元壩集輸系統(tǒng)酸性天然氣水合物形成規(guī)律研究

摘 要：含硫天然氣在集輸過(guò)程中較不含硫天然氣更易出現(xiàn)水合物，水合物的出現(xiàn)將嚴(yán)重影響天然氣正常集輸，因此水合物形成條件是集輸系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及工藝參數(shù)確定的基礎(chǔ)信息。本文針對(duì)元壩酸性氣藏氣樣組份，通過(guò)室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)，開(kāi)展了不同氣質(zhì)組分下的水合物形成條件實(shí)驗(yàn)，定量化的確定了元壩的水合物形成溫度和壓力，測(cè)定了不同甲醇加量下水合物形成條件變化情況，掌握了元壩酸性天然氣水合物形成規(guī)律，將為元壩氣田酸性集輸管網(wǎng)的建設(shè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：含硫天然氣 元壩氣田 天然氣水合物

中圖分類(lèi)號(hào)：TE8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）04（c）-0084-02

根據(jù)“十二五”規(guī)劃，元壩氣田一期工程天然氣建設(shè)產(chǎn)能規(guī)模將達(dá)17×108 m3/a，主要?dú)庠串a(chǎn)于長(zhǎng)興組氣藏，其天然氣中甲烷含量75.54%～87.12%，H2S含量3.34%～7.18%，CO2含量6.22%～15.51%，還有少量N2等氣體，為高含硫化氫、中-高含二氧化碳天然氣。由于氣田地層壓力較高（60～80MPa），按照開(kāi)發(fā)規(guī)劃，進(jìn)凈化廠壓力只有6MPa左右。因此，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中必須進(jìn)行多次的節(jié)流降壓。在節(jié)流降壓過(guò)程中，由于焦耳--湯姆遜效應(yīng)的影響，天然氣溫度將有很大降低，若不有針對(duì)性的開(kāi)展防治措施，天然氣水合物的生成將不可避免。由于天然氣水合物具有極強(qiáng)的聚集性，通常傾向于在管道中壓力急劇變化的位置處生長(zhǎng)，將可能造成管線壓降增大、嚴(yán)重時(shí)甚至造成堵塞而影響氣田的穩(wěn)定生產(chǎn)，因此研究掌握元壩含硫天然氣水合物形成規(guī)律將為防治措施的制定提供基礎(chǔ)保障。

1 水合物形成條件

水合物的形成主要分為熱力學(xué)形成條件和動(dòng)力學(xué)形成條件。

1.1 熱力學(xué)條件

從熱力學(xué)觀點(diǎn)來(lái)看，水合物的自發(fā)形成不是必須使氣體（M）被飽和，只要系統(tǒng)中水的蒸汽壓大于水合物晶格表面的水蒸氣壓力就夠了。天然氣水合物的生成主要需要以下三個(gè)條件。

（1）滿(mǎn)足一定的壓力條件，只有當(dāng)系統(tǒng)中氣體的壓力大于它的水合物分解壓力時(shí)，飽和水蒸汽的氣體才能自發(fā)生成水合物。

（2）滿(mǎn)足一定的溫度條件，天然氣形成水合物有一個(gè)臨界溫度，只有當(dāng)系統(tǒng)中的溫度小于這個(gè)臨界溫度時(shí)才有可能形成水合物。

（3）天然氣中含有足夠的水分，以形成空穴結(jié)構(gòu)。

水合物的生成除與天然氣組分、組成和游離水含量有關(guān)外，還需要一定的熱力學(xué)條件，即一定的溫度和壓力。前蘇聯(lián)學(xué)者羅澤鮑姆等人認(rèn)為：只有當(dāng)系統(tǒng)中氣體組分的壓力大于它的水合物分解壓力時(shí)，含飽和水蒸汽的氣體才可能自發(fā)生成水合物，可用逸度表示如下。

總之，水合物形成的主要生成條件有：有自由水的存在，天然氣的溫度必須等于或低于天然氣中水的露點(diǎn)；低溫高壓。輔助條件有：高流速、壓力波動(dòng)、H2S和CO2等酸性氣體的存在、微小水合物晶核的誘導(dǎo)等。

在給定壓力下，對(duì)于任何組分的天然氣都存在水合物形成溫度，低于這個(gè)溫度將形成水合物，若高于這個(gè)溫度則不形成水合物或已形成的水合物將發(fā)生分解。反過(guò)來(lái)，若給定溫度，天然氣水合物存在極限壓力，高于這個(gè)壓力則形成水合物，低于這個(gè)壓力則無(wú)法形成水合物。

1.2 動(dòng)力學(xué)條件

（1）過(guò)冷度與誘導(dǎo)時(shí)間。

從動(dòng)力學(xué)方面講，天然氣水合物的形成依次包括晶體（微晶）形成和生長(zhǎng)聚集兩個(gè)過(guò)程。在形成水合物過(guò)程中，當(dāng)壓力不變時(shí)溫度必須經(jīng)過(guò)過(guò)冷到理論平衡線以下若干攝氏度，并經(jīng)過(guò)一定時(shí)間（誘導(dǎo)期）才能形成水合物晶核。

實(shí)驗(yàn)證明：過(guò)冷度超過(guò)7.49 ℃時(shí)，才有可能形成水合物；而過(guò)冷度超過(guò)11.1 ℃時(shí)，在25 min以?xún)?nèi)（甚至瞬間）就會(huì)形成水合物。

（2）節(jié)流效應(yīng)。

天然氣在管道中經(jīng)過(guò)突然縮小的斷面（如管道的變徑管、針形閥、孔板、過(guò)濾器等），產(chǎn)生強(qiáng)烈的渦流，使壓力下降這種現(xiàn)象稱(chēng)為節(jié)流。節(jié)流時(shí)壓力降低會(huì)使溫度下降，則氣體中的水蒸氣會(huì)凝析出并使氣體與水的混合物達(dá)到水合形成的必要條件。

（3）輸送流速。

國(guó)外研究表明：對(duì)容易形成水合物的天然氣在輸送時(shí)應(yīng)采用較高的流速，一般應(yīng)高于3 m/s。因?yàn)楦吡魉倏梢跃S持高的輸氣溫度，也可加強(qiáng)氣體擾動(dòng)以抑制水合物的形成和聚集。

2 水合物形成模擬實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

天然氣水合物生成條件的測(cè)定，從本質(zhì)上說(shuō)是確定氣水相平衡的平衡點(diǎn)。目前，測(cè)定水合物相平衡點(diǎn)的方法主要有兩種：觀察法和圖解法。觀察法主要用于氣體水合物的相平衡實(shí)驗(yàn)中，圖解法主要用于測(cè)量油氣系統(tǒng)水合物相平衡點(diǎn)。因此在此選擇觀察法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，觀察法測(cè)相平衡的判斷標(biāo)準(zhǔn)：首先在一定溫度、壓力條件下，使一定量的水合物在反應(yīng)釜中形成，保持一個(gè)參數(shù)不變，然后通過(guò)降低壓力或升高溫度使水合物分解。當(dāng)研究體系中僅有少量水合物晶體存在時(shí)，保持反應(yīng)釜中的參數(shù)（壓力、溫度）不變，如果反應(yīng)釜中水合物能存在3～4個(gè)小時(shí)，則保持反應(yīng)釜中溫度不變，使壓力降低0.05 MPa；如果反應(yīng)釜中水合物完全溶解，則這時(shí)反應(yīng)釜中壓力和溫度可看作該體系的相平衡數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)采用藍(lán)寶石水合物生成裝置，通過(guò)觀察法進(jìn)行水合物形成溫度的測(cè)定。該儀器設(shè)備是由JEFRI變體積高壓藍(lán)寶石全透明釜、攪拌系統(tǒng)、恒溫空氣浴、增壓系統(tǒng)、溫度壓力測(cè)量系統(tǒng)、CCD圖像檢測(cè)系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成，可通過(guò)目測(cè)觀察到水合物的生成過(guò)程，裝置流程圖見(jiàn)圖1。

由于目前元壩氣田未正式投產(chǎn)，氣樣組分主要來(lái)至于測(cè)試過(guò)程中，由于測(cè)試周期較短，氣樣將無(wú)法完全代表后期生產(chǎn)氣樣，生產(chǎn)過(guò)程中硫化氫等組分將會(huì)出現(xiàn)一定的波動(dòng)變化。因此配置了三種硫化氫濃度的模擬天然氣用于水合物生成條件測(cè)定，分別為低硫中碳、中硫高碳、高硫低碳三種類(lèi)型，以提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的適應(yīng)性。模擬天然氣組成如表1所示。

2.2 水合物生成條件實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案方案，測(cè)定3種組分下的水合物形成溫度及壓力關(guān)系曲線（如圖2）。

從圖中可以看出如下幾點(diǎn)。

（1）天然氣中硫化氫含量對(duì)水合物生成溫度有很大影響。硫化氫含量越高，水合物生成溫度越高。例如，在30 MPa壓力下，天然氣硫化氫含量分別為3.48%、6.86%和9.45%時(shí)，水合物生成溫度分別為：23.5℃、24.6℃和26.8 ℃，硫化氫含量越高，生成水合物溫度越高。也就是說(shuō)，含硫化氫高的天然氣更容易生成水合物。

（2）在相對(duì)低壓情況下（<15 MPa），隨著壓力的升高，水合物形成溫度升高明顯，在相對(duì)高壓時(shí)（>15 MPa），隨著壓力升高，水合物形成溫度升高幅度較低，也就是說(shuō)在<15 MPa情況下，水合物的形成受溫度的影響更為明顯。

考慮元壩氣田集輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用甲醇進(jìn)行水合物防治工藝，因此，實(shí)驗(yàn)還就不同甲醇濃度下的水合物形成條件進(jìn)行了模擬。（如圖3～圖5）

實(shí)驗(yàn)證明，水合物生成溫度的降低幅度幾乎與水合物加注量成正比，往天然氣中注入甲醇確實(shí)可以有效降低水合物生成溫度，減少生成水合物的機(jī)會(huì)，例如在高硫低碳1 MPa時(shí)，20%、25%、35%的甲醇濃度下，其水合物形成溫度分別為15.39 ℃、8.21 ℃、6.56 ℃。

同時(shí)也可以看出，在25%左右的甲醇情況下，水合物的溫度抑制效果明顯，隨著甲醇加量的提高，溫度也有所降低，但降低幅度較低。

3 元壩集輸系統(tǒng)水合物形成規(guī)律

元壩地面集輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用濕氣加熱保溫、氣液混輸工藝，井口節(jié)流閥至井口加熱爐前二級(jí)節(jié)流閥之間的管道設(shè)計(jì)壓力為40 MPa；第二級(jí)節(jié)流閥至三級(jí)節(jié)流閥之間的管道設(shè)計(jì)壓力為20 MPa；三級(jí)節(jié)流閥之后的酸氣管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力為9.6 MPa；配套建設(shè)集氣站設(shè)計(jì)壓力等級(jí)為9.6 MPa，因此結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在40MPa時(shí)，加熱爐前水合物形成溫度為25℃～27.5℃，三級(jí)節(jié)流時(shí)，水合物形成溫度為17.66℃～24℃，集輸過(guò)程中水合物形成溫度為18℃～23℃。

4 結(jié)論及建議

（1）元壩氣田高含硫化氫，集輸系統(tǒng)易形成水合物，其形成溫度為18 ℃～27.5 ℃，在加熱爐及保溫輸送工藝參數(shù)的制定時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)考慮，以確保集輸系統(tǒng)不具備水合物形成條件。

（2）甲醇有很好的水合物抑制功效，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其濃度含量在25%左右時(shí)效率較高，在加注工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中可結(jié)合效率、經(jīng)濟(jì)、加注工藝等各方面參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一考慮。

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