一种基于膜法提氦工艺的井口伴生气预处理装置及方法与流程

本发明属于井口伴生气处理，具体涉及一种基于膜法提氦工艺的井口伴生气预处理装置及方法。

背景技术：

1、从采油井的井口开采原油的过程中，不仅产出石油，还会伴随产出气体（即 “伴生气”或“井口伴生气”），井口伴生气作为天然气的最原始的来源，是气体和饱和水与油（少量）的混合物，其中气体包括天然气和氦气等，天然气主要为甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷以及其它烃类气体，在这些烃类气体中就有重烃（含芳烃，c6及以上）。

2、氦气作为一种稀缺的资源，广泛应用于航空航天、半导体制造、医疗设备、科学研究等高技术领域，全球氦气储量有限且分布不均，井口伴生气是工业提取氦气的主要来源之一。膜分离法是目前国内最主要的提取氦气的工艺之一，膜分离法首先需要进行脱水、脱重烃等预处理，然后通过膜法提氦装置（其内配置有多级的膜组件，为现有技术）使用多级膜分离工艺将氦气提浓，再经过脱氢、脱水和除杂等后，通过冷箱在极低温度下深冷液化获取液氦。

3、井口伴生气中含有c6以上重烃，且饱和含水，膜分离工艺中为了延长膜法提氦装置的膜组件运行寿命，保证膜分离装置长时间稳定运行，对原料气的重烃及水含量有严格的要求，一般控制含水量小于10ppm，重烃（含芳烃、c6及以上）小于400ppm，常规工艺采用分子筛脱水控制水含量，采用低温制冷控重烃含量，以达到相关要求。因此井口伴生气进入膜法提氦装置之前，需要经过脱水、除重烃等处理，这种在进入膜法提氦装置之前的脱水、除重烃等处理即为膜分离提氦工艺对井口伴生气进行的预处理。

4、然而，目前缺乏一套基于膜分离提氦工艺对井口伴生气进行处理，获得干燥、无粉尘、脱去氦气后的天然气以及油、水、或油与水混合物的液体分别作为气体成品和液体成品的装置及方法。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于膜法提氦工艺的井口伴生气预处理装置及方法，用于解决目前缺乏一套基于膜分离提氦工艺对井口伴生气进行处理，获得干燥、无粉尘、脱去氦气后的天然气以及油、水、或油与水混合物的液体分别作为气体成品和液体成品的装置及方法的问题。

2、为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

3、第一方面，本发明公开了一种基于膜法提氦工艺的井口伴生气预处理装置，包括

4、井口伴生气原料进口、中间产物出口和成品出口，

5、气体冷却器，包括原料气进口、低温原料气出口和制冷剂侧两口，所述气体冷却器的原料气进口与所述井口伴生气原料进口通过管道相连通，制冷剂侧两口用于分别通入和流出制冷剂；

6、第一气液分离器，包括混合料进口、气体出口和液体出口，所述第一气液分离器的混合料进口与所述气体冷却器的低温原料气出口通过管道相连通，所述第一气液分离器的液体出口与所述成品出口通过管道相连通；

7、过滤分离器，包括混合料进口、气体出口和液体出口，所述过滤分离器的混合料进口与所述第一气液分离器的气体出口通过管道相连通，所述过滤分离器的液体出口与所述成品出口通过管道相连通；

8、干燥单元，其进口与所述过滤分离器的气体出口通过管道相连通；

9、粉尘过滤器，其进口与所述干燥单元出口通过管道相连通；

10、重烃冷却器，其进口与所述粉尘过滤器的出口通过管道相连通；

11、第二气液分离器，包括混合料进口、气体出口和液体出口，所述第二气液分离器的混合料进口与所述重烃冷却器的出口通过管道相连通；所述第二气液分离器的气体出口与所述中间产物出口通过管道相连通；所述第二气液分离器的液体出口与所述成品出口通过管道相连通。

12、其中，所述井口伴生气原料进口用于注入井口伴生气原料；

13、所述气体冷却器用于冷却井口伴生气原料，形成低温伴生气原料；

14、所述第一气液分离器用于对低温伴生气原料进行气液分离，分别得到一级气体混合物和一级液体混合物；

15、所述过滤分离器用于对一级气体混合物进行过滤分离，去除游离水，分别得到二级气体混合物和二级液体混合物；

16、所述干燥单元用于吸收二级气体混合物中的水蒸汽，使二级气体混合物脱水，获得干燥气体混合物；

17、所述粉尘过滤器用于过滤干燥气体混合物中的固体颗粒，获得干燥且除尘后的气体混合物；

18、所述重烃冷却器用于冷却干燥且除尘后的气体混合物，使天然气中的c6及其以上的重烃遇冷凝结形成凝析油，获得干燥、除尘且脱重烃却含有氦气的低温天然气气体与凝析油的混合物；

19、所述第二气液分离器用于分离干燥、除尘且脱重烃的低温天然气气体与凝析油的混合物，分别得到三级气体混合物和三级液体混合物，其中三级气体混合物为干燥、除尘且脱重烃却含有氦气的低温天然气气体，三级液体混合物包含凝析油；

20、所述成品出口用于分别接收并输出从所述第一气液分离器的液体出口流出的一级液体混合物、从所述过滤分离器的液体出口流出的二级液体混合物以及所述第二气液分离器的液体出口流出的三级液体混合物；

21、所述中间产物出口用于输出三级气体混合物。

22、进一步地，所述干燥单元包括第一干燥器和第二干燥器，所述第一干燥器和所述第二干燥器并列设置，所述第一干燥器和所述第二干燥器的进口分别与所述过滤分离器的气体出口通过管道相连通，且在所述第一干燥器和所述第二干燥器的进口处分别配置有第一进气阀和第二进气阀，所述第一干燥器和所述第二干燥器的出口分别通过管道所述粉尘过滤器的进口相连通，且在所述第一干燥器和所述第二干燥器的出口处分别配置有第一出气阀和第二出气阀；

23、当需要使用第一干燥器进行干燥时，打开第一进气阀和第一出气阀，且保持所述第二进气阀和第二出气阀处于关闭状态；当需要使用第二干燥器进行干燥时，打开所述第二进气阀和第二出气阀，且保持第一进气阀和第一出气阀处于关闭状态。

24、优选地，所述第一干燥器和所述第二干燥器均内置分子筛，所述分子筛能吸收水蒸汽。

25、进一步地，还包括膜法提氦装置，所述膜法提氦装置的进口与所述中间产物出口对接；

26、所述膜法提氦装置用于对三级气体混合物进行初步提氦处理；

27、所述膜法提氦装置的出口作为初步脱氦后气体出口，用于输出脱氦后的三级气体混合物。

28、进一步地，还包括气液换热器，所述气液换热器放热侧的进口与出口分别与所述第一气液分离器的气体出口和所述第二气液分离器的混合料进口通过管道连通；

29、所述气液换热器吸热侧的进口与出口分别与所述第二气液分离器的液体出口和所述成品出口通过管道相连通；

30、从所述第一气液分离器的气体出口出来的一级气体混合物与从所述第二气液分离器的液体出口出来的三级液体混合物在经过所述气液换热器时发生能量交互，一级气体混合物将热量传递至三级液体混合物，所述三级液体混合物温度升高。

31、进一步地，还包括一级气气换热器、二级气气换热器和三级气气换热器，所述一级气气换热器吸热侧、所述二级气气换热器吸热侧和所述三级气气换热器吸热侧依次串联设置在所述第二气液分离器的气体出口到所述中间产物出口之间的管道上，且所述一级气气换热器的吸热侧的进口与所述第二气液分离器的气体出口相连通，所述三级气气换热器的吸热侧的出口与所述中间产物出口通过管道相连通；

32、所述一级气气换热器放热侧设置在所述粉尘过滤器的出口与所述重烃冷却器的进口之间相连通的管道上；

33、所述二级气气换热器放热侧设置在所述第一气液分离器的气体出口和所述过滤分离器的混合料进口之间相连通的管道上；

34、所述三级气气换热器放热侧设置在所述井口伴生气原料进口与所述气体冷却器的原料气进口之间相连通的管道上。

35、进一步地，所述一级气气换热器放热侧的进口与出口分别与所述粉尘过滤器的出口和所述重烃冷却器的进口通过管道相连通；

36、所述二级气气换热器放热侧的进口与出口分别与所述第一气液分离器的气体出口和所述过滤分离器的混合料进口；

37、所述三级气气换热器放热侧的进口与出口分别与所述井口伴生气原料进口与所述气体冷却器的原料气进口通过管道相连通。

38、进一步地，还包括分子筛再生调节装置，所述分子筛再生调节装置包括分子筛热吹进管和分子筛热吹回路，

39、所述分子筛热吹进管的进口与所述初步脱氦后气体出口对接连通，所述分子筛热吹进管的出口分别与所述第一干燥器和所述第二干燥器底端出口对接连通；

40、所述分子筛热吹回路的进口分别与所述第一干燥器和所述第二干燥器顶端进口对接连通，所述分子筛热吹回路的进口与所述成品出口对接连通；

41、所述分子筛热吹进管上设置有加热器，在所述加热器的进口与所述初步脱氦后气体出口相连通的管道上设置有启动控制阀；

42、在所述加热器的出口与所述第一干燥器和所述第二干燥器底端出口相连通的管道上分别设置有第一控制阀和第二控制阀；

43、在所述第一干燥器和所述第二干燥器顶端进口与所述成品出口相连通的管道上分别设置有第三控制阀和第四控制阀；

44、其中，所述加热器用于加热三级气体混合物；

45、当所述第一干燥器吸收二级气体混合物中的水蒸汽达到饱和时，关闭第一进气阀，暂停使用第一干燥器的干燥功能；打开所述第二进气阀和第二出气阀，开始使用第二干燥器进行干燥；打开启动控制阀，打开第一控制阀并保持第二控制阀处于关闭状态，打开第三控制阀并保持第四控制阀处于关闭状态，三级气体混合物从所述初步脱氦后气体出口流出至所述加热器加热后，再穿过所述第一干燥器的分子筛，将分子筛上的饱和水蒸汽加热并带出所述第一干燥器；

46、同理，当所述第二干燥器吸收二级气体混合物中的水蒸汽达到饱和时，关闭第二进气阀，暂停使用第二干燥器的干燥功能；打开所述第一进气阀和第一出气阀，开始使用第一干燥器进行干燥；打开启动控制阀，打开第二控制阀并保持第一控制阀处于关闭状态，打开保持第四控制阀并处于第三控制阀关闭状态，三级气体混合物从所述初步脱氦后气体出口流出，经过所述加热器加热后，再穿过所述第二干燥器的分子筛，将分子筛上的饱和水蒸汽加热并带出所述第二干燥器。

47、进一步地，还包括第四气气换热器，所述第四气气换热器的吸热侧设置在所述加热器的进口与所述初步脱氦后气体出口之间相连通的管道上；具体地，所述第四气气换热器的吸热侧的进口和出口分别与所述加热器的进口与所述初步脱氦后气体出口通过管道相连通；

48、所述第三控制阀和所述第四控制阀之间的管道上设置有连接节点，所述连接节点与所述成品出口通过管道相连通，所述第四气气换热器的放热侧设置在所述连接节点与与所述成品出口相连通的管道上；

49、脱氦后的三级气体混合物从所述初步脱氦后气体出口流出，流经所述第四气气换热器的吸热侧，与从所述第一干燥器或所述第二干燥器流出到所述第四气气换热器的放热侧的气体发生换热，脱氦后的三级气体混合物温度升高。

50、第二方面，本发明公开了一种基于膜法提氦工艺的井口伴生气预处理方法，采用上述的基于膜法提氦工艺的井口伴生气预处理装置，该井口伴生气预处理方法包括初步脱氦前的预处理方法，所述初步脱氦前的预处理方法包括以下步骤：

51、向所述井口伴生气原料进口注入井口伴生气原料，井口伴生气原料经过所述气体冷却器时被冷却后降温，变成低温伴生气原料；

52、低温伴生气原料经过所述第一气液分离器时气、液相分离，分别得到一级气体混合物和一级液体混合物，其中，一级液体混合物通过所述成品出口流出；

53、一级气体混合物经过所述过滤分离器去除游离水，分别得到二级气体混合物和二级液体混合物，其中，二级液体混合物通过所述成品出口流出；

54、二级气体混合物经过所述干燥单元时，二级气体混合物中的水蒸汽被所述干燥单元吸收，二级气体混合物脱水，变成干燥气体混合物；

55、干燥气体混合物经过所述粉尘过滤器时，干燥气体混合物中的固体颗粒被所述粉尘过滤器过滤，变成干燥且除尘后的气体混合物；

56、干燥且除尘后的气体混合物经过所述重烃冷却器时被冷却降温，其天然气中的c6及其以上的重烃遇冷凝结形成凝析油，获得干燥、除尘且脱重烃却含有氦气的低温天然气气体与凝析油的混合物；

57、干燥、除尘且脱重烃却含有氦气的低温天然气气体与凝析油的混合物经过所述第二气液分离器时气、液相分离，分别得到三级气体混合物和三级液体混合物，三级液体混合物通过所述成品出口流出，三级气体混合物通过所述中间产物出口输出，其中三级气体混合物为干燥、除尘且脱重烃却含有氦气的低温天然气气体，三级液体混合物包含凝析油。

58、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

59、（一）本发明公开了一种基于膜法提氦工艺的井口伴生气预处理装置，包括气体冷却器、第一气液分离器、过滤分离器、干燥单元、粉尘过滤器、重烃冷却器、第二气液分离器、井口伴生气原料进口、中间产物出口和成品出口，气体冷却器包括原料气进口、低温原料气出口和制冷剂侧两口，所述气体冷却器的原料气进口与所述井口伴生气原料进口通过管道相连通，制冷剂侧两口用于分别通入和流出制冷剂；第一气液分离器包括混合料进口、气体出口和液体出口，所述第一气液分离器的混合料进口与所述气体冷却器的低温原料气出口通过管道相连通，所述第一气液分离器的液体出口与所述成品出口通过管道相连通；过滤分离器，包括混合料进口、气体出口和液体出口，所述过滤分离器的混合料进口与所述第一气液分离器的气体出口通过管道相连通，所述过滤分离器的液体出口与所述成品出口通过管道相连通；干燥单元的进口与所述过滤分离器的气体出口通过管道相连通；粉尘过滤器的进口与所述干燥单元出口通过管道相连通；重烃冷却器的进口与所述粉尘过滤器的出口通过管道相连通；第二气液分离器包括混合料进口、气体出口和液体出口，所述第二气液分离器的混合料进口与所述重烃冷却器的出口通过管道相连通；所述第二气液分离器的气体出口与所述中间产物出口通过管道相连通；所述第二气液分离器的液体出口与所述成品出口通过管道相连通；其中，所述井口伴生气原料进口用于注入井口伴生气原料；所述气体冷却器用于冷却井口伴生气原料，形成低温伴生气原料；所述第一气液分离器用于对低温伴生气原料进行气液分离，分别得到一级气体混合物和一级液体混合物；所述过滤分离器用于对一级气体混合物进行过滤分离，去除游离水，分别得到二级气体混合物和二级液体混合物；所述干燥单元用于吸收二级气体混合物中的水蒸汽，使二级气体混合物脱水，获得干燥气体混合物；所述粉尘过滤器用于过滤干燥气体混合物中的固体颗粒，获得干燥且除尘后的气体混合物；所述重烃冷却器用于冷却干燥且除尘后的气体混合物，使天然气中的c6及其以上的重烃遇冷凝结形成凝析油，获得干燥、除尘且脱重烃却含有氦气的低温天然气气体与凝析油的混合物；所述第二气液分离器用于分离干燥、除尘且脱重烃的低温天然气气体与凝析油的混合物，分别得到三级气体混合物和三级液体混合物，其中三级气体混合物为干燥、除尘且脱重烃却含有氦气的低温天然气气体，三级液体混合物包含凝析油；所述成品出口用于分别接收并输出从所述第一气液分离器的液体出口流出的一级液体混合物、从所述过滤分离器的液体出口流出的二级液体混合物以及所述第二气液分离器的液体出口流出的三级液体混合物；所述中间产物出口用于输出三级气体混合物，三级气体混合物为干燥、除尘且脱重烃却含有氦气的天然气气体。本发明将脱水、脱控、除尘这三个独立单元整合到了一起，获得干燥、无粉尘、脱去氦气后的天然气。

60、（二）本发明公开了一种基于膜法提氦工艺的井口伴生气预处理方法，采用上述的基于膜法提氦工艺的井口伴生气预处理装置，该方法包括以下步骤：

61、步骤a：初步脱氦前的预处理，包括井口伴生气原料冷却与分离以及脱水、除尘与脱重烃；

62、步骤b：膜法提氦

63、步骤c：脱氦后的三级气体混合物的输出；

64、其中，从井口伴生气原料进口注入的井口伴生气原料及其中间产物，先后依次途径三级气气换热器放热侧、二级气气换热器放热侧、一级气气换热器放热侧；与此同时，从所述第二气液分离器的气体出口流出的三级气体混合物先后依次途径一级气气换热器吸热侧、二级气气换热器吸热侧、三级气气换热器吸热侧；井口伴生气原料及其中间产物与三级气体混合物分别在一级气气换热器、二级气气换热器和三级气气换热器逐级发生换热，三级气体混合物温度逐渐升高，直至三级气体混合物的温度达到常温，即干燥、除尘且脱重烃却含有氦气的低温天然气气体变为干燥、除尘且脱重烃后却含有氦气的常温天然气气体。本发明将脱水、脱控、除尘这三个独立单元整合到了一起，并且将原本白白浪费的井口伴生气及其中间产物的热能重新利用起来，通过与产物换热，实现了节能。

65、（三）本发明提供了一种基于膜法提氦工艺的井口伴生气预处理方法，该工艺能稳定、高效对膜分离提氦装置进气进行预处理，达到含水量低于10ppm，重烃含量低于200ppm的效果；设置四级换热，充分利用井口压力能力，充分利用烃控冷量，降低分子筛脱水的入口温度，从而降低分子筛的入口含水率，降低分子筛装填量，减小分子筛设备尺寸；优化分子筛再生流程，采用降压工艺，合理设置整体流程压力体系，分子筛再生后，使分子筛再生的气体通过管道外输，降低整体流程复杂度，减少分子筛再生设备数量。整体流程优化后，分子筛吸附水量较常规工艺降低67%。