油藏型儲氣庫高效除黑油技術研究與實踐

劉賢明 王鐵軍 賈雪松 王林峰 叢延剛 王緒文 寇 鵬

1. 中國石油北京項目管理公司天津設計院, 天津 300457;2. 大港油田天津儲氣庫分公司, 天津 300270;3. 中國石油吉林油田公司天然氣部, 吉林 松原 138000

0 前言

在采氣期,油藏型儲氣庫采出的天然氣會攜帶少量黑油[1],造成下游設備、管線堵塞,影響裝置安全運行,通過對黑油的產出、影響及危害分析，以及物性及沉積機理的探討[2],設置了旋流分離器+過濾分離器兩級過濾除黑油流程[3],從天然氣中過濾出99.9%以上直徑大于 1 μm 的液滴[4],成功解決了儲氣庫采氣期天然氣攜帶黑油進入后續低溫處理裝置的問題。通過對過濾系統的研究,研發出了一體化精細除黑油分離器,此分離器將更高效地提高油藏型儲氣庫的除黑油效果。

1 儲氣庫黑油的產出

大港儲氣庫群的某儲氣庫是中國首座利用枯竭油藏建庫,屬于油藏型儲氣庫。在采氣期時,對3口黑油井進行生產參數統計,見表1。

表1 3口黑油井生產參數表

3口黑油井在開井后由于冬季調峰提產要求,頻繁調整油嘴,發現黑油后不再進行油嘴調整。通過對3口黑油井生產數據分析,在油壓較低時頻繁擴產可導致黑油產出提前,降低采注比。因此,在生產期對3口黑油井采取限產方式生產,減少或避免油嘴上調以延遲黑油產出時間。

2 黑油產生的影響及危害

經設備拆檢發現,黑油產生位置主要包括低溫分離器、管殼式換熱器、乙二醇再生系統、丙烷蒸發器等處,見圖1。結垢為固態、微粒狀黑色物質,比水輕,點火可燃燒,室內放置部分揮發。

圖1 裝置拆檢照片

油藏型儲氣庫采用低溫法進行露點控制,制冷后的介質溫度遠低于黑油的凝固點。以某儲氣庫為例,露點控制系統預冷器的制冷溫度為25 ℃,J-T閥、丙烷蒸發器的制冷溫度為-5～-15 ℃,而黑油的凝固點為35 ℃。井流物中攜帶的黑油進入空冷器和后續管路、設備,在預冷器和后續管路中發生凝固,極易造成黑油附著在管壁上,隨著運行時間的增長,黑油附著量逐漸增加,造成后續管路、設備堵塞,對整個“油藏型”儲氣庫的安全生產造成惡劣影響。

為了摸索黑油與輕烴、黑油與乙二醇溶液在不同溫度下的物態變化規律,取某儲氣庫黑油樣品與輕烴,記錄各溫度下樣品顏色、狀態、燒杯內壁黑油吸附情況。黑油與輕烴混合降溫實驗記錄見表2,黑油與輕烴混合不同溫度油樣狀態見圖2。

a)50 ℃時油樣狀態

表2 黑油與輕烴混合降溫實驗記錄表

以上實驗主要為黑油樣品靜止狀態所得,實際運行儲氣庫采氣工況中由于降溫過程析出大量游離液會對黑油產生稀釋作用而降低其凝固點,減緩其在各溫度節點流動性及黏度變化;且管道中天然氣為高速氣流,黑油在管壁某個點的滯留時間遠小于實驗狀態,在高速氣流疏通沖洗下會減少在管壁形成聚結的數量。

對于油藏型儲氣庫,若井流物中的黑油不能得到有效分離,則一部分將隨天然氣一起進入低溫分離器。黑油密度通常為0.9 g/m3,而吸水后的富乙二醇(質量濃度為50%～60%)密度為1.049 g/m3,兩者相差較小,在低溫分離器中無法實現有效分離,從而帶入乙二醇再生系統。取某儲氣庫黑油樣品分別與乙二醇混合,記錄各溫度下樣品顏色、狀態、燒杯內壁及溫度計外壁黑油吸附情況。黑油與乙二醇混合升溫實驗記錄見表3,黑油與乙二醇混合15 ℃、70 ℃、110 ℃時油樣狀態分別見圖3～5。

表3 黑油與乙二醇混合升溫實驗記錄表

圖3 15 ℃時黑油與乙二醇富液狀態照片

圖4 70 ℃時黑油與乙二醇富液狀態照片

圖5 110 ℃時黑油與乙二醇富液狀態照片

實驗中,隨著溫度升高,乙二醇溶液中黑油顆粒逐漸變小,由松散塊狀顆粒直至與溶液混溶;同時,隨著溫度升高,黑油硬度逐漸變軟、黏度變小、流動性增強。溫度40 ℃時,黑油黏度開始明顯減小,流動性及吸附性開始增強;溫度90 ℃時,黑油與乙二醇出現混溶。實際運行中,乙二醇再生系統運行溫度為15～120 ℃,黑油會在乙二醇再生系統的過濾器、換熱器、閃蒸分離器及管路中聚結,造成設備及管路堵塞,乙二醇泵出現故障,影響乙二醇再生效果。

3 黑油物性分析及沉積機理

儲氣庫生產中所指的“黑油”,即為凝固點較高的采出氣伴生油品,其性質接近于石蠟。為進一步分析油品組成,采用四組分分離法,此法最早由Corbett提出,包含有飽和分(Saturates)、芳香分(Aromatics,也稱環烷-芳香分Naphthene-aromatics)、膠質(Resins,也稱極性芳香分Polar-aromatics)及瀝青質(Asphaltenes)四組分,亦稱SARA法。重質油四組分中,飽和分由烴類組成；芳香分基本也屬于烴類,含有一些含硫、氮的雜環化合物;膠質和瀝青質則完全由非烴化合物組成,即由苯環和芳環縮合而成。依據SH/T 0509—2010《石油瀝青四組分測定法》的方法,對某儲氣庫在不同分離器處取油樣進行四組分分析,結果見表4。

表4 某儲氣庫不同分離器油樣四組分分析結果表

由表4可知,預分離器、生產分離器、低溫分離器油樣的飽和分含量逐漸增加,膠質、瀝青質含量逐漸降低。這是因為,各井場來井流物匯總進入預分離器[5],得到的油相膠質、瀝青質含量較高,經生產分離器分離后,重組分(膠質、瀝青質)因分子結構復雜,以較大顆粒形式存在,因此被分離富集到液相中。經過重力分離和節流后的天然氣,已脫除部分膠質、瀝青質等重組分,低溫分離器油相中,主要為直鏈烷烴、環烷烴等組分。

對以上油樣進行化驗,天然氣經過預分離器、生產分離器、低溫分離器,分離得到的油品密度、凝固點變化趨勢見圖6。

圖6 不同分離器油樣凝固點與密度關系圖

由圖6可知,天然氣經過預分離器、生產分離器、低溫分離器,分離得到的凝液密度逐漸降低、凝固點逐漸升高。低溫分離器油相主要為直鏈烷烴、環烷烴等組分,此部分大分子直鏈烷烴亦石蠟的基本組成,因此,低溫分離器中油相石蠟含量過多,導致凝固點升高,甚至析出堵塞管道,這也是黑油產生的根本原因[6]。

4 除黑油技術研究

原油根據蠟質量含量可分為三類:即低含蠟0.5%～2.5%、含蠟2.5%～10%、高含蠟>10%。某儲氣庫的黑油蠟質量含量14.5%,為高含蠟,需考慮設置除黑油工藝。

天然氣攜帶的液滴為復雜的油水混合物,根據液滴大小的不同,將液滴分為飽和凝析、霧化、液滴夾帶三種存在狀態,見圖7。

圖7 天然氣中液滴存在狀態分布圖

1)液滴以飽和凝析狀態下存在于天然氣中時,液滴直徑為0.1～10 μm。

2)液滴以霧化狀態下存在于天然氣中時,液滴直徑為10～100 μm。

3)液滴以液滴夾帶狀態下存在于天然氣中時,液滴直徑為>100 μm。

上述三種狀態處于相互轉化的平衡狀態,其中飽和凝析狀態的液滴無法通過肉眼觀察,且大量分離器試驗表明,其存在不受流通通道的限制,僅與液滴組成、溫度壓力、氣流性質有關。

綜上所述,高含蠟原油采出時,受重力分離器的效果限制,天然氣攜帶少量黑油組分(粒徑10 μm以下)進入下游裝置,并且隨著逐級分離,石蠟的組成逐漸升高。凝液經過低溫系統時,由于黑油凝固點高、遇冷凝結,造成后續管殼式換熱器、丙烷蒸發器等設備壓差增大,黑油被攜帶到了乙二醇再生系統,固體黑油顆粒堵塞了乙二醇泵入口過濾器,導致乙二醇泵的波動。

通過停產儲氣庫副產黑油井,對采氣裝置進行觀察,發現某儲氣庫露點裝置各節點壓差逐漸恢復正常,乙二醇富液過濾器內部黑油量也逐漸減少,系統均恢復到正常工作狀態。因此,生產操作也驗證了黑油存在對露點控制裝置的影響。

為避免由于天然氣處理裝置攜帶的黑油進入下游乙二醇再生單元,影響乙二醇泵的波動,某儲氣庫將原有乙二醇貧液泵入口過濾器更換為濾網精度120目的過濾器,在采氣后期乙二醇系統又出現黑油,造成乙二醇泵波動,更換濾芯頻率增加,未能從根本上解決黑油出現造成的乙二醇泵波動問題。

對于油藏型儲氣庫,防止黑油對露點控制裝置造成的影響,最有效的方法是在流程上進行控制,當井流物進集注站后,先將其中的黑油組分脫除再進入后續裝置進行處理。因此,對于露點控制裝置前黑油的脫除,技術核心在于對黑油徹底、有效地進行脫除,即研發高精度、高效過濾分離設備。

5 高效除黑油設備研究

5.1 油氣田常用的油氣分離設施

油氣田常用的油氣分離設施主要有:高效聚結器、過濾分離器、內裝絲網除沫器型分離器、旋流分離器、普通重力沉降式分離器等。各分離器設備能力對比見表5。

表5 分離設備能力對比表

對于脫除油藏型儲氣庫井流物中攜帶的黑油,為從源頭阻止黑油進入下游冷卻系統,需要在生產分離器出口設置高效過濾分離器設施,如果單獨設置過濾分離器,天然氣進入到過濾分離器時,黑油直接進入濾芯,可能導致濾芯堵塞失效,影響使用壽命及使用效果,因此考慮采用旋流分離器+過濾分離器的兩級分離:第一級分離將天然氣中直徑大于10 μm液滴進行粗分；第二級分離將天然氣中直徑大于1 μm及以上的液滴進行細分,嚴格控制進入下游的黑油量,防止黑油發生聚結、沉積。旋流分離器、過濾分離器外形見圖8。

a)旋流分離器

5.1.1 旋流分離器

旋流分離器設備的主要功能是除去輸送介質氣體中攜帶的顆粒狀雜質和液滴[7],達到氣固液分離,以保證管道及設備的正常運行。在設計壓力和氣量條件下,均可除去≥粒徑10 μm的固體顆粒。在工況點,分離效率為99%[8],在工況點±15%范圍內,分離效率為97%。正常工作條件下,單臺旋流分離器在工況點壓降不大于0.05 MPa[9]。

5.1.2 過濾分離器

過濾分離器不受氣體流量波動的影響,操作和分離效果穩定。過濾分離器對粒徑0.1 μm的分離效率為99.9%[10],粒徑0.3 μm的分離效率約為100%。根據近期分離設備研究,操作正常時,氣體中的粒徑0.01～10 μm 液滴比例約占40%[11]。其他設備對這種液滴的分離效率很低[12]。濾芯在設備正常使用情況下,使用壽命≥12個月,如果過濾器濾芯的前后壓差大于0.3 MPa時,需要更換過濾器濾芯[13-14]。

基于以上研究分析,某儲氣庫在露點控制裝置中增設了旋流分離器+過濾分離器,增設后有效地解決了天然氣攜帶黑油問題,后續換熱器、低溫分離器、乙二醇再生裝置均運行平穩,未出現黑油堵塞設備及管道情況。某儲氣庫除黑油過濾器現狀見圖9。

圖9 某儲氣庫除黑油過濾器現狀照片

5.2 一體化精細除黑油分離器

基于對重力分離設備的優化,以及多種分離原理組合,本文作者研發一體化精細除黑油分離器以適應油藏型儲氣庫在采出天然氣時攜帶的黑油。

5.2.1 重力分離設備優化

油藏型儲氣庫[15-17]進站分離系統可采用蛇形板填料型分離器進行氣液分離,分離出天然氣攜液直徑小于10 μm。經過對填料效果及液滴凝結規律的分析研究,采用二級蛇形板聚結器的內部結構,根據需求聚結的液量,優化一級、二級蛇形板的總體長度。蛇形板結構見圖10～11,液滴在彎曲通道發生聚結、強化分離效果,重力聚結分離后氣相中液滴粒徑均<10 μm。考慮到高黏原油在蛇形板上不易清潔,在各級聚結器入口設置反沖洗口,便于設備的清洗和維護。

圖10 蛇形板不銹鋼波紋片

圖11 蛇形板聚結原理圖

5.2.2 創新出口高效除油設計

為進一步提高油藏型儲氣庫進站分離系統的分離精度,在蛇形板填料型分離器后增加更高精度的過濾分離設備。

蛇形板填料型分離器后的過濾分離設備可采用絲網除沫器型分離器也可采用高精度過濾分離。采用高精度過濾分離器,分離精度最高,分離粒徑可達到0.5 μm,但其濾芯對液體的黏度要求較高,蛇形板填料型分離器分離出的天然氣中若攜帶黑油組分,則極易造成濾芯堵塞,影響采氣裝置正常運行。而采用絲網除沫器型分離器作為二級分離設備,分離后的天然氣攜液直徑為5 μm仍偏高,無法徹底避免黑油進入下游工段。

近年來，中國在高效纖維過濾技術上的研發取得了較好的成果,并成功應用于煤氣、天然氣及煤層氣的凈化工藝中。高效纖維濾料具有很大的空隙率,吸附能力強、,彈性好。實際使用過程中,啟用初始阻力小,由于粉塵及油漿在濾料中呈現立體的彌散式分布,生產過程中納污量大,系統阻力上升緩慢,操控性能好,且耐受性能好,操作彈性大,不受氣量的大幅波動及總阻力的增大而損壞。經過該過濾材料后天然氣中液滴顆粒直徑可降低為<1 μm,因此這種過濾介質較適用于氣量波動大、雜質成分復雜的采出氣黑油精細過濾。

由于該材料會吸附液滴中的雜質,需要定期更換,因此考慮在填料型過濾器出口端設置過濾組件,并在工藝上設置旁通,保證濾料可以隨時拆卸及更換。濾料的厚度及相關參數需要通過實驗確定,包括對濾料厚度、壓實厚度、纖維直徑、空隙率、孔數及過濾精度的實驗分析,最終確定適宜儲氣庫黑油精細過濾的濾料參數。

經優化組合,形成的一體化精細高效除黑油分離器將會更高效地提高油藏型儲氣庫的除黑油效果。

6 高效除黑油分離器位置

針對油藏型儲氣庫采氣工藝流程,高效除黑油分離器可設置在空冷器前和空冷器后。設置在空冷器前由于天然氣溫度高且剛經過重力分離,進入高效除黑油分離器后脫除的液量少;而設置在空冷器后由于天然氣經過空冷器降溫,會析出部分烴液及水,進入高效除黑油分離器后脫除的液量多,可降低后續注乙二醇量。因此,從節能降耗角度分析建議將高效除黑油分離器設置在空冷器后[18-20]。

7 結論

1)油藏型儲氣庫采氣期,在油壓較低時頻繁擴產可導致黑油產出提前,降低采注比。井流物中攜帶的黑油進入空冷器和后續管路、設備,在預冷器和后續乙二醇再生系統中發生凝固,極易造成黑油附著在管壁上,隨著運行時間增長,黑油附著量逐漸增加,造成后續管路、設備的堵塞,對整個地下儲氣庫安全生產造成惡劣影響。

2)黑油產生主要由石蠟組分的析出和凝結導致。采出氣、凝液經過兩級重力分離后,分離出部分膠質、瀝青質,使得凝液中蠟含量升高,不受分散作用的控制,使原油的凝點升高。對于露點控制裝置前黑油的脫除,技術核心在于對黑油徹底、有效地脫除,即研發高精度、高效率過濾分離設備。

3)通過兩級過濾除黑油工藝流程,在預冷器出口設置旋流分離器+過濾分離器,從天然氣中過濾出粒徑大于1 μm,99.9%以上的液滴,減少天然氣攜帶黑油進入后續低溫處理裝置,某儲氣庫有效工作氣量為4.17×108m3,采出天然氣攜帶黑油致裝置被迫停產,大大降低儲氣庫冬季為周邊地區調峰供氣的靈活性,該項目除黑油設備改造投資僅1 350萬元,技術經濟及社會效益明顯。兩級過濾除黑油技術在中國首座油藏型儲氣庫的成功應用，可為后續同類型儲氣庫的建設提供了經驗借鑒。

4)通過對不同類型分離器的研究,研發出一體化精細高效除黑油分離器,此分離器會更高效地提高油藏型儲氣庫的除黑油效果。

5)建議將此高效除黑油分離器設置在采氣裝置空冷器后,可降低注入乙二醇循環量,貫徹節能降耗的運行理念。