高含硫油井的酸氣回注技術——以順北井區為例

葉 帆 王壽喜 姚麗蓉 全 青 王 晨 王蘇雯

1. 中國石油化工股份有限公司西北油田分公司工程技術研究院, 新疆 烏魯木齊 830011; 2. 西安石油大學石油工程學院, 陜西 西安 710065

0 前言

作為經濟環保的酸氣處理技術,歷經30多年的研究和工程實踐,酸氣回注的工藝技術和應用研究已取得很多成果,其工程應用也越來越廣泛。我國含硫油氣田眾多,酸氣回注技術的推廣應用將產生重大經濟和社會效益。酸氣回注工程首先要考慮回注地層和井筒回注工藝,確定井口所需的回注壓力。本文以中石化西北分公司順北井區二號聯(以下簡稱二號聯)油井酸氣回注工藝為例,綜合考慮回注酸氣組分和回注條件,通過案例分析,闡述地層選擇、井口壓力確定、壓縮機選型、材料等工藝分析方法及方案制定應用技術。

1 研究區概述

經多年擴建改造,目前二號聯天然氣處理的工藝流程見圖1，生產凈化天然氣、液化石油氣、輕烴、硫黃等產品,二號聯天然氣處理站生產數據見表1。

圖1 二號聯天然氣處理工藝流程

表1 二號聯天然氣處理站生產數據

序號項目數量1原料氣量/(104 m3·d-1)222外輸干氣量/(104 m3·d-1)105液化石油氣產量/(t·d-1)44.786輕烴產量/(t·d-1)14.217酸氣(45.87 H2S,46.14 CO2)/(m3·d-1)12 0008硫黃/(t·a-1)2 000

由于規模小、分散,硫黃回收裝置效率低、產品品質差,加之硫黃市場低迷,造成大量低品質硫黃的積壓,形成二次污染。目前的處理方式不僅造成了含硫原油和天然氣的生產處理成本高,同時還形成環境污染的壓力。因此,經過長期考察和縝密分析,擬采用回注方法來封存酸性原油和天然氣生產過程中的酸氣,將有害氣體永久性封存在廢棄儲層中,徹底避免污染環境[1-3]。

2 二號聯酸氣回注工藝設計

2.1 酸氣組成及回注條件

二號聯12 000 m3/d的酸氣從MDEA裝置回流罐頂部出來,狀態為90～100 kPa和41.7 ℃,屬飽和含水濕酸氣,其組分構成見表2。

表2 二號聯初始酸氣組分

綜合考慮地質和非地質因素:包括源—地接近度、蓋層密封性、容量、儲層流動性、酸氣—巖石反應性、能源礦物資源及地下水保護、鉆孔完整性及公眾安全等因素[4-6],最終選擇距二號聯2.5 km的ZD 8-212井將酸氣回注到垂深為5 547.44 m的奧陶系地層,實現酸氣同層封存。

回注井距二號聯2.5 km,源、地接近,中間無障礙,ZD 8-212回注井位置圖見圖2。回注井筒6 040 m斜/5 547.44 m垂,油管內徑76 mm;地層壓力60.07 MPa、溫度100 ℃，ZD 8-212井身結構見圖3。

圖2 ZD 8-212回注井位置

2.2 酸氣井口回注壓力和相態分析

井口到井底的流動和相態分布是酸氣回注系統設計及運行的關鍵參數,井口回注壓力估計的正確與否,對整個酸氣回注系統具有重要影響[7]。

圖3 ZD 8-212井井身結構

針對二號聯初始酸氣組分及ZD 8-212回注井井身結構和井筒數據,通過ZD 8-212井向壓力為60.07 MPa、溫度為100 ℃的地層，注入12 000 m3/d溫度為20 ℃的酸氣,采用文獻7的方法和GLEWPro軟件,可初步確定井口回注壓力為11.878 MPa,沿井筒的流動和相態分布見表3。

表3揭示了該條件下酸氣井筒回注的流動和相態變化過程,通過分析可知此過程具有下述特征:

1)液相注入,井口回注壓力為11.878 MPa,據此可初步確定酸氣回注所需要的壓力等級,進行下一步壓縮、脫水和管道輸送工藝設計。

2)井筒酸氣液柱靜壓為48.1 MPa,井口回注壓力主要由酸氣液柱靜壓來決定,井筒流動摩阻損失貢獻較小。

4)注入量小,井筒平均流速為0.055 m/s,緩慢流動致使酸氣在井筒中充分加熱,井底酸氣流動溫度達88.4 ℃。

5)井口回注溫度為20 ℃,地層溫度為100 ℃。井口回注溫度越低,需要的回注壓力就越低,地層溫度越高,需要的回注壓力則越高;總之,井口所需回注壓力隨井口回注溫度和井筒溫度分布的降低而降低。

初始飽和含水酸氣經壓縮和脫水后,其組分、性質和注入量都發生變化,最終的回注酸氣是壓縮脫水后的酸氣,注入量為11 120.13 m3/d,壓縮脫水過程脫除712.466 kg/d的酸水。

在其他條件不變的情況下,經井筒流動和相態分析確定的壓縮脫水后酸氣井筒回注過程具有下述特征:

1)液相注入,井口回注壓力為12.089 MPa。脫水后酸氣密度減低和注入量減小使所需回注壓力略微降低。

2)脫水充分,全程無游離水產生,無須考慮井筒酸氣腐蝕問題。

圖4對比了壓縮脫水前后酸氣回注井筒壓力、溫度分布,井筒壓力在井底傾斜段的變化明顯減緩,其中壓力分布只有微小變化,壓縮脫水后酸氣在井筒的溫度略微增加。

通過初始飽和含水酸氣回注壓力及井筒流動分布分析,初步確定了酸氣回注所需要的壓力等級,據此可進行壓縮、脫水及管道輸送工藝分析和設計[8-9]。

表3 初始酸氣回注井筒流動和相態分布

順序井深/m壓力/kPa溫度/℃密度/(kg·m-3)黏度/(mPa·s)流速/s氣相Mass/()水相Mass/()凝析相Mass/()1011 878.520.000 0866.6800.101 810.055 8503.699 3796.300 6230214 456.322.115 2874.1080.103 650.055 3803.672 2796.327 7360417 053.124.555 4879.5560.105 040.055 0403.641 2796.358 7490619 663.627.302 5883.3840.106 050.054 8003.606 1096.393 951 20822 283.630.300 5886.0120.106 790.054 6303.566 9196.433 161 51024 910.133.502 8887.7470.107 310.054 5303.523 7696.476 271 81227 540.736.869 8888.8200.107 680.054 4603.476 6896.523 382 11430 173.840.368 2889.4060.107 930.054 4303.425 6296.574 492 41632 808.143.970 4889.6390.108 090.054 4103.370 5596.629 5102 71835 442.747.653 7889.6180.108 200.054 4103.311 3496.688 7113 02038 081.651.402 1889.4310.108 260.054 4203.247 8596.752 2123 32240 771.555.224 2889.2550.108 340.054 4403.179 4496.820 6133 62443 411.859.051 0888.8850.108 360.054 4603.107 0996.892 9143 92645 993.362.877 6888.3110.108 340.054 4903.030 6696.969 3154 22848 490.866.692 5887.4820.108 250.054 5402.950 1997.049 8164 53051 072.170.579 6886.8120.108 210.054 5902.863 3897.136 6174 83253 790.674.544 4886.4610.108 250.054 6102.769 5197.230 5185 13456 502.878.497 9886.1230.108 290.054 6302.670 4497.329 6195 43658 841.382.273 6884.9510.108 130.054 7002.570 7297.429 3205 73860 263.785.669 4881.6460.107 450.054 9102.476 9397.523 1216 04060 070.088.445 9874.3780.105 820.055 3602.398 0397.602 0

a)井筒壓力與井身關系

b)井筒溫度與井身關系

2.3 酸氣回注壓縮工藝

綜合考慮二號聯酸氣回注所需的井口壓力及站內處理工藝、管道、井筒及今后酸氣注入量變化的壓力需求后,遵循API 617[10]和API 618[11]規范,采用4級壓縮工藝且每級壓比3.5,將酸氣壓力從0.1 MPa增至15 MPa。酸氣回注壓縮工藝見圖5。

圖5 酸氣回注壓縮工藝

(1)

采用4級壓縮,每級壓比3.5,出口壓縮酸氣冷卻至50 ℃,則壓縮過程酸氣組分和流量變化見表4。

2.4 酸氣脫水及腐蝕防護

1)酸氣脫水至關重要,必須充分地脫除酸氣中的水分,避免產生水化物阻礙和堵塞流動,或產生游離水腐蝕管道和設備。

表4 酸氣壓縮過程分析

項目初始酸氣1級壓縮2級壓縮3級壓縮4級壓縮酸氣組分(mol分數) H2O0.077 00.036 3440.011 230.004 4280.004 428 H2S0.458 70.478 8720.491 2920.494 6220.494 622 CO20.461 40.481 7480.494 3620.497 8110.497 811 CH40.002 20.002 2970.002 3580.002 3740.002 374 C2H60.000 40.000 4180.000 4290.000 4320.000 432 C3H80.000 20.000 2090.000 2140.000 2160.000 216 N20.000 10.000 1130.000 1160.000 1170.000 117壓縮前(氣相) 壓力/MPa0.10.10.351.2254.287 5 溫度/℃41.741.7505050 流量/(m3·d-1)12 00012 00011 492.411 198.6311 120.13酸水相組分(mol分數) H2O9.98 E-019.91 E-019.74 E-010.00 E+00 H2S1.86 E-036.53 E-031.99 E-020.00 E+00 CO25.90 E-042.02 E-036.07 E-030.00 E+00 CH41.42 E-075.01 E-071.72 E-060.00 E+00 C2H63.73 E-081.26 E-073.52 E-070.00 E+00 C3H81.13 E-083.64 E-088.41 E-080.00 E+00 N23.57 E-091.30 E-084.94 E-080.00 E+00壓縮脫水后 壓力/MPa0.351.2254.287 515.01 溫度/℃50505050 酸氣相mol/()95.7797.43899.299100(液相) 酸水相mol/()4.232.5620.7010 酸氣量/(m3·d-1)11 492.411 198.6311 120.1311 120.13 酸水量/(kg·d-1)409.0238.764.7660

盡管不需專門的脫水裝置,但仍需設置甲醇注入裝置,以防止投產過程或冬季極低溫度下生成水化物。

2)NACE標準MR 0175[12]規定了存在H2S應力腐蝕情況下的材料選擇法。

在無游離水的情況下,H2S和CO2都不具腐蝕性。因此,酸氣系統材料選擇和腐蝕設計的一個重要原則就是:在有游離水產生的地方選擇防腐材料，而在無游離水的地方采用常規設計。因此確定二號聯酸氣回注系統各部分的材料要求:壓縮機前初始酸氣管線采用316 L;脫水分離器全部采用316 L;脫水分離器前管線采用316 L,后管線采用碳鋼;1、2級冷卻換熱器酸氣流程采用316 L,上游管線采用碳鋼,下游管線采用316 L;壓縮機:1級壓縮采用316 L,其后各級采用碳鋼;壓縮脫水后管道和設備采用碳鋼。

2.5 酸氣管道選擇

通過管道將壓縮后的酸氣輸送到2.5 km的ZD 8-212回注井,管道沿線地勢平坦,無高差起伏。由于管道流動過程中無游離酸水產生,故選用X 70碳鋼;管線外側需設防腐涂層,以防止環境引起的外部腐蝕。管道全程埋地敷設,埋深必須在冰凍線以下,保證沿線溫度不低于3 ℃,以防止游離水相產生。

表5 酸氣管道選擇計算

規格型號管道內徑/mm管道外徑/mm管道壁厚/mm流速/(m·s-1)雷諾數?Re㊣摩阻系數單位壓降/(kPa·m-1)管道總壓降/kPa1/2″Sch-STD15.79621.3362.771.196 02159 9760.025 8931.048 392 620.973/4″Sch-STD20.9326.672.870.681 23120 7350.024 60.243 872609.681″Sch-STD26.64133.4013.380.420 46694 853.30.023 8360.070 722176.8041″Sch-16020.733.46.350.696 4122 0710.024 640.258 1645.272

表5列出不同規格管道二號聯酸氣流動情況,其中1/2″Sch-STD管道的壓降太大不予考慮;3/4″Sch-STD和1″Sch-STD管道的壓降在合理范圍內,1″Sch-STD管道流速小可能會造成積液殘留。針對最大運行壓力16 MPa的X 70管材,通過GB 50253-2014《輸油管道工程設計規范》[13]和ASME B 31.3 Process Piping[14]計算的所需壁厚均小于0.44 mm。故綜合考慮水力流動和強度需求,選擇管道3/4″Sch-STD,內徑20.93 mm,壁厚2.87 mm,腐蝕余量>2 mm,下面校核其所需壁厚。

在充分滿足回注需求變化的情況下,應盡可能選擇較小的酸氣輸送管線，一方面是因為經濟性和流動性好；另一方面是小管道存儲的有毒氣體更少、更安全,所需的應急措施也更少。

2.6 安全與應急

2.6.1 截斷閥布置及應急響應

劇毒酸氣的泄漏將危害管道周邊區域公眾的生命安全,因此需設置管道緊急截斷閥,在泄漏事故發生時,根據壓降瞬時變化率,自動關閉泄漏點上下游的截斷閥,最大程度地減少酸氣泄漏量和影響,將酸氣泄漏控制在可接受范圍內。

二號聯酸氣回注管線截斷閥間的最大允許間距按下式確定:

Lv

=61 193.41

(2)

級別H2S泄放量/m3隔離區距離1<300管道路權范圍2300～2 0000.1 km到單個居民點或未設限農村0.5 km到鄉鎮中心32 000～6 0000.1 km到單個居民點或每64.7×104 m2 8戶居民0.5 km到未設限農村中心1.5 km到鄉鎮中心或公共設施4> 6 000參照特殊規定但不低于第3級的要求

由式2可見,2 500 m管道內H2S的總存量為332.64 kg,計算的閥間距遠大于管道總長度,不需設置緊急截斷閥。

2.6.2 泄漏檢測

由于輸送介質的特殊性,酸氣回注系統的安全和泄漏檢測尤為重要,任何冗余的安全措施都不過分,特別是在入口稠密地區,應設置多種泄漏檢測系統。

分別在管道首末端點安裝溫度、流量和壓力傳感器,建立SCADA系統,采集管道端點實時運行數據,及時掌控酸氣回注系統的運行狀態。由于回注系統的酸氣處于超臨界狀態,API 1130[15]所規定的質量守恒、負壓波和動態模型方法都能有效地發現輸送管道中微小的酸氣泄漏。

3 二號聯酸氣回注工藝

根據回注條件和要求,充分考慮壓縮、脫水工藝,最終確定了二號聯酸氣回注工藝方案，見圖6。采用源頭增壓方案,自MDEA裝置酸氣出口管線接入回注增壓脫水系統,以便酸氣壓縮、脫水裝置的集中建設和運行管理。

圖6 二號聯酸氣回注工藝方案

具體工藝參數:

1)初始酸氣:90～100 kPa,41.7 ℃,12 000 m3/d。

2)壓縮脫水后酸氣:15 MPa,50 ℃,11 120 m3/d，組分發生變化。

3)壓縮脫水充分,4級壓縮+冷卻+脫水過程脫水效果顯著、充分,后續管道輸送和井筒回注過程中只有凝析相,不需設置專門的脫水裝置。

4)管道:3/4”Sch-STD,X 70,2.5 km,不需緊急截斷閥;管道2端點安裝壓力、流量和溫度傳感器,以檢測管道系統的泄漏狀態。

5)回注井前設置壓力調節閥,以控制回注壓力和流量。

6)井口回注壓力為12.089 MPa,20 ℃,11 120 m3/d。

圖7給出二號聯酸氣回注過程,其中相態和壓縮過程由Ariel Performance計算完成。

4 結論

針對順北井區二號聯油井的實際工況條件,利用相關酸氣回注理論結合實際工況條件,通過理論計算和軟件模擬制定了相應的酸氣回注方案。通過實際的酸氣回注案例分析,針對酸氣回注技術得出如下結論:

1)酸氣回注是特殊的氣體處理工藝和過程,每個酸氣回注項目都不一樣,需要針對工程條件進行慎密的工藝分析和考慮。

2)酸氣回注地層和井口回注壓力是酸氣回注工程項目需解決的首要問題,直接影響后續壓縮、脫水、輸送工藝設計。

3)酸氣回注項目安全與工藝同樣重要,盡管涉及有毒氣體,但未見酸氣回注相關惡性事故的報道。

4)酸氣回注是替代硫黃回收的經濟、環保的酸氣處理方法。我國含硫油氣田眾多,酸氣回注技術的推廣應用將產生重大經濟和社會效益。