姬塬油田伴生气集气与利用技术研究_宋小红.docx

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1、 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人己经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论 文 作 者 签曰期： 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方

2、法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接 相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大学。 论文作者签 导师签名 曰期 ： 1 f 日期： 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出（含解密年限等乂 论文题目：姬塬油田伴生气集气与利用技术研究 专 业：石油与天然气工疒 r 硕士生：宋小红（签名 ） 指导教师：胥元刚（签名 ） 王方一（签名 ） 摘 要 中国石油长庆油田第五采油厂开采的姬塬油田北区位于鄂尔多斯盆地北部，可采储 量达到 2.8X104t， 该区块开采层油气比高达 78.3 98.6m3/t， 拥有丰富的原油伴生气资 源。 20

3、11年初，油田伴生气量测算达 2. xl 8Nm3,配套建设有 1座处理量 3.0X104Nm3/d 的伴生气回收站，少部分用于加热和发电利用，有效利用率仅 44%，剩余 56%的伴生气 在开采处理储存过程中自然挥发或以火炬燃烧形式消除，造成极大的资源浪费，加剧了 大气污染和生态环境破坏。在国家污染减排的形势下，提高原油伴生气应用效率和水平 既能提高油田开发经济效益的要求，也符合国家环保要求和可持续发展理念。 本文首先对姬塬油田北区原油伴生气的资源分布进行了调查，优选 出富集区快。结 合采油地面工程技术应用的 “ 二级布站模式 ” 和密闭集输流程应用，对油气混输、油气分 离方式、集气模式及相关

4、设备进行了对比研究，并结合地理条件、现场施工及生产管理 实际情况，分析集气效果和经济效益性，确定影响集气的主要因素，明确三大核心技术 : 单井到增压撬（转油站）的油气混输技术、増压撬（转油站）油气粗分离和分离点至联 合站（伴生气回收站）的増压输气技术。最后，在伴生气回收站（轻烃厂）进行末端加 工再利用，以提高伴生气综合利用率。 关键词：伴生气集气系统轻烃回收现场应用 论文类型：应用研究 Subject： Speciality： Name： Instructor： Study on Associated Gas in Changqing Jiyuan Oilfield Petroleum & N

5、atural Gas Engineering Song Xiaohong (signature) Xu Yuangang Wang Fangyi (signature) (signature) ABSTRACT The cementing technique for Associated Gas in Changqing Oilfield mining of Petrochina Changqing Oilfield Production Plant No.5 on the north of Jiyuan Oilfields district is located in the norther

6、n Erduos basin, recoverable reserves of 2.8 x 104 1 , The block layer drilling oil and gas ratio as high as 78.3 98.6 m3 /1, is rich in crude oil associated gas resources. In early 2011, the block associated gas measuring 2.11 x 108 Nm3, supporting construction has a capacity of 3.0 x 104 Nm3 / d as

7、sociated gas recycling, a small number of used for heating and power generation, effective utilization only to 44%. The remaining 56% of the associated gas in the process of mining processing storage natural volatilization or eliminate in the form of the torch burning. It will cause great waste of r

8、esources, aggravate the atmospheric pollution and ecological destruction. In the situation of domestic pollution emissions, it not only conforms to the national environmental requirements and sustainable development, but also improves the efficiency of oil associated gas application and oilfield dev

9、elopment economic benefits. Firstly, this article investigate the distribution of the northen Jiyuan Oilfield crude oil associated gas resources. Making the study to oil-gas mixture transportation, oil-gas separation methods, gas-collecting mode and other related equipment, which combine with oil-su

10、rface engineering technology application of secondary embattling mode and airtight gathering and transferring flow applications. Secondly, analyzes the gas collecting effect and economic efficiency by using the geographical conditions, site construction and production management actual situation to

11、substantiate three principal factors to gas-collecting. The core techniques are single well booster to pry (transfer station) of oil and gas mixing technology, pressure lever (transfer station) crude oil and gas separation and separation point to union station (associated gas recycle bin) pressurize

12、d gas transmission techniques. Finally, in the end of the associated gas recycle bin (light hydrocarbon factory) for processing and recycling in order to improve the comprehensive utilization of associated gas. Key Words： Associated Gas Changqing Jiyuan Oilfield gas gathering system hydrocarbon reco

13、very field application Thesis： Application study HI 雜 . 1 1.1本文研究的目的与意义 . 1 1.1.1研究 g的 . 1 1.1.2研究意义 . 2 1.2国内外研究状况 . 3 1.2.1国外发展状况 . 3 1.2.2国内伴生气回收利用情况 . 4 1.3论文的创新点 . 7 1.4本文研究内容 . 8 第二章姬塬油田北区开发形势 . 9 2.1姬塬油田北区油田开发现状 . 9 2.2原油集输技术应用 . 10 2.3姬塬油田北区开采储层特性及伴生气性质 . 11 2.4 /H吉 . 12 第三章伴生气资源分布特征研究 . 13

14、3.1套管气的产生原因 . 13 3.1.1套管气资源分布 . 14 3.1.2套管气的成分分析 . 15 3.2集输站场分离伴生气 . 16 3.2.1集输站场分离伴生气的分布 . 17 3.2.2集输站场分离伴生气的组分特点 . 18 3.3溶解气 . 18 3.3.1联合站的溶解伴生气 . 18 3.3.2 原油稳定 . 19 3.4姬塬油田北区油田伴生气生产特征 . 21 3.4.1姬塬油田北区伴生气生产耗用量统计 . 21 3.4.2姬塬油田北区伴生气的经验核算 . 21 3.4.3联合站通过稳定拔出溶解气和轻烃的核算 . 22 3.5 /H吉 . 22 第四章油田伴生气集气设备研究

15、 . 23 4.1相规 . 23 4.2姬塬油田北区地理因素对集气的影响 . 23 4.3姬塬油田北区地理因素对原油集输的影响 . 24 4.4伴生气集气设备 . 24 4.4.1套管气回收设备 . 25 4.4.2油气混输设备 . 26 4.5 30 第五章油田伴生气集气方式研究 . 32 5.1相规 . 32 5.1.1增压集输工艺 . 32 5.1.2负压集输工艺 . 32 5.1.3自压集输工艺 . 33 5.2伴生气集气工艺的经济性选择 . 33 5.3增压压缩机输气 . 34 5.3.1集气用增压压缩机 . 34 5.3.2姬塬油田增压输气工艺选择 . 34 5.3.3姬塬油田增压

16、输气试验 . 35 5.4伴生气自压输气 . 36 5.5伴生气输气管线的建设 . 37 5.6 38 第六章伴生气利用 . 39 6.1利用伴生气发电 . 39 6.2利用伴生气生产 NGL或 CNG . 39 6.3利用伴生气生产 LPG和稳定轻烃 . 39 6.3.1轻烃厂工艺现状 . 40 6.3.2轻烃厂建设的原料基础与必要性分析 . 40 6.3.3轻烃厂工艺的选择 . 41 6.3.4目前 A1轻烃厂的运行现状 . 41 6.4 /H吉 . 41 第七章结论与建议 . 42 7.1 42 7.2 MIX . 42 if . 43 参考文献 . 44 攻读硕士学位期间发表的论文 .

17、 47 III 第一 章 绪论 油田伴生气在地层中与原油共存，在采油过程中随同原油同时被采出，经油、气分 离后所得的混合气体。油田伴生气是一种混合物，主要成分为 CH4、 C2H6、 C3H8，还含 有少量易挥发的液态烃及 co2、 N2、 H2S，经常还携带有水分、机械杂质等。伴生气亦 称石油气或油田伴生气，是与石油沉积一起存在的天然气，通常以气顶的形式存在于含 油层之上或溶解在原油中。 油田伴生气的量一般较小，可利用的压能较低，过去往往被误认为是没有价值的天 然气，对于它们往往是采用直接燃烧的方法处理，而随着油田伴生气的产量越来越多， 直接燃烧留下了许多后遗症：燃烧所产生的 co2是温室气

18、体的一个主要来源。采取排放 燃烧的处理方法，对环境污染特别严重，随着国家对能源开采加工和运输过程中所造成 环境污染的重视以及对能源浪费治理整顿力度的加大，合理回收利用该部分能源已是当 务之急，也是国内能源 可持续发展的一个必然趋势。 根据油田生产伴生气集中分离位置不同，将油田伴生气分为三类： (1) 套管气，产生于油井套管中，每个井场气量一般在 2000m3/d， 组分较贫， 具有一定的回收利用价值； (2) 站点伴生气，在集输站场缓冲罐或三相分离器中分离出来的气体，组分较富， 有较好的回收利用价值。 (3) 油罐集输站场分离伴生气和溶解气，溶解在原油中伴随原油流动，在集输站场 或三相分离器（

19、缓冲罐）等部位部分分离，在原油进到联合站或炼油厂等大型储罐降至 常压后从原油中释放出的有机烃气体和部分处于 “ 溶解一一脱气 ” 平衡状态的溶解伴生 气。这部分伴生气组分最富，具有极好的回收液化气和轻油价值。 这三类伴生气中以第 2、 3类较易回收，套管气相对集气回收利用难度最大，特别是 其中的边缘井、零散井套气回收难度巨大。 1.1本文研究的目的与意义 1.1.1研究目的 姬源油田位于鄂尔多斯盆地北部，地处陕西省定边县与宁夏自治区盐池县境内，该 区域地表破碎、沟壑纵横，最高海拔 1860米，勘探面积 1802.1平方公里，总资源量 3.1 123亿吨，已探明储量 1.4014亿吨，属鄂尔多斯

20、盆地中生界多油层发育区之一，主要以 三叠系特低渗透油藏开发为主，是长庆油田増储上产的主力区域，也是长庆油田发展史 上建设速度最快的油田。 姬塬油田北区 2011年原油生产能力接近 230万吨， 2013年原油产量将达到 300万 1 吨。该区块油藏富集，伴生气资源丰富，按地质测试资料，各开采层气油比范围从 78.3 98.6m3/t1。按最低值计算， 2011年伴生气量量约为 2.11X108 NmVa。 利用方式主要有 作为燃料应用于生产生活加热、燃气发电以及伴生气回收深加工。 2011年的利用量为 1.19 Xl 8Nm3 /a， 利用率仅为 56.4%。其中发电所耗伴生气为 0.21X1

21、08m3/d， 占 10.0%;作 为燃料消耗 1.04X108m3/a， 占 49.3%;轻烃装置回收量 0.02X108m3/a， 占 0.9%。 2011 年有 0.92X108Nm3/a的原油伴生气以放空、火炬燃烧、开始流程自然挥发的方式释放到 环境中。 同时，在常压储罐的呼吸阀口，随着原油伴生气和烃蒸气的大量散发， C6以上的轻 烃也会被携带挥发出来，造成原油的蒸发损耗，据相关测算， 2011年原油蒸发损耗轻烃 数量达到 4100t2。这些轻烃和原油伴生气一起逸散到空气中对大气环境造成了严重影 响，同时造成的经济损失也达到了 5000万元 /年。 目前，姬塬油田北区原油伴生气集气利用

22、的问题主要体现在：地理地势复杂，油井 分散，气源距离伴生气回收处理站（轻烃厂）和利用点距离长，采油地面工程设备和工 艺配套性差，造成伴生气利用中的集气困难，解决集气问题，至关重要。 1.1.2研究意义 近年来，长庆油田在油田伴生气回收及综合利用工作方面取得了重要进展。全油田 已建成和投产了 12套伴生气回收装置。伴生气回收利用，既有利于实现 “ 节能减排、环 境保 护及清洁生产 ” 要求，又提高了油田开发水平和整体经济效益，是国家 “ 资源经济、 科学发展 ” 及“ 资源节约型、环境友好型企业 ” 的发展要求。 姬塬油田北区还存在数量可观的油田伴生气未加利用。采取排放、燃烧的处理方法， 对环境

23、污染严重，同时 大量的油层伴生气在原油储运过程中挥发给站场造成安全隐患； 工作场所的油气严重损害工作人员的身心健康； 油层伴生气的挥发造成油气资源的巨大浪费和效益损耗； 随着国家对能源开采过程中所造成的环境污染以及能源浪费治理整顿力度的加大， 对于合理回收利用该部分能源已是 a务之急，也是国内能源长期持久发展的一个必然趋 势。伴生气的有效利用，既可实现经济、社会、环境的双赢，又能起到环保、节能、优 化能源结构三重效果。 本课题所研究的伴生气集气利用属于环保节能项目，环境、社会和经济效益均显著， 涉及油气资源的合理开发，涉及伴生气集气利用经济效益，而且受地理地貌特殊性限制 和油井开发的周期影响，

24、一次性投资大，建成后的运行管理难度大。因此，要尽可能的 摸清原油伴生气分布，集中优势，提高伴生气利用率，实现效益化利用。 2 1.2国内外研究状况 1.2.1国外发展状况 (1) 国外伴生气利用情况 1985年美国约有 870套液烃回收装置。世界银行发表的数据表明， 2000年全球放 空烧掉的油田伴生气多达 1067.6亿立方米，其中非洲 365.7亿立方米，前苏联 187.9亿 立方米、中东 158.2亿立方米、北美 118.7亿立方米、亚洲一大洋洲 108.6亿立方米、拉 丁美洲 98.8亿立方米、欧洲 29.7亿立方米。俄罗斯、尼日利亚、伊朗、伊拉克、安哥拉 等 20多个国家是燃除天然气

25、较多的国家。在一些非洲国家，油田伴生气很多，保留在油 藏中会影响采油，不得已采取放空燃烧（即 “ 燃除 ” ）泄压措施。例如，尼日利亚 2000 年就烧掉油田伴生气 173.6亿立方米。俄罗斯2006年烧掉油田伴生气 150 170亿立方 米，占总量的 25 28，回收利用的仅占 27%。 2009年俄罗斯国家立法通过了联邦政府 第 7号政府决议一一减少石油伴生气燃烧对大气污染的激励措施，设定了所有开采区 伴生气统一 5%的排空燃烧上限，并且对排空燃烧处以 50卢布 /吨的罚款，以促进伴生 气的利用率 3_7。 国外对于伴生气深加工利用研究和应用技术起步较早，回收利用主要在原油生 产链 条的后

26、端 “ 联合站 ” 环节，伴生气大量集中在此，同步建设原油稳定和轻烃回收装置， 生产 LPG、轻烃 （ NGL)、 CNG、 LNG以及利用多余干气发电。并利用轻烃回收装置产 品为原料生产天然气合成油 （ GTL)、 甲醇、合成氨等。但在油井井口套气、边缘井站大 多以 “ 燃除 ” 、回注和发电为主，其中燃除比例较大，即但是雪佛龙 （ Chevron)、 BP和 壳牌这样的大型跨国公司也是如此。 国外油田开发在联合站环节回收利用伴生气的成功案例较多，例如： 1978年， BP 公司在阿联酋沙迦酋长国建设 Sharjah气体处理厂，处理油田 伴生气和气田凝析油， 2007 年日均处理伴生气量 2

27、40万立方英尺 (24.8亿方 /年 )，年回收 LPG超过 87000吨，还有可 观数量的 LNG等；秘鲁 PetroTech Peruana SA公司 2005年投资 5500万美元建设 1座 处理能力 5亿方 /年的伴生气回收处理厂，用于处理太平洋秘鲁沿海浅水区域一个油田的 伴生气， 2007年这个处理厂伴生气处理量为 2.6亿方， LPG产量约为 1000桶 /天，轻烃 产量约为 500桶 /天 8_12。 中国石油 2008年投资 45亿元在哈萨克斯坦建设 “ 让纳若尔油田第三油气处理厂一 期工程 ”,该工程设计回收处理能力为 60X 108 Nm3/a， 一期工程回收油田伴生气 2

28、0X 108 Nm3/a13。 (2) 伴生气集气模式 国外开发油藏大多属于高产高丰度，单井产量高，伴生气量较为可观，集气方式多 样。在商业管网附近的，进行深冷加工、分离，后续产品如干气经压缩机加压后进入商 3 品市场，或进行深加工，如：制甲醇、合成汽油 （ GTL)、 LPG等。零散或边远井的伴 生气，就近安装 CNG设施，制取 CNG， 或进行多相混输后再集中处理。油田伴生气数 量较大的则利 用 “ 非管网加气系统 ” 就近外输至油田较近的居民集中区利用，供离油田 较近的、居民较为集中没有天然气管网地区的居民使用和附近 CNG汽车加气站使用。 针对边缘井、小开发区块和远离商业管网的零散但具

29、有较高经济价值的油田伴生气利用， 国外开发出许多撬装设备回收 LNG、 LPG投入应用，并注册了很多专利。现实中，不论 是在美国、加拿大，还是在中东、南美众多油田开发地，受经济投入和产出效益考量， 边际油田、边缘井、低产井等的伴生气放空燃除的还是占了很大比例 14。 (3) 伴生气多相混输输送 20世纪初，国外就开展了石油工业油气多相流动的研究，采用多相混输技术，伴生 气多与原油混输进入联合站等大型集输站库，伴生气在集输站库分离后加压输送或集中 加以利用。70年代，各发达国家相继投入了大量资金和人力，进行多相流领域的应用基 础与应用技术研究，取得了不少成果，并在上百条长距离混输管道上得到了应用

30、。多相 流量计、多相混输泵、多相混输管道工艺计算软件等进入工业性应用阶段。 20世纪 80年代以来，法国、英国、挪威等欧洲产油国相继投入大量的财力和人力 进行了若干个多相混输技术研究项目，仅法国石油研究院、道达 尔 （ Total)、 挪威国家 石油公司 1985年在 “ 海神 ” 多相栗的研究就耗资近 4000万美兀。德国的 Bomemann公 司在 20世纪 80年代中期开始研制双螺杆多相混输泵， 19891992年在突尼斯试验成功， 之后定型并开始工业化应用。该公司生产的双螺杆多相混输泵在埃及、奥地利、南非、 美国、委内瑞拉、加拿大等国家的陆上及海上油田应用且取得了良好效果，在国际上处

31、于领先水平 15_18。 2005年，中国石油在哈萨克斯坦肯基亚克盐下油田使用油气混输工艺，将油田油井 产物全部混输至 44km以外的让纳若尔油气处 理厂集中处理。 2007，挪威年建成并投产 了一条长 143km、 口径为 700 mm的欧洲北海布伦特油气田天然气凝析液海底混输管道。 国外基于油井单井产量较高的原因，多相泵应用范围一般为：排量 600 8000m3/d， 油气比 20 300m3/m3， 输送距离 10 100km。 螺旋轴流混输栗（如海神单螺杆栗）已能 完全适应 4D 的冷弯弯管或煨制弯头。 (5) 根据油田油气集输设计规范 5.3.1条规定，对未经净化处理的湿气，集输 气

32、管线水力计算采用的气量应为设计输气量的 1.2 1.4倍，综合考虑姬塬油田复杂地形 和输气工艺，取 1.3倍设计系数来选择输气管线 (6) 采用自压输气的站场缓冲罐压力控制在 .5MPa左右。 六、伴生气利用 油田伴生气的利用方式由于远离城市，受地理因素影响较大，一般就地利用生产产 品，主要利用方式有： 1、 集中到轻经厂，生产 LPG、 稳定轻烃、 LNG， 利用多余干气发电、热电联和利 用； 2、 利用移动撬装设备，生产 NGL、 CNG或 LNG! 3、 就地利用，进行发电。 1. 利用伴生气发电 油田伴生气是一种热值比天然气高的的能源 ，一 般在 35MJ/Nm3,按照研究结果来 看

33、53,油田伴生气用来发电的转换率为 3 3.6kwh/Nm3 (气 )。国产发电机组转换率较 低一般为 3.0 3.4kwh/Nm3 (气），进口发电机组一般为 3.2 3.4kwh/Nm3 (气 ）， 使用 “ 航 机 ”发电则可以达到 3.6kwh/Nm3 (气）。偏离的因素，取决于伴生气中重烃组分含量的 多少。 以某增压点为例，该站日产伴生气量 4500Nm3/d,安装有 1台 600kw发电机组， 曰发电量 13000 kwh,基本将全部伴生气消耗掉。按照上网电价 0.16元 /kwh计算，年 发电收入为 75.92万元。 发电设备装机价格为 2500 3000元 /kw53,发电设备

34、投资最髙为 180万元，可在 2.4年内收回投资，发电机寿命一般为 4 6年，经济效益是客观的。因此，使用油田伴 生气来进行发电具有较好的经济效益，测算达到 20 30%。 2. 利用伴生气生产 NGL或 CNG 按照王协琴 54的研究分析，以新疆准格尔盆地某油区伴生气为例，通过投资 516 万的CNG撬装设备，处理 3Xl 4Nm3/d伴生气，全负荷运行下，半年内即可收 回全部 投资， 50%负荷则需要 2年时间 经济效益达到 40%以上。 3. 利用伴生气生产 LPG和稳定轻烃 油田伴生气生产严重依赖于油田的开发形势、开发规模和地质储量，在姬塬油田北 区这种 “ 三低 ” 油藏，油井的开发

35、寿命一般为 8 12年，也就决定了伴生气的生产年限， 使得投资必须谨慎。在井组或转油站等小的集输站点，只能以小投资进行利用。天燃气 发电、撬装回收生产 NGL和 LNG就是基于以上事实的理性选择。 姬塬油田整体道路设计只能达到联合站这样的一级站库，转油站、增压站这些二级 站库只有砂石道路，考虑油区特殊的地理地貌，道路制约了 CNG、 LNG的拉运，同时 考虑伴生气生产特点，撬装生产 CNG、 LNG在姬塬油田北区目前还具备条件。 由于原油集输的方向全部集中在联合站这个环节，考虑目前姬塬油田北区油田开发 地面建设现状，将伴生气集中输往联合站，在联合站旁建设轻烃厂加以利用，生产 LPG、 和稳定轻

36、烃，多余干气生产 LNG或集中发电是较为便利的选择 .至于位置偏远、集气 难度极大地地点使用撬装设备生产 NGL， 则较为可行。 (1) 轻烃厂工艺现状 轻烃厂利用伴生气通常的考虑是生产 NGL,即指天然气中的 C3以上重烃液，通 过进一步处理生产液化石油气 （ LPG)和稳定轻经。目前，天然气轻烃回收的主要方法 有吸附法、油吸收法 (低温油吸收法、马拉法 )、冷凝分离法。 根据提供冷量的方法不同，冷凝分离法分为冷剂制冷法、直接膨胀制冷法和联合制 冷法。由于当前国内对 LPG的需求仍较高，提高 LPG收率往往是天然气处理的重要考 虑，因此膨胀制冷加冷剂 (一般为丙焼 )制冷的联合工艺，己经成为国内 LPG回收的主流 技术组合。冷凝分离法更因其对原料气组分变化的适应性大、投资低、效率高、操作方 便等突出优点而越来越被广泛应用。我国各油气田己建成的轻烃回收装置也大多采用 “ 冷凝分离法 ” 。姬塬油田北区建设的第一座轻烃厂 A1轻烃厂就是采用的这种工艺 不论是何种分类，从工艺原理上看都是由气体冷凝回收凝液和凝液精馏分离成合格 产品这两大步骤组成，流程上都由预处理、增压、净化、冷凝分离、制冷、凝液稳定切 割和产品储配七部分组成。 (2) 轻烃厂建设的原料基础与必要性分析 姬塬油田北区目前仍在开发过程