天然气利用技术4-1(第四章天然气开采)

1、天然气利用Natural Gas Utilization Technologies 第四章、天然气开采与加工工艺第一节、天然气的开采2022/8/23第一节、天然气的开采 由于深埋于地壳中，天然气储集层的压力可能达到数十兆帕。从地质构造方面看，由于经过漫长的地质年代和地壳运动，形成不同的沉积物特征和环境，积累成不同的地层，产生各种地质构造形态，因而天然气的储集具有纷繁复杂的形态和环境。而且天然气的生产在很大程度上受到地下天然气渗流规律的控制。由此使得对天然气的勘探、开发和生产成为具有丰富内涵的工程技术。2022/8/24第一节、天 然 气 的 开 采 1、气井井身结构与地面流程： 气井生产系统

2、由储层、举升油管、针形阀、地面集气管线、分离器等多个部件串连组成。天然气井的井身结构及其与地面主要设备之间的关系： 2022/8/252022/8/26第一节、天 然 气 的 开 采2、气井的生产系统： 气流从储层流到地面分离器一般要经历多个流动过程。不同的流动过程遵循不同的流动规律。气体的流动包括从气藏外边界到钻开的气层表面的多孔介质中的渗流，从射孔完井到井底的，并沿着管柱向上到达井口的垂直或倾斜管流，从井口经过集气管线到达分离器的水平或倾斜管流。由于流动规律不同，各个部分的压力损失不一样，而且与内部参数有关。2022/8/27气井生产系统第二节、天然气的处理与加工工艺2022/8/29 一

3、、商品天然气的质量要求：天然气作为一种商品通过管道输送至用户，必须达到一定的质量指标以满足安全平稳输气和用户的要求。2022/8/210一、商品天然气的质量要求：热值水露点烃露点硫含量（H2S）二氧化碳含量 2022/8/211一、商品天然气的质量要求 1、热值 1.1 什么是燃气的热值？ 燃气热值：是指单位体积的燃气完全燃烧所放出的热量，分为高热值（QH）和低热值（QL）两种，高低热值数字之差为燃烧产生的烟气中水蒸汽的气化潜热。 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、热值 华白数：是衡量燃气输给燃烧器热负荷大小的特性参数，是指控制燃具热负荷稳定状况的指标，也称热负荷指数， W=H/d0.5 ，W-华白数，H-燃气高热值，MJ/m3（kcal

5、/m3） , d-燃气相对密度。（空气相对密度为）。 华泊指数是天然气的一个特性。它量化了热输入，并综合考虑了热值和天然气密度，是燃气互换性的一个判定指数。一般规定，在两种燃气互换时华白指数的允许变化不大于5-10%2022/8/2141.2、天然气热值标准 制定天然气质量标准，统一天然气热值标准是天然气工业发展的需要 。1、热值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 我国部分油、气田的天然气组分表 mol分数， 组分四川卧龙河气田气大庆杏南伴生气华北任北伴生气新疆柯克亚凝析气华北苏桥凝析气大庆阿拉辛气田气陕西靖边气田气东海平湖凝析气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、统一天然气热值标准是构建共同管网的需要 随着天然气供气管网的延伸、扩大和发展，将出现小区联网到区域性联网，最后发展到全国联网，甚至跨国联网，全国天然气联网对各个来源的入网天然气必须有一个统一的标准，只有标准统一，才能保障管网中天然气的质量稳定性、可用性和安全性, 适应网内所有

8、用气设施要求，形成多气源、多产地、多销售商和多用户的质量保证体系。1.3、统一天然气热值标准的重要性2022/8/218 b、统一天然气热值标准是规范燃气用具的依据 根据天然气的热值标准设计与之相匹配的炉具，对规范燃具市场，保证质量是一个十分重要的问题。可以防止由于气种的改变，炉具产生脱火、回火、黄焰等现象，也不至因空气过剩而带走热量降低热效率或因空气不足造成燃烧不完全，使CO含量增加，造成中毒现象。单一热值标准的燃气具生产，有助于燃具厂家降低生产成本，有助于降低整个社会的产品维修服务成本，提高经济及社会效益。1.3、统一天然气热值标准的重要性2022/8/219c、统一天然气热值标准是一些特

9、殊工业用户的需要 一些特殊工业制品像电视机显像管及玻璃薄壳管的加工，对温度控制要求精度很高，要求燃气组分和热值相对平稳，只允许天然气热值在100 Kcal/m3范围内波动。波动过大，对产品质量会造成严重的影响。 1.3、统一天然气热值标准的重要性2022/8/220 d、统一天然气热值标准也是等热值交易的商业行为 按科学的说法应该是一个兆焦多少钱更合理，而不是一立方米多少钱。新疆天然气热值9792Kcal/m3，与陕甘宁天然气8232 Kcal/m3比相差1560 Kcal/m3。热值差异太大的天然气不可能是同一个售价，香港中华煤气公司都是以家庭耗气定额为多少兆焦，年销售量则以百万兆焦计算。广

10、东地区耗气定额为75万大卡/人.年，北京、天津为65万大卡/人.年，上海地区为70万大卡/人.年作为设计依据。 1.3、统一天然气热值标准的重要性2022/8/221 e、统一天然气标准热值是天然气置换的需要 在现用的燃气有水煤气、半水煤气、焦炉煤气、油煤气、混空气、液化石油气、天然气，各种气体热值不一，相差较大，从半水煤气的2400大卡/米3 到天然气的10000大卡/米3 到液化石油气的24000大卡/米3，相差10倍之多。如何做好天然气的转换工作就需要有一个热值标准来规范管网和炉具以及具体的转换方法。1.3、统一天然气热值标准的重要性2022/8/2221.4、制定天然气质量标准的迫切性

11、西气东输管道气和沿海引进的LNG与城市燃气的可置换性问题(2) 各进口LNG项目终端站和供气系统的设计(3) 国内大小气田或油田伴生气田集输处理设施以及其集输管网与全 国主干管网联结的规划和设计(4) 天然气大用户的系统和设备的规划、设计与运营（5）中国天然气作为资源优化利用提出的要求2022/8/223 一、商品天然气的质量要求：2、烃露点 烃露点要求是用来防止在输气或配气管道中有液体烃析出。析出的液体烃聚集在管道低洼处，会减少管道流通面积。 烃露点一般根据各国具体情况而定，有些国家规定了在一定压力下允许的天然气最高烃露点。例如：加拿大艾伯塔省规定在5.5MPa下的最高烃露点为-10。 20

12、22/8/224 一、商品天然气的质量要求：3、水露点 水露点要求是用来防止在输气或配气管道中有液体烃析出。液态水的存在会加速天然气中酸性组分（H2S、CO2）对钢材的腐蚀，还会形成固态天然气水合物，堵塞管道和设备。 水露点一般是根据各国具体情况而定。在我国，对管输天然气要求其水露点应比输气管道中其他可能达到的最低温度低5。也有国家是规定天然气中的水蒸汽含量，如加拿大艾伯塔省规定水蒸气含量不高于65mg/m3。2022/8/225 1、商品天然气的质量要求：4、硫含量 硫含量要求主要是用来控制天然气中硫化物的腐蚀性和对大气的污染。5、CO2含量 CO2也是天然气中的酸性组分，在有液态水存在时，

13、对管道和设备也有腐蚀性。尤其当H2S、CO2与水同时存在时，对刚才的腐蚀更加严重。 2022/8/226 二、天然气处理与加工天然气处理与加工是天然气工业中一个十分重要的组成部分，是开采出来的天然气在进入输、配管道或送往用户之前比不可少的生产环节。2022/8/227二、天然气处理与加工1、天然气加工天然气加工：为了达到烃露点的要求以及分离、回收粗天然气中更富价值的C2烃组分，使之成为产品的工艺过程。天然气加工的主要产品：2022/8/228二、天然气处理与加工天然气加工的主要产品：天然气凝液（natural gas liquids , NGL）液化石油气（liquefied petroleu

14、m gas, LPG）天然汽油(凝析汽油)液化天然气（liquefied natural gas, LNG）压缩天然气（compressed natural gas, CNG）2022/8/229二、天然气处理与加工2、 天然气处理天然气处理：是指为使天然气符合商品质量或管道输送要求而采取的工业过程。气液分离：初级分离，多级分离天然气净化2022/8/230二、天然气处理与加工初级分离： 从井中采出的天然气或多或少都带有一部分液体（凝析油、矿化水）和固体杂志（岩屑、砂砾）。这些液体和固体杂质带进站场，会堵塞管线和磨损设备。对气液、气固进行初步分离的工艺。多级分离：逐级降低分离器压力，经过两级或

15、以上的闪蒸或部分冷凝，将气井所产的流体分离成气、液两相的工艺方法。2022/8/231 三、天然气的净化 天然气净化的目的是将天然气中的水、硫和二氧化碳等成分的含量降至工业和民用商品天然气所要求的指标，且符合环境法规的要求。它通常包括四类工艺处理，天然气脱水、脱硫、硫磺回收和废气处理。2022/8/232三、天然气的净化 天然气和水会形成天然气水合物，它是半稳定的固态化合物，可以在零度以上形成，它不仅可能导致管线堵塞，也可造成喷嘴和分离设备的堵塞。1、天 然 气 脱 水2022/8/2331、天 然 气 脱 水1.1 水合物形成条件：（1）天然气的温度等于或低于露点温度，有液态水存在。（2）在

16、一定压力和气体组成下，天然气温度低于水合物形成温度，液态水就会与天然气中的某些气体组分形成水合物。（3）压力增加，形成水合物的温度相应增加。 水合物形成温度总是等于或低于露点温度。2022/8/2341、天 然 气 脱 水 1.1 水合物形成条件： 当具备上述主要条件时，有时仍不能形成水合物，还必须具备下述一些引起水合物形成的次要条件：（1）气流速度很快，或者通过设备或管道中诸如弯头、孔板、阀门、测温元件套管处等时，使气流出现剧烈扰动。（2）压力发生波动（3）存在小的水合物晶种（4）存在CO2或H2S等组分，因为他们比烃类更易形成水合物2022/8/2351、天 然 气 脱 水1.2 防止固体

17、水合物形成的方法有三种：（1）将含水的天然气加热。气体温度高于其露点，可防止水合物的形成。若管道或设备必须在低于水合物形成温度以下操作时，就采用其他两种方法： (2) 利用液体（三甘醇）或固体（分子筛）干燥剂将天然气脱水，使其露点降低到操作温度以下。 (3) 向气流中加入化学记剂，即热力学抑制剂。2022/8/2361、天 然 气 脱 水1.3 天然气脱水的方法 天然气脱水是防止水合物形成的最好方法 天然气脱水的方法：冷却法、吸收法和吸附法等。2022/8/237（1）、冷却脱水分为直接冷却、加压冷却、膨胀制冷冷却和机械制冷冷却。直接冷却脱水：利用当压力不变时，天然气的含水量随温度降低而减少的

18、原理实现天然气脱水。此法只适用于大量水分的粗分离。加压冷却：对于多组分的天然气混合物，各组成部分的液化温度都不同，其中水和重烃是较易液化的两种物质。所以采用加压和降温措施，可促使天然气中的水分冷凝析出。天然气中水的露点随气体中水分降低而下降。脱水的目的就是使天然气中水的露点足够低，从而防止低温下水冷凝、冻结及水合物的形成。 2022/8/238（1）冷却脱水膨胀制冷冷却：对于井口压力很高的气体，可直接利用井口的压力，对气体进行节流降压到管输气的压力。在降压过程中，天然气的温度也会相应降低，若天然气中水的含量很高，露点在节流后的温度以上，则节流后就会有水析出，从而达到脱水的目的。机械制冷冷却：对

19、于压力比较低的天然气，可采用制冷方式进行冷却脱水。首先对天然气进行压缩，使天然气达到高温高压、经水冷却器冷却，再经节流元件进行节流，从而使温度降至天然气中水的露点以下，则水从天然气中析出，实现脱水。2022/8/239（2）吸 收 脱 水 吸收脱水是用吸湿性液体(或活性固体)吸收的方法脱除气流中的水蒸气。 吸收法采用液体吸收剂（液体干燥剂）及氯化物盐溶液作脱水吸收剂。常用的液体吸收剂为甘醇类化合物，氯化物盐溶液为氯化钙水溶液。2022/8/240 甘醇法脱水装置的典型工艺流程图 2022/8/241（3）吸 附 脱 水 一个或多个组分在界面上的富集(正吸附或简单吸附)或损耗(负吸附)。其机理是

20、在两相界面上，由于异相分子间作用力不同于主体分子间作用力，使相界面上流体的分子密度异于主体密度而发生“吸附”。 。2022/8/242（3）吸 附 脱 水 与液体吸收脱水的方法比较，吸附脱水能够提供非常低的露点；吸附法对气温、流速、压力等变化不敏感；相比之下没有腐蚀、形成泡沫等问题；适合于对于少量气体的廉价脱水过程。 目前在天然气净化过程中，主要使用的吸附剂有活性氧化铝、硅胶和分子筛三大类。活性炭的脱水能力甚微，主要用于从天然气中回收液烃。2022/8/2432022/8/2442、天 然 气 脱 酸 性 气 体 由地层采出的天然气除通常含有水蒸气外，往往还含有一些酸性气体。这些酸性气体一般是

21、H2S、CO2、CS2、 COS（硫化羰）、CH3SCH3（硫醚）、C4H4S（噻吩）与RSH（硫醇）等气相杂质。2022/8/2452、天 然 气 脱 酸 性 气 体 脱除天然气中的硫化物及CO2 方法： 包括以醇胺法为主的化学溶剂法、以砜胺法为代表的化学物理溶剂法，联合吸收法、直接转化法，非再生性法、膜分离法和低温分离法等。2022/8/246脱除天然气中的硫化物及CO2 方法2022/8/2472、天 然 气 脱 酸 性 气 体 化学吸收法:天然气脱硫占据主导地位的工艺是化学溶剂法，即醇胺法。以弱碱性溶液为吸收溶剂，与天然气中的酸性气体(主要是H2S和CO2)反应形成化合物。当吸收了酸性气体的溶液(富液)温度升高、压力降低时，该化合物即分解放出酸性气体。在化学吸收法中，各种烷醇胺法(简称胺法)应用最广，所使用的胺有一乙醇胺(MEA)、二乙醇胺(DEA)、二异丙醇胺(DIPA)、甲基二乙醇