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混合方案 解决深水天然气开采难题

混合方案 解决深水天然气开采难题

随着技术的进步,一些在以前看似难以解决的难题也逐渐被破解。尤其是在深水领域,技术的进步最为迅速。

来自 | JPT
编译 | 白小明 惊蛰

虽然浮动液化天然气(FLNG)开发方式起初看起来很有前景,但高昂的资本支出和运营费用(OPEX)限制了深层应用,过去两年,澳大利亚有4个潜在的FLNG项目被取消。为满足开发深水气田的挑战,当前出现了一种采用混合概念的解决方案。其结合了平台和海底(水下)两种处理方式,从根本上提高了效率,处理成本更低。

当油气工业在20世纪90年代进入更深的水域时,水下处理技术极度缺乏。研究人员开发了防止水合物生成、防腐蚀(包括添加乙二醇和单乙二醇等)以及绝缘材料等专业技术。随着技术进步,目前已能够在特殊构造的管型管道中使用直接电加热或伴加热的加热技术。事实证明,这些技术在浅水区和中等距离回接应用方面非常成功。

然而,随着行业向更深的水域和更远的距离进军,这些技术的成本变得非常昂贵。第一阶段如果不能将大量生产水分离,则会大大增加生产成本。长距离也是海底压缩的主要问题,对于短距离而言,动力传输和变速控制都没什么问题,但长距离(大于100公里)会存在挑战。

传统的在平台气体处理和FLNG设施通常需要大量的巨型设备,无法实现成本效益。此外,由于需要大量操作人员,这些方式的运营支出很高,且存在安全挑战。对于超出固定平台深度的深水中的平台设施,其成本影响更大。在这些情况下,深水立管和流动保障设施增加了对重量更敏感的浮动下部结构。截至目前,选择长距离海底回接的主要原因是平台设施成本巨大。然而,液体和气体的处理间存在关键性区别。虽然如此,但截至目前这种区别还没有被考虑或发表过。

液体可以相对有效地在平台进行处理。平台高压气体系统对平台设施的尺寸、重量和成本产生不成比例的影响。重要的是,在巴西和西非等地区,使用浮式生产、储存和卸油装置(FPSO)来生产液体比较普遍。在离岸FPSO上处理液体显然比将液体运到岸上更具成本效益。

有时,成本差异通常采用诸如每吨单位成本等指标来衡量。例如,如果一个常规上部平台结构的成本是50000美元/吨的话,那么能够处理高压气体的上部平台结构(能够进行大规模气体压缩)成本将在70000-80000美元/吨。在过去的十年中,有几个大型天然气处理项目均采用了这种价格较高的设施。而低成本的无气体、低压液体处理设施由于目前很少见。大多数石油加工系统仍然需要处理大量的天然气,通常还有气举或气体回注系统。由于结果以平均成本表示,因此有效地隐藏了高压气体系统和低压液体处理系统之间的成本差异。

海底天然气处理 水下脱水工艺

混合概念的两种可能方案如图1和图2所示。方案1包括具有冷凝液储存和输出的低压FPSO平台设施,而方案2包括用于冷凝液脱水,然后再注入无水多相气体输出管道的低压半潜式设备。平台设施的确切类型和形状可以根据当地要求和作业公司的偏好进行调整。

混合方案 解决深水天然气开采难题

图1 混合处理方案1

水下脱水过程:高压气体分两个阶段在海底进行处理。第一阶段使用带温度控制的主动冷却器,然后进行气/液分离。将气体冷却至高于形成水合物和蜡的温度。这一阶段去除了绝大部分的冷凝水,更重要的是,去除了任何含有伴生盐的产出水。然后在第二阶段开始之前注入极少量的乙二醇。

在第二阶段,将气体进一步冷却至尽可能接近环境温度。冷却器可以是主动冷却器或被动冷却器。第二阶段处理过程可以位于远离第一阶段的中心站,这可以帮助冷却。第一阶段可以位于主要的钻井区域。

然后使气体通过气/气热交换器,在那里进一步冷却。该热交换器是压力容器,类似于壳-管式的,其设计与陆地设备相同。然后,气体通过阀门,经过较小的压力下降后,流向第二个分离器。那些在天然气加工方面经验丰富的人,将认识到这一过程相比于陆地/地面操作的创新之处,其中气/气热交换器有效地使温度降低了一倍。

来自两个分离器的液体流入低压平台处理单元。根据水深,在大多数情况下,压力应足以满足自然流动,无需海底泵送。通过第一冷却器实现大部分脱水工作,将气流温度降低至接近环境条件并将大部分水从气流中除去至液相。阀门和气/气交换器仅对气流的水含量进行最终调整。

另一个创新是在高压环境处理(大约14 -18 MPa)能力,在如此高的压力下,仅需很小的温度降低即可实现有效的脱水。可用的第二种选择是用第二个乙二醇注入点和第二个分离器内的增强接​​触装置替换气/气热交换器和阀门。

增强接触装置仅需要实现所需的接触程度,以及适合海底操作的坚固耐用设计。注意,这种接触装置是可行的,因为气体已经冷却至接近环境条件。否则,此类设备中的任何冷凝都可能导致发泡和操作失败。同样,初级脱水方法就是冷却。

混合技术优点

通过在各自的最佳位置分别处理气体和液体,提高了整体效率并降低了成本。同时,避免了会产生成本和项目风险的过度的技术复杂性。高压气体完全在海底处理。气体处理需要低温,这在海床很容易实现。气/液两相分离在海底进行是经过验证的明智之举。

混合方案 解决深水天然气开采难题

图2 混合处理方案2

液体处理需要热量来分离和稳定组分,这一过程在平台上进行最有效。液/液分离的基本原理基于液滴聚结,在高温下其粘度较低,这非常有益于分离的进行。液/液分离或三相分离被证实不宜在海底进行,目前在平台处理最有效。

平台设施还包括本地海底支持功能,以最大限度地降低成本和风险,并不受距离限制。当动力、控制和变速驱动器位于平台时,可以以非常低的成本进行海底压缩(当需要时)并降低技术风险。这种平台设施比传统的气体处理装置小得多,并且在低很多的压力下运行,仅需燃料气高压。低压平台设施可大幅降低的公用系统的尺寸,例如高压火炬和海水冷却系统。最后,这种混合概念最大限度地减少了海上人员的数量。

对于短距离回接,可以使用传统技术而无需任何高级处理;这永远是最好的选择。迄今为止,长距离回接存在成本和技术风险挑战。因此,大多数海底处理应用主要设计用于克服距离范围相对较窄的瓶颈。使用海底脱水的混合概念,主要是一种深水平台替代气田开发的概念;它可以覆盖更远的距离范围,因此,其潜在的应用市场规模要大得多。

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