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注氮提高原油采收率在塔河油田取得了较好的效果。但由于采用注氮开采技术,塔河油田一号联天然气中含氮量也不断上升,目前,塔河油田一号联天然气N2摩尔分数最高可达约33.3%,其高位热值仅为26.4MJ/m3,远低于二类天然气标准,过低的热值对下游用户的生产造成了影响,且随着注氮规模的扩大,天然气N2摩尔分数预计可达40%以上。因此,需针对塔河油田天然气高含氮的特点,研究一套经济有效的高含氮天然气处理工艺。深冷脱氮工艺具有处理量大,脱氮效果好的优点,但由于需提供大量冷量,往往设备投资大,运行能耗高,直接将深冷脱氮工艺用于处理塔河油田高含氮天然气并不经济。本文针对塔河油田天然气含氮量高且无需LNG产品的特点,以热值达到二类天然气要求为脱氮标准,同时结合深冷脱氮工艺优点,提出了三种基于LNG冷量回收的高含氮天然气处理工艺,并从LNG分离单元、制冷单元、工艺畑损和工艺适应性等方面进行了分析。本文主要研究内容如下:(1)选用PR方程分析了 N2的存在对不同温度和压力条件下天然气摩尔比焓、摩尔比熵和(?)值的影响。结果表明,当压力一定时,N2的存在能提高天然气在低温下所释放的冷量品位、增加天然气在低温下的冷量释放速率和(?)收益;在低压下,N2对于摩尔比焓、摩尔比熵和(?)值的影响将更明显。(2)本文对塔河油田注氮驱替采气井的采出气中N2气量数据进行了拟合分析,结果表明,目前塔河油田一号联天然气中N2摩尔分数平均值约为21.5%,最高可达约33.3%,且随着注氮的不断进行,其N2摩尔分数将达到40%以上。为方便对不同含氮量和相对密度下的天然气热值进行预测,本文绘制了基于含氮量和相对密度的含氮天然气高位热值图版。分析此图版发现,当N2摩尔分数量达到约20%时,天然气高位热值已低于二类天然气标准,需对天然气进行处理。针对塔河油田高含氮天然气含氮量高、处理量大的特点,本文提出了三种基于冷量回收的高含氮天然气处理工艺:SMR混合冷剂制冷高含氮天然气处理工艺、丙烷制冷高含氮天然气处理工艺和膨胀制冷高含氮天然气处理工艺。(3)定义了 LNG分离过程中的Pareto前沿,给出了研究条件及产品指标。建立了一级分离工艺模型、二级分离工艺模型和三级分离工艺模型,并且对二级分离工艺模型和三级分离工艺模型,利用Matlab优化工具箱中GA算法,搜索了当分离压力分别为500kPa、700kPa和1000kPa时,C1损失量关于产品气N2摩尔分数的Pareto前沿,并结合塔河油田含氮天然气的特点,对比了不同分离压力和分离级数下的C1损失量。结果表明,在分离压力为500kPa时且满足C1损失量小于5%的前提下,一级分离允许进料气最大N2摩尔分数为33%,二级分离允许进料气最大N2摩尔分数为40%,三级分离允许进料气最大N2摩尔分数为42%;塔河油田高含氮天然气LNG分离单元的分离压力应选择为500kPa,并采用二级分离。(4)在分离压力为500kPa并采用二级分离的条件下,对SMR混合冷剂制冷高含氮天然气处理工艺、丙烷制冷高含氮天然气处理工艺和膨胀制冷高含氮天然气处理工艺建立了 HYSYS模型,从工艺能耗及设备热负荷、冷能利用、冷箱换热性能及主要设备投资等方面进行了分析。结果表明,采用膨胀制冷高含氮天然气处理工艺具有最低的工艺能耗和设备投资,其总能耗为170.9×104kJ/h,进料气比能耗为180.7kJ/m3,产品气比能耗为257.5kJ/m3,设备总投资约为1300万元。(5)建立了膨胀制冷高含氮天然气处理工艺(?)计算模型,对工艺中各设备(?)损及(?)效率进行了分析,并提出进料气入口两级增压方案,以进一步提高(?)效率,结果表明,当第一级压缩机增压比为1.9,第二级压缩机增压比为1.6时,压缩单元具有最高的(?)效率和最低的(?)损和能耗。采用两级增压的膨胀制冷高含氮天然气处理工艺设备总(?)损降低了 6.3%,工艺设备总(?)效率进一步提高到97.1%。(6)对膨胀制冷高含氮天然气处理工艺的适应性分析表明,工艺对进料气N2摩尔分数在25%～60%内变化、进料气增压冷却后温度在30℃°C～40℃内变化和进料气增压后压力高于1590kPa的适应性较好。并且在产品气N2摩尔分数为5%的条件下,工艺仍能稳定运行,具有良好的适应性,且与目前其他常用的天然气脱氮工艺相比,本文所研究的工艺具有最低的比能耗。