Neem油田氣體綜合利用工藝設計及分析

方吉（中石化節能環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計及分析

方吉（中石化節能環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目計劃利用油田伴生氣和氣井天然氣外輸發電和高壓注氣。結合氣體的組分和流體的物性，提出了切實可行的工藝措施，如混合氣脫碳脫水、脫重烴、重烴再利用和CO2氣驅采油等，優化并完善了工藝流程，使得最終產品滿足要求的質量標準，并達到了節能減排、提產增效的預期目的。

節能減排；采收率；氣驅；MMSCFD；重烴

1 項目概況

蘇丹投入地面開發建設的主要有四大采油區塊：1/2/4區、3/7區、5區和6區。大尼羅河石油公司（以下簡稱GNPOC）主要負責1/2/4區塊原油及天然氣的開采、生產和運營管理工作。Neem油田位于4區塊，現轄61口油氣井，設計生產能力36,000 BOPD。目前，在Neem區塊，生產的伴生氣資源大都隨著原油一起輸送到Neem接轉站，經油氣分離后點火放空，預計被放空的伴生氣量達到10 MMSCFD。

蘇丹石油產業經過近二十年的飛速發展，政府對油企節能減排和環境保護的程度越來越重視。作為節能減排和擴產增效的重要一環，GNPOC計劃綜合利用這些伴生氣資源和從氣井產出的天然氣資源（預計有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Fula電站（距離Neem接轉站56km）供燃氣發電機使用。

注氣要求：所注天然氣壓力要大于目標油藏所在地層壓力，約為18MPa。

外輸氣去電站發電要求：①烴露點不高于5℃，水露點低于-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%，氮氣含量不大于4%；④凈熱值不小于37MJ/Nm3。

伴生氣主要來自Neem接轉站內的游離水分離器（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

組分伴生氣摩爾分數（%）質量分數（%）天然氣摩爾分數（%）質量分數（%）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入壓縮機增壓到5MPa,然后和高壓氣井天然氣（降壓到5MPa）混合，再進入MDEA脫碳裝置和三甘醇脫水裝置，脫碳脫水后的天然氣進入丙烷制冷裝置脫除重組分得到合格的產品氣用來注氣或者外輸發電。

MDEA脫碳裝置脫出來的CO2可增壓至超臨界狀態，用來氣驅采油；丙烷制冷脫出來的重烴可進一步分餾，得到普通燃料氣、LPG和輕油產品。

本項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 工藝設計及分析

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，發現其臨界壓力為10.59MPa，臨界溫度為28.42℃，而最終經壓縮機壓縮冷卻后達到的壓力和溫度將分別為18.0MPa和60℃，此時處于超臨界狀態（注：物質的壓力和溫度同時超過它的臨界壓力和臨界溫度的狀態叫超臨界狀態）。

超臨界狀態的流體同時表現出液體和氣體的優點，即其密度大，接近于液體；粘度小，擴散系數大，接近于氣體，因而具有良好的溶解特性、傳遞特性和化學反應特性[1]。如果將此流體注入到油區地層，一方面它會增壓地層的壓力，其次其擴散作用也會降低原油的粘度，使原油體積膨脹，增加液體內的動能，從而提高驅油效率。但CO2在有水分存在的情況下，除了具有弱酸腐蝕外，還可能對設備和管材產生儲蝕。由于本項目中伴生氣CO2和水含量均比較高，直接增壓和通過管道注氣，對設備和管材的腐蝕不可小視。

一般情況下，CO2分壓低于0.021MPa時腐蝕不嚴重，在0.021MPa～0.21 MPa時，可能出現腐蝕，高于0.21MPa時，通常要出現腐蝕[2]。為了減緩對設備和管材的腐蝕，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），本項目設計中先將伴生氣與低壓天然氣（節流降壓至200kPa,可脫除部分重組分）混合，然后通過壓縮機增壓到5MPa,這時的混合氣中CO2分壓為0.376MPa，高于0.21MPa,會產生腐蝕,高CO2分壓出現在壓縮機的最后一級增壓時，可選用耐腐蝕的不銹鋼作為壓縮機的過流部件。再將此氣體和來自氣井的高壓天然氣（節流降壓至5.0MPa）混合，得到的混合氣CO2分壓為0.243MPa，仍略高于0.21MPa，會產生腐蝕，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用最多的方法是溶劑吸收法中的甘醇法，而國內普遍采用的是三甘醇法[4]。這種脫水系統包括分離器、吸收塔和三甘醇再生系統。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，對后續工藝設備和管線的腐蝕影響較小。

3.2 天然氣制冷脫重烴

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%，氮氣含量0.42%，乙烷和丙烷含量超出了電站發電燃料氣的氣質組分要求（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要求，就需要脫重烴。重烴的存在不僅容易使氣缸內積碳，還容易在燃燒時發生爆震[5]，影響燃氣發電機的運行效率和安全。

本工程采用丙烷制冷，設計了初冷及深冷換熱器，，初冷換熱器的換熱介質是脫水處理后的常溫天然氣和經過二級分離后的低溫天然氣，深冷換熱器的換熱介質是冷媒和經過初級分離后的天然氣。換熱后進入丙烷制冷的天然氣溫度約為21℃，出來的天然氣溫度為-20℃，經過換熱，最終外輸去電站或進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%，水露點為-20.4℃，烴露點為-20℃，低熱值40.4MJ/Nm3，既能滿足外輸去電站發電的技術要求，也能進一步直接進入壓縮用于高壓注氣。

3.3 重烴再利用

進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的重烴組分在深冷時析出，這些重烴極不穩定，當恢復到常溫常壓時，就會變成宜揮發的氣體，如果直接排放到污油池或站外的燃燒池中，就會造成巨大的安全隱患和資源的浪費。

通過調研蘇丹當地的具體情況，發現現場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，再結合GNPOC的意見，制定了一套利用重烴生產LPG的方案，低價出售，惠及當地居民，實現企業的社會價值。

從低溫分離器分離出來的重組分經一級分餾，脫出C1、C2，可用來作為燃料氣，供給壓縮機、熱媒爐和站內發電機組，塔底部出來的組分再經過二級分餾，主要脫出C3、C4，生產LPG，罐裝給當地居民使用，塔底出來的C5以上產品（比較穩定，揮發性?。┳鳛檩p油直接輸送到輕質油儲罐。

3.4 CO2氣驅采油

本項目的一大目的除了注氣提高原油采收率和輸往電站發電外，還有著其政治和社會目的的考量，那就是節能減排，保護當地生態環境。

MDEA脫碳裝置會脫出大量的CO2直接排放到大氣中，盡管CO2本身并無污染，但是會造成溫室效應。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散，其結果是地表變熱起來，導致氣候反常，風暴增多，土地干旱，沙漠化面積增大。同時，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，油區不斷的向外排放CO2氣體對當地環境和生態肯定是不利的。針對大型CO2排放點的減少80%～90%CO2排放量的有效措施,CO2的捕獲、儲存和利用即CCSU(Carbon Capture,Storage and Utilization)正在不斷開發和完善中[6]。

作為單純的CO2氣體，對于低滲透油田是一種非常好的氣驅資源，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、注水開采的效果都要好。而且，美國的經驗已經證明地質封存CO2和天然氣封存、提高原油采收率一樣安全。

本項目預計脫除的CO2體積流量為0.7MMSCFD，質量流量約1.53 t/hr。參照國內延長油田CO2氣驅的工程實際經驗，每口注氣井平均每天可注10～15t CO2，本項目可供三口注氣井注氣，可作為蘇丹國內CO2驅油的先導實驗區先行先試，取得預期效果后大力推廣和應用。

4 結語

（1）Neem油田氣體綜合利用項目目標天然氣產品合格達標，既能用來高壓注氣，也可外輸到Fula電站作為發電機組燃料，滿足了業主單位GNPOC的預期要求。

（2）本工程低溫分離的重烴組分經兩級分餾后，衍生產品有普通燃料氣、民用LPG和輕油產品，MDEA脫碳裝置脫出來的CO2也可用來氣驅采油，均能創造一定的經濟效益和社會效益；

（3）本工程工藝流程設計合理、先進，對資源進行了充分利用，做到了不浪費，無污染和“近零排放”，對蘇丹各油田節能減排、提產增效具有重大的指導意義。

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

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

[3]汪玉同.天然氣中CO2脫除技術.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.國內外天然氣脫水工藝技術現狀調研[J].科技創新與應用，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處理方案研究[J].船舶與海洋工程，2015(1):45-48.

[6]吳昊.應對二氧化碳濃度上升問題的研究:CO2的捕獲、儲存與利用[J].中國安全科學學報，2008,18(8):5.