滩海油田伴生气回收研究

高 钊，刘德俊，王 芙，马 焱，李小月，高吉庆

（辽宁石油化工大学，辽宁 抚顺113001）

作为一种清洁高效的优质能源，天然气将在我国能源结构中扮演越来越重要的角色[1]。近些年来，随着越来越多的滩海油田进入开发阶段，伴生气的回收问题逐渐被人们所关注。因为规模小，故而其回收受到经济条件和技术问题等制约。滩海油田伴生气的产量一般较小，加之所需要的加工处理工艺比一般的气田气和凝析气的处理工艺更为复杂，通常采用直接燃烧的方法处理[2]。这种方法即浪费资源，又污染环境。因此，找到一个技术性、经济性合理的伴生气回收方案成为滩海油田亟待解决的问题。

1 滩海油田伴生气的净化工艺

鉴于滩海油田可操作平台面积小，不宜在上面安装大型的伴生气加工处理装置。因此，可以考虑把伴生气进行预处理，使其达到运输要求后集中运输到天然气加工厂进行处理。国内外现存的天然气净化工艺种类很多，而且新的技术也不断的尝试应用于工业生产。一般的常规天然气净化技术具有工艺流程长、占地面积大等特点，而且设备复杂、投资和操作费用较高，不适合滩海油田伴生气的净化。目前，一些具有设备简单、体积小和机动性强等特点的橇装天然气净化技术被用于边远地区天然气的净化，该技术包括变压吸附[3]（PSA）、膜分离[4]和旋转喷雾干燥[5]（SDA）等技术。相关部门可以对这些技术和设备进行简单的调整，使其达到净化滩海油田伴生气的要求。哪种技术的经济性和技术性最合理取决于一些不同的标准，例如：伴生气的供给情况、油田周围的环境、过程的控制和操作、产品的标准等。

2 滩海油田伴生气的回收方法

滩海油田伴生气的回收成分主要是天然气。除了管道输送外，还可以把天然气转化成液化天然气（LNG）、压缩天然气（CNG）、吸附天然气（ANG）、天然气水合物（NGH）等产品进行运输[6]。随着技术的发展，天然气发电也逐渐被广泛应用。

2.1 管道输送

从世界天然气工业发展来看，管道是天然气发展的重要途径。目前，世界上约75%的天然气采用管道方式输送。天然气管道输送系统包括集输管道体统、长输管道系统和配气管道系统。集输管道系统负责收集、净化天然气，把天然气输送到长输管道首站；长输管道系统由输气站和线路两大部分组成，主要负责输气。配气管道系统把输气管道来的天然气进行除尘、计量、调压、添味，然后输入各级配气管网[7]。

海底管道是滩海油田伴生气回收设施中不可缺少的一部分[8]。管道形式包括挖沟浅埋管道、挖沟不埋管道和平铺在海床上的管道等形式。海底管道技术主要包括管道的设计与分析、管道的铺设和一些其他新的技术，例如：焊接技术和防冲刷保护技术等。为确保管道安全运行，应对海底管道的施工技术、安全评估状态和疲劳寿命分析评估等进行相关研究[9]。随着技术的发展，我国在海底管道铺设方面取得了巨大的进步，到2005年底，我国已经累计铺设了约3 000 km的海底管道。海底管道的优点是可以连续输送，几乎不受环境条件的影响，不会因海上储气设施容量限制或穿梭船只的接运不及时而迫使油田减产或停产，故输气效率高，运气能力大。管道输送适用于大流量输送，多用在使用期限为20年以上的天然气输送。海底管道输送存在的问题主要是：

(1)施工周期长，初始投资大；

(2)灵活性不足，受油田期限和地质条件等影响，油田一旦枯竭，管道将要报废，不能它用；

(3)海底管道比陆地管道更容易发生腐蚀，引起管道泄漏，而且其检查和维修相对来说也比较困难。

2.2 液化天然气

液化天然气是天然气经过脱水、脱酸性气体和重烃后经压缩、膨胀、液化而形成的低温液体[10]。LNG的储存温度为-162 ℃，其密度为 450到 470 kg/m3,标准状态下为甲烷的600多倍，有利于其储存和输送，体积能量密度为汽油的72%。

随着技术的发展，液化天然气的应用越来越广泛，既可作为燃料用于飞机、汽车和船舶等交通工具，又可以用来发电[11]。世界上利用LNG发电的成功实例已有很多。近10年来，LNG的消费量年均增长率为8.5%，高于其他一次能源的增长。

液化天然气工艺包括天然气预处理、液化、储运、再汽化等。随着技术和设施日趋成熟，LNG的生产工艺流程可以模块化成橇。该技术已经在陆地油田和边远地区油田得到广泛应用。液化天然气的运输分为海上运输和陆地运输：远洋运输以油轮和LNG运输船为主，陆地运输多以LNG槽车和LNG罐箱为主。在国外，LNG海上运输已经实现工业化。我国也已经成功开发出小型储罐和海运罐式集装箱等LNG储运装置，并且正逐步走向工业化。除了上述运输方式外，LNG管道运输也逐渐应用于工业领域[12]。

LNG运输的最重要的特点是安全、可靠和稳定，宜用于伴生气产量较高、运输距离较远的油田。但液化天然气的预处理和液化流程相对复杂，此外LNG需储存在温度低的环境下，对设备的材质和保温性有特殊要求。因此，LNG运输方案的初始投资和操作成本较高。

2.3 压缩天然气

压缩天然气[13]就是将天然气加压至15 MPa到25 MPa，使其体积缩小，装入到压力容器中。天然气在25 MPa时，其体积为压缩前的1/250，该工艺有效的利用了天然气的压缩特性，提高了储运效率。

CNG的预处理和压缩过程相对简单，处理技术和设备较成熟，投资费用适中。CNG作为车用天然气燃料，被国内外广泛应用，但其在海上的应用还未被工业化。目前，国外有多家公司正在研究CNG海上运输并将其工业化，加拿大Sea NG公司等已经建造完成CNG运输船，并正式投入使用。相对于LNG运输船来说，CNG运输船更适合用于2 000 km以下的短途运输。

图1 缠绕中的4型压力容器Fig.1 Winding of Prototype Type-4 Pressure Vessel

压力容器作为一个储存CNG的重要装置，亦受到国内外广泛关注。加拿大Trans Ocean Gas公司为复合材料压力容器技术公司，通过专利技术设计和制造多元气体压力容器。图1为缠绕中的4型压力容器。该容器为复合材料压力容器[14]，可以承受75 MPa的压力。使用3.0的安全系数时，该压力容器的工作压力为25 MPa，工作温度为零下40 ℃到40℃。4型压力容器除了可以运输CNG、PLNG外，还可以运输氢气、液体二氧化碳、丙烷、氮气等许多其他气体。在商业运输中，一般把8个4型压力容器放到一个标准集装箱中进行运输。

2.4 吸附天然气

吸附天然气的原理是利用储罐内活性吸附剂的内表面和微孔结构将天然气吸附，该技术的关键是开发出适合天然气储存的高效专用吸附剂[15]。国内外现用的吸附剂包括多空碳质天然气吸附剂、金属有机框架吸附剂及多孔材料内吸附天然气水合物等。ANG的最大优点是在低压下（3.5~3.6 MPa，仅为CNG的1/4~1/5）即可获得接近于高压下（20 MPa）CNG的储存能量密度。

天然气吸附技术的研究主要包括优良吸附剂材料、天然气吸附热质传递过程、吸附储存容器等方面。欧美等西方国家和我国在天然气吸附储存技术方面均进行了大量的试验和研究开发，并取得了许多成果。在国外研究中，在室温和压力为 3.5~4.8 MPa的压力范围内，天然气吸附储存的体积比达到200。我国利用大比例表面积的吸附剂储存天然气，在室温和压力为4~6 MPa 的条件下，储气体积比在148~181之间, 达到了世界先进水平。ANG技术[16]具有以下特点：

（1）对储运设施承压能力要求较低；

（2）使用天然气时安全性能高；

（3）日常维护方便，操作费用低。

吸附剂的主要问题在于其使用寿命短，该点已成为国内外研究的焦点。

2.5 天然气水合物

利用天然气水合物储存天然气的技术被称为天然气固态储存技术。天然气水合物是由甲烷、乙烷、丙烷、异丁烷、正丁烷、CO2、N2及 H2S等分子在一定温度和压力条件下，与游离水结合，形成的结晶笼状固体[17]。一个单位体积的 NGH固体能储存150~200倍体积的天然气气体。

水合物储运天然气包括3个过程，即水合物生产、运输及分解，其中天然气水合物的生产技术最为关键。NGH的生产目前尚处于实验阶段，没有应用于工业生产。天然气水合物在常压、常低温下即可稳定储存，对容器没有特殊要求，因此增加了运输的安全性并节省部分费用。NGH船的单位运输量为同样规格的LNG运输船的1/4，但是NGH船装卸方便，不需要技术复杂的加工设备。NGH也可以用冷藏集装箱进行装运。目前，NGH船舶正处于研究阶段，还没得到实际应用。

2.6 天然气发电

随着燃气发电所占比例不断增加，天然气逐渐成为发电的首选燃料。天然气发电与传统的发电相比，有以下几个优点[18]：（1）效率高，燃气发电热效率可达到55%；（2）污染小，表1为燃煤和燃天然气电厂的比较[19]；（3）体积小、运输安装方便；（4）建造周期短、单位投资少；（5）启停灵活、可靠性高,燃气电厂的可用率达 90%，而常规电厂为80%左右。天然气发电在一定程度上可缓解该地区的能源紧张状况。目前，我国使用的天然气发电装置多为燃气发电机组。

表1 燃煤、燃天然气电厂的比较Table 1 The comparison of coal and natural gas-fired power plant

燃气发电机组的原理是利用燃气发动机驱动电机产生电能。燃气发动机对燃料的要求很简单，大部分的滩海油田伴生气经过简单处理都可以达到。燃气机组每小时消耗20 左右的伴生气，因此，大部分滩海油田可以选择使用燃气发电机组。

目前，欧美等发达国家已形成比较成熟的天然气发电市场,燃气发电机组在技术上也比较成熟[20]。我国天然气发电仅占 3.7%，仍处于起步阶段,主要原因有：（1）天然气产量少，常常处于供不应求的局面；（2）技术上受制于人，我国的燃气发电机组主要从国外引进,机组的调试及运行带来诸多问题不能得到很好地解决,进而影响发电机组的正常运行。因此，要发展我国天然气发电事业，一方面必须积极推进天然气的勘探与开发；另一方面，研究机构和相关企业应加大在技术方面的投入，生产出高效率、高可靠性的国产燃气发电机组。

3 结 论

通过对现存天然气回收方法的简单分析，可以看出滩海油田伴生气的回收具有广阔的前景。目前，我国在滩海油田伴生气回收这方面刚刚处于起步阶段，需要做大量的研究工作。通过学习国外滩海油田伴生气回收的技术和经验，根据油田伴生气产量、油田周围环境和当地用户的需求，对各种工艺进行分析研究，找到一套最佳的油田伴生气回收方案，

从而达到提高油田效益、减少环境污染的目的。

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