致密气地面集输工艺系统设计要点探析
2019-06-13乔洪虎黄少杰巩鑫贤朱法厅狄晓亮
乔洪虎,黄少杰,巩鑫贤，朱法厅,狄晓亮
(中海油石化工程有限公司，山东 济南 250101)
致密气(Tight Gas)一般指孔隙度低、渗透率低(小于0.1 md)、含气饱和度低、含水饱和度高、天然气在其中流动速度缓慢的致密砂岩层中的天然气[1]。致密气作为重要的非常规天然气资源，已经逐渐成为天然气产量的主要增长点。非常规天然气资源具有低碳、清洁、环保等优点。
1 采气井场设计要点
1.1 井场的工艺流程特点
根据井型的不同，井场井型一般分为水平井、直井和定向井。
井口采集的致密气首先经节流减压措施进入地面输送系统，致密气输送系统包括紧急切断阀、生产集气汇管、计量汇管以及放空系统。经集气汇管后的致密气经集输管网送至临时集气站。
致密气经节流后会降温形成水合物，一般要求天然气集输温度应高于水合物形成温度3℃以上。为了防止水合物的形成，可采用天然气加热、保温、向天然气中加入抑制剂或脱水等措施。采用抑制剂防止天然气水合物时，可采用乙二醇、甲醇，一般多采用甲醇。
1.2 紧急切断阀的设置
根据GB 50349-2015《气田集输设计规范》要求气井井口应设置井口高低压紧急截断阀，紧急切断阀与压力进行联锁[2]。井场一般处于偏僻地带，无法采用空压站供气，在选择开关阀时需注意选择节省气源的阀门。开关阀选用双作用气缸执行机构，阀体采用球阀，并带有现场控制功能。因井场开关阀较多采用氮气钢瓶供气，为防止氮气失气后巡检不到位，该开关阀要求配备事故空气罐，并满足仪表气源失气后三次以上的开关要求，确保安全。另外，开关阀需带有阀位开关回讯，在控制系统上可指示出阀门的位置。
1.3 管材选型设计
根据资料数据，致密气井口出口温度在20～25℃之间，井口初始出气压力处于8～12.0MPa，经节流后进入输气管路。节流后压力一般控制在1.5～3MPa，因压差大，导致节流降温比较明显，降温幅度约为3～5℃/MPa，以致出现低温小于-20℃情况。因此，在井场管道材质选择时应注意选择能够耐低温的合金钢。
1.4 电气电信系统设置
采气井场位于空旷地带，无法采取电网线路供电。主要用电设施为自控仪表、照明等，为了满足用电需求，一般在井场设置太阳能供电系统。并需配置UPS电源系统，要求能够满足3～7天的用量，避免连续阴雨天导致无法生产的情况。
2 致密气集输管网布局
目前，致密气集输管网主要有以下几种形式：树枝状、放射状、环形管网及组合式管网。
(1)树枝状的集输管网：采气井口由采气支线连接到采气干线，然后由一条采气干线连接集气站与中心处理站，直至外输。
(2)放射状的集输管网：由中心处理站引出若干集气干线以辐射状方式分布，集气干线的末端再引出若干集气支线也以辐射方式分布，用来连接井场与集气站。
(3)环形的集输管网：有一条集气干线呈环状分布，井场或集气站通过集气支线就近连接到环状集气干线。
(4)组合式的集输管网：由上述集输方式中的两种或两种以上组合而成的集输方式称之为组合式，组合式集输管网应用比较广泛。
3 临时集气站工艺设计要点
考虑到采气井场的输送距离问题，通常设置多处临时集气站，致密气由各采气井场集输后至临时集气站进行预处理脱水、脱轻烃后再输送至永久集气站进一步处理输送至用户。
临时集气站工艺流程为：各井场汇总后的输气管线接入临时集气站，通过三相分离器、过滤器进分子筛或三甘醇脱水撬脱水后经计量送出界区。三相分离后的液体进入污水罐、轻烃罐，收集后装槽车外运处理。
3.1 三相分离器的设计
致密气中含天然气、轻烃及污水三相物流，气、油、水同时存在，一般设置三相卧式分离器进行一次分离。三相分离器至少设置两套液位控制系统，其中一套为界面计，设备内部设置堰板用于轻烃相溢流分离。
图1 三相分离器设计简图
三相分离器直径的计算：
(1)
式中：D——分离器内径(m)；qv——标准状况下气体流量(m3/h)；T——操作温度(K)； Z——气体压缩因子；P——操作压力(绝)(MPa)；Wo——液滴沉降速度(m/s)，可按公式2计算；K2——气体空间占有的空间面积分率；K3——气体空间占有的高度分率；K4——长径比。当操作压力P(绝压)≤1．8MPa时，K4取3.0；1.8MPa
液滴在分离器中的沉降速度计算：
(2)
(3)
式中：Wo——液滴在分离器中的沉降速度(m/s)；g——重力加速度，g=9.81m/s2；dL——液滴直径，取60×10-6m～100×10-6m；ρL——液体的密度(kg/m3)； ρG——气体在操作条件下的密度(kg/m3)；f——阻力系数；Re——雷诺数；μG——气体在操作条件下的黏度(Pa·s)。
3.2 脱水撬设备的选择
天然气脱水的方法主要有物理降温脱水法、膨胀冷却法、加压冷却法、固体吸附剂吸附法、溶剂吸收法等[3-4]。结合各种脱水方法的特点，其中三甘醇脱水和固体吸附法中的分子筛脱水应用较多。
三甘醇脱水属于溶剂吸收法，是天然气脱水的主要方法之一。其流程主要由吸收塔、再生塔、过滤器、闪蒸罐、换热器以及循环泵等组成。三甘醇脱水的优点是：(1)三甘醇溶液易于再生，稳定性高，吸水性强，蒸气压低且回收后损失少；(2)占地面积小；(3)处理量大时，相对投资少。缺点是：(1)脱水工艺较复杂，不易操作；(2)三甘醇溶液再生过程中公用工程消耗较多。(3)需要引入溶剂三甘醇；(4)无法脱除天然气中的酸性气体。
分子筛脱水属于固体吸附法的范畴，其流程一般分为两塔、三塔或多塔流程，含有再生加热系统、压缩系统。其优点有：(1)技术成熟，应用较广泛；(2)脱水是物理过程，操作简单且要求不高；(3)更适合深度脱水，露点可以降低到-40℃以下；(4)脱水同时还能兼顾对天然气中酸性气、轻烃的分离。缺点有：(1)成本较高；(2)能量综合利用率低；(3)占地面积较大。
三甘醇脱水与分子筛脱水工艺各有优劣，因此，在进行脱水工艺选择时，应根据脱水的目的、要求、能耗、装置处理规模等进行综合比较。分子筛脱水相比三甘醇脱水，其脱水深度高，操作灵活适应性好。在处理规模较大时，三甘醇脱水的建设投资和运行成本相对较低。
3.3 仪表气源的设计选取
临时集气站所用仪表气量较少，主要为脱水装置和三相分离器撬块使用，无必要单独设置空分空压装置。初始开车时，仪表气源可采用氮气钢瓶供气。正常运行时，可使用处理干燥后的致密气作为仪表气源。但设计时需注意满足以下要求：(1)处理后的致密气需满足仪表气源的露点要求；(2)因致密气为易爆气体，不可就地排放，要求仪表阀门的排气进行收集后集中处置。
3.4 其它设置
一般情况下，临时集气站地处比较偏远，动力供电不易接入。临时集气站的用电设备主要有脱水装置中的再生电加热器和再生增压机、轻烃泵及污水泵。其它为电信设备、照明和生活用电。用电量较少，在进行电力选择时需综合考虑，若距离电网供电设施较近，首选电网供电。若电网供电不易实现，则选择发电机供电，可选用燃油/燃气两用的发电机，致密气处理装置正常运行后，切换至天然气发电。
4 结语
随着开发技术的日益成熟，致密气作为非常规天然气已成为新能源发展的重要方向。通过对其设计要点的探析，明确了关键点的工艺系统设计原则。同时结合致密气点田的标准化设计、模块化建设，可以使设备和材料供应实现系列化、标准化、定型化，有效降低安全风险，提高生产安全保障能力，确保整个致密气田安全高效地运行，缩短设计建设周期。
