酸氣回注方案關(guān)鍵技術(shù)研究

許冬進(jìn) 徐小輝 馬 麗 楊文波 楊 歡

(1.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司采油采氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)江大學(xué)分室，武漢 430100;2.新疆油田分公司工程院，新疆 克拉瑪依 834000;3.江漢油田江漢采油廠，潛江 430034;4.中石化華北石油工程井下作業(yè)分公司，鄭州 450042;5.中石化華北分公司工程技術(shù)研究院，鄭州 450006)

酸氣是天然氣加工廠進(jìn)行天然氣脫硫產(chǎn)生的副產(chǎn)品，主要由H2S和CO2組成，過(guò)去一般采用了燃燒酸氣的方法，但是目前嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī)限制了硫化物的排放量。由于近年來(lái)全球日益嚴(yán)格的環(huán)境保護(hù)法規(guī)和對(duì)環(huán)境問(wèn)題關(guān)注程度的增強(qiáng)，酸氣處理成為很重要的研究方向［1］。

酸氣回注，即把酸氣壓縮后通過(guò)井筒注入到不再產(chǎn)氣的地層或水層中，此方法避免了H2S和CO2排放到大氣中造成環(huán)境的污染，有利于環(huán)保。此外，在加拿大等北美地區(qū)，當(dāng)硫磺市場(chǎng)不景氣時(shí)一些較大的生產(chǎn)商將酸氣回注作為處理多余硫化物的一種方式［1］。

國(guó)外對(duì)酸氣回注的研究主要集中在加拿大。Gas Liquids Engineering、Tartan Engineering和 Gascan Resources等都對(duì)其進(jìn)行了深入研究［1］。國(guó)內(nèi)對(duì)酸氣主要組分H2S和CO2純物質(zhì)性質(zhì)探討較多，但對(duì)酸氣混合物性質(zhì)的研究相對(duì)缺乏。

酸氣回注的工業(yè)應(yīng)用始于1989年加拿大的Alberta地區(qū)，由 Chevron Canada投入運(yùn)行［1］。在 Alberta地區(qū)，酸氣回注設(shè)備的應(yīng)用從1989年的1套到2002年的38套［2］，還另有6～8套在加拿大的British Columbia地區(qū)。目前在加拿大西部已經(jīng)有近50個(gè)酸氣回注項(xiàng)目，而在美國(guó)也已經(jīng)使用了近20個(gè)酸氣回注裝置［3］。目前未見(jiàn)國(guó)內(nèi)酸氣回注項(xiàng)目的報(bào)道。

1 酸氣的相平衡和相態(tài)

1.1 酸氣的相平衡

酸氣在某壓力下的液化溫度取決于在這個(gè)壓力下的混合物的泡點(diǎn)溫度，而不是單組分的液化溫度。酸氣液化溫度由酸氣混合物的泡點(diǎn)溫度所決定。

1.2 酸氣的輸送相態(tài)

酸氣的輸送方式與其相態(tài)有很大關(guān)系。表1為國(guó)外油田XX廠的酸氣組分表。

根據(jù)國(guó)外XX區(qū)塊酸氣典型相包絡(luò)線(xiàn)圖(圖1)，考慮到輸送溫度不能過(guò)高或過(guò)低(40℃左右)，不同起點(diǎn)壓力下輸送相態(tài)為:壓力＜2.0 MPa，氣相輸送;壓力2.0～6.0 MPa，則氣液兩相;壓力≥6.0 MPa，則液相輸送。

表1 國(guó)外XX油田的XX廠酸氣組分(物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)) %

圖1 XX區(qū)塊酸氣典型相包絡(luò)線(xiàn)圖

根據(jù)氣體集輸技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，若采用氣液兩相輸送，井口工藝復(fù)雜，投資高，應(yīng)盡量采用單相輸送。若采用氣相輸送，需在處理廠出口端先增壓至1.0 MPa左右，輸送至回注井口再二次增壓回注。采用液相輸送，只需在處理廠一次增壓，直接輸送至井口回注。

2 酸氣回注方案設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)國(guó)外工程經(jīng)驗(yàn)結(jié)合本方案工藝特點(diǎn)［2］，酸氣回注集輸工藝作為一種氣體處理技術(shù)主要是將酸氣加壓后通過(guò)井筒注入到預(yù)定的儲(chǔ)層中。關(guān)鍵技術(shù)包括酸氣脫水工藝、酸氣增壓工藝、回注工藝、水合物防止。

2.1 酸氣脫水工藝

酸氣回注的難點(diǎn)在于防腐。為防止酸氣腐蝕管道和設(shè)備，保證在輸送過(guò)程中無(wú)游離水，需對(duì)酸氣進(jìn)行脫水。酸氣混合物中含有部分水，游離水對(duì)管柱和設(shè)備造成的危害非常大，首先是含有游離水的酸氣腐蝕性很強(qiáng)，加速設(shè)備的腐蝕破壞速度，其次是酸氣混合物在一定的條件下可能生成水化物，從而堵塞管道和冷卻器，損壞設(shè)備等。因此，酸氣脫水工藝在整個(gè)回注方案的設(shè)計(jì)中至關(guān)重要［5］。

根據(jù)酸氣混合物的物性，酸氣可通過(guò)壓縮來(lái)進(jìn)行脫水。將酸氣壓縮到含水量最低的壓力區(qū)域或接近露點(diǎn)，這樣就可能取得理想的脫水效果。如果通過(guò)壓縮酸氣不能達(dá)到所需的脫水要求，就需要考慮附加脫水裝置。

在酸氣增壓站壓縮機(jī)級(jí)間除采用冷卻、分離脫水外，還增加丙烷外部制冷實(shí)現(xiàn)酸氣分離脫水。在酸氣壓縮機(jī)級(jí)間設(shè)置丙烷制冷系統(tǒng)進(jìn)行外部制冷分離脫水，脫水后滿(mǎn)足下游輸送要求。采用丙烷制冷蒸發(fā)器的另一個(gè)好處是，由于酸氣組分含有一定比重的輕烴，因此采用這個(gè)方式還可以回收一部分凝析油。

2.2 酸氣增壓工藝

酸氣脫水后需要進(jìn)行增壓才能回注到預(yù)定儲(chǔ)層。酸氣增壓工藝技術(shù)主要通過(guò)壓縮機(jī)多級(jí)壓縮后達(dá)到設(shè)計(jì)的回注壓力值［4］。一般說(shuō)來(lái)，低流量時(shí)選用往復(fù)式壓縮機(jī)，高流量時(shí)選用離心式壓縮機(jī)。酸氣回注一般流量都不是特別大，適合選用往復(fù)式壓縮機(jī)。隨著酸氣壓力在壓縮機(jī)中逐漸升高，壓縮機(jī)內(nèi)設(shè)有級(jí)間冷卻，因此氣體壓力 —溫度曲線(xiàn)呈折線(xiàn)(圖2)。酸氣經(jīng)過(guò)四級(jí)壓縮后由氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)后，以液態(tài)的形式注入。

圖2 酸氣相圖和壓縮增壓過(guò)程中壓力－溫度曲線(xiàn)

2.3 酸氣回注輸送工藝

酸氣回注工藝與普通氣田集輸工藝的不同之處在于，管匯介質(zhì)流向相反，且介質(zhì)中硫化氫有劇毒，同時(shí)涉及到相態(tài)變化，因此其集輸工藝也有其自身的特點(diǎn)。酸氣回注主要包括酸氣增壓、管道輸送、井口注入3部分。

(1)氣相輸送總體工藝。酸氣回注氣相輸送總體工藝思路圖如圖3所示。

圖3 酸氣回注氣相輸總體工藝思路圖

采用氣相輸送除在酸氣增壓站一次增壓外(集輸壓力)，還需在井口進(jìn)行二次增壓(注入壓力)。如果回注井多，井口增壓站數(shù)量多，使得壓縮機(jī)臺(tái)數(shù)多，配套設(shè)施多，投資高，增壓點(diǎn)分散，管理也不便。

(2)液相輸送總體工藝。酸氣回注液相輸送總體工藝思路圖如圖4所示。

圖4 酸氣回注液相輸送總體工藝思路圖

液相輸送方案就是在回注管道中壓輸送，一次增壓到回注管道設(shè)計(jì)壓力。

對(duì)于酸氣回注試驗(yàn)工程輸送相態(tài)確定，氣相輸送方案回注管道低壓輸送，二次增壓，井口建增壓站配套設(shè)施多，不符合酸氣試注應(yīng)具備建設(shè)工程量和投資相對(duì)低、建設(shè)周期短、易于實(shí)施的特點(diǎn)，不推薦采用。一般建議采用液相輸送方案。

2.4 酸氣水合物的預(yù)防

在國(guó)外的酸氣回注項(xiàng)目中［1，5］，抑制水合物的形成主要是通過(guò)減小酸氣中的含水量來(lái)實(shí)現(xiàn)的，一般不需要添加抑制劑，也不需要加熱。

根據(jù)XX廠酸氣組分脫水后得到水合物形成溫度和相包絡(luò)線(xiàn)圖(圖5)，在脫水后最高水合物形成溫度為16℃，而在酸氣壓縮過(guò)程中，壓縮機(jī)進(jìn)口溫度、級(jí)間溫度40℃，均遠(yuǎn)高于水合物形成溫度，因此在壓縮過(guò)程中不會(huì)形成水合物。同時(shí)在液相管道輸送的過(guò)程中，其水合物形成溫度－13℃。由于液相輸送時(shí)管道壓力和溫度都高于水合物形成的條件，因此，不論是正常輸送，低輸量，還是在停輸條件下，均不會(huì)形成水合物。

3 結(jié)語(yǔ)

酸氣回注工藝技術(shù)在國(guó)內(nèi)很少見(jiàn)，但是隨著環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，作為酸氣的一種處理方式，在我國(guó)天然氣的開(kāi)采中應(yīng)用會(huì)越來(lái)越多。

圖5 水合物形成溫度和相包絡(luò)圖

酸氣回注工藝技術(shù)中盡可能的采用單相注入的方式，有利于減少地面和井口的設(shè)備，提高安全系數(shù)降低成本。

酸氣脫水和增壓技術(shù)是酸氣注入的關(guān)鍵技術(shù)，有利于減少設(shè)備腐蝕，阻止水合物的生成，提高整個(gè)注入管柱工藝壽命。

酸氣回注過(guò)程中抑制水合物的形成主要是通過(guò)減小酸氣中的含水量來(lái)實(shí)現(xiàn)的，一般不需要添加抑制劑，也不需要加熱。

［1］Ho K T，McMullen J，Boyle，et al.Subsurface Acid Gas Disposal Seheme in Wayne-Rsedale，Alberta［J］.SPE35848，1996:1-14.

［2］湛哲，趙興元，李衡，等.酸氣回注技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀［J］.2011，40(6):610-613.

［3］John J，Carroll.酸氣回注 ——酸氣處理的另一途徑［J］.天然氣工業(yè)，2009，29(10):96-100.

［4］Norm Shade.DCP Midstream Artesia Acid Gas Injection Plant［J］.Compressor Tech Two，2009(6):18-22.

［5］Tyalor NA，et al.Gas-desulfurisation plant handles wide range of sour gas compositions［J］.Oil＆ Gas Journal，1991(8):57-59