天然氣利用技術(shù)4-1(第四章天然氣開采)

1、天然氣利用Natural Gas Utilization Technologies 第四章、天然氣開采與加工工藝第一節(jié)、天然氣的開采2022/8/23第一節(jié)、天然氣的開采 由于深埋于地殼中，天然氣儲(chǔ)集層的壓力可能達(dá)到數(shù)十兆帕。從地質(zhì)構(gòu)造方面看，由于經(jīng)過漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代和地殼運(yùn)動(dòng)，形成不同的沉積物特征和環(huán)境，積累成不同的地層，產(chǎn)生各種地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)，因而天然氣的儲(chǔ)集具有紛繁復(fù)雜的形態(tài)和環(huán)境。而且天然氣的生產(chǎn)在很大程度上受到地下天然氣滲流規(guī)律的控制。由此使得對(duì)天然氣的勘探、開發(fā)和生產(chǎn)成為具有豐富內(nèi)涵的工程技術(shù)。2022/8/24第一節(jié)、天 然 氣 的 開 采 1、氣井井身結(jié)構(gòu)與地面流程： 氣井生產(chǎn)系統(tǒng)

2、由儲(chǔ)層、舉升油管、針形閥、地面集氣管線、分離器等多個(gè)部件串連組成。天然氣井的井身結(jié)構(gòu)及其與地面主要設(shè)備之間的關(guān)系： 2022/8/252022/8/26第一節(jié)、天 然 氣 的 開 采2、氣井的生產(chǎn)系統(tǒng)： 氣流從儲(chǔ)層流到地面分離器一般要經(jīng)歷多個(gè)流動(dòng)過程。不同的流動(dòng)過程遵循不同的流動(dòng)規(guī)律。氣體的流動(dòng)包括從氣藏外邊界到鉆開的氣層表面的多孔介質(zhì)中的滲流，從射孔完井到井底的，并沿著管柱向上到達(dá)井口的垂直或傾斜管流，從井口經(jīng)過集氣管線到達(dá)分離器的水平或傾斜管流。由于流動(dòng)規(guī)律不同，各個(gè)部分的壓力損失不一樣，而且與內(nèi)部參數(shù)有關(guān)。2022/8/27氣井生產(chǎn)系統(tǒng)第二節(jié)、天然氣的處理與加工工藝2022/8/29 一

3、、商品天然氣的質(zhì)量要求：天然氣作為一種商品通過管道輸送至用戶，必須達(dá)到一定的質(zhì)量指標(biāo)以滿足安全平穩(wěn)輸氣和用戶的要求。2022/8/210一、商品天然氣的質(zhì)量要求：熱值水露點(diǎn)烴露點(diǎn)硫含量（H2S）二氧化碳含量 2022/8/211一、商品天然氣的質(zhì)量要求 1、熱值 1.1 什么是燃?xì)獾臒嶂担?燃?xì)鉄嶂担菏侵竼挝惑w積的燃?xì)馔耆紵懦龅臒崃?，分為高熱值（QH）和低熱值（QL）兩種，高低熱值數(shù)字之差為燃燒產(chǎn)生的煙氣中水蒸汽的氣化潛熱。 2022/8/212 the heat value of the NG main components at the standard conditionnameM

4、olecular formulaHige heat valueMJ/Nm3Hige heat valueMJ/kgLow heat valueMJ/Nm3Low heat valueMJ/kgmethaneCH439.84255.36735.90650.050ethaneC2H670.35151.90864.39747.515propaneC3H8101.26650.37693.24046.3832022/8/2131、熱值 華白數(shù)：是衡量燃?xì)廨斀o燃燒器熱負(fù)荷大小的特性參數(shù)，是指控制燃具熱負(fù)荷穩(wěn)定狀況的指標(biāo)，也稱熱負(fù)荷指數(shù)， W=H/d0.5 ，W-華白數(shù)，H-燃?xì)飧邿嶂?，MJ/m3（kcal

5、/m3） , d-燃?xì)庀鄬?duì)密度。（空氣相對(duì)密度為）。 華泊指數(shù)是天然氣的一個(gè)特性。它量化了熱輸入，并綜合考慮了熱值和天然氣密度，是燃?xì)饣Q性的一個(gè)判定指數(shù)。一般規(guī)定，在兩種燃?xì)饣Q時(shí)華白指數(shù)的允許變化不大于5-10%2022/8/2141.2、天然氣熱值標(biāo)準(zhǔn) 制定天然氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一天然氣熱值標(biāo)準(zhǔn)是天然氣工業(yè)發(fā)展的需要 。1、熱值2022/8/215the standard index of the NG heat value in the world countryAmericaEnglandJapanHolandAustraliaGermanyCanadaHigh HVMJ/m3kcal/

6、m337.26 890038.8442.8592761023546.051099935.17840041.45990030.247.27218112743685982022/8/216 我國(guó)部分油、氣田的天然氣組分表 mol分?jǐn)?shù)， 組分四川臥龍河氣田氣大慶杏南伴生氣華北任北伴生氣新疆柯克亞凝析氣華北蘇橋凝析氣大慶阿拉辛氣田氣陜西靖邊氣田氣東海平湖凝析氣C197.1468.2659.3774.6878.5891.3593.9581.70C20.4310.586.488.388.260.310.777.45C30.0311.2012.024.003.130.120.503.94C40.015.96

7、9.213.311.431.64C51.913.812.690.550.28C60.661.342.680.390.14C70.361.405.450.06CO21.460.204.580.261.410.224.703.86N20.730.551.793.990.808.000.77H2S0.202022/8/217a、統(tǒng)一天然氣熱值標(biāo)準(zhǔn)是構(gòu)建共同管網(wǎng)的需要 隨著天然氣供氣管網(wǎng)的延伸、擴(kuò)大和發(fā)展，將出現(xiàn)小區(qū)聯(lián)網(wǎng)到區(qū)域性聯(lián)網(wǎng)，最后發(fā)展到全國(guó)聯(lián)網(wǎng)，甚至跨國(guó)聯(lián)網(wǎng)，全國(guó)天然氣聯(lián)網(wǎng)對(duì)各個(gè)來源的入網(wǎng)天然氣必須有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，只有標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，才能保障管網(wǎng)中天然氣的質(zhì)量穩(wěn)定性、可用性和安全性, 適應(yīng)網(wǎng)內(nèi)所有

8、用氣設(shè)施要求，形成多氣源、多產(chǎn)地、多銷售商和多用戶的質(zhì)量保證體系。1.3、統(tǒng)一天然氣熱值標(biāo)準(zhǔn)的重要性2022/8/218 b、統(tǒng)一天然氣熱值標(biāo)準(zhǔn)是規(guī)范燃?xì)庥镁叩囊罁?jù) 根據(jù)天然氣的熱值標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)與之相匹配的爐具，對(duì)規(guī)范燃具市場(chǎng)，保證質(zhì)量是一個(gè)十分重要的問題。可以防止由于氣種的改變，爐具產(chǎn)生脫火、回火、黃焰等現(xiàn)象，也不至因空氣過剩而帶走熱量降低熱效率或因空氣不足造成燃燒不完全，使CO含量增加，造成中毒現(xiàn)象。單一熱值標(biāo)準(zhǔn)的燃?xì)饩呱a(chǎn)，有助于燃具廠家降低生產(chǎn)成本，有助于降低整個(gè)社會(huì)的產(chǎn)品維修服務(wù)成本，提高經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益。1.3、統(tǒng)一天然氣熱值標(biāo)準(zhǔn)的重要性2022/8/219c、統(tǒng)一天然氣熱值標(biāo)準(zhǔn)是一些特

9、殊工業(yè)用戶的需要 一些特殊工業(yè)制品像電視機(jī)顯像管及玻璃薄殼管的加工，對(duì)溫度控制要求精度很高，要求燃?xì)饨M分和熱值相對(duì)平穩(wěn)，只允許天然氣熱值在100 Kcal/m3范圍內(nèi)波動(dòng)。波動(dòng)過大，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量會(huì)造成嚴(yán)重的影響。 1.3、統(tǒng)一天然氣熱值標(biāo)準(zhǔn)的重要性2022/8/220 d、統(tǒng)一天然氣熱值標(biāo)準(zhǔn)也是等熱值交易的商業(yè)行為 按科學(xué)的說法應(yīng)該是一個(gè)兆焦多少錢更合理，而不是一立方米多少錢。新疆天然氣熱值9792Kcal/m3，與陜甘寧天然氣8232 Kcal/m3比相差1560 Kcal/m3。熱值差異太大的天然氣不可能是同一個(gè)售價(jià)，香港中華煤氣公司都是以家庭耗氣定額為多少兆焦，年銷售量則以百萬兆焦計(jì)算。廣

10、東地區(qū)耗氣定額為75萬大卡/人.年，北京、天津?yàn)?5萬大卡/人.年，上海地區(qū)為70萬大卡/人.年作為設(shè)計(jì)依據(jù)。 1.3、統(tǒng)一天然氣熱值標(biāo)準(zhǔn)的重要性2022/8/221 e、統(tǒng)一天然氣標(biāo)準(zhǔn)熱值是天然氣置換的需要 在現(xiàn)用的燃?xì)庥兴簹?、半水煤氣、焦?fàn)t煤氣、油煤氣、混空氣、液化石油氣、天然氣，各種氣體熱值不一，相差較大，從半水煤氣的2400大卡/米3 到天然氣的10000大卡/米3 到液化石油氣的24000大卡/米3，相差10倍之多。如何做好天然氣的轉(zhuǎn)換工作就需要有一個(gè)熱值標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范管網(wǎng)和爐具以及具體的轉(zhuǎn)換方法。1.3、統(tǒng)一天然氣熱值標(biāo)準(zhǔn)的重要性2022/8/2221.4、制定天然氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的迫切性

11、西氣東輸管道氣和沿海引進(jìn)的LNG與城市燃?xì)獾目芍脫Q性問題(2) 各進(jìn)口LNG項(xiàng)目終端站和供氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)(3) 國(guó)內(nèi)大小氣田或油田伴生氣田集輸處理設(shè)施以及其集輸管網(wǎng)與全 國(guó)主干管網(wǎng)聯(lián)結(jié)的規(guī)劃和設(shè)計(jì)(4) 天然氣大用戶的系統(tǒng)和設(shè)備的規(guī)劃、設(shè)計(jì)與運(yùn)營(yíng)（5）中國(guó)天然氣作為資源優(yōu)化利用提出的要求2022/8/223 一、商品天然氣的質(zhì)量要求：2、烴露點(diǎn) 烴露點(diǎn)要求是用來防止在輸氣或配氣管道中有液體烴析出。析出的液體烴聚集在管道低洼處，會(huì)減少管道流通面積。 烴露點(diǎn)一般根據(jù)各國(guó)具體情況而定，有些國(guó)家規(guī)定了在一定壓力下允許的天然氣最高烴露點(diǎn)。例如：加拿大艾伯塔省規(guī)定在5.5MPa下的最高烴露點(diǎn)為-10。 20

12、22/8/224 一、商品天然氣的質(zhì)量要求：3、水露點(diǎn) 水露點(diǎn)要求是用來防止在輸氣或配氣管道中有液體烴析出。液態(tài)水的存在會(huì)加速天然氣中酸性組分（H2S、CO2）對(duì)鋼材的腐蝕，還會(huì)形成固態(tài)天然氣水合物，堵塞管道和設(shè)備。 水露點(diǎn)一般是根據(jù)各國(guó)具體情況而定。在我國(guó)，對(duì)管輸天然氣要求其水露點(diǎn)應(yīng)比輸氣管道中其他可能達(dá)到的最低溫度低5。也有國(guó)家是規(guī)定天然氣中的水蒸汽含量，如加拿大艾伯塔省規(guī)定水蒸氣含量不高于65mg/m3。2022/8/225 1、商品天然氣的質(zhì)量要求：4、硫含量 硫含量要求主要是用來控制天然氣中硫化物的腐蝕性和對(duì)大氣的污染。5、CO2含量 CO2也是天然氣中的酸性組分，在有液態(tài)水存在時(shí)，

13、對(duì)管道和設(shè)備也有腐蝕性。尤其當(dāng)H2S、CO2與水同時(shí)存在時(shí)，對(duì)剛才的腐蝕更加嚴(yán)重。 2022/8/226 二、天然氣處理與加工天然氣處理與加工是天然氣工業(yè)中一個(gè)十分重要的組成部分，是開采出來的天然氣在進(jìn)入輸、配管道或送往用戶之前比不可少的生產(chǎn)環(huán)節(jié)。2022/8/227二、天然氣處理與加工1、天然氣加工天然氣加工：為了達(dá)到烴露點(diǎn)的要求以及分離、回收粗天然氣中更富價(jià)值的C2烴組分，使之成為產(chǎn)品的工藝過程。天然氣加工的主要產(chǎn)品：2022/8/228二、天然氣處理與加工天然氣加工的主要產(chǎn)品：天然氣凝液（natural gas liquids , NGL）液化石油氣（liquefied petroleu

14、m gas, LPG）天然汽油(凝析汽油)液化天然氣（liquefied natural gas, LNG）壓縮天然氣（compressed natural gas, CNG）2022/8/229二、天然氣處理與加工2、 天然氣處理天然氣處理：是指為使天然氣符合商品質(zhì)量或管道輸送要求而采取的工業(yè)過程。氣液分離：初級(jí)分離，多級(jí)分離天然氣凈化2022/8/230二、天然氣處理與加工初級(jí)分離： 從井中采出的天然氣或多或少都帶有一部分液體（凝析油、礦化水）和固體雜志（巖屑、砂礫）。這些液體和固體雜質(zhì)帶進(jìn)站場(chǎng)，會(huì)堵塞管線和磨損設(shè)備。對(duì)氣液、氣固進(jìn)行初步分離的工藝。多級(jí)分離：逐級(jí)降低分離器壓力，經(jīng)過兩級(jí)或

15、以上的閃蒸或部分冷凝，將氣井所產(chǎn)的流體分離成氣、液兩相的工藝方法。2022/8/231 三、天然氣的凈化 天然氣凈化的目的是將天然氣中的水、硫和二氧化碳等成分的含量降至工業(yè)和民用商品天然氣所要求的指標(biāo)，且符合環(huán)境法規(guī)的要求。它通常包括四類工藝處理，天然氣脫水、脫硫、硫磺回收和廢氣處理。2022/8/232三、天然氣的凈化 天然氣和水會(huì)形成天然氣水合物，它是半穩(wěn)定的固態(tài)化合物，可以在零度以上形成，它不僅可能導(dǎo)致管線堵塞，也可造成噴嘴和分離設(shè)備的堵塞。1、天 然 氣 脫 水2022/8/2331、天 然 氣 脫 水1.1 水合物形成條件：（1）天然氣的溫度等于或低于露點(diǎn)溫度，有液態(tài)水存在。（2）在

16、一定壓力和氣體組成下，天然氣溫度低于水合物形成溫度，液態(tài)水就會(huì)與天然氣中的某些氣體組分形成水合物。（3）壓力增加，形成水合物的溫度相應(yīng)增加。 水合物形成溫度總是等于或低于露點(diǎn)溫度。2022/8/2341、天 然 氣 脫 水 1.1 水合物形成條件： 當(dāng)具備上述主要條件時(shí)，有時(shí)仍不能形成水合物，還必須具備下述一些引起水合物形成的次要條件：（1）氣流速度很快，或者通過設(shè)備或管道中諸如彎頭、孔板、閥門、測(cè)溫元件套管處等時(shí)，使氣流出現(xiàn)劇烈擾動(dòng)。（2）壓力發(fā)生波動(dòng)（3）存在小的水合物晶種（4）存在CO2或H2S等組分，因?yàn)樗麄儽葻N類更易形成水合物2022/8/2351、天 然 氣 脫 水1.2 防止固體

17、水合物形成的方法有三種：（1）將含水的天然氣加熱。氣體溫度高于其露點(diǎn)，可防止水合物的形成。若管道或設(shè)備必須在低于水合物形成溫度以下操作時(shí)，就采用其他兩種方法： (2) 利用液體（三甘醇）或固體（分子篩）干燥劑將天然氣脫水，使其露點(diǎn)降低到操作溫度以下。 (3) 向氣流中加入化學(xué)記劑，即熱力學(xué)抑制劑。2022/8/2361、天 然 氣 脫 水1.3 天然氣脫水的方法 天然氣脫水是防止水合物形成的最好方法 天然氣脫水的方法：冷卻法、吸收法和吸附法等。2022/8/237（1）、冷卻脫水分為直接冷卻、加壓冷卻、膨脹制冷冷卻和機(jī)械制冷冷卻。直接冷卻脫水：利用當(dāng)壓力不變時(shí)，天然氣的含水量隨溫度降低而減少的

18、原理實(shí)現(xiàn)天然氣脫水。此法只適用于大量水分的粗分離。加壓冷卻：對(duì)于多組分的天然氣混合物，各組成部分的液化溫度都不同，其中水和重?zé)N是較易液化的兩種物質(zhì)。所以采用加壓和降溫措施，可促使天然氣中的水分冷凝析出。天然氣中水的露點(diǎn)隨氣體中水分降低而下降。脫水的目的就是使天然氣中水的露點(diǎn)足夠低，從而防止低溫下水冷凝、凍結(jié)及水合物的形成。 2022/8/238（1）冷卻脫水膨脹制冷冷卻：對(duì)于井口壓力很高的氣體，可直接利用井口的壓力，對(duì)氣體進(jìn)行節(jié)流降壓到管輸氣的壓力。在降壓過程中，天然氣的溫度也會(huì)相應(yīng)降低，若天然氣中水的含量很高，露點(diǎn)在節(jié)流后的溫度以上，則節(jié)流后就會(huì)有水析出，從而達(dá)到脫水的目的。機(jī)械制冷冷卻：對(duì)

19、于壓力比較低的天然氣，可采用制冷方式進(jìn)行冷卻脫水。首先對(duì)天然氣進(jìn)行壓縮，使天然氣達(dá)到高溫高壓、經(jīng)水冷卻器冷卻，再經(jīng)節(jié)流元件進(jìn)行節(jié)流，從而使溫度降至天然氣中水的露點(diǎn)以下，則水從天然氣中析出，實(shí)現(xiàn)脫水。2022/8/239（2）吸 收 脫 水 吸收脫水是用吸濕性液體(或活性固體)吸收的方法脫除氣流中的水蒸氣。 吸收法采用液體吸收劑（液體干燥劑）及氯化物鹽溶液作脫水吸收劑。常用的液體吸收劑為甘醇類化合物，氯化物鹽溶液為氯化鈣水溶液。2022/8/240 甘醇法脫水裝置的典型工藝流程圖 2022/8/241（3）吸 附 脫 水 一個(gè)或多個(gè)組分在界面上的富集(正吸附或簡(jiǎn)單吸附)或損耗(負(fù)吸附)。其機(jī)理是

20、在兩相界面上，由于異相分子間作用力不同于主體分子間作用力，使相界面上流體的分子密度異于主體密度而發(fā)生“吸附”。 。2022/8/242（3）吸 附 脫 水 與液體吸收脫水的方法比較，吸附脫水能夠提供非常低的露點(diǎn)；吸附法對(duì)氣溫、流速、壓力等變化不敏感；相比之下沒有腐蝕、形成泡沫等問題；適合于對(duì)于少量氣體的廉價(jià)脫水過程。 目前在天然氣凈化過程中，主要使用的吸附劑有活性氧化鋁、硅膠和分子篩三大類?；钚蕴康拿撍芰ι跷?，主要用于從天然氣中回收液烴。2022/8/2432022/8/2442、天 然 氣 脫 酸 性 氣 體 由地層采出的天然氣除通常含有水蒸氣外，往往還含有一些酸性氣體。這些酸性氣體一般是

21、H2S、CO2、CS2、 COS（硫化羰）、CH3SCH3（硫醚）、C4H4S（噻吩）與RSH（硫醇）等氣相雜質(zhì)。2022/8/2452、天 然 氣 脫 酸 性 氣 體 脫除天然氣中的硫化物及CO2 方法： 包括以醇胺法為主的化學(xué)溶劑法、以砜胺法為代表的化學(xué)物理溶劑法，聯(lián)合吸收法、直接轉(zhuǎn)化法，非再生性法、膜分離法和低溫分離法等。2022/8/246脫除天然氣中的硫化物及CO2 方法2022/8/2472、天 然 氣 脫 酸 性 氣 體 化學(xué)吸收法:天然氣脫硫占據(jù)主導(dǎo)地位的工藝是化學(xué)溶劑法，即醇胺法。以弱堿性溶液為吸收溶劑，與天然氣中的酸性氣體(主要是H2S和CO2)反應(yīng)形成化合物。當(dāng)吸收了酸性氣體的溶液(富液)溫度升高、壓力降低時(shí)，該化合物即分解放出酸性氣體。在化學(xué)吸收法中，各種烷醇胺法(簡(jiǎn)稱胺法)應(yīng)用最廣，所使用的胺有一乙醇胺(MEA)、二乙醇胺(DEA)、二異丙醇胺(DIPA)、甲基二乙醇