注烴溶蠟處理技術在凝析氣田的研究與應用

金光浩

中油遼河工程有限公司

迪那、牙哈、英買凝析氣田雖然含蠟量較高，但因凝析油含量高，其對蠟有溶解作用，故天然氣系統中還未出現過蠟堵現象。克深、大北屬于低含凝析油氣田，凝析油成分含量相對較少，但原料氣組分中含有金剛烷、聯苯等多環芳烴類物質，這些烴類物質在低溫環境下會析出，堵塞設備。由于在氣田脫水脫烴工藝中J-T閥及低溫分離器的溫度最低[1-3]，造成蠟的沉積，引起設備堵塞，導致處理裝置分離效率降低，從而引起外輸天然氣烴、水露點升高，同時還造成以下問題：①堵塞孔板流量計壓差變送器，導致井口計量不準確；②堵塞氣液、低溫分離器的液位計，導致測量不準，尤其是冬季投產時，多次堵塞氣液分離器壓差液位計和浮筒液位計；③蠟進入脫水脫烴裝置的原料氣預冷器和低溫分離器時，堵塞管程和分離元件，影響氣體流通能力和分離效率；④蠟對乙二醇再生裝置造成影響。

兩座氣田天然氣處理廠自2014年、2015年分別投產以來，由于低溫節流造成原料氣預冷器、低溫分離器結蠟問題，一般運行5～7天后，天然氣處理裝置不得不停產進行清蠟處理，使得裝置生產時率低，尤其是克深氣田處理裝置，設計處理量為900×104m3/d，但由于蠟堵，其實際處理量僅能達到350×104m3/d，嚴重影響了裝置正常的生產運行[4]。

1 脫蠟技術概述

目前，脫蠟工藝主要集中在煉油行業的潤滑油生產方面[5]，國內針對天然氣除蠟工藝的系統性研究較少，可借鑒的天然氣除蠟工藝研究成果也較少。同時，由于各氣田均有其不同的特點，含蠟情況也有所不同。現有的含蠟氣田地面生產系統主要通過工程設計或技術改造措施解決析蠟問題，以滿足生產要求，包括：①提高介質溫度(如安裝加熱爐)；②工藝改造(如采用高效分離器)；③添加藥劑(如添加溶蠟劑)[6]。但沒有具體的天然氣脫蠟技術。

塔里木油田部分干氣氣田如克拉2氣田通過分析采用高效分離+熱洗的工藝，效果顯著，主要是天然氣中的蠟進入處理廠形成液滴，便于分離[7]。

2 脫蠟工藝原理及特點

在實際生產過程中，克深、大北處理廠蠟堵問題并不是發生在井口和處理廠氣液分離器，而是發生在J-T閥和低溫分離器，造成芳香蠟沉積蠟堵的原因不全是天然氣組成造成的，主要還是工藝不完善引起的，通過分析，其主要原因是降壓、低溫和加入乙二醇。通過對克深、大北原料氣組分進行取樣分析和對比，發現原料氣中存在組分缺失。同時，分析堵塞物主要成分為聯苯、蒽、菲類多環芳烴物質，與其他天然氣氣田完全不一致，由于添加了其他物質(乙二醇)，在綜合作用下造成裝置蠟堵。

3 克深天然氣脫蠟工藝模擬研究

3.1 模擬方法及輸入條件確定

3.1.1流程模擬基本參數條件

天然氣處理量900×104m3/d，進站壓力11.7 MPa，原料氣分離器溫度25 ℃，低溫分離器溫度-15 ℃，乙二醇注入量1 500 kg/h。

3.1.2模擬方法

如圖1所示，利用HYSYS工藝流程模擬軟件中的Pipe Segment模塊進行天然氣析蠟溫度模擬。

3.1.3組分分析數據處理

根據取樣分析出的實際組分，采用HYSYS軟件對克深天然氣處理廠脫水脫烴工藝中關鍵物流的蠟形成溫度進行了模擬計算。在采用HYSYS軟件進行模擬時發現，質譜分析出的部分組分無法輸入到HYSYS中，但為了使研究結果盡可能與實測值接近，在數據處理時對不能輸入的組分進行了替換處理。替換前后的組分情況見表1。

表1 采用HYSYS模擬時部分組分替換的情況原始組分替換后的組分1-硝基金剛烷2-甲基金剛烷1,3,5-三甲基金剛烷1,3,5,6-四甲基金剛烷金剛烷C14H2OC14H18OC14C15H2OC13H13OP二甲基聯苯

3.1.4研究方案

根據質譜分析結果，將堵塞物成分確定為：金剛烷、萘、甲基萘、聯苯、甲基聯苯、二甲基聯苯、蒽、菲等物質。為了解決以上物質對脫水脫烴裝置J-T閥及低溫分離器堵塞的問題，提出兩種方案：①調整運行參數以緩解蠟析出后對裝置堵塞的影響；②利用以上物質與油品的相溶性，通過注入油品的方式以緩解裝置蠟堵。

3.2 原設計條件下的析蠟溫度模擬

采用HYSYS模擬軟件對原設計條件下各關鍵節點的天然氣析蠟溫度進行了模擬，結果如圖2所示。

從以上HYSYS模擬計算結果可知，原料氣前冷器前天然氣蠟形成溫度為8.2 ℃，低于天然氣工作溫度25～40 ℃，不會造成設備蠟堵。J-T閥前蠟形成溫度為2 ℃，與工作溫度0～5 ℃接近，容易造成J-T閥蠟堵。J-T閥后蠟形成溫度為-7.9 ℃，高于工作溫度-15 ℃，會造成蠟堵，這與實際運行情況一致。

3.3 工藝參數調整對析蠟溫度的影響

根據取樣分析出的實際組分，采用HYSYS軟件分別從調整原料氣分離器工作溫度、乙二醇注入量兩方面對蠟在分離器中的分離效果進行了模擬計算。

3.3.1不同原料氣分離溫度對析蠟溫度的影響

降低原料氣分離器溫度可以降低J-T閥前后天然氣析蠟溫度，有利于蠟的分離。但是，受天然氣水合物形成溫度的限制，原料氣分離器分離溫度不宜低于20 ℃。說明僅通過降低原料氣分離器溫度可以緩解裝置的蠟堵，但并不能有效解決問題。

3.3.2不同注醇量對析蠟溫度的影響

采用HYSYS軟件模擬研究不同注醇量對蠟分離效果的影響，發現改變注醇量對J-T閥前后天然氣析蠟溫度無影響，說明通過改變注醇量不能緩解裝置的蠟堵情況。

3.4 注入油品對脫蠟效果的影響

根據取樣分析出的實際組分，采用HYSYS軟件分別從不同注烴點、不同油品類型及不同注烴量對蠟在分離器中的分離效果進行了模擬計算。

3.4.1注烴點選擇

脫水脫烴工藝流程如圖3所示，結合工藝流程設計及現場實際情況，確定了2個注烴點。注烴點1為原料氣空冷器前，可利用就地溫度計改造為注烴口；注烴點2為原料氣后冷器C管板處，可利用換熱器管板上預留的注醇口。

3.4.2不同油品類型對脫蠟效果的影響

為了考察不同油品對脫蠟效果的影響，分別對塔里木油田英買凝析油、大宛齊凝析油、迪那輕烴、英買輕烴進行了取樣和組分分析，各油品組分組成如表2所列。

同時，采用HYSYS軟件對注入以上各種油品后的蠟形成溫度進行模擬計算，注烴位置分別在原料氣空冷器前(注烴點1)及原料氣后冷器C管板處(注烴點2)，注烴量分別為300 kg/h、600 kg/h和900 kg/h。計算結果見表3。

由以上分析可知，通過注入塔里木油田的凝析油，不僅不能緩解裝置蠟堵，反而加劇了裝置的堵塞；注入輕烴能夠有效溶解天然氣中的蠟，緩解裝置的堵塞情況，保證裝置的平穩運行[8]。因此，推薦向克深處理廠脫水脫烴裝置內注入輕烴以解決裝置堵塞的問題。

3.4.3不同注烴量對脫蠟效果的影響

為了比較在不同注烴位置下不同注烴量對天然氣蠟堵的影響，以確定注烴點位置及注烴量，選用迪那輕烴分別對原料氣空冷器前(注烴點1)注烴及原料氣后冷器C管板處(注烴點2)注烴兩種方式進行了模擬計算。

為指導下一步注烴流程改造及現場試驗，分別對以下3種注烴方案進行了研究。

表2 擬用于克深天然氣處理廠注烴脫蠟的各油品組分組成表y/%組分英買凝析油大北凝析油迪那輕烴英買輕烴C10.000 00.000 00.000 00.000 0C20.067 80.422 60.000 00.000 0C30.484 80.669 70.005 70.000 0i-C40.506 50.596 10.039 60.024 7n-C41.013 61.330 00.740 20.311 7i-C51.145 91.752 76.180 711.262 4n-C51.195 61.765 55.341 311.195 1n-C64.325 56.213 414.764 622.509 9苯5.493 414.566 225.568 718.325 6n-C73.587 37.026 37.313 49.563 6甲基環己烷2.885 76.382 19.043 85.891 8甲苯2.686 510.153 510.463 64.512 7n-C86.639 96.362 58.580 98.349 51,2-二甲苯3.410 12.776 45.079 52.458 91,3-二甲苯0.000 08.886 10.000 00.000 01,4-二甲苯0.000 02.197 60.000 00.000 0n-C92.679 24.505 61.644 51.740 51,3,5-三甲基苯0.682 10.000 00.000 00.227 91-甲基-2-乙基苯0.000 01.932 40.000 00.000 0n-C106.512 14.109 13.450 62.366 5金剛烷0.000 05.882 70.000 00.000 0n-C115.879 00.122 31.130 90.789 8萘0.311 81.375 40.000 00.000 0n-C125.121 13.119 50.515 50.339 2n-C135.396 02.835 00.112 00.097 1甲基萘0.000 00.539 90.000 00.000 0聯苯0.684 80.115 20.000 00.000 0n-C142.806 51.629 00.024 30.033 1甲基聯苯0.000 00.000 00.000 00.000 0n-C155.045 40.974 30.000 00.000 0C16H240.000 00.061 40.000 00.000 0二甲基聯苯0.000 00.051 00.000 00.000 0n-C163.916 10.692 50.000 00.000 0n-C173.675 10.352 20.000 00.000 0二苯比噻吩0.000 00.029 40.000 00.000 0蒽0.000 00.000 00.000 00.000 0菲0.000 00.000 00.000 00.000 0n-C183.597 80.198 20.000 00.000 0n-C193.149 10.119 50.000 00.000 0n-C202.725 90.073 00.000 00.000 0n-C212.481 50.053 20.000 00.000 0n-C222.199 50.041 60.000 00.000 0n-C231.949 60.035 00.000 00.000 0n-C241.641 50.029 10.000 00.000 0n-C251.387 20.022 40.000 00.000 0n-C260.967 40.000 00.000 00.000 0n-C270.908 60.000 00.000 00.000 0n-C280.725 60.000 00.000 00.000 0n-C290.655 20.000 00.000 00.000 0n-C301.459 20.000 00.000 00.000 0

表3 各油品在不同注烴量及不同注烴位置工況下的關鍵物流蠟形成溫度表油品名稱注烴量/(kg·h-1)蠟形成溫度/℃在原料氣空冷器前注烴在原料氣后冷器處注烴空冷后J-T閥前J-T閥后J-T閥前J-T閥后英買凝析油30037.65.4-11.027.921.660038.35.6-13.928.121.890038.45.7-16.428.322.0大北凝析油3008.0-1.5-15.66.2-8.36007.4-4.9-23.16.1-9.09006.5-8.1-28.75.3-10.1迪那輕烴3007.00.0-15.60.0-15.26005.7-2.3-26.1-2.3-25.09004.3-4.9-30.2-4.7-30.1英買輕烴3007.20.4-13.80.4-13.56006.2-1.4-22.2-1.3-21.39005.2-3.3-30.2-3.1-29.0

(1) 方案1：在原料氣后冷器C處注入輕烴，低溫分離器產生的輕烴不循環注入。

在原料氣后冷器C處注入輕烴且低溫分離器產生的輕烴不循環注入方案的HYSYS模擬流程如圖4所示。天然氣處理量900×104m3/d，進站壓力11.7 MPa，原料氣分離器溫度25 ℃，低溫分離器溫度-15 ℃，乙二醇注入量1 500 kg/h，輕質油品注入量0～1 000 kg/h。

J-T閥前后天然氣蠟形成溫度與注烴量關系見圖5。由圖5可知，注烴量越大，J-T閥前后的蠟形成溫度越低，越不容易發生蠟堵。且當注烴量為600 kg/h時，J-T閥前蠟形成溫度為0.95 ℃，J-T閥后蠟形成溫度為-19.3 ℃，均低于操作溫度約4 ℃，能保證裝置不蠟堵。因此，在原料氣后冷器C處注入輕烴，為有效改善裝置蠟堵情況，建議處理量為900×104m3/d時，注烴量≥600 kg/h。

(2) 方案2：在原料氣空冷器前注入輕烴，低溫分離器產生的輕烴不循環注入。

在原料氣空冷器前注入輕烴且低溫分離器產生的輕烴不循環注入方案的HYSYS模擬流程如圖6所示。天然氣處理量900×104m3/d，進站壓力11.7 MPa，原料氣分離器溫度25 ℃，低溫分離器溫度-15 ℃，乙二醇注入量1 500 kg/h，輕烴注入量0～1 000 kg/h。

J-T閥前后天然氣蠟形成溫度與注烴量關系如圖7所示。由圖7可知，注烴量越大，J-T閥前后蠟形成溫度越低，越不容易發生蠟堵。且當注烴量為400 kg/h時，J-T閥前蠟形成溫度為-0.25 ℃，J-T閥后蠟形成溫度為-18.8 ℃，均低于操作溫度約4 ℃，能保證裝置不蠟堵。因此，在原料氣空冷器前注入輕烴，為有效改善裝置蠟堵情況，建議處理量為900×104m3/d時，注烴量≥400 kg/h。

(3) 方案3：在原料氣空冷器前注入輕烴，同時將低溫分離器產生的凝液經“降壓閃蒸+加熱閃蒸”分離后進行循環注入。

在原料氣空冷器前注入輕烴并將低溫分離器產生的輕烴進行循環注入方案的HYSYS模擬流程如圖8所示。天然氣處理量900×104m3/d，進站壓力11.7 MPa，原料氣分離器溫度25 ℃，低溫分離器溫度-15 ℃，乙二醇注入量1 500 kg/h，輕烴補充量為0～30 kg/h。

由表4可知，補充烴量越大，J-T閥前后蠟形成溫度越低，但是降低的程度不明顯。且在不補充新鮮烴液時，循環烴量能夠維持在533 kg/h，J-T閥前蠟形成溫度為-16.5 ℃，J-T閥后蠟形成溫度為-28.9 ℃，均低于操作溫度，能夠保證裝置不蠟堵。因此，在原料氣空冷器前注入輕烴并將低溫分離器產生的烴液進行循環注入時，不補充新鮮烴液便能夠有效改善裝置蠟堵情況，且效果明顯，說明在空冷器前循環注入低溫分離器產生的輕輕能夠將大部分堵塞物成分在原料氣分離器處進行分離，更有利于保護J-T閥和低溫分離器。但是，實際運行過程中發現，開工時如果不注入輕烴，低溫分離器分離出的輕烴量很少。因此，實際操作時可在空冷器前先注入一定量的新鮮輕烴，然后將低溫分離器產生的烴液回收后循環注入到空冷器前。

表4 在空冷器前注油且循環方案天然氣蠟形成溫度與補充烴量關系表補充烴量/(kg·h-1)循環烴量/(kg·h-1)J-T閥前蠟形成溫度/℃J-T閥后蠟形成溫度/℃0533-16.5-28.95544-16.5-29.010552-16.5-29.215561-16.6-29.420571-16.7-29.630587-16.8-30.0

為了考察方案3(原料氣空冷器前循環注入)中金剛烷、菲、聯苯等物質在將低溫分離器產生烴液進行循環注入時是否存在內部循環累積的情況，將方案1和方案3中原料氣分離器和低溫分離器前后物流中各物質的質量流量變化進行了模擬計算，結果如表5所列。

由表5可知，將低溫分離器產生烴液進行循環注入后，天然氣中更多的金剛烷、菲和聯苯在原料氣分離器中被分離下來，不會存在內部累積過程。產品中的菲和聯苯含量比不注油時更低，但金剛烷含量卻更高，實際運行時應加強組分及低溫分離器壓差的監測。將以上3種方案的注烴量與蠟形成溫度進行對比，結果列于表6。

表5 方案1與方案3中各關鍵點介質中蠟質量流量對比kg/h方案組分名稱原料氣分離器入口原料氣分離器氣相出口原料氣分離器液相出口低溫分離器氣相出口低溫分離器液相或循環烴液方案1金剛烷59.9859.130.8532.1027.03菲13.022.2410.780.012.24聯苯28.7924.024.770.6323.39方案3金剛烷59.98176.9810.2049.78127.20菲13.020.6713.020.010.67聯苯28.7935.4727.460.2935.18

表6 3種注烴方案對比表方案方案內容處理量為900×104 m3/d時的注烴量/(kg·h-1)J-T閥前蠟形成溫度/℃J-T閥后蠟形成溫度/℃方案1在原料氣后冷器C處注入輕質油品,低溫分離器產生的輕烴不循環注入6001.0-19.3方案2在原料氣空冷器前注入輕質油品,低溫分離器產生的輕烴不循環注入400-0.3-18.8方案3在原料氣空冷器前注入輕質油品,低溫分離器產生的輕烴循環注入0-16.5-28.9

由表6可知，方案1與方案2進行對比，在原料氣空冷器前注入輕質油品比在原料氣后冷器C處注入輕質油品方案所需的注烴量更少，且脫蠟效果更好，更有利于對J-T閥及低溫分離器的保護，因此，注烴點推薦方案2，在原料氣空冷器前注烴。將方案2與方案3比較，將低溫分離器產生的輕烴進行循環注入，脫蠟效果更好，且輕烴補充量很低，能夠有效減少新鮮輕烴的拉運量。

3.5 試驗效果

綜上所述，只有注入迪那輕烴或英買輕烴，在3種注烴方式下均能有效緩解天然氣中蠟對設備的堵塞。

在3種注烴方案中，原料氣空冷器前注烴并循環的方案可將原料氣中的蠟在原料氣分離器中溶解分離后，再將低溫分離器產生的低溫烴液循環注入，不僅脫蠟效果好，且烴液消耗量最低。

4 克深天然氣脫蠟工藝現場試驗研究

4.1 不注烴試驗

將克深處理廠單套脫水脫烴裝置進行停運、洗蠟、置換后重新投運，裝置在處理量為350×104m3/d、原料氣壓力11.7 MPa、原料氣分離器工作溫度25 ℃、低溫分離器分離溫度-15 ℃的條件下不注烴運行，低溫分離器壓差隨運行時間的變化曲線見圖9。

由圖9可知，在不注烴的情況下，裝置運行1周左右，低溫分離器壓差便從約3 kPa升至約30 kPa，造成低溫分離器內構件嚴重堵塞，影響產品氣氣質。說明克深原料氣中含蠟較多，在不注烴的情況下裝置無法平穩運行。

4.2 原料氣空冷器前注烴試驗

選用迪那輕烴注入原料氣空冷器前，并對脫水脫烴裝置前冷器、后冷器及低溫分離器壓差進行了檢測。其中，第1套裝置處理量300×104m3/d，進站壓力11.7 MPa，低溫分離器溫度-15 ℃，在原料氣空冷器前注入迪那輕質油品101～169 kg/h，各設備壓差變化如圖10所示。第2套裝置處理量700×104m3/d，進站壓力11.7 MPa，低溫分離器溫度-15 ℃，在原料氣空冷器前注入迪那輕質油品350 kg/h，各設備壓差變化如圖11所示。

根據以上裝置運行結果，裝置連續運行2個月，低溫分離器壓差基本維持在4 kPa以內，前冷器和后冷器壓差維持在較低值且基本保持不變，說明在原料氣空冷器前注入迪那輕烴能有效緩解堵塞，該方案可行。

4.3 原料氣后冷器注烴試驗

選用迪那輕烴注入到原料氣后冷器C處，并對低溫分離器壓差進行了檢測。其中，裝置處理量600×104m3/d，進站壓力11.7 MPa，低溫分離器溫度-15 ℃，在原料氣后冷器C處注入迪那輕質油品375～420 kg/h，各設備壓差變化情況如圖12所示。

由圖12可知，裝置連續運行24天，低溫分離器壓差一直維持在7 kPa以內，說明在后冷器C處注入迪那輕烴可以有效緩解裝置蠟堵，且實際注烴量與理論計算值吻合，該方案可行。另外，當注烴量不足時，低溫分離器壓差會逐漸升高，壓差升高后增大注烴量又可使低溫分離器壓差進一步降低。說明注入足量的烴才能保證低溫分離器不被堵塞，注烴量不足同樣會造成堵塞。

5 結語

通過將實驗研究結果和現場應用情況進行對比，在原料氣中加注輕烴溶蠟解堵的新工藝徹底解決了低溫分離器的結蠟堵塞問題，注烴溶蠟解堵技術在天然氣處理工藝技術范疇中屬于新技術，并取得了良好的效果。同時，利用HYSYS軟件建立裝置處理量與注烴量的關系模型，準確計算出不同處理量下最合適的注烴量，裝置的運行參數得到了優化。

注烴溶蠟工藝解決了裝置低處理量運行、頻繁切換、熱水清洗等問題，大幅提升了裝置處理量，產量效益提升，大大減輕了完成產量任務的壓力。裝置總處理能力提升至900×104m3/d，每年能多處理天然氣54×108m3。減少新增蒸汽熱洗及人員操作費用，節約了成本，降低了脫水脫烴裝置堵塞憋壓造成的風險，保障了處理廠的安全生產，避免復合板材料應力疲勞腐蝕，確保裝置本質安全[9]。

注烴溶蠟工藝在塔里木油田其他天然氣處理廠已開始推廣應用，該技術對含蠟天然氣的開發處理提供了有效的解決途徑，為今后類似氣田的開發提供了借鑒。同時，結合克深大北氣田的情況，天然氣組分分析結果大大提升了油田對天然氣組分的新認識，同時，證明了井口天然氣組分分析的準確性對處理裝置的設計至關重要，對新開發氣田組分化驗要求由C7提高到C30，并形成相應的組分分析方法，下一步對現有脫蠟工藝持續展開深化研究，解決輕烴損耗量較大的問題，達到提質增效的目的。