天然氣集輸系統(tǒng)水合物抑制劑用量?jī)?yōu)化

呂晨爽 李凌峰

摘 ?????要： 天然氣生產(chǎn)和運(yùn)輸系統(tǒng)容易在冬季低溫時(shí)形成水合物堵塞管道，水合物抑制劑注入法在實(shí)際中是比較常用的方法，針對(duì)P氣田A氣井冬季的實(shí)際情況，通過(guò)運(yùn)用PIPESIM軟件分別對(duì)三種水合物抑制劑用量進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)其效果進(jìn)行比較。結(jié)果表明，甲醇、乙醇的最優(yōu)注入量分別為65、200 L/d，甲醇和乙二醇配比為3：2時(shí)，水合物抑制效果最好。該研究為氣田集輸系統(tǒng)提供了可靠的醇類(lèi)抑制劑用量?jī)?yōu)化方法，降低了生產(chǎn)成本。

關(guān) ?鍵 ?詞：水合物;醇類(lèi)抑制劑;注醇量;天然氣采輸

中圖分類(lèi)號(hào)：TE 348 ??????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ??????文章編號(hào)： 1671-0460（2019）02-0354-04

Abstract： In natural gas gathering and transportation system， it is easy to form hydrates to block pipelines under low temperature condition in winter， and using hydrate inhibitor is the most commonly used hydrate suppression method in practical engineering. In this paper， according to the actual situation of A gas well in P gas field in winter， the dosages of three hydrate inhibitors were optimized by using PIPESIM software， and their effects were compared. The results showed that the optimal injection amounts of methanol and ethanol were 65 and 200 L/d respectively， and when the ratio of methanol to ethylene glycol was 3：2， the hydrate inhibition effect was the best. The study can provide a reliable optimization method for the dosage of alcohol inhibitors in gas field gathering systems to reduce the production costs.

Key words： Hydrates; Alcohol inhibitors; Alcohol injection; Gas exploitation and transmission

在天然氣開(kāi)采、集輸過(guò)程中，常常能夠輕易達(dá)到生成水合物的壓力要求，而在此過(guò)程中壓力的降低會(huì)使得天然氣溫度不斷地下降，而壓力和溫度達(dá)到一定條件時(shí)，管線(xiàn)中就會(huì)生成水合物。若集氣管段中存在水合物堵塞段，因?yàn)闅怏w在通過(guò)堵塞段會(huì)有溫度降低，高壓變?yōu)榈蛪旱那闆r[1]，且低溫高壓正是水合物生成的有利條件，管線(xiàn)中將會(huì)再次形成新的天然氣水合物堵塞段[2]，這將導(dǎo)致花費(fèi)更加長(zhǎng)的處理時(shí)間和更復(fù)雜的處理手段，同時(shí)大幅增加經(jīng)濟(jì)損失。在生產(chǎn)過(guò)程中形成的天然氣水合物給集輸系統(tǒng)安全可能帶來(lái)非常嚴(yán)重的隱患。使用抑制劑是目前較為普遍、性?xún)r(jià)比較優(yōu)的方法，水合物的預(yù)測(cè)及優(yōu)化是刻不容緩的。因此，開(kāi)展水合物抑制劑用量?jī)?yōu)化的設(shè)計(jì)研究，對(duì)天然氣的安全生產(chǎn)和開(kāi)發(fā)運(yùn)輸具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前國(guó)內(nèi)外已有運(yùn)用多相流模擬軟件計(jì)算醇類(lèi)抑制劑的實(shí)例，但不同種類(lèi)抑制劑的優(yōu)化和共同運(yùn)用，以及用量?jī)?yōu)化的實(shí)例較為缺乏。為了達(dá)到醇類(lèi)抑制劑消耗量最省的目的，本文針對(duì)P氣田A氣井輸氣管線(xiàn)在冬季運(yùn)行的實(shí)際情況，利用PIPESIM軟件分別對(duì)甲醇、乙二醇的水合物抑制劑用量進(jìn)行優(yōu)化且對(duì)其效果進(jìn)行比較，得到甲醇與乙二醇共同作用時(shí)，水合物抑制效果最好的注醇配比。

1 ?醇類(lèi)抑制劑的應(yīng)用

1.1 ?醇類(lèi)抑制劑防治水合物現(xiàn)狀

甲醇、乙二醇和其他很多類(lèi)似的有機(jī)物質(zhì)及電解質(zhì)都是目前在天然氣處理工藝過(guò)程中比較常用的熱力學(xué)抑制劑。注醇可以起到降低生成溫度的作用，或者是提高生成壓力的作用，也就是說(shuō)使其在同等壓力下不能達(dá)到生成溫度，實(shí)現(xiàn)破壞水合物的形成條件的目的[3]。同時(shí)從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用來(lái)看，熱力學(xué)抑制劑的加入在防治水合物方面也有顯著的效果[4]。

化學(xué)制劑如甲醇和乙二醇均可在國(guó)內(nèi)購(gòu)買(mǎi)，并可重新用于清潔能源。甲醇和乙二醇這類(lèi)水合物抑制劑存在著最低有效抑制溫度，且這種效果并不是無(wú)限的，乙二醇為-30 ℃，而甲醇則為-50 ～ -60 ℃[5]。甲醇作為熱力學(xué)抑制劑具有高揮發(fā)性和低冰點(diǎn)（水合物形成溫度高），價(jià)格低（約2 000元/t），溶解性強(qiáng)，可再生，無(wú)腐蝕等優(yōu)點(diǎn)[6]?？梢暂^大量地使水合物使溫度降低，在低溫環(huán)境中使用較多，通常用于制冷過(guò)程和寒冷場(chǎng)所。但甲醇是一種高劇毒物質(zhì)，且揮發(fā)性強(qiáng)。乙二醇無(wú)毒，沸點(diǎn)高于甲醇。它具有很高的黏度，適用于處理大量氣體和管道的井。

乙二醇、甲醇主要物性比較如表1。

從表1可以看出，當(dāng)天然氣中產(chǎn)生冷凝物時(shí)，在溫度過(guò)低的情況下，乙二醇將變得難以脫離出來(lái)。這將造成較大的用量損失，所以在寒冷的條件下不推薦使用乙二醇。 但是，在海洋平臺(tái)上作業(yè)時(shí)乙二醇被廣泛使用。注入甲醇是抑制天然氣水合物最常用的方法，但由于甲醇毒性適中，回收效率較差[7]。廢液處理難，且甲醇易揮發(fā)，需達(dá)到與氣相比例的75%，才能有效地發(fā)揮作用，故其需要很大的使用量。飽和烴類(lèi)物質(zhì)沉積在管道中的同時(shí)，注入管道中的甲醇也必將達(dá)到液相飽和[5]。除此之外，甲醇具有劇毒，若被大量應(yīng)用，對(duì)環(huán)境保護(hù)必然不利。將不同的水合物抑制劑進(jìn)行混合后使用目前是一種新趨勢(shì)，應(yīng)該根據(jù)作業(yè)是否存在危險(xiǎn)，水合物抑制劑的使用成本是否過(guò)高即設(shè)備的投入和維護(hù)是否麻煩等多個(gè)方面進(jìn)行綜合考慮[8]。

1.2 ?注醇類(lèi)抑制劑用量的理論計(jì)算

基于理想溶液凝固點(diǎn)下降關(guān)系，可以使用Hammerschmidt公式手動(dòng)計(jì)算抑制劑的量。在抑制劑的第一部分中消耗了液相中抑制劑的量ql;后期抑制劑消耗的氣相損失量，即抑制劑量qg;極少部分溶解在液烴中的抑制劑qh表示。抑制劑qt的總量是三者的總和：

利用Hammerschmidt半經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算抑制劑用量。計(jì)算水溶液中最低抑制劑的濃度將注入氣流中的抑制劑與通過(guò)氣體沉淀的液態(tài)水混合形成抑制劑水溶液[9]。當(dāng)根據(jù)工藝要求給出氣體水合物形成的溫度下降時(shí)，水溶液中抑制劑的濃度必須高于或等于最小值。Hammerschmidt（1930）提出的半經(jīng)驗(yàn)公式可以用來(lái)計(jì)算水溶液中最小抑制劑濃度Cm：

2 ?PIPESIM中模型的建立

2.1 ?物理模型

對(duì)P氣田A氣井的從井口至地面的集氣管線(xiàn)在冬季環(huán)境溫度為8 ℃的條件下進(jìn)行模擬，該氣井的單井產(chǎn)氣量為1.3×105 m3/d，該段管線(xiàn)的長(zhǎng)度為8 000 m，管道內(nèi)徑為56 mm，壁厚為6 mm，其起點(diǎn)壓力和溫度分別為22.15 MPa和30 ℃。

在PIPESIM中建立天然氣集氣管線(xiàn)注醇模型如圖1所示。

模型中用源點(diǎn)代替采氣樹(shù)，即供氣源頭，建立一個(gè)單井模型，添加注入器進(jìn)行注醇模擬操作，而且這些數(shù)據(jù)都來(lái)源于實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的信息采集，容易獲取且準(zhǔn)確度高，可以快速準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)天然氣生產(chǎn)管道的壓降，并對(duì)任意單井進(jìn)行采氣管線(xiàn)壓降損耗預(yù)測(cè)及注醇模擬[10]。

2.2 ?流動(dòng)相關(guān)式的選擇

Beggs-Brill方法是用于水平、垂直和任意傾斜氣液兩相管流動(dòng)計(jì)算，斜直井、定向井和水平井井筒多相流動(dòng)計(jì)算的一種較普遍的方法[11]。因此，在仿真中，壓力相關(guān)的Beggs-Brill是仿真的首選。但由于模擬情況會(huì)與實(shí)際管流情況可能會(huì)存在一定偏差，需要講多個(gè)相關(guān)式與實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合選出偏差最小的即最符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的流動(dòng)相關(guān)式進(jìn)行模擬。通過(guò)擬合，最終選擇Hagedorn Brown關(guān)系式來(lái)計(jì)算集氣管線(xiàn)的流動(dòng)。

3 ?天然氣集輸系統(tǒng)天然氣水合物抑制劑用量?jī)?yōu)化結(jié)果

3.1 ?注甲醇抑制劑用量?jī)?yōu)化

運(yùn)用Pipesim軟件，采用敏感性參數(shù)分析，縮小甲醇注入量跨度，設(shè)定甲醇的日注入量為5、30、65 L/d，運(yùn)行該物理模型，得出溫度-壓力相圖即P-T圖如圖2所示。

從經(jīng)濟(jì)和環(huán)境方面考慮，還需要找到甲醇的最低注醇量，因?yàn)榧状加卸拘远乙讚]發(fā)，過(guò)量的甲醇不僅不經(jīng)濟(jì)，而且還會(huì)對(duì)環(huán)境造成影響，所以，需要模擬出最低注醇量從而達(dá)到經(jīng)濟(jì)高效，節(jié)約成本的效果。

當(dāng)醇類(lèi)抑制劑注入后的生產(chǎn)曲線(xiàn)與兩條水合物形成曲線(xiàn)相交時(shí)，表明在集氣管線(xiàn)內(nèi)會(huì)形成水合物。圖2表明，在環(huán)境溫度為8 ℃時(shí)，集氣管線(xiàn)運(yùn)行溫度在20～25 ℃，壓力在20～23 MPa時(shí)，管內(nèi)極易生成水合物，即集氣管線(xiàn)源點(diǎn)（采氣樹(shù)出口）處會(huì)有凍堵危險(xiǎn);甲醇注入量為5 L/d的條件下，相圖中水合物生成曲線(xiàn)與集氣管線(xiàn)生產(chǎn)曲線(xiàn)均有交點(diǎn)，說(shuō)明此劑量的甲醇無(wú)法抑制水合物生成;甲醇注入量為30 L/d可有效地抑制I型水合物，但仍然會(huì)有Ⅱ型水合物的形成;增加甲醇注入量直到65 L/d時(shí)，發(fā)現(xiàn)該注醇量恰好能同時(shí)防止兩種水合物生成，從而得到最優(yōu)的甲醇抑制劑注入量為65 L/d。需要注意的是，實(shí)際操作時(shí)要在得到的最優(yōu)化基礎(chǔ)上添加一定的安全余量。

3.2 ?注乙二醇抑制劑用量?jī)?yōu)化

將抑制劑注入泵中的醇類(lèi)抑制劑改為乙二醇，同樣地，改變乙二醇的日注入量后運(yùn)行物理模型，結(jié)果表明，在冬季低溫環(huán)境（8 ℃）下，乙二醇注入量為5 L/d時(shí)，相圖中水合物生成曲線(xiàn)與集氣管線(xiàn)生產(chǎn)曲線(xiàn)均有交點(diǎn)，此時(shí)集氣管線(xiàn)會(huì)產(chǎn)生天然氣水合物;乙二醇注入量為100 L/d時(shí)，抑制Ⅰ型水合物的注醇量正接近最適值，但Ⅱ型水合物還在生成;繼續(xù)增加乙二醇劑量，注入量為200 L/d時(shí)，既能防止水合物的生成，又在經(jīng)濟(jì)方面避免了盲目浪費(fèi)，但實(shí)際操作中還要在這基礎(chǔ)上添加安全余量。

3.3 ?注甲醇-乙二醇抑制劑用量?jī)?yōu)化

甲醇、乙二醇作為抑制劑都有很好的抑制天然氣水合物生成的效果，但甲醇在同樣注入量下抑制效果比乙二醇略明顯，且甲醇有毒性易揮發(fā)，對(duì)環(huán)境無(wú)益，乙二醇無(wú)毒可回收但比甲醇價(jià)格高昂，所以混合兩種醇類(lèi)抑制劑可以達(dá)到降低成本，保護(hù)環(huán)境的作用，故研究甲醇-乙二醇混合抑制劑的抑制效果對(duì)工業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義，醇類(lèi)抑制劑的復(fù)配方案見(jiàn)表2。

在PIPESIM中，對(duì)注入點(diǎn)組件進(jìn)行設(shè)值，輸入環(huán)境溫度及注醇流量，環(huán)境溫度為8 ℃，混合醇總注入量為100 L/d。在總注入量相同的條件下，通過(guò)改變兩種抑制劑的注入比例來(lái)比較水合物抑制效果，得到結(jié)果如圖3所示。

從結(jié)果中可以看出，注醇后管道內(nèi)水合物的形成情況有很明顯的變化，集氣管線(xiàn)溫度壓力曲線(xiàn)與兩條水合物生成溫度壓力曲線(xiàn)無(wú)交點(diǎn)，不會(huì)產(chǎn)生天然氣水合物。由此可以得到混合醇抑制劑對(duì)于水合物生成也有著十分有效的抑制作用的結(jié)論。雖然由圖可看出在甲醇-乙二醇注入量為8∶2的情況下可以達(dá)到管線(xiàn)不生成水合物的效果，但是從經(jīng)濟(jì)方面考慮，還需要找到最佳混合醇配比，從而達(dá)到保護(hù)環(huán)境，節(jié)約成本的效果;甲醇乙二醇注入量為7∶3

時(shí)，可以看出相圖中水合物生成曲線(xiàn)與集氣管線(xiàn)溫壓曲線(xiàn)也無(wú)交點(diǎn)，不會(huì)生成水合物，但此時(shí)并不是最合適的混合醇配比，所以繼續(xù)調(diào)整混合醇比例為6∶4。甲醇-乙二醇注入量為6∶4時(shí)，可以觀察到此時(shí)的集氣管線(xiàn)生產(chǎn)曲線(xiàn)與兩條水合物生成曲線(xiàn)圖恰好無(wú)交點(diǎn)，表明此混合醇配比在此時(shí)是接近最合適的復(fù)配方案。

4 ?結(jié) 論

本文在閱讀了大量現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)和參考現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際用例的基礎(chǔ)上，利用PIPESIM軟件，結(jié)合P氣田A井冬季集氣管線(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行了甲醇、乙二醇的抑制劑用量?jī)?yōu)化，并對(duì)甲醇-乙二醇混合醇抑制劑的最優(yōu)配比進(jìn)行研究，得到了以下幾個(gè)結(jié)論。

（1）通過(guò)模擬得到的P-T相圖可以看出甲醇、乙二醇這兩種抑制劑均對(duì)天然氣水合物有明顯的抑制作用，且在相同的注入量下，甲醇的水合物抑制劑效果比乙醇好。

（2）通過(guò)注入量比較，得出甲醇的注入量在65 L/d時(shí)既能防止水合物的生成，又在經(jīng)濟(jì)方面避免了盲目浪費(fèi);以100 L/d的乙二醇注入量正好抑制了I型水合物的形成，200 L/d的注入量可以同時(shí)防止I型和II型水合物的形成。通過(guò)優(yōu)化得到的最佳醇類(lèi)抑制劑注入量，不但省去了實(shí)際應(yīng)用操作上的繁復(fù)，同時(shí)也在經(jīng)濟(jì)方面避免了盲目浪費(fèi)。

（3）將甲醇、乙二醇兩種抑制劑混合使用，得到當(dāng)前環(huán)境條件下注入甲醇-乙二醇的最佳配比為6∶4，既達(dá)到了控制單獨(dú)注甲醇其毒性對(duì)環(huán)境造成傷害的目的，也降低了單獨(dú)注乙二醇的高昂成本。

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