溫立憲，許 勇，呂海霞，王 霄，劉 佳，陳 斌，曹敬敏，金連城

（中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第一采氣廠，陜西靖邊 718500）

1 集氣站放空系統(tǒng)簡(jiǎn)介

目前，集氣站大多采用設(shè)計(jì)初期安裝的放空分液罐對(duì)放空天然氣進(jìn)行初步氣液分離，然后進(jìn)入火炬進(jìn)行燃燒處理，以實(shí)現(xiàn)天然氣放空作業(yè)。集氣站內(nèi)放空作業(yè)有以下三種情況：實(shí)際生產(chǎn)過程中，當(dāng)集氣站設(shè)備出現(xiàn)超壓，系統(tǒng)壓力高于安全閥設(shè)置壓力時(shí)，設(shè)備或管線上的安全閥將自動(dòng)開啟進(jìn)行泄壓；冬季生產(chǎn)過程中，由于氣井壓力高、環(huán)境溫度低，采氣管線極易出現(xiàn)水合物凍堵現(xiàn)象，此時(shí)采取放空作業(yè)降低采氣管線內(nèi)壓力以解除凍堵；另外，部分氣井隨著生產(chǎn)周期的延長(zhǎng)，氣井能力降低，難以將井筒內(nèi)積液帶出，通過站內(nèi)放空帶液確保氣井正常生產(chǎn)。集氣站生產(chǎn)流程（見圖1）。

集氣站內(nèi)放空分液罐容積為1.35 m3，主要由筒體、放空及排污系統(tǒng)組成，放空天然氣進(jìn)入分液罐中由于容積突然增大，使得放空氣體流速降低，有利于氣液分離，操作人員通過設(shè)備排污閥將分離的游離水排至污水罐中。氣液分離后的天然氣進(jìn)入φ159×8高為15 m的放空直筒火炬，通過控制火炬頂部設(shè)置電子點(diǎn)火器將其引燃，放空分液罐和直筒火炬具體結(jié)構(gòu)示意圖（見圖2、圖3）。

集氣站放空作業(yè)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制放空速度，放空天然氣先經(jīng)過放空分液罐進(jìn)行重力沉降氣液分離、絲網(wǎng)捕霧器攔截和聚集，分離后的天然氣中水含量極低。生產(chǎn)實(shí)際情況表明，采用放空分液罐和直筒火炬能夠滿足氣田開發(fā)初期集氣站放空作業(yè)。

2 集氣站放空系統(tǒng)存在問題分析

隨著靖邊氣田天然氣深入開發(fā)，氣井產(chǎn)水量逐年增多。同時(shí)泡沫排水采氣等輔助增產(chǎn)工藝，使得氣井產(chǎn)水波動(dòng)較大。在日常生產(chǎn)放空作業(yè)時(shí)，由于放空速度過快，同時(shí)氣井產(chǎn)水量不穩(wěn)定，經(jīng)常出現(xiàn)氣水分離不充分情況。高速氣流攜帶部分油水混合物由火炬筒噴出，天然氣由母火引燃，氣田采出水散落在火炬筒周圍，污染周邊環(huán)境。出現(xiàn)火炬放空污染原因主要是氣井生產(chǎn)狀況發(fā)生變化，同時(shí)現(xiàn)有放空系統(tǒng)已不能適應(yīng)氣井生產(chǎn)狀況變化對(duì)配套工藝的要求。具體分析如下。

2.1 氣井生產(chǎn)狀況變化

氣田開發(fā)初期，氣井能量充沛，產(chǎn)水較少，隨著氣田開發(fā)的不斷深入，氣井產(chǎn)水量不斷增大，部分氣井?dāng)y液能力降低，需加注起泡劑助排生產(chǎn)，產(chǎn)水很不穩(wěn)定，從而增大了操作難度，給放空系統(tǒng)正常運(yùn)行帶來很大的壓力?，F(xiàn)對(duì)A集氣站生產(chǎn)氣井產(chǎn)水變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

從A集氣站所轄氣井生產(chǎn)曲線可知，開發(fā)初期呈現(xiàn)出壓力高、產(chǎn)氣量大、產(chǎn)水較少等特點(diǎn)，隨著產(chǎn)氣量及地層壓力的降低，氣井?dāng)y帶游離水量增大，其中4#氣井最大產(chǎn)水為81 m3/d，最小為4 m3/d，產(chǎn)水波動(dòng)范圍明顯，自2004年實(shí)施泡沫排水采氣工藝后，產(chǎn)水在10 m3/d左右。這種不穩(wěn)定產(chǎn)水給集氣站放空作業(yè)帶來很大的難度。

2.2 放空系統(tǒng)分離設(shè)備現(xiàn)狀

現(xiàn)有放空系統(tǒng)核心分離設(shè)備為放空分液罐。放空分液罐為主要油水分離設(shè)備，根據(jù)氣液密度差異，采用重力沉降方式達(dá)到氣液分離的目的。液滴在隨氣流水平方向的速度u運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，在重力作用下以沉降速度ut向下沉降。在水平速度u不變的情況下，液滴粒徑越大，沉降速度影響越大，受水平速度影響越少，逾先分離。以氣井進(jìn)站壓力6.4 MPa為例，說明放空天然氣放空分離情況。當(dāng)氣井進(jìn)行放空解堵作業(yè)時(shí)，6.4 MPa高壓原料氣經(jīng)過節(jié)流閥節(jié)流后瞬時(shí)流速可達(dá)370 m/s。在高速流體的作用下，原料氣中含有的游離水被拉拽成細(xì)小液體，形成氣霧混合流。混合后流體在經(jīng)過放空分液罐時(shí)，一方面，由于節(jié)流元件的霧化作用，使得分離器中的液滴粒徑變小，受水平流速u的影響較大，受沉降流速ut影響變小，液滴通過分離器的時(shí)間變短，部分液滴來不及分離便被帶出分液罐。另一方面，由于流體在順壓力梯度下流動(dòng)，受到出口向上氣流拉拽作用，干擾了部分液滴向下沉降運(yùn)動(dòng)，被帶出分液罐。

另外，放空分液罐的絲網(wǎng)捕霧器是由f 0.25 mm的1Cr18NiTi不銹鋼絲手工纏繞制成，根據(jù)相關(guān)的腐蝕研究資料表明，當(dāng)溶液中的H2S質(zhì)量分?jǐn)?shù)為（10～200）×10-6時(shí)，該材料隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，表明氧化膜開始破壞，腐蝕將逐漸加劇。（1）地質(zhì)研究表明，靖邊氣田天然氣中硫化氫占0.014%～0.098%，平均約為691 mg/m3，局部含量較高，最高達(dá)到20 g/m3；（2）由于上述客觀原因，隨著設(shè)備服役年限增長(zhǎng)，高礦化度游離水及含硫天然氣對(duì)分液罐補(bǔ)霧絲網(wǎng)的侵蝕造成大部分絲網(wǎng)破損嚴(yán)重，其捕捉細(xì)小液滴的能力被削弱。

同時(shí)，由于放空火炬僅為φ159×8的立管，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不具備氣液分離能力，若放空作業(yè)操作速度過快，高速氣流攜帶游離水進(jìn)入火炬立管的機(jī)率增大，將影響火炬的正常燃燒，輕則污染周邊環(huán)境，重則導(dǎo)致含硫化氫天然氣擴(kuò)散危急居民安全。

因此，放空分液罐和直筒火炬無法滿足生產(chǎn)放空作業(yè)需求，需對(duì)放空系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)以滿足放空作業(yè)需求，消除放空系統(tǒng)缺陷造成的安全隱患。

3 集氣站放空系統(tǒng)改造

3.1 更換放空分液罐為雙筒式閃蒸分液罐

為減少放空過程中天然氣攜帶游離水情況，消除氣體流速控制不當(dāng)導(dǎo)致游離水進(jìn)入放空火炬帶來的安全隱患，近年來，新建集氣站均采用雙筒式閃蒸分液罐，放空天然氣中攜帶的游離水沉積在積液包中，利用電動(dòng)球閥控制閃蒸分液罐液位，進(jìn)而很大程度上減少了放空氣體攜帶游離水情況。雙筒式閃蒸分液罐具體結(jié)構(gòu)示意（見圖4）。

放空氣體從氣進(jìn)口進(jìn)入，在導(dǎo)流板的作用下，氣流作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，氣體中的液滴向管壁聚結(jié)，并隨氣流一起向下進(jìn)入罐體內(nèi)的折流板中，折流板進(jìn)一步吸收液滴的動(dòng)能，減少液滴的反彈和霧化，最后向下積聚在罐體的底部積液包中。

溶解有可燃?xì)怏w組份的凝液在閃蒸分液罐內(nèi)實(shí)現(xiàn)氣液分離過程；分離出的液相經(jīng)排液口排出；氣相則進(jìn)入旋流管，沿螺旋隔板作強(qiáng)制旋流運(yùn)動(dòng)。由于強(qiáng)制的反復(fù)的旋流運(yùn)動(dòng)，氣體中的液滴在離心力作用下向旋流管內(nèi)壁聚結(jié)，小液滴聚集成大液滴，氣量較小時(shí)，向下沉降進(jìn)入罐體1的底部；氣量較大時(shí)，這些聚集的大液滴，會(huì)隨氣流向上運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入固定閥罩，由于流通截面的擴(kuò)大，流速降低，向下沉降落入水封液中，補(bǔ)充水封液。進(jìn)入固定閥罩的氣流，通過固定閥罩和浮動(dòng)閥罩之間狹小的環(huán)形縫隙，進(jìn)入其頂部的封閉空間內(nèi)，使封閉空間內(nèi)的壓力升高，當(dāng)壓力產(chǎn)生的向上作用力大于浮動(dòng)閥罩的重量時(shí)，浮動(dòng)閥罩向上運(yùn)動(dòng)，向上運(yùn)動(dòng)過程中，封閉空間的容積不斷擴(kuò)大，減緩了向上運(yùn)動(dòng)的速度，隨著氣體流量的增加，浮動(dòng)閥罩不斷的向上移動(dòng)，直至固定閥罩上面的通氣孔被打開，氣體經(jīng)水封液上面的通氣孔從出氣口流出；氣體流量變化時(shí)，通氣孔的開度隨著變化，此時(shí)浮動(dòng)閥罩內(nèi)外的壓差產(chǎn)生的向上作用力，正好等于浮動(dòng)閥罩向下的重力，浮動(dòng)閥罩受力平衡，通氣孔處于一定的開度。氣體經(jīng)水封液上面外環(huán)空間通過時(shí)，部分較大的液滴或霧狀液滴在慣性和離心力作用下，沖向吸收吸附層，吸收吸附層可以有效地吸收液滴的動(dòng)能，避免液滴的反彈和霧化，使液滴吸附于吸收吸附層上面，并向下流入水封液中，水封液超過一定量時(shí)，經(jīng)回流管流入罐體1的底部。若不進(jìn)行放空和閃蒸作業(yè)時(shí)，罐體1內(nèi)的氣量減少，氣壓降低，浮動(dòng)閥罩依靠重力向下運(yùn)動(dòng)，支撐于支承板上，其下端沉沒于水封液中，罐體處于水封狀態(tài)，通過以上過程就完成了閃蒸、分液和水封阻火的作用功能。雙筒式閃蒸分液罐具有集凝液閃蒸、可燃?xì)怏w分液、氣體阻火的水封功能于一體的優(yōu)點(diǎn)，它節(jié)省材料，占用場(chǎng)地面積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，利用率高。在通常情況下罐體壓力為常壓，只有在集氣站進(jìn)行放空作業(yè)或者在分離器排液過程中才承壓存液，設(shè)備本體上安全閥的起跳壓力設(shè)定為2.5 MPa，有效地保證了設(shè)備安全運(yùn)行。

3.2 更換直筒火炬為旋風(fēng)式氣液分離型火炬

為解決直筒火炬放空過程中攜帶液體嚴(yán)重的問題，經(jīng)調(diào)研論證，選用旋風(fēng)式氣液分離型火炬代替原有直筒火炬。改型火炬的本體是由漸縮的筒體組成，放空天然氣沿底部直徑最大的筒體切向進(jìn)入火炬內(nèi)部，切向進(jìn)入的天然氣受筒體器壁的約束由上向下作螺旋運(yùn)動(dòng)，由于水滴和天然氣的密度差，導(dǎo)致游離水向心力大于氣體的向心力，水滴的質(zhì)量越大，向心力作用效果越明顯，從而實(shí)現(xiàn)氣體和水分的進(jìn)一步分離，分離后的氣體由頂部排出，由母火引燃。同時(shí)，放空時(shí)打開火炬底部排污閥門及時(shí)排放分離出的污水，避免了積水過多導(dǎo)致天然氣攜帶水對(duì)火炬燃燒的不利影響。RH-II型火炬結(jié)構(gòu)（見圖5）。

旋風(fēng)式放空分液火炬核心設(shè)備為旋風(fēng)分離器，放空天然氣在旋風(fēng)分離器內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況（見圖6）。

分離因數(shù)KC是反映旋風(fēng)分離器的重要指標(biāo)，它表示離心沉降速度與重力沉降比值，分離因素表示如下：

其中uT為切向速度，R為軸心距。以50 m/s放空速度核算旋風(fēng)分離器Kc值（R為0.33 m），計(jì)算Kc得為770，即在6.4 MPa氣井放空解堵時(shí)，旋風(fēng)分離器的分離效率為重力分離的770倍。

4 集氣站放空系統(tǒng)改造效果評(píng)價(jià)

為了評(píng)價(jià)集氣站放空系統(tǒng)的可行性，選取雙筒式閃蒸分液罐+旋風(fēng)式氣液分離型火炬配套的放空系統(tǒng)和放空分液罐+直筒火炬配套的放空系統(tǒng)進(jìn)行效果評(píng)價(jià)。

4.1 現(xiàn)場(chǎng)采用雙筒式閃蒸分液罐+旋風(fēng)式氣液分離型火炬放空系統(tǒng)

為評(píng)價(jià)雙筒式閃蒸分液罐氣液分離效率，必須對(duì)其進(jìn)出口水含量進(jìn)行測(cè)定，鑒于氣井放空過程中天然氣含水量較多，成分復(fù)雜，不能滿足目前儀器測(cè)量及化學(xué)測(cè)量天然氣水含量方法必要條件，通過對(duì)放空系統(tǒng)由雙筒式閃蒸分液罐與旋風(fēng)分離器配套組成的B、C、D、E集氣站冬季生產(chǎn)放空帶液情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)來評(píng)價(jià)雙筒式閃蒸分液罐的分離效率（見表1）。

表1 雙筒式閃蒸分液罐運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)表

從表1可知，雙筒式閃蒸分液罐的氣液分離效率在85%以上。從現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)情況來看，旋風(fēng)式放空分液火炬出口天然氣處燃燒充分，未有液體噴出，認(rèn)為放空過程中的攜帶液體已在上游分離設(shè)備中分離完全。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)采用放空分液罐+直筒火炬放空系統(tǒng)

為了評(píng)價(jià)放空分液罐的分離效率，選取產(chǎn)水量較大的4#試驗(yàn)氣井進(jìn)行，利用進(jìn)站總機(jī)關(guān)放空針閥控制放空速度，分別在放空分液罐及旋風(fēng)式放空分液火炬底部排放污水，具體試驗(yàn)流程（見圖7）。

在進(jìn)站總機(jī)關(guān)處放空帶液1 h，火炬底部排污約1.7 m3污水，集氣站內(nèi)放空分液罐排污約為2.3 m3。通過對(duì)A集氣站的實(shí)驗(yàn)分析，已燃燒的天然氣中游離水含量近似為零，而通過計(jì)算η=2.3/（1.7+2.3）×100%=58%，即就是放空分液罐的氣液分離效率僅為58%，由此驗(yàn)證了采用放空分液罐+直筒火炬的放空系統(tǒng)由于放空分液罐的分離效率低已不能滿足目前生產(chǎn)的需要。

通過上述實(shí)驗(yàn)及統(tǒng)計(jì)分析，由于雙筒式閃蒸分液罐氣液分離效率在85%以上，加之配套使用旋風(fēng)式放空分液火炬能夠完全消除放空攜液環(huán)境污染問題。

5 結(jié)論

采用雙筒式閃蒸分液罐和旋風(fēng)式放空分液火炬相結(jié)合的放空工藝模式能夠很好地適應(yīng)集氣站產(chǎn)水量大、出水不穩(wěn)定氣井的放空作業(yè)，消除了放空過程中，氣井采出水對(duì)周邊環(huán)境的污染問題，消除了硫化氫擴(kuò)散威脅周圍居民人身安全的風(fēng)險(xiǎn)，具有明顯的社會(huì)效益，建議推廣應(yīng)用，為氣田開發(fā)奠定堅(jiān)實(shí)的健康、安全、環(huán)境基礎(chǔ)。

［1］萬征平，陳亞凌，劉學(xué)蕊，等.三甘醇脫水過程中吸附硫化氫研究及環(huán)境保護(hù)技術(shù)研討［J］.石油化工應(yīng)用，2012，31（4）：91-93.

［2］馮叔初，等.油氣集輸與礦場(chǎng)加工［M］.北京：石油大學(xué)出版社，1992.