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1、第二章天然气的矿场集输工艺 天然气水汽含量 天然气水合物的形成 天然气水合物的防止措施 第一节天然气水合物生成与防止 一 天然气水汽含量 天然气在地层温度和压力条件下含有饱和水汽 天然气的水汽含水量取决于天然气的温度 压力和组成等条件 天然气含水汽量 通常用绝对湿度 相对湿度和水露点表示 绝对湿度和饱和含水量 天然气绝对湿度 指一立方米天然气中所含水汽的克数 单位可用g m3表示 天然气的饱和含水量 在一定温度和压力下 天然气中可能含有的最大水汽量 即天然气与液态平衡时的含水汽量 水露点 天然气水露点是指天然气在一定压力下析出第一滴水时的温度 即天然气饱和水汽量对应的温度 工程设计中普遍采用是
2、查图法和公式法 图2 1天然气饱和含水量图 非酸性天然气含水量估算 1 非酸性天然气含水量可用下式计算 W 非酸性天然气饱和含水量 mg m3 WO 烃实际含水量 查图2 1 CRD 相对密度校正系数 查图2 1 CS 含盐量校正系数 查图2 1 W 0 983WoCRDCS 酸性天然气含水量估算 2 硫化氢加二氧化碳总含量摩尔浓度小于40 的天然气含水量可用下式计算 W 天然气饱和含水量 mg m3 WC 烃实际含水量 查图2 1 WH H2S实际含水量 查图2 3 WO CO2实际含水量 查图2 2 yc 气体中除CO2 H2S的摩尔含量 yH yO 气体中H2S CO2的摩尔含量 图2
3、2二氧化碳的水汽含量图 图2 3硫化氢的水汽含量图 2 天然气相对湿度 在一定温度和压力下 天然气绝对湿度和饱和含水量之比则为天然气相对湿度 e es 二 天然气水合物 天然气水合物的结构和形成 天然水合物生成条件预则 天然水合物防止措施 1 天然气水合物的结构和形成 天然气水合物是在一定的温度和压力条件下 天然气中某些气体组分 甲烷 乙烷 丙烷 CO2等 与液态水形成的白色结晶固体 外观类似松散的冰或致密的雪 密度为0 88 0 90g cm3 水合物的结构 图2 4天然气水合物的结构 2 天然气水合物的形成条件 必要条件 气体处于水汽的饱和或过饱和状态并存在游离水 有足够高的压力和足够低的
4、温度 辅助条件 如压力的脉动 气体的高速流动 流向突变产生的搅动 弯头 孔板 阀门 粗糙的管壁等 3 天然气水合物生成条件预测 预测天然气水合物生成条件 温度或压力 的方法比较多 而常用的有经验图解法 相平衡常数法 Katz法 和统计热力学法 经验图解法 由天然气的相对密度 根据预测形成水合物的压力 温度曲线 图2 5 求出形成水合物的最低温度 最低压力 图2 5对含H2S的天然气 由于误差较大 不宜使用 若相对密度在两条曲线之间 可采用内插法进行近似计算 图2 5预测形成水合物的压力 温度曲线 由于水合物是一晶状固体物质 天然气中一旦形成水合物 极易在阀门 分离器入口 管线弯头及三通等处形成
5、堵塞 严重时影响天然气的收集和输送 因此必须采取措施防止水合物生成 通常在天然气集输系统采取加热法和注抑制剂法防止水合物形成 4 防止水合物形成的措施 加热法 提高天然气节流前的温度 或敷设平行于采气管线的热水伴随管线 使气体流动温度保持在天然气的水露点以上 是防止水合物生成的有效方法 矿场常用的加热设备有管壳式换热器和水套加热炉 加热法 管壳式换热器 水套加热炉 注抑制剂法 1 抑制剂的种类和特性可以用于防止天然气水合物生成的抑制剂分为有机抑制剂和无机抑制剂两类 有机抑制剂有甲醇和甘醇类化合物 无机抑制剂有氯化钠 氯化钙及氯化镁等 天然气集输矿场主要采用有机抑制剂 这类抑制剂中又以甲醇 乙二
6、醇和二甘醇最常使用 抑制剂的加入会使气流中的水分溶于抑制剂中 改变水分子之间的相互作用 从而降低表面上水蒸气分压 达到抑制水合物形成的目的 广泛采用的醇类天然气水合物抑制剂的物理化学性质如表2 2所列 有机抑制剂的种类 表2 2常用抑制剂的物理化学性质 第二节气田集输流程 气井 集气站 天然气处理厂 首站 一 集输系统的组成 气田矿场集输流程 气田矿场集输流程分为 气田集输管网流程气田集输站场工艺流程 二 气田集输管网类型 气田集输管网流程可分为四种型式 线型管网 放射型管网 成组型管网 环型管网 集输管网流程类型如图2 6所示 图2 6集输管网的类型a 线型管网 b 放射型管网 c 组合型管
7、网 d 环型管网 1 气井 2 集气站 3 集气管道 4 集气总站或增压站 线型管网 线型管网流程的管网呈树枝状 经气田主要产气区的中心建一条贯穿气田的集气干线 将位于干线两侧各井的气集入干线 并输到集气总站 如图2 6 a 所示 该流程适用于气藏面积狭长且井网距离较大的气田 四川卧龙河气田就是采用这种流程 其特点是适宜于单井集气 放射型管网 放射型管网有几条线型集气干线从一点 集气站 呈放射状分开 如图2 6 b 所示 适用于气田面积较大 井数较多 且地面被自然条件所分割的矿场 环型管网 环型管网流程如图2 6 d 所示 适用于面积较大的圆形或椭圆形气田 具备上述条件的气田 如果地形复杂 气
8、田处于大山深谷中 则不宜采用 而以采用放射型管网为宜 四川威远气田即采用这种流程 其特点是 气量调度方便 环形集气干线局部发生事故也不影响正常供气 组合型管网 成组型管网流程如图2 6 c 所示 各种管网结构形式都有各自的优缺点 适用于不同具体使用场合 大部分集输管网采用包括树枝状 放射状 环状结构在内混合结构 其中前面两种组合最为常见 威远气田就有东 西 南 北四条集气干线和一个环形管网 而且是树枝状 放射状和环形管网流程兼备 是四川集气流程型式最多的气田 管网压力等级 集气管网的压力等级分为高压 中压和低压三种 高压集气 压力在10MPa以上 中压集气 压力在1 6MPa 10MPa 低压
9、集气 压力在1 6MPa以下 三 气田集输站场工艺流程 集输站场流程按管辖井数分为单井集输流程和多井集输流程 集输站场流程按天然气分离温度高低可分为常温分离工艺流程和低温分离工艺流程 1 井场装置 井场装置主要功能 调控气井的产量和输送压力 防止天然气形成水合物 井场装置流程通常有两种类型 加热天然气防止水合物流程和注入抑制剂防止水合物流程 井场加热流程 加热流程如图2 7所示 一般适用于气井产量较小的井场装置 压力小于30MPa的高压气井 产量小于1 105m3 d 图2 7井场加热防止水合物流程Wg 气井 VW 采气树针形阀 Hhl 一次加热器 Vgc 气井流量调控阀 Hh2 二次加热器
10、Vpc 采气管线起点压力调控阀 Vgoc 装置截断阀 Lf 采气管线 T 温度计 P 压力表 井场注抑制剂流程 井场注抑制剂流程如图2 8所示 一般当产量大于1 105m3 d时 宜采用注抑制剂防止水合物的井场流程 但同时应与集气站的流程配套 图2 8井场注抑制剂防止水合物流程Wg 气井 VW 采气树针形阀 VSi 抑制剂注入器 Vgc 气井流量调控阀 VPC 采气管线起点压力调控阀 Vgoc 装置截断阀 Lf 采气管线 T 温度计 P 压力表 2 常温分离集气站流程 常温分离 天然气在分离器操作压力下 以不形成水合物温度条件下进行气 液分离 常温分离的集气站流程有常温单井集气站流程和常温多井
11、集气站流程 1 常温分离单井集气站流程 常温单井集气站流程有两种流程型式 图2 9所示流程为气 油和水三相分离 适用于天然气中油和水含量都较多的气井 图2 10所示流程为气液二相分离 适用于天然气中含水量或含油量较多的气井 图2 9常温单井集气站流程 三相分离 图2 10常温单井集气站流程 二相分离 2 常温分离多井集气站流程 常温多井集气站流程有三种流程型式 三相分离流程 二相分离流程和多井轮换计量流程 图2 11所示流程为气 油和水三相分离 适用于油和水含量都较多的气井 图2 12所示流程为气液二相分离 适用于含水量或含油量较多的气井 图2 11常温多井集气站流程 三相分离 图2 12常温
12、多井集气站流程 二相分离 图2 13所示流程为常温集气多井轮换计量流程 适用于单井产量较低而井数较多的气田 全站按井数多少设置一个或数个计量分离器供各井轮换计量 再按集气量多少设置一个或数个生产分离器 分离器供多井共用 3 常温分离多井轮换计量流程 图2 13常温多井轮换计量集气站流程 四川川中的磨溪气田气井多 单井产气量小 平均单井气量1 49 104m3 d 又属于同一产层 因此除试验区26口井作连续分离计量外 其余85口井采用轮换分离计量 3 縸温分离多井轮换计量流程 3 低温分离集气站流程 低温分离集输站功能 收集气井天然气 对收集天然气在站内进行低温分离回收液烃 对天然气进行压力调控
13、以满足集气管线输压要求 计量 3 低温分离集气站流程 低温分离集气站流程分为两种类型 一种流程类型为图2 14所示 液烃和甘醇富液在站内不进行分离 以混合方式出料 将混合液直接输至液烃稳定处理 另一种流程类型为图2 15所示 液烃和甘醇富液在站内经过分离后分别输至液烃稳定装置和甘醇再生装置处理 图2 14低温分离集气站原理流程图 液烃和甘醇富液混合出料 图2 15低温分离集气站原理流程图 液烃和甘醇富液分离后出料 低温集气站的典型流程 图2 16是四川中坝低温集气站原理流程图 该站是节流膨胀低温分离集气站的典型工艺流程 节流后温度 15 18 抑制剂 乙二醇 图2 16四川中坝低温集气站流程图
14、 思考题 1 除了加热法 注入抑制剂法 防止水合物生成方法还有哪些 2 为什么采用大压差截流阀节流降压 气体的温度会降低 第三节天然气脱水 天然气脱水的必要性溶剂吸收法脱水固体吸附法脱水 一 天然气脱水的必要性 天然气脱水的必要性 天然气脱水方法 天然气脱水深度 天然气脱水的必要性 水的析出将降低输气量 增加动力消耗 水的存在将加速H2S或CO2对管线和设备的腐蚀 导致生成水合物 使管线和设备堵塞或降低它们负荷 因上述三方面原因 所以有必要对天然气进行脱水处理 天然气脱水深度 露点降 脱水前含水天然气的露点与脱水后干气的露点之差 满足用户的要求 管输天然气水露点在起点输送压力下 宜比管外环境最
15、低温度低5 7 对天然气凝液回收装置 水露点应低于最低制冷温度5 7 天然气脱水方法 低温冷凝法 溶剂吸收法脱水 固体吸附法脱水 二 溶剂吸收脱水 甘醇脱水的基本原理甘醇的物理性质三甘醇脱水流程和设备甘醇质量对脱水效果的影响 三甘醇脱水装置 1 甘醇脱水的基本原理 甘醇是直链的二元醇 其通用化学式是CnH2n OH 2 二甘醇 DEG 和三甘醇 TEG 的分子结构如下 从分子结构看 每个甘醇分子中都有两个羟基 羟基在结构上与水相似 可以形成氢键 氢键的特点是能和电负性较大的原子相连 包括同一分子或另一分子中电负性较大的原子 所以甘醇与水能够完全互溶 并表现出很强的吸水性 甘醇水溶液将天然气中的
16、水蒸气萃取出来形成甘醇稀溶液 使天然气中水汽量大幅度下降 甘醇脱水的基本原理 吸收脱水 是根据吸收原理 利用亲水液体与天然气的逆流接触 从而吸收脱出气体中的水蒸气 脱水吸收剂 脱水的亲水液体 对脱水吸收剂的要求 热稳定性好 对天然气中水蒸气亲和力强等等 甘醇脱水的基本原理 吸附剂要求 对天然气水蒸气很强亲合力热稳定性好脱水时不发生化学反应容易再生蒸气压低黏度小对设备无腐蚀价格低廉对天然气和液烃溶解度较低起泡乳化倾向小 常用脱水吸收剂比较 2 三甘醇脱水流程和设备 三甘醇脱水工艺流程如图2 1所示 脱水装置主要包括两大部分 天然气在吸收塔的脱水系统 富TEG溶液的再生系统 提浓 1 工艺流程 图2 1三甘醇脱水工艺流程 三甘醇再生方法 加热再生 热降解限制 减压再生 系统复杂 汽提再生 运用较多 共沸再生 如图2 1所示 三甘醇脱水工艺中主要设备有原料气分离器 吸收塔 闪蒸罐 过滤器 贫 富液换热器 再生塔和重沸器等 主要设备 进口气涤器 其功能是分离出原料气中烃类夹带的固体或液滴 如砂子 管线腐蚀产物 水 油等 常用卧式或立式的重力分离器 内装金属网除沫器 进料气含有液体 固体杂质对三
