蘇里格氣田集輸管道注醇量計算及應用研究

譚 軍，王曉明，劉永國，劉 恒，廖明敏，李 華，陳 雷，楊 嬌，屈文濤

（1.中國石油長慶油田分公司第三采氣廠，內蒙古自治區(qū) 鄂爾多斯 017300；2.西安石油大學 機械工程學院，陜西 西安 710065）

蘇里格氣田地處鄂爾多斯盆地的毛烏素沙漠腹地，年平均氣溫在5.3～8.7℃，平均1月最低氣溫為-10～-13℃，冬季最低氣溫在-20℃以下[1]。在冬季，高壓、低溫的工況環(huán)境會使得天然氣集輸管道內生成天然氣水合物，影響天然氣的正常輸送。為了抑制天然氣水合物的生成，通常是將甲醇作為水合物抑制劑注入到集輸管道之中[2]，合理使用甲醇量具有降低甲醇回收設備結垢的可能性[3]、提高經濟效益等優(yōu)點。國內外眾多學者對于甲醇的合理注入量已有許多研究，多數研究都是通過Hammerschmidt提出的半經驗公式預測計算出注醇量[4-6]。

用于計算合理注醇量的軟件有：HYSYS、PIPESIM、Multiflash等[7]，該類軟件都具有判斷水合物生成條件、預測水合物生成曲線的功能。其中，HYSYS計算模型研究大多數都是通過調節(jié)器邏輯控制單元模擬計算出甲醇注入量[8-10]，但也存在部分不足，現(xiàn)有模型的應用背景與蘇里格氣田集輸支線工藝流程存在差異，缺少計算集輸管道內氣相水含量的模塊。本文在上述HYSYS計算模型研究的基礎上，結合蘇里格氣田支線集輸工藝現(xiàn)狀，搭建。了具有計算氣相水含量模塊的計算模型，使計算流程更完整、結果更貼近現(xiàn)場工況，提高計算結果的精確度與真實性，降低甲醇的使用量。

1 蘇里格氣田集輸現(xiàn)狀分析

1.1 集氣站工藝現(xiàn)狀

蘇里格氣田經過多年的現(xiàn)場實驗和理論研究，形成了“井下節(jié)流，井口不加熱、不注醇，中低壓集氣，帶液計量，井間串接，常溫分離，二級增壓，集中處理”的中低壓集氣模式[11]。隨著天然氣需求的逐年增加，蘇里格氣田的開發(fā)也逐漸深入，產能規(guī)模逐年擴大。集氣站對于井場氣體集中進行分離處理、氣體增壓、注醇外輸等工藝，如圖1所示。

圖1 集氣站基本工藝流程Fig.1 Basic process flow of gas gathering station

1.2 模型搭建方案

在氣體通過管道的外輸過程中，隨著管道環(huán)境溫度的降低，天然氣中的氣相水會冷凝為液相水[12-13]。液相水含量將直接影響甲醇的注入量，所以明確外輸天然氣中的氣相水含量是非常有必要的。在模型的搭建過程中，為了保證計算結果的精確性，應最大程度還原集氣站工藝流程：

（1）為了使模型的計算結果適用于蘇里格氣田，需要參照該氣田集氣站的基本工藝流程，對現(xiàn)有研究模型增加模擬單元，以保證氣體處理過程的完整性，提高計算的精確度。

（2）本次模型研究將增加模擬干管來氣進入分離器的過程，其目的是計算外輸天然氣中的氣相水含量。

2 HYSYS模型確定

2.1 模型搭建

圖2 天然氣集輸支線模型Fig.2 Model of natural gas gathering and transportation branch line

HYSYS模型的抑制原理是破壞天然氣集輸管道內的水合物生成條件：通過設置調節(jié)器的被調節(jié)量為甲醇注入量，從而使得天然氣管道內的水合物生成臨界溫度在工況環(huán)境溫度以下。本次模型的搭建主要以混合器、分離器、壓縮機、換熱器、管線等模擬單元組成，如圖2所示。

首先，模擬干管來氣集體進入分離器的過程，以混合器模擬干管內氣體與液體共存的狀態(tài)。通過設置器保證了天然氣全組分與模擬注水在同樣的壓力、溫度下進行混合，利用調節(jié)器確定分離器入口的干管溫度、模擬分離器得到的污液量等數據都與集氣站生產報表中的數據一致。其次，模擬經過分離器得到的氣體進入壓縮機進行增壓處理，模型中增加換熱器是為了使經過模擬增壓后的天然氣溫度與實際生產運行溫度參數一致，保證計算的真實性。最后，模擬氣體在外輸出站前進行注醇工藝，利用混合器將甲醇與天然氣進行混合外輸。與干管相似，利用設置器保證天然氣與甲醇以相同的壓力混入，甲醇的注入溫度參考實際環(huán)境溫度，通過調節(jié)器計算甲醇的注入量。

2.2 參數設置

輸入氣體全組分中各組分含量，根據實際生產運行數據設置各物流、模擬設備的壓力、溫度、流量等參數。其中，“調節(jié)器-3”就是甲醇注入量計算單元，設置調節(jié)器的被調節(jié)量為甲醇注入量，其目的是控制管道出口處的天然氣水合物生成臨界溫度在管線環(huán)境溫度以下3～5℃，通過定量迭代的方式計算出合理的甲醇注入量。

2.3 注醇量影響因素分析

以蘇里格氣田S-8集氣站至S-4集氣站集氣支線某天生產運行數據為例，利用HYSYS模型進行注醇量計算。該支線S-8集氣站分離器入口壓力為1.2 MPa、地溫6.9℃、管線入口溫度53℃、管線入口壓力2.9 MPa，軟件計算出的甲醇注入量為7×10-5L/m3，其中S-8集氣站的氣體組分如表1所示。

表1 S-8集氣站的氣體組分信息Table 1 Composition information of S-8 gas gathering station

為了探究影響集氣支線管道內甲醇注入量的主要因素，分別以等幅度逐漸遞增各個因素的變量，主要包括氣體流量、地溫、分離器入口壓力等因素，各因素增幅后的計算結果，如表2所示。并繪制曲線圖，如圖3所示。

表2 各因素影響程度計算表Table 2 Calculation table of influence degree of each factor

圖3 不同影響因素對甲醇添加量變化的影響Fig.3 Effect of different factors on methanol addition

當分離器入口壓力、地溫等因素的變量固定時，隨著管道內氣體流量增加，對于甲醇的消耗也逐漸增加。由曲線圖可直觀判斷出，氣體流量是影響甲醇注入量的最主要因素，對應集氣站內地溫的影響程度次之。當其它各因素的變量固定時，隨著集氣站內分離器入口壓力增加，甲醇消耗量減小，如圖4所示。

圖4 分離器入口壓力對甲醇添加量變化的影響曲線Fig.4 Effect of separator inlet pressure methanol addition

3 現(xiàn)場應用與效果評價

3.1 現(xiàn)場應用

為了驗證模型計算結果的合理性，在蘇里格氣田S-8集氣站至S-4集氣站的集氣支線進行現(xiàn)場應用，根據該支線每天的運行參數計算出所需注醇量，如表3所示。

表3 S-8集氣站的運行數據Table 3 Operation data of S-8 gas gathering station

為了保證正常生產，需將該支線的實際注醇量逐漸降低至計算量。由于存在現(xiàn)場人員操作誤差、設備精度不準確等客觀因素，實際用量與計算用量會有所偏差。

3.2 效果評價

從應用期間的生產運行數據分析，該支線起點站和終點站的氣體外輸壓力均沒有大幅度上升的趨勢，各站的外輸氣量也處于穩(wěn)定狀態(tài)。故判斷出管道內沒有水合物生成的趨勢，驗證了甲醇量計算模型的合理性。

表4 甲醇用量對比表Table 4 Comparison of methanol consumption

從表4可見，通過對比往年或同年冬季其他月份的注醇量，易觀察出降低了甲醇的使用量，提高經濟效益。

4 結論

本文結合蘇里格氣田集輸支線的工藝流程現(xiàn)狀和該氣田集輸支線的模型搭建方案，以管線生產運行參數為基礎，計算出某集氣支線所需甲醇的注入量，探討了影響甲醇注入量的主要因素，通過現(xiàn)場應用的方式驗證了模型的合理性并得出以下結論：

（1）HYSYS軟件提供了一種操作方便的注醇量確定方法，結合蘇里格氣田集輸支線工藝流程現(xiàn)狀搭建的模型將更具有針對性和適用性。

（2）在蘇里格氣田集輸支線的注醇工藝中，天然氣中的氣相水含量對注醇量的影響最大，外輸管道內的輸氣量次之。

（3）相比于實際注醇量，模型的計算結果可節(jié)省甲醇的使用量，降低采氣成本。

（4）對于天然氣水合物的生成應以預防為主，根據管線的運行參數和影響因素及時計算調整注醇量，避免出現(xiàn)甲醇使用量過多或不足的情況。