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(shù)研究院, 新疆 烏魯木齊 830011; 2. 西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院, 陜西 西安 710065

0 前言

作為經(jīng)濟(jì)環(huán)保的酸氣處理技術(shù),歷經(jīng)30多年的研究和工程實(shí)踐,酸氣回注的工藝技術(shù)和應(yīng)用研究已取得很多成果,其工程應(yīng)用也越來越廣泛。我國含硫油氣田眾多,酸氣回注技術(shù)的推廣應(yīng)用將產(chǎn)生重大經(jīng)濟(jì)和社會(huì)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(qū)二號(hào)聯(lián)(以下簡(jiǎn)稱二號(hào)聯(lián))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(jī)選型、材料等工藝分析方法及方案制定應(yīng)用技術(shù)。

1 研究區(qū)概述

經(jīng)多年擴(kuò)建改造,目前二號(hào)聯(lián)天然氣處理的工藝流程見圖1，生產(chǎn)凈化天然氣、液化石油氣、輕烴、硫黃等產(chǎn)品,二號(hào)聯(lián)天然氣處理站生產(chǎn)數(shù)據(jù)見表1。

圖1 二號(hào)聯(lián)天然氣處理工藝流程

表1 二號(hào)聯(lián)天然氣處理站生產(chǎn)數(shù)據(jù)

序號(hào)項(xiàng)目數(shù)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(chǎn)量/(t·d-1)44.786輕烴產(chǎn)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(guī)模小、分散,硫黃回收裝置效率低、產(chǎn)品品質(zhì)差,加之硫黃市場(chǎng)低迷,造成大量低品質(zhì)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(chǎn)處理成本高,同時(shí)還形成環(huán)境污染的壓力。因此,經(jīng)過長(zhǎng)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(chǎn)過程中的酸氣,將有害氣體永久性封存在廢棄儲(chǔ)層中,徹底避免污染環(huán)境[1-3]。

2 二號(hào)聯(lián)酸氣回注工藝設(shè)計(jì)

2.1 酸氣組成及回注條件

二號(hào)聯(lián)12 000 m3/d的酸氣從MDEA裝置回流罐頂部出來,狀態(tài)為90～100 kPa和41.7 ℃,屬飽和含水濕酸氣,其組分構(gòu)成見表2。

表2 二號(hào)聯(lián)初始酸氣組分

綜合考慮地質(zhì)和非地質(zhì)因素:包括源—地接近度、蓋層密封性、容量、儲(chǔ)層流動(dòng)性、酸氣—巖石反應(yīng)性、能源礦物資源及地下水保護(hù)、鉆孔完整性及公眾安全等因素[4-6],最終選擇距二號(hào)聯(lián)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(shí)現(xiàn)酸氣同層封存。

回注井距二號(hào)聯(lián)2.5 km,源、地接近,中間無障礙,ZD 8-212回注井位置圖見圖2?；刈⒕? 040 m斜/5 547.44 m垂,油管內(nèi)徑76 mm;地層壓力60.07 MPa、溫度100 ℃，ZD 8-212井身結(jié)構(gòu)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(tài)分析

井口到井底的流動(dòng)和相態(tài)分布是酸氣回注系統(tǒng)設(shè)計(jì)及運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù),井口回注壓力估計(jì)的正確與否,對(duì)整個(gè)酸氣回注系統(tǒng)具有重要影響[7]。

圖3 ZD 8-212井井身結(jié)構(gòu)

針對(duì)二號(hào)聯(lián)初始酸氣組分及ZD 8-212回注井井身結(jié)構(gòu)和井筒數(shù)據(jù),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(xiàn)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(dòng)和相態(tài)分布見表3。

表3揭示了該條件下酸氣井筒回注的流動(dòng)和相態(tài)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(jù)此可初步確定酸氣回注所需要的壓力等級(jí),進(jìn)行下一步壓縮、脫水和管道輸送工藝設(shè)計(jì)。

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(dòng)摩阻損失貢獻(xiàn)較小。

4)注入量小,井筒平均流速為0.055 m/s,緩慢流動(dòng)致使酸氣在井筒中充分加熱,井底酸氣流動(dòng)溫度達(dá)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(jīng)壓縮和脫水后,其組分、性質(zhì)和注入量都發(fā)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(jīng)井筒流動(dòng)和相態(tài)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(chǎn)生,無須考慮井筒酸氣腐蝕問題。

圖4對(duì)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(dòng)分布分析,初步確定了酸氣回注所需要的壓力等級(jí),據(jù)此可進(jìn)行壓縮、脫水及管道輸送工藝分析和設(shè)計(jì)[8-9]。

表3 初始酸氣回注井筒流動(dòng)和相態(tài)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(guān)系

b)井筒溫度與井身關(guān)系

2.3 酸氣回注壓縮工藝

綜合考慮二號(hào)聯(lián)酸氣回注所需的井口壓力及站內(nèi)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(guī)范,采用4級(jí)壓縮工藝且每級(jí)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(jí)壓縮,每級(jí)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(hù)

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

表4 酸氣壓縮過程分析

項(xiàng)目初始酸氣1級(jí)壓縮2級(jí)壓縮3級(jí)壓縮4級(jí)壓縮酸氣組分(mol分?jǐn)?shù)) 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?jǐn)?shù)) 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(shè)置甲醇注入裝置,以防止投產(chǎn)過程或冬季極低溫度下生成水化物。

2)NACE標(biāo)準(zhǔn)MR 0175[12]規(guī)定了存在H2S應(yīng)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(tǒng)材料選擇和腐蝕設(shè)計(jì)的一個(gè)重要原則就是:在有游離水產(chǎn)生的地方選擇防腐材料，而在無游離水的地方采用常規(guī)設(shè)計(jì)。因此確定二號(hào)聯(lián)酸氣回注系統(tǒng)各部分的材料要求:壓縮機(jī)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(jí)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(jī):1級(jí)壓縮采用316 L,其后各級(jí)采用碳鋼;壓縮脫水后管道和設(shè)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(shì)平坦,無高差起伏。由于管道流動(dòng)過程中無游離酸水產(chǎn)生,故選用X 70碳鋼;管線外側(cè)需設(shè)防腐涂層,以防止環(huán)境引起的外部腐蝕。管道全程埋地敷設(shè),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(chǎn)生。

表5 酸氣管道選擇計(jì)算

規(guī)格型號(hào)管道內(nèi)徑/mm管道外徑/mm管道壁厚/mm流速/(m·s-1)雷諾數(shù)?Re㊣摩阻系數(shù)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(guī)格管道二號(hào)聯(lián)酸氣流動(dòng)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(nèi),1″Sch-STD管道流速小可能會(huì)造成積液殘留。針對(duì)最大運(yùn)行壓力16 MPa的X 70管材,通過GB 50253-2014《輸油管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[13]和ASME B 31.3 Process Piping[14]計(jì)算的所需壁厚均小于0.44 mm。故綜合考慮水力流動(dòng)和強(qiáng)度需求,選擇管道3/4″Sch-STD,內(nèi)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(yīng)盡可能選擇較小的酸氣輸送管線，一方面是因?yàn)榻?jīng)濟(jì)性和流動(dòng)性好；另一方面是小管道存儲(chǔ)的有毒氣體更少、更安全,所需的應(yīng)急措施也更少。

2.6 安全與應(yīng)急

2.6.1 截?cái)嚅y布置及應(yīng)急響應(yīng)

劇毒酸氣的泄漏將危害管道周邊區(qū)域公眾的生命安全,因此需設(shè)置管道緊急截?cái)嚅y,在泄漏事故發(fā)生時(shí),根據(jù)壓降瞬時(shí)變化率,自動(dòng)關(guān)閉泄漏點(diǎn)上下游的截?cái)嚅y,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(nèi)。

二號(hào)聯(lián)酸氣回注管線截?cái)嚅y間的最大允許間距按下式確定:

Lv

=61 193.41

(2)

級(jí)別H2S泄放量/m3隔離區(qū)距離1<300管道路權(quán)范圍2300～2 0000.1 km到單個(gè)居民點(diǎn)或未設(shè)限農(nóng)村0.5 km到鄉(xiāng)鎮(zhèn)中心32 000～6 0000.1 km到單個(gè)居民點(diǎn)或每64.7×104 m2 8戶居民0.5 km到未設(shè)限農(nóng)村中心1.5 km到鄉(xiāng)鎮(zhèn)中心或公共設(shè)施4> 6 000參照特殊規(guī)定但不低于第3級(jí)的要求

由式2可見,2 500 m管道內(nèi)H2S的總存量為332.64 kg,計(jì)算的閥間距遠(yuǎn)大于管道總長(zhǎng)度,不需設(shè)置緊急截?cái)嚅y。

2.6.2 泄漏檢測(cè)

由于輸送介質(zhì)的特殊性,酸氣回注系統(tǒng)的安全和泄漏檢測(cè)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(qū),應(yīng)設(shè)置多種泄漏檢測(cè)系統(tǒng)。

分別在管道首末端點(diǎn)安裝溫度、流量和壓力傳感器,建立SCADA系統(tǒng),采集管道端點(diǎn)實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù),及時(shí)掌控酸氣回注系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。由于回注系統(tǒng)的酸氣處于超臨界狀態(tài),API 1130[15]所規(guī)定的質(zhì)量守恒、負(fù)壓波和動(dòng)態(tài)模型方法都能有效地發(fā)現(xiàn)輸送管道中微小的酸氣泄漏。

3 二號(hào)聯(lián)酸氣回注工藝

根據(jù)回注條件和要求,充分考慮壓縮、脫水工藝,最終確定了二號(hào)聯(lián)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(tǒng),以便酸氣壓縮、脫水裝置的集中建設(shè)和運(yùn)行管理。

圖6 二號(hào)聯(lián)酸氣回注工藝方案

具體工藝參數(shù):

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(fā)生變化。

3)壓縮脫水充分,4級(jí)壓縮+冷卻+脫水過程脫水效果顯著、充分,后續(xù)管道輸送和井筒回注過程中只有凝析相,不需設(shè)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?cái)嚅y;管道2端點(diǎn)安裝壓力、流量和溫度傳感器,以檢測(cè)管道系統(tǒng)的泄漏狀態(tài)。

5)回注井前設(shè)置壓力調(diào)節(jié)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(hào)聯(lián)酸氣回注過程,其中相態(tài)和壓縮過程由Ariel Performance計(jì)算完成。

4 結(jié)論

針對(duì)順北井區(qū)二號(hào)聯(lián)油井的實(shí)際工況條件,利用相關(guān)酸氣回注理論結(jié)合實(shí)際工況條件,通過理論計(jì)算和軟件模擬制定了相應(yīng)的酸氣回注方案。通過實(shí)際的酸氣回注案例分析,針對(duì)酸氣回注技術(shù)得出如下結(jié)論:

1)酸氣回注是特殊的氣體處理工藝和過程,每個(gè)酸氣回注項(xiàng)目都不一樣,需要針對(duì)工程條件進(jìn)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(xiàng)目需解決的首要問題,直接影響后續(xù)壓縮、脫水、輸送工藝設(shè)計(jì)。

3)酸氣回注項(xiàng)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(guān)惡性事故的報(bào)道。

4)酸氣回注是替代硫黃回收的經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的酸氣處理方法。我國含硫油氣田眾多,酸氣回注技術(shù)的推廣應(yīng)用將產(chǎn)生重大經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。