基于熱力學(xué)模型法的天然氣水合物預(yù)測(cè)軟件設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張群

(中海油能源發(fā)展股份有限公司實(shí)驗(yàn)中心,廣東 湛江 524057)

王松

(長(zhǎng)江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,湖北 荊州 434023)

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基于熱力學(xué)模型法的天然氣水合物預(yù)測(cè)軟件設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張群

(中海油能源發(fā)展股份有限公司實(shí)驗(yàn)中心,廣東 湛江 524057)

王松

(長(zhǎng)江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,湖北 荊州 434023)

在一定的溫度和壓力條件下，天然氣和液態(tài)水會(huì)在油氣開(kāi)采、試油、儲(chǔ)運(yùn)、加工等過(guò)程中形成天然氣水合物，若不及時(shí)處理，會(huì)嚴(yán)重影響正常的生產(chǎn)作業(yè)。針對(duì)長(zhǎng)慶油田在試油過(guò)程中地面管道易形成天然氣水合物的實(shí)際情況，對(duì)常見(jiàn)的天然氣水合物形成的預(yù)測(cè)模型進(jìn)行了優(yōu)選，選用熱力學(xué)模型法預(yù)測(cè)水合物的生成條件,采用ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)和Microsoft Visual Studio 2008進(jìn)行編程，大大縮短了軟件的開(kāi)發(fā)周期，提高了軟件的性能。使用該預(yù)測(cè)軟件在川慶鉆探井下作業(yè)公司進(jìn)行了13口井的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，預(yù)測(cè)結(jié)果和實(shí)際情況相比較準(zhǔn)確率達(dá)到90%以上。以蘇東59-C2井為例，演示了操作界面，界面清晰簡(jiǎn)單，方便操作，說(shuō)明該軟件達(dá)到了實(shí)際生產(chǎn)中的需要。

天然氣水合物；熱力學(xué)模型；軟件設(shè)計(jì)；預(yù)測(cè)結(jié)果

在石油與天然氣開(kāi)采、試油、加工和運(yùn)輸過(guò)程中，若溫度和壓力適宜，天然氣與液態(tài)水會(huì)形成天然氣水合物。這些水合物可能會(huì)堵塞井筒、管線、閥門和設(shè)備，從而影響油氣的開(kāi)采、試油、集輸和加工的正常作業(yè)。若在試油過(guò)程中形成，一方面水合物會(huì)改變地層流體流向井筒的滲流規(guī)律，使油氣井的產(chǎn)量降低，另一方面在地面管匯處形成水合物，會(huì)嚴(yán)重影響試油結(jié)果評(píng)價(jià)。因此，有必要優(yōu)選水合物形成的預(yù)測(cè)模型，研制一套試油過(guò)程中預(yù)測(cè)水合物形成的HCS軟件，從而為避免形成水合物優(yōu)選出更好的抑制劑[1～4]。

1　天然氣水合物預(yù)測(cè)方法優(yōu)選

預(yù)測(cè)天然氣水合物生成溫度和壓力的方法較多，各有特點(diǎn)，主要可以分為經(jīng)驗(yàn)圖解法、經(jīng)驗(yàn)公式法、相平衡計(jì)算法以及熱力學(xué)模型法等[5～8]。

經(jīng)驗(yàn)圖解法是通過(guò)不同密度的天然氣水合物形成溫度和壓力的關(guān)系曲線，預(yù)測(cè)氣體水合物生成條件的方法。通過(guò)溫度-壓力曲線圖可以查出水合物形成的壓力和溫度，準(zhǔn)確率可達(dá)到90%以上。該方法操作簡(jiǎn)單，但誤差較大。

經(jīng)驗(yàn)公式法通過(guò)分析大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出水合物溫度與壓力的經(jīng)驗(yàn)公式，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出天然氣水合物的生成壓力。常用的方法有波諾馬列夫法等。該方法簡(jiǎn)單易行，便于簡(jiǎn)單預(yù)測(cè)。

相平衡計(jì)算法把水合物看做是氣體溶解于固體中而形成的類似固體的溶液，通過(guò)引入氣-固相平衡常數(shù)K，計(jì)算天然氣水合物生成條件。該方法計(jì)算簡(jiǎn)單，預(yù)測(cè)的結(jié)果誤差也較大。

熱力學(xué)模型法利用統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)算法，推導(dǎo)出預(yù)測(cè)天然氣水合物生成條件的統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)算法。熱力學(xué)模型法推導(dǎo)嚴(yán)密，適用于計(jì)算機(jī)編程，是一種計(jì)算較準(zhǔn)確的方法。

相對(duì)來(lái)說(shuō)，熱力學(xué)模型計(jì)算比較精確嚴(yán)密，筆者選用該方法來(lái)預(yù)測(cè)水合物的生成條件。

2　熱力學(xué)模型法

水合物體系中通常包含氣相、冰相或富水相、水合物相，根據(jù)相平衡理論可知，平衡時(shí)多組分體系中，在各相中的每一組分的化學(xué)位相同。對(duì)于組分水，水在冰相或富水相α中的化學(xué)位等于水在水合物相K中的化學(xué)位，即：

(1)

假定水合物晶格空腔未被水分子占據(jù)，水存在于完全空的水合物相β中，則式(1)可以寫成：

(2)

由此可知，表述固態(tài)水合物相的熱力學(xué)模型與表述與其同時(shí)存在的富水相熱力學(xué)模型共同組成了預(yù)測(cè)水合物生成的熱力學(xué)模型。

Platteuw和Van der Waals按照水合物晶體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，提出來(lái)水合物熱力學(xué)模型。在Langmuir吸附理論基礎(chǔ)上，用統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)方法計(jì)算填充晶格和水合物晶格相態(tài)之間的化學(xué)位差的化學(xué)式：

(3)

(4)

計(jì)算混合物中i組分的逸度用SRK狀態(tài)方程和混合規(guī)則：

(5)

式中, xj為水合物相中組分j的摩爾分?jǐn)?shù)；yi為氣體混合物中i組分的摩爾分?jǐn)?shù)；kij為交互作用參數(shù)；ai、bi、a、b均為實(shí)驗(yàn)擬合數(shù)據(jù)；T為溫度；P為壓力；Z為壓縮因子。

3　預(yù)測(cè)軟件設(shè)計(jì)

為了使編寫的軟件能快速穩(wěn)定的運(yùn)行，編寫程序的時(shí)候采用了ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)并結(jié)合Microsoft Visual Studio2008進(jìn)行開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)語(yǔ)言采用便捷的C#，這樣大大提高了軟件開(kāi)發(fā)的效率，縮短了軟件開(kāi)發(fā)的周期，并且提高了軟件性能。水合物預(yù)測(cè)軟件的目的主要是將天然氣水合物形成的條件模型化，并利用計(jì)算機(jī)的高效運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)在已知溫度情況下對(duì)水合物形成壓力進(jìn)行預(yù)測(cè)，為在試油工作中避免水合物的形成提供參考。

該預(yù)測(cè)軟件共有4個(gè)核心模塊，分別為主窗體、數(shù)據(jù)輸入、結(jié)果預(yù)測(cè)和畫圖。主窗體的作用是使各個(gè)子模塊數(shù)據(jù)進(jìn)行交換；數(shù)據(jù)輸入模塊主要是完成初始數(shù)據(jù)的輸入工作，具體包括：水合物結(jié)構(gòu)類型的選擇、水合物的組分、水合物溫度的初始數(shù)據(jù)、實(shí)際工況壓力、抑制劑的選擇；結(jié)果預(yù)測(cè)模塊完成根據(jù)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行的相關(guān)計(jì)算得出預(yù)測(cè)壓力；畫圖模塊則完成溫度區(qū)間內(nèi)根據(jù)步長(zhǎng)和輸入數(shù)據(jù)形成的水合物溫度壓力的相態(tài)曲線。軟件系統(tǒng)以界面操作友好和實(shí)用為目的，兼顧系統(tǒng)的穩(wěn)定。軟件設(shè)計(jì)框架圖如圖1所示。

4　現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

圖1　軟件設(shè)計(jì)框架圖

在川慶鉆探井下作業(yè)過(guò)程中進(jìn)行了13口井的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際情況相比，其準(zhǔn)確性達(dá)到90%以上。在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過(guò)程中，根據(jù)軟件預(yù)測(cè)提供的方案，采取相應(yīng)的預(yù)防措施，有效地避免了地面試油過(guò)程中水合物的形成，使得試油作業(yè)順利完成。

以蘇東59-C2井為例，氣相組分(摩爾分?jǐn)?shù))如下：CH4(90.55%)、C2H6(3.90%)、C3H8(1.18%)、CO2(4.37%)。根據(jù)實(shí)際工況條件，按要求輸入相應(yīng)的參數(shù)，就可以得到圖2所示的預(yù)測(cè)結(jié)果。

其水合物相態(tài)曲線如圖3所示。在計(jì)算中,把影響因子很小的H2、He、N2都?xì)w到CO2，曲線以上部分為生成水合物區(qū)域，曲線以下部分為未生成水合物區(qū)域。

除了對(duì)水合物形成進(jìn)行預(yù)測(cè)外，還可以對(duì)添加了抑制劑后的某個(gè)溫度區(qū)間的相態(tài)曲線進(jìn)行分析，此時(shí)需要輸入溫度區(qū)域內(nèi)的“終止值”和“步長(zhǎng)”，點(diǎn)擊“相態(tài)曲線”。設(shè)置初始溫度是280.15K，初始?jí)毫?MPa。加入抑制劑：質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.7%的氯化鈉(6.7g/100ml)+質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.1%的乙醇(10.1ml/100ml)。操作界面如圖4所示。

圖2　預(yù)測(cè)結(jié)果界面

圖3　相圖分析 (橫坐標(biāo)為溫度，K;縱坐標(biāo)為壓力，MPa)

相態(tài)曲線界面如圖5所示，圖中藍(lán)色曲線為純氣體曲線，可視為對(duì)比曲線；紅色曲線以上部分為生成水合物區(qū)域，紅色曲線以下部分為未生成水合物區(qū)域。

圖5　相態(tài)曲線界面(橫坐標(biāo)為溫度，K;縱坐標(biāo)為壓力，MPa)

預(yù)測(cè)完畢后關(guān)閉曲線窗口，回到如下界面。再點(diǎn)擊“退出”即可退出該軟件。

5　結(jié)論

1) 通過(guò)對(duì)目前4種天然氣水合物預(yù)測(cè)模型的對(duì)比分析，優(yōu)選出研究方法為熱力學(xué)模型法。

2) 利用VC#2008成功開(kāi)發(fā)了天然氣水合物形成預(yù)測(cè)軟件，且界面操作界面友好。在軟件的設(shè)計(jì)中采用ACCESS2007設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)，使得相應(yīng)輸入數(shù)據(jù)和靜態(tài)參數(shù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，方便軟件開(kāi)發(fā)和用戶的操作體驗(yàn)。預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)的符合情況良好，可以進(jìn)行壓力預(yù)測(cè)和相態(tài)曲線分析，還提供抑制劑類型的選擇，并結(jié)合實(shí)際情況推薦水合物抑制劑的加量，對(duì)試油作業(yè)過(guò)程中預(yù)防水合物的形成具有一定的指導(dǎo)作用。

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[編輯]洪云飛

2016-04-23

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目(2013AA064803)。

張群(1983-)，男，工程師，現(xiàn)從事鉆井液與完井液方面的研究工作；通信作者：王松，wangs_2008@sina.com。

P744.4

A

1673-1409(2016)22-0033-05

[引著格式]張群,王松.基于熱力學(xué)模型法的天然氣水合物預(yù)測(cè)軟件設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版)，2016,13(22)：33～37.