逐步走向工業(yè)化。除了上述運(yùn)輸方式外，LNG管道運(yùn)輸也逐漸應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域[12]。

LNG運(yùn)輸?shù)淖钪匾奶攸c(diǎn)是安全、可靠和穩(wěn)定，宜用于伴生氣產(chǎn)量較高、運(yùn)輸距離較遠(yuǎn)的油田。但液化天然氣的預(yù)處理和液化流程相對復(fù)雜，此外LNG需儲存在溫度低的環(huán)境下，對設(shè)備的材質(zhì)和保溫性有特殊要求。因此，LNG運(yùn)輸方案的初始投資和操作成本較高。

2.3 壓縮天然氣

壓縮天然氣[13]就是將天然氣加壓至15 MPa到25 MPa，使其體積縮小，裝入到壓力容器中。天然氣在25 MPa時，其體積為壓縮前的1/250，該工藝有效的利用了天然氣的壓縮特性，提高了儲運(yùn)效率。

CNG的預(yù)處理和壓縮過程相對簡單，處理技術(shù)和設(shè)備較成熟，投資費(fèi)用適中。CNG作為車用天然氣燃料，被國內(nèi)外廣泛應(yīng)用，但其在海上的應(yīng)用還未被工業(yè)化。目前，國外有多家公司正在研究CNG海上運(yùn)輸并將其工業(yè)化，加拿大Sea NG公司等已經(jīng)建造完成CNG運(yùn)輸船，并正式投入使用。相對于LNG運(yùn)輸船來說，CNG運(yùn)輸船更適合用于2 000 km以下的短途運(yùn)輸。

圖1 纏繞中的4型壓力容器Fig.1 Winding of Prototype Type-4 Pressure Vessel

壓力容器作為一個儲存CNG的重要裝置，亦受到國內(nèi)外廣泛關(guān)注。加拿大Trans Ocean Gas公司為復(fù)合材料壓力容器技術(shù)公司，通過專利技術(shù)設(shè)計(jì)和制造多元?dú)怏w壓力容器。圖1為纏繞中的4型壓力容器。該容器為復(fù)合材料壓力容器[14]，可以承受75 MPa的壓力。使用3.0的安全系數(shù)時，該壓力容器的工作壓力為25 MPa，工作溫度為零下40 ℃到40℃。4型壓力容器除了可以運(yùn)輸CNG、PLNG外，還可以運(yùn)輸氫氣、液體二氧化碳、丙烷、氮?dú)獾仍S多其他氣體。在商業(yè)運(yùn)輸中，一般把8個4型壓力容器放到一個標(biāo)準(zhǔn)集裝箱中進(jìn)行運(yùn)輸。

2.4 吸附天然氣

吸附天然氣的原理是利用儲罐內(nèi)活性吸附劑的內(nèi)表面和微孔結(jié)構(gòu)將天然氣吸附，該技術(shù)的關(guān)鍵是開發(fā)出適合天然氣儲存的高效專用吸附劑[15]。國內(nèi)外現(xiàn)用的吸附劑包括多空碳質(zhì)天然氣吸附劑、金屬有機(jī)框架吸附劑及多孔材料內(nèi)吸附天然氣水合物等。ANG的最大優(yōu)點(diǎn)是在低壓下（3.5~3.6 MPa，僅為CNG的1/4~1/5）即可獲得接近于高壓下（20 MPa）CNG的儲存能量密度。

天然氣吸附技術(shù)的研究主要包括優(yōu)良吸附劑材料、天然氣吸附熱質(zhì)傳遞過程、吸附儲存容器等方面。歐美等西方國家和我國在天然氣吸附儲存技術(shù)方面均進(jìn)行了大量的試驗(yàn)和研究開發(fā)，并取得了許多成果。在國外研究中，在室溫和壓力為 3.5~4.8 MPa的壓力范圍內(nèi)，天然氣吸附儲存的體積比達(dá)到200。我國利用大比例表面積的吸附劑儲存天然氣，在室溫和壓力為4~6 MPa 的條件下，儲氣體積比在148~181之間, 達(dá)到了世界先進(jìn)水平。ANG技術(shù)[16]具有以下特點(diǎn)：

（1）對儲運(yùn)設(shè)施承壓能力要求較低；

（2）使用天然氣時安全性能高；

（3）日常維護(hù)方便，操作費(fèi)用低。

吸附劑的主要問題在于其使用壽命短，該點(diǎn)已成為國內(nèi)外研究的焦點(diǎn)。

2.5 天然氣水合物

利用天然氣水合物儲存天然氣的技術(shù)被稱為天然氣固態(tài)儲存技術(shù)。天然氣水合物是由甲烷、乙烷、丙烷、異丁烷、正丁烷、CO2、N2及 H2S等分子在一定溫度和壓力條件下，與游離水結(jié)合，形成的結(jié)晶籠狀固體[17]。一個單位體積的 NGH固體能儲存150~200倍體積的天然氣氣體。

水合物儲運(yùn)天然氣包括3個過程，即水合物生產(chǎn)、運(yùn)輸及分解，其中天然氣水合物的生產(chǎn)技術(shù)最為關(guān)鍵。NGH的生產(chǎn)目前尚處于實(shí)驗(yàn)階段，沒有應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。天然氣水合物在常壓、常低溫下即可穩(wěn)定儲存，對容器沒有特殊要求，因此增加了運(yùn)輸?shù)陌踩圆⒐?jié)省部分費(fèi)用。NGH船的單位運(yùn)輸量為同樣規(guī)格的LNG運(yùn)輸船的1/4，但是NGH船裝卸方便，不需要技術(shù)復(fù)雜的加工設(shè)備。NGH也可以用冷藏集裝箱進(jìn)行裝運(yùn)。目前，NGH船舶正處于研究階段，還沒得到實(shí)際應(yīng)用。

2.6 天然氣發(fā)電

隨著燃?xì)獍l(fā)電所占比例不斷增加，天然氣逐漸成為發(fā)電的首選燃料。天然氣發(fā)電與傳統(tǒng)的發(fā)電相比，有以下幾個優(yōu)點(diǎn)[18]：（1）效率高，燃?xì)獍l(fā)電熱效率可達(dá)到55%；（2）污染小，表1為燃煤和燃天然氣電廠的比較[19]；（3）體積小、運(yùn)輸安裝方便；（4）建造周期短、單位投資少；（5）啟停靈活、可靠性高,燃?xì)怆姀S的可用率達(dá) 90%，而常規(guī)電廠為80%左右。天然氣發(fā)電在一定程度上可緩解該地區(qū)的能源緊張狀況。目前，我國使用的天然氣發(fā)電裝置多為燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組。

表1 燃煤、燃天然氣電廠的比較Table 1 The comparison of coal and natural gas-fired power plant

燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的原理是利用燃?xì)獍l(fā)動機(jī)驅(qū)動電機(jī)產(chǎn)生電能。燃?xì)獍l(fā)動機(jī)對燃料的要求很簡單，大部分的灘海油田伴生氣經(jīng)過簡單處理都可以達(dá)到。燃?xì)鈾C(jī)組每小時消耗20 左右的伴生氣，因此，大部分灘海油田可以選擇使用燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組。

目前，歐美等發(fā)達(dá)國家已形成比較成熟的天然氣發(fā)電市場,燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組在技術(shù)上也比較成熟[20]。我國天然氣發(fā)電僅占 3.7%，仍處于起步階段,主要原因有：（1）天然氣產(chǎn)量少，常常處于供不應(yīng)求的局面；（2）技術(shù)上受制于人，我國的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組主要從國外引進(jìn),機(jī)組的調(diào)試及運(yùn)行帶來諸多問題不能得到很好地解決,進(jìn)而影響發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行。因此，要發(fā)展我國天然氣發(fā)電事業(yè)，一方面必須積極推進(jìn)天然氣的勘探與開發(fā)；另一方面，研究機(jī)構(gòu)和相關(guān)企業(yè)應(yīng)加大在技術(shù)方面的投入，生產(chǎn)出高效率、高可靠性的國產(chǎn)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組。

3 結(jié) 論

通過對現(xiàn)存天然氣回收方法的簡單分析，可以看出灘海油田伴生氣的回收具有廣闊的前景。目前，我國在灘海油田伴生氣回收這方面剛剛處于起步階段，需要做大量的研究工作。通過學(xué)習(xí)國外灘海油田伴生氣回收的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)油田伴生氣產(chǎn)量、油田周圍環(huán)境和當(dāng)?shù)赜脩舻男枨?，對各種工藝進(jìn)行分析研究，找到一套最佳的油田伴生氣回收方案，

從而達(dá)到提高油田效益、減少環(huán)境污染的目的。

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